超聲波流量計(jì)在飛機(jī)燃油流量測(cè)試中的應(yīng)用研究

杜 喬，姜 文，李春景

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽(yáng) 110035)

超聲波流量計(jì)在飛機(jī)燃油流量測(cè)試中的應(yīng)用研究

杜 喬，姜 文，李春景

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽(yáng) 110035)

燃油系統(tǒng)輸油流量測(cè)試是飛機(jī)燃油系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容;由于試驗(yàn)油箱內(nèi)部的各管路與真實(shí)飛機(jī)油箱管路的布置是一致的，不適合在油箱內(nèi)的狹小空間安裝渦輪流量計(jì)，并且會(huì)破壞管路流阻特性;由于使用傳統(tǒng)油箱油量標(biāo)定的方法進(jìn)行輸油流量測(cè)量耗時(shí)耗力，所以需要采用一種新的技術(shù)或測(cè)量方法來(lái)完成油箱輸油流量的測(cè)量;超聲波流量計(jì)體積小，不會(huì)破壞輸油管路流阻特性，防爆等級(jí)也符合試驗(yàn)要求;對(duì)超聲波流量計(jì)在浸油狀態(tài)下測(cè)試進(jìn)行可行性分析，將超聲波流量計(jì)在飛機(jī)燃油系統(tǒng)試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用;通過(guò)試驗(yàn)證明了超聲波流量計(jì)在飛機(jī)燃油流量測(cè)試中發(fā)揮了重要作用，并且首次將超聲波流量計(jì)應(yīng)用到飛機(jī)試驗(yàn)油箱內(nèi)部輸油管路的流量測(cè)試中，這對(duì)飛機(jī)其他系統(tǒng)的流量測(cè)試和飛機(jī)機(jī)上排故試驗(yàn)起到了重要作用。

燃油試驗(yàn)；流量測(cè)試；超聲波流量計(jì)；時(shí)差法

0 引言

燃油系統(tǒng)用來(lái)貯存飛機(jī)所需要的燃油，并保證飛機(jī)在所有的工作狀態(tài)下都能連續(xù)、有效地向發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油。此外，燃油系統(tǒng)還具有為空調(diào)系統(tǒng)的工作介質(zhì)、發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和雷達(dá)冷卻系統(tǒng)提供散熱的功能。飛機(jī)燃油系統(tǒng)試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證燃油系統(tǒng)各分系統(tǒng)及配套的成品、附件是否滿足飛機(jī)性能并且驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)可根據(jù)燃油系統(tǒng)功能及合理試驗(yàn)方法劃分為以下九大項(xiàng)內(nèi)容，分別為供油子系統(tǒng)試驗(yàn)、抽吸供油試驗(yàn)、負(fù)過(guò)載供油試驗(yàn)、輸油子系統(tǒng)試驗(yàn)、壓力加油試驗(yàn)、加油沖擊壓力測(cè)量試驗(yàn)、通氣增壓分系統(tǒng)試驗(yàn)、散熱子系統(tǒng)試驗(yàn)和油量-耗量測(cè)量子系統(tǒng)試驗(yàn)。合理的流量和壓力的燃油是飛機(jī)正常飛行的保證，無(wú)論那一項(xiàng)試驗(yàn)都會(huì)涉及到流量的測(cè)試，所以在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中測(cè)量流量的方法尤為關(guān)鍵[1]。

試驗(yàn)油箱是按照飛機(jī)油箱1：1模擬設(shè)計(jì)的，油箱內(nèi)部的各種管路布置與真實(shí)飛機(jī)油箱的管路布置一致，真實(shí)飛機(jī)各個(gè)油箱內(nèi)沒(méi)有安裝流量計(jì)，所以如果在試驗(yàn)室模擬臺(tái)油箱內(nèi)安裝渦輪流量計(jì)，勢(shì)必會(huì)破壞管路流阻特性，并且渦輪流量計(jì)的體積很大，不適合安裝在油箱內(nèi)的狹小空間內(nèi)，只能采取其他的試驗(yàn)方法獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要采用一種新的技術(shù)或測(cè)量方法來(lái)完成油箱輸油流量的測(cè)量。經(jīng)過(guò)調(diào)研論證，采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行燃油流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)體積很小，只需要安裝輸油管路的外管壁上，不會(huì)破壞輸油管路流阻特性，并且其防爆等級(jí)符合試驗(yàn)要求，適合安裝在油箱內(nèi)測(cè)量管路的液體流量。在下面的文章中將要論述其在燃油試驗(yàn)中的具體應(yīng)用。

1 超聲波流量計(jì)簡(jiǎn)介

19世紀(jì)30年代，德國(guó)人發(fā)明有史以來(lái)第一臺(tái)超聲波流量計(jì)。迄今為止，超聲波流量計(jì)歷經(jīng)了九十多年的發(fā)展歷程。雖然最初的超聲波流量計(jì)使用并不廣泛，但在一九七零年以后，隨著集成電路和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得超聲波流量計(jì)在測(cè)量精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性方面有了大幅度改善。近十幾年來(lái)，隨著我國(guó)航空事業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)防工業(yè)對(duì)于測(cè)試設(shè)備和測(cè)試技術(shù)能力要求的逐步提高，超聲波流量計(jì)迅速成為流量測(cè)量的領(lǐng)域不可或缺的組成部分[2]。

超聲波流量計(jì)主要由流量計(jì)二次儀表、測(cè)量探頭(換能器)及信號(hào)處理單元和安裝部件組成。正確選擇測(cè)量點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠和高精度的測(cè)量是至關(guān)重要的，測(cè)量必須在管道上進(jìn)行。測(cè)量點(diǎn)的正確選擇和正確的傳感器安裝位置能保證在最佳條件下接受和處理超聲波信號(hào)。由于測(cè)量環(huán)境不同對(duì)測(cè)試影響的因素眾多，對(duì)于傳感器的定位并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方案。傳感器安裝的正確性主要受介質(zhì)影響，受介質(zhì)中存在的氣泡影響，受管路的直徑、材料、內(nèi)襯、壁厚和形狀影響。安裝應(yīng)該盡量避開(kāi)管路中有沉積物的位置，應(yīng)確保選定的位置上的溫度處于儀器換能器的工作范圍內(nèi)。

結(jié)合飛機(jī)燃油試驗(yàn)流量測(cè)量的需要，分析一下所選FLEXIM公司的F601型號(hào)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)。(1)測(cè)量精度為0.5%完全符合試驗(yàn)需要；(2)適用溫度范圍-200～450℃完全包含試驗(yàn)測(cè)試溫度范圍；(3)響應(yīng)時(shí)間為70 ms；(4)可測(cè)量最小管徑為6 mm；(5)可測(cè)最低流速為0.01 m/s；(6)主機(jī)采用雙處理器，一個(gè)作為信號(hào)采集，一個(gè)作為信號(hào)處理，提高運(yùn)行速度；(7)傳感器內(nèi)部帶有溫度補(bǔ)償功能，確保介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，保證測(cè)量精度；(8)傳感器電纜為鍇裝電纜，防止傳感器在經(jīng)常適用的情況下?lián)p壞電纜，適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境；超聲波流量器內(nèi)部固化儲(chǔ)存芯片，適用時(shí)流量計(jì)自動(dòng)讀取傳感器數(shù)據(jù)，方便操作，保證試驗(yàn)測(cè)量精度[3]。

2 超聲波流量計(jì)原理

超聲波流量計(jì)就是通過(guò)測(cè)量流體對(duì)超聲波的作用所承載的信息來(lái)測(cè)量流體流量的。若所利用的承載信息不同，其測(cè)量原理也就不同，超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理可以分為時(shí)差法、相關(guān)法、多普勒法、噪聲法、旋禍法和波束偏移法等。其中時(shí)差法的技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛，本文測(cè)量燃油流量就是采用的時(shí)差法原理。

時(shí)差法是通過(guò)測(cè)量超聲波束在管道流體中傳播時(shí)間差值來(lái)測(cè)量流體流速，進(jìn)而計(jì)算出流量的[4]。

超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理參見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 超聲波流量計(jì)的安裝圖

圖2 超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間示意圖

圖1中管路為輸油管路，兩個(gè)方塊為超聲波流量計(jì)的換能器，超聲波流量計(jì)貼在輸油管外壁上，一個(gè)為超聲波發(fā)射模塊，一個(gè)為超聲波接收模塊。

如圖2所示，圖上方波形圖為超聲波在靜止液體中傳播示意曲線，下方是在有一定流速的液體傳播示意曲線。由于超聲波在煤油中的傳播速度是一定的，由于兩個(gè)模塊安裝位置之間的距離是固定的，那么如果管路內(nèi)的油是靜止的，那么一束超聲波經(jīng)過(guò)管路中煤油，再反射到接收模塊，超聲波在煤油傳播的時(shí)間就是一個(gè)定值，即t1；當(dāng)管路中的液體是流動(dòng)的，超聲波此時(shí)傳播速度應(yīng)該是液體的流動(dòng)速度疊加上超聲波在煤油中的固有的傳播速度，所以與液體靜止時(shí)接收到超聲波的時(shí)間有滯后或超前，這個(gè)時(shí)間為t2，時(shí)間差Δt就是由于管路中液體流動(dòng)產(chǎn)生的，并且與流動(dòng)速度相關(guān)，在已知管路內(nèi)徑和超聲波在液體中的固有傳播速度的情況下，就可以通過(guò)一系列計(jì)算獲得液體單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的體積，即管路中流動(dòng)液體的瞬時(shí)流量。

3 超聲波流量計(jì)組成和性能指標(biāo)

一套超聲波流量計(jì)由兩個(gè)探頭(換能器)、同軸電纜和測(cè)量?jī)x表(二次儀表)組成，兩個(gè)探頭直接安裝在管路上，通過(guò)同軸電纜將信號(hào)輸入給二次儀表，兩個(gè)探頭一個(gè)為超聲波信號(hào)發(fā)射探頭，一個(gè)為超聲波信號(hào)接受探頭。

超聲波流量計(jì)的測(cè)試精度為：0.5%

防爆等級(jí)：二區(qū)防爆ExdII BT4

可測(cè)溫度范圍：-200℃～450℃

可測(cè)最低流速：0.01 m/s

可測(cè)最小管徑：6 mm

4 超聲波流量計(jì)安裝方法和注意事項(xiàng)

安裝方式主要有兩種：同一側(cè)安裝和對(duì)側(cè)安裝，見(jiàn)圖3。

圖3 超聲波流量計(jì)安裝方式示意圖

上圖是反射式，采用V型或W型安裝；下圖是直射式，采用Z型安裝。選擇哪種安裝方式與管路的管徑相關(guān)，一般將管徑參數(shù)輸入與傳感器配套的測(cè)試儀表內(nèi)，測(cè)試儀表經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)提示一個(gè)比較適合的安裝方式，并且給出最優(yōu)的安裝距離。安裝人員按照此參數(shù)進(jìn)行實(shí)際安裝。

反射式安裝需要兩個(gè)模塊中心線在一條直線上，并且與管路軸線平行，而直射式安裝兩個(gè)模塊中心線在一個(gè)平面內(nèi)，并且與管路軸線平行。這兩個(gè)條件看似簡(jiǎn)單，卻往往因?yàn)榘惭b位置和安裝空間的限制不容易實(shí)現(xiàn)，通常要利用直角尺和游標(biāo)卡尺共同完成安裝[5]。兩個(gè)探頭之間的距離要利用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量，此參數(shù)需要輸入給測(cè)量?jī)x表參與流量值計(jì)算。

超聲波安裝位置的選擇，有以下幾條注意事項(xiàng)：

①首先保證需要測(cè)量的管路是一段直管路，并且管路外表面和內(nèi)表面都比較光滑，如果表面比較粗糙，會(huì)降低超聲波的反射能力，影響測(cè)量精度；

②傳感器距離如果管路上有彎頭、變徑、閥門(mén)和泵等，要保證一定的距離，因?yàn)樵趶濐^、變徑、閥門(mén)和泵的附近容易產(chǎn)生渦流，影響測(cè)量數(shù)據(jù)，具體距離參數(shù)可查找安裝說(shuō)明的參數(shù)表，傳感器一般與之都要相距10倍管徑以上；

③如果選擇垂直地面的管路測(cè)量，要注意液體的流向，要選擇液體向上流動(dòng)的管路，因?yàn)橐后w向下流動(dòng)時(shí)，受重力的影響，容易造成液柱不連續(xù)，有氣泡產(chǎn)生，影響測(cè)量精度。

5 二次儀表的使用及數(shù)據(jù)采集

超聲波流量計(jì)的探頭通過(guò)同軸電纜與二次儀表相連，二次儀表通過(guò)采集超聲波信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到流量值。

二次儀表需要輸入輸油管路的管徑參數(shù)，超聲波在煤油中的傳播速度，煤油密度、黏度系數(shù)、測(cè)試電纜長(zhǎng)度等參數(shù)[6]。

測(cè)量?jī)x表計(jì)算出流量值后，可以根據(jù)設(shè)定的量程范圍變送輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓信號(hào)，供計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采集記錄。

6 超聲波流量計(jì)的在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中具體應(yīng)用

在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中需要采用油箱標(biāo)定的方法來(lái)測(cè)量輸油流量。在以往的型號(hào)試驗(yàn)中油箱標(biāo)定的方法是通過(guò)逐次向油箱內(nèi)加入一定量的煤油，記錄下油箱內(nèi)液位傳感器的液位高度，得到油箱的油量-高度曲線。在油箱標(biāo)定試驗(yàn)中，油箱輸油，記錄下油箱內(nèi)液位傳感器的液位高度變化，通過(guò)油量-高度曲線計(jì)算得到油箱油量隨時(shí)間變化曲線，其斜率是油箱輸油瞬時(shí)流量。但是油箱標(biāo)定是一項(xiàng)很龐大的試驗(yàn)，雖然試驗(yàn)本身并不復(fù)雜，但需要耗費(fèi)大量人力物力，在某型飛機(jī)油量標(biāo)定試驗(yàn)中，整個(gè)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)用兩個(gè)月才完成標(biāo)定試驗(yàn)。并且在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中，試驗(yàn)需要測(cè)試不同油箱在不同姿態(tài)下的輸油流量，而渦輪流量計(jì)的體積很大，不適合安裝在油箱內(nèi)的狹小空間，因此不能安裝渦輪流量計(jì)，為了保住試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)不能再使用的耗時(shí)耗力的測(cè)量方法。所以，需要采用一種新的技術(shù)或測(cè)量方法來(lái)完成油箱輸油流量的測(cè)量。經(jīng)過(guò)調(diào)研論證，發(fā)現(xiàn)了一種新型流量測(cè)量?jī)x器—超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是體積很小、適合安裝在輸油管路的外管壁上，不會(huì)破壞輸油管路流阻特性，并且其防爆等級(jí)是二區(qū)防爆ExdII BT4符合飛機(jī)燃油試驗(yàn)要求，可以浸泡在油箱煤油中測(cè)量油箱內(nèi)部管路的煤油流量。

團(tuán)隊(duì)首次將超聲波流量計(jì)應(yīng)用到飛機(jī)燃油試驗(yàn)中，而其中最大亮點(diǎn)就是首次使用超聲波流量計(jì)測(cè)量浸在飛機(jī)油箱中的輸油管路的輸油流量。

下面結(jié)合測(cè)量機(jī)翼油箱的輸油流量測(cè)量介紹超聲波流量計(jì)的在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中具體應(yīng)用。

首先打開(kāi)油箱口蓋，確認(rèn)需要測(cè)量的管路，選擇測(cè)量位置時(shí)要參照上文所述的安裝位置選擇注意事項(xiàng)。

通過(guò)查閱管路設(shè)計(jì)圖紙，獲得待測(cè)輸油管路的材料型號(hào)、管徑、壁厚等參數(shù)指標(biāo)，經(jīng)確認(rèn)，機(jī)翼油箱的輸油管路材料為鋁、外徑(XX)mm、壁厚(XX)mm，將這些參數(shù)輸入測(cè)量?jī)x表，測(cè)量?jī)x表經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算，給出最優(yōu)的安裝方式和探頭之間的最佳間距。

在確定好安裝位置后，按照測(cè)量?jī)x表提示的安裝方式和間距進(jìn)行安裝，安裝時(shí)一定要注意探頭的中心線與管路軸線平行，參照前文論述，另外注意探頭的方向與管路中煤油流向一致。

探頭固定好后，用千分卡尺測(cè)量?jī)蓚€(gè)探頭之間的實(shí)際距離，雖然安裝時(shí)是盡量按照儀表給出的尺寸安裝，但由于安裝空間限制，實(shí)際距離與要求距離不能完全相同，但只要將實(shí)際距離輸入測(cè)量?jī)x表，測(cè)量?jī)x表根據(jù)實(shí)際距離進(jìn)行修正。

探頭固定安裝后，將探頭的測(cè)試電纜與測(cè)量?jī)x表連接，這時(shí)，如果管路中充滿煤油，儀表的測(cè)試界面將顯示超聲波信號(hào)強(qiáng)弱，如果信號(hào)很強(qiáng)，則表明探頭安裝正確，如果信號(hào)弱，則需檢查探頭安裝情況，調(diào)整安裝，直至顯示信號(hào)正常，可以進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

測(cè)試儀表將測(cè)得的流量值輸入給計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同步記錄流量值和試驗(yàn)中其他參數(shù)，從而完成輸油流量測(cè)量試驗(yàn)。

7 結(jié)論

本文介紹了超聲波流量計(jì)在飛機(jī)燃油試驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用，并且在近期幾個(gè)型號(hào)的燃油地面模擬試驗(yàn)中，都應(yīng)用了超聲波流量計(jì)測(cè)量輸油流量，由于其安裝測(cè)試簡(jiǎn)單方便，節(jié)省大量的人力物力，解決了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的測(cè)試難題，很好地完成試驗(yàn)任務(wù)，確保了試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。綜上，在飛機(jī)燃油流量測(cè)試中應(yīng)用超聲波流量計(jì)是可行的，并且本方法已經(jīng)在飛機(jī)燃油模擬試驗(yàn)的流量測(cè)試中得到成功運(yùn)用。建議該測(cè)試方法在飛機(jī)其他系統(tǒng)流量測(cè)試中使用，比如液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)都非常適合使用該方法。同時(shí)，該測(cè)試方法在飛機(jī)機(jī)上排故方面會(huì)起重大作用。隨著超聲波流量計(jì)發(fā)展，測(cè)試設(shè)備越來(lái)越小，并且可以應(yīng)用在機(jī)上燃油流量測(cè)試。

[1] 羅伊·蘭頓.飛機(jī)燃油系統(tǒng)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[2] 黃摯雄.超聲波流量計(jì)的發(fā)展與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，1998(3):1-4.

[3] 陳 聰.超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].醫(yī)藥工程技術(shù)，2010(1):48-50.

[4] 劉 杰.基于時(shí)差法的超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

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[6] 蘭純純.時(shí)差式超聲波流量計(jì)二次儀表的研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械能源學(xué)院，2004.

Application Research of Ultrasonic Flowmeter in Aircraft
Fuel Oil Flow Test

Du Qiao,Jiang Wen,Li Chunjing

(Shenyang Aircraft Design and Research Institute,Shenyang 110035,China)

The system of fuel oil flow test is one of the significant ground simulation experiments. The tubes layout in the test reservoir are consistent with that in the real aircraft reservoir, so they are not suitable to be installed in the narrow space of the reservoir. And it will damage the flow resistance characteristic of the tube to install the turbine flowmeter. As the way of traditional reservoir oil calibration wastes work and time, it is necessary to apply a novel technology to fulfill the oil calibration. Because the volume of ultrasonic flowmeter is smaller so it will not ruin the flow resistance characteristic of oil transportation tube which can meet the experiment demand. This paper deals with the possibility analysis of the ultrasonic flowmeter under the circumstances of immersion oil, the creation of ultrasonic flowmeter will be fulfilled in the fuel oil system experiments. The importance of ultrasonic flowmeter in the test of airplane fuel oil will be verified by the experiments. It is significant to make a fuel oil flow test utilizing the ultrasonic flowmeter in the fuel oil system series experiments for the first time. As a result, it is proved that ultrasonic flowmeter plays an important role in the aircraft fuel oil flow test and troubleshooting.

fuel oil test; flow test; ultrasonic flowmeter; time-difference method

2016-12-20；

2017-01-05。

杜 喬(1982-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，主要從事飛機(jī)燃油系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試與控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0053-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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