飛機燃油油位測量方法的研究

陸文俊

【摘 要】本文主要對飛機燃油油位的檢測方法進行了深入的研究，先分析了國內外油位測量的現狀，再對幾種常見的測量方法進行分析比較。根據適航和可靠性的要求，對當下國內大飛機燃油系統的油位測量提出了較為適合的檢測方法。最后，對未來油位測量方法進行了展望。

【關鍵詞】油位檢測；電容傳感器；超聲波傳感器

0 引言

飛機燃油油量測量系統的、可靠性、精確度、靈敏度、維護性對整體飛機性能而言有著舉足輕重的作用。其中，飛機燃油油位的測量是飛機燃油測量系統中很重要的一部分。據統計，燃油測量精度每提高1%，可以多載重200公斤。因此，提高飛機燃油油位測量的準確度，進一步提高油量的檢測精確度，就成為了飛機燃油系統研究工作的重要方向。

本文根據將主要討論常見的幾種測量方法，并分析其原理，包括浮子電阻式、電容式以及超聲波式等。最后，比較其優缺點，并探究適用于我國飛機燃油油位測量的有效方法，以及油位檢測方法的發展趨勢。

1 浮子電阻式油位測量方法

浮子電阻式油位測量方法通過安裝在油箱內的浮子傳感器，感受油箱中油面高度來測得飛機載油量。浮子傳感器由可變電阻和浮子組成，當油面高度變化時，可變電阻值隨之改變，這樣，就將油面高度變化的非電量變化轉換成電量變化，輸入儀表線路，從而測得油箱中的油量，其原理簡圖如下圖1所示。測量總油量時，傳感器則需要使用多個，對稱式電橋的一個橋臂由所有傳感器內的電位器互相串聯而成。

該測量方法存在以下問題：測量范圍小，指示誤差大，傳感器極易損壞，體積大，安裝調試不方便等。

2 電容式油位測量方法

電容式油位測量方法是現代航空領域最常用的方法，其基本原理是空氣與燃油存在介電常數特性方面存在差值。將兩個同心電極管垂直或接近垂直地安排在燃油箱內構成電容時，就利用了這一現象，如圖2所示。

在真空狀態下，圓柱形傳感器的理論電容值由下述公式給出：

式中ε0為介電常數，H為傳感器高度，r1為傳感器內管的外半徑，r2為傳感器內管的內半徑。如圖3所示，當燃油介質的液面在電容式傳感的兩同心圓筒之間變化時，引起極板間介質的高度變化，因而導致電容變化，傳感器的電容量如下式計算：

式中C為總電容，C1為氣體部分電容，C2為燃油部分電容，ε0為空氣介電常數，ε1為燃油介電常數。由上式可以看出總電容量與燃油液面高度呈線性關系，由于油箱曲線是已知的，所以測得燃油介質的液面高度，及可得到電容傳感器的電容量，進而得到燃油箱內的剩余油量。該測量方法主要問題是由于電容整體要浸入燃油內，所以因為其體積的原因，影響了原始液面的高度。

3 超聲波式油位測量方法

超聲波測量依賴于聲波能夠在液體中傳播并在該液體的界面處發生反射這一聲學現象。測量中的關鍵在于聲波在燃油中的傳播速度與燃油的溫度成反比，并且燃油類型不同而不同。超聲波測量系統的基本原理為：

1）聲波通過燃油時的傳播速度可由聲速計進行測量；

2）聲音從發射換能器通過燃油向上傳播到燃油界面，然后向下傳播返回接收換能器的往返時間，可用傳感器測量。

3.1 超聲波傳感器的工作原理

超聲波液位測量，是基于超聲波在聲阻抗率不同的媒介分界面上產生反射的特性。由超聲波換能器發出的超聲波在液體與氣體的分界面發生反射，產生回波被換能器接接收，依據換能器發射超聲波到再次接收到超聲波所歷經的時間可測出液位。超聲傳感器相對于電容傳感器具有結構簡單、測量精度高、測量穩定性好、抗干擾能力強等優點。如圖4所示，為超聲波聲速計和超聲波傳感器的工作原理圖，此處聲速計利用一固定目標體起到一個聲速校準的作用，而傳感器則用于測量油箱內的燃油高度。

圖5給出的時間曲線，表明采用這種布局如何可以獲得燃油油面高度，參數定義如下：

TT為目標體的往返時間，TS為至油面的往返時間，D為至目標體的已知距離，L為至油面的未知距離。

通過下列公式，可由聲速計導出燃油內的聲速VOS，即：

VOS=2D/TT

同樣，如下公式可以確定至油面的未知距離L，即：

L=VOS·（TS/2）

由上面兩個公式，我們可以得到油面高度，即：

L=D（TS/TT）

超聲波燃油測量方法主要存在的問題是這種技術不能通過測量無油空間的超聲波的往返時間，聲波在介質中傳播會發生衰減，飛機處于爬升姿態時會產生氣泡，影響測量。

3.2 超聲波傳感器的設計

如圖6所示，超聲波傳感器由下端的換能器組件構成，并附帶一個垂直固定在其上的穩定筒，傳感器可由金屬或者復合材料構成。對于某個給定位置，傳感器的整個長度與等效的電容式傳感器相同，除非留出必要的安裝間隙。

換能器組件帶有壓電陶瓷盤器件，起到收發器的作用，產生并接收超聲波。換能器組件由共振盤和電阻放電網組成，后者直接安裝在此盤上，以便安全地消散由于溫度或機械沖擊、機械迷宮或者氣泡等累積的任何非正常能量。

穩定筒的用途是準直換能器所發生和接收的聲波，并提供一個進行測量的“受保護區”。穩定筒保護測量，避免出現不利現象，例如燃油晃動或大個氣泡。穩定筒和換能器組件的設計必須使燃油可方便地進入穩定筒，以使得油位跟隨穩定筒外面的燃油，但防止在使用中可能產生的湍流引起的大個氣泡進入。在換能器組件內納入迷宮式隔聲板，可達到此目的。最后，下部安裝支架應固定到防氣泡罩上，上部可移動以及阻尼器，位于定位筒上。

4 結論

根據以上對各個檢測方法的研究和分析，結合國內油位傳感器的發展現狀，未來的商用飛機應當采用電容式油位測量方法較為妥當。

國外的技術領先國內至少20年，在積極推進油位檢測的發展方面，B777客機和F-22猛禽戰機已經使用了超聲波式油位測量方法，并取得了一定的成功。然而，我們可以看到，在最新的機型，例如波音B787夢想飛機和空客A380，以及新的超寬體機A350中全部將電容式測量作為燃油油位測量的首選技術。

究其原因，一是超聲波技術的優勢尚未得到充分的體現，二是燃油測量需要極高的可靠性，因為必須進入燃油箱進行維護，成本很高，三是電容式油位測量技術已經被應用多年，業界一直以其為基礎來制造整個燃油測量系統。因此，對于新技術的應用，一直處于保守狀態，難以取代陳舊的電容式測量法，盡管其存在電纜束連通性和水污染有關的使用問題。

對于未來油位檢測技術的發展，按作者的觀點，超聲波式油位測量法會被廣泛應用，因為技術總是會有反復推進的過程，等待技術成熟后，相信非接觸式的超聲波會以其明顯的優勢占據一席之地。未來最具發展前景的技術將是使用光和微機電技術（MEMS）的一種組合，MEMS裝置可能會設計成通過光纖受光激勵時，測量壓力、溫度、密度和加速度等傳感器。因為MEMS傳感器尺寸小，適合于埋置在復合材料結構內，因此這是能可靠的在不利環境下工作的，并滿足當前嚴格條例要求的理想后續技術。

【參考文獻】

[1]王細洋.航空概論[M].北京：航空工業出版社，2004.

[2]陳嵩祿.飛機設計手冊第13冊：動力裝置系統設計[M].航空工業出版社，2006.

[3][美]羅伊·蘭頓.飛機燃油系統[M].大飛機出版工程，2009.

[4]范斌.飛機燃油測量控制系統的設計與實現[D].2006.

[5]肖凝，樊玉銘.基于碳纖維復合材料的電容式燃油油位測量傳感器[J].計測技術，2012（2）：21-25.

[6]高光鋒，劉魁鰲.航空液位技術的現狀與發展[J].航空學技術，1994（5）.

[7]聶海濤，劉云昌.電容式傳感器在飛機燃油測量系統中的應用[J].沈陽航空工業學院學報，2007，24（5）：16-18. 2007（05）.

[8]肖凝.飛機燃油測量技術研究與發展[J].航空科學技術，2003（3）：31-34.

[責任編輯：湯靜]