機載燃油密度傳感器高低溫靜態試驗技術

邱遙遠，牛滿江，余剛，薛雙喜

航空工業四川泛華航空儀表電器有限公司，成都 610500

機載燃油測量是飛機燃油系統最重要的功能之一。燃油測量的精度、可靠性及維護性，對飛機的性能有著重要的影響［1］。對軍用飛機而言，提高燃油測量精度，意味著可以大大提高飛機的有效載荷、航程及作戰半徑；而對民用飛機而言，提高燃油測量精度，則可以提高載客載貨能力，大大改善飛機經濟性，降低運營成本。

飛機燃油測量一般以質量作為測量的最終結果，然而由于飛機在不同氣候、不同空域下，不同牌號燃油的品質等會發生很大變化，從而引起燃油密度的變化，這樣就增加了燃油測量的不確定性［2］。因此，為了實現最高精度燃油質量測量，必須能夠直接測量飛機燃油的密度［3－4］。

航空機載燃油密度傳感器能實現機載燃油密度實時測量，該傳感器具有測量精度高［5－6］（優于0.4%）、穩定性好（不隨燃油牌號、溫度等變化而變化）、體積小、重量輕、功耗低［7］等特點，同時該傳感器能在惡劣環境下進行測量，具備優異的抗電磁干擾和防爆等性能。然而，在飛機的各種飛行包線環境下，機載燃油的溫度會發生劇烈變化，因此密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的工作性能直接關系到燃油測量精度。

在國外，由于商業秘密限制等原因，暫未獲得相關航空機載企業對機載燃油密度傳感器進行高低溫靜態試驗的方法。在國內，某單位從事航空機載燃油密度傳感器研制生產，該單位采用高低溫箱進行密度傳感器高低溫性能靜態試驗，這種方式既沒有實時檢測燃油的實際溫度，也沒有測量高溫燃油或低溫燃油的真實密度，因此無法真實有效地驗證密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的測量精度。

在C919大型客機機載燃油密度傳感器的研制過程中，飛機總體設計單位和美國Parker公司要求在－45～60℃的燃油溫度范圍內，機載燃油密度傳感器的測量精度不低于0.4%。而傳統的高低溫靜態試驗方法顯然無法滿足這一需求。

因此，本文對航空機載燃油密度傳感器高低溫靜態試驗方法技術進行了研究，運用阿基米德原理研究了一種在燃油中進行高低溫靜態試驗的新型試驗裝置和方法，打破傳統高低溫靜態試驗方法的固有思維，彌補了高低溫靜態試驗時難以實時測量燃油真實密度的缺陷，可以精確地驗證密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的測量精度，并通過了C919總體設計單位和美國Parker公司的評審，為航空機載燃油密度傳感器工程應用和裝機試飛提供了試驗數據支撐。

1 試驗方法

為了測試航空機載燃油密度傳感器高溫燃油和低溫燃油中的測量精度，需要解決以下3個關鍵問題：① 試驗驗證裝置的測量精度及實現方案；② 試驗時，燃油密度傳感器所處區域的真實燃油溫度及獲取方法；③ 在某一溫度條件下，燃油的真實密度值及獲取方法。

1.1 試驗裝置設計

Fig.1 Diagram of test equipment

本節設計了密度傳感器高低溫靜態試驗裝置，示意圖如圖1所示，裝置由高低溫試驗箱、專用航空燃油油箱（受試密度傳感器固定在油箱中）、支撐平臺、CNAS（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，中國合格評定國家認可委員會）實驗室校準合格的維持放大器、分析天平、高精機載燃油溫度傳感器、吊錘和燃油管路等組成。經美國Parker公司評審確認，本方案采用阿基米德原理實現試驗用燃油密度精確測量是滿足要求的，從根源解決了驗證裝置精度問題（使用其他類型和等級的密度計，依然不能證明該類型密度計在高低溫條件下的精度）；采用雙高精機載燃油溫度傳感器實現密度傳感器所處區域燃油溫度實時監控（布置于密度傳感器上下側），保證了試驗溫度指標要求；CNAS校準維持放大器實現密度傳感器輸出信號拾取。

試驗前，先建立靜態試驗基準（見1.2節），然后記錄分析天平測量的吊錘在空氣中的質量，燃油通過燃油管路將RP-3航空煤油加注入燃油箱，并用高低溫試驗箱對煤油進行加熱，當溫度傳感器所感應溫度達到試驗要求溫度并穩定后，記錄分析天平測量的吊錘在煤油中的質量，通過溫度補償計算得到試驗溫度下的吊錘體積，并運用阿基米德原理變換公式計算得到此時燃油的真實密度，作為相對誤差計算的真值。再讀取維持放大器測量的密度傳感器輸出信號周期，借助密度傳感器合格證上給定的公式（后文給出）可計算得到密度傳感器測量的密度值，該測量結果減去真值，得到絕對誤差。最后通過相對誤差計算方法得到機載燃油密度傳感器的測量精度指標。

1.2 試驗裝置靜態基準設計

一般要求試驗裝置的測量精度為UUT（Unit Under Test，受試設備）測量精度的4倍及以上［8］，所以為了驗證密度傳感器的在高溫燃油和低溫燃油中的測量精度（0.4%），就需要建立更高精度的驗證基準（不能高于0.1%）。

1.2.1 吊錘體積標定原理

在本試驗裝置中，借助吊錘測量航空煤油真實密度值的過程至關重要，所以必須先對吊錘體積進行標定，以最大限度地降低驗證系統誤差。

本文應用阿基米德原理進行吊錘體積標定，吊錘全部浸在燃油中時，它會受到向上的浮力，浮力的大小等于吊錘排開液體所受到的重力的大小，即得到吊錘排開液體的體積＝（吊錘在空氣中的質量－吊錘在液體中的質量）／液體密度，吊錘排開液體的體積即為吊錘的體積。

在進行密度傳感器高低溫靜態試驗前，必須要對吊錘體積進行標定，示意如圖2所示［9］，將分析天平（經CNAS實驗室校準）置于支撐平臺上、標準液體倒入器皿中，用分析天平分別稱重得到吊錘在空氣中的質量m空氣和完全浸沒在液體中的質量m液，結合CNAS實驗室給出的標準液體密度ρ，計算［10］得到吊錘標定體積V標為

1.2.2 燃油溫度測量方法

為了使燃油箱中的燃油溫度穩定性和均勻性均優于±0.5℃，本文設計了浸沒燃油箱的高低溫恒溫油槽，同時使用2個高精度機載燃油溫度傳感器測量密度傳感器附近的燃油溫度，溫度傳感器要滿足B類儀表［11］規范要求，保證試驗所采用的整個溫度測量系統［12－13］滿足±0.1℃的誤差要求。

1.2.3 帶溫度修正的燃油密度靜態標定原理

作為整個驗證裝置的核心，在試驗過程中，RP-3航空煤油真實密度值的獲取關系到驗證系統精度的實現，本文應用阿基米德原理測定試驗燃油真實密度ρs：

Fig.2 Diagram of hanging hammer volume calibration［9］

式中：ρs為燃油真實密度；m錘空為試驗前吊錘在空氣中的質量；m錘油為試驗時吊錘完全浸沒在燃油中的質量；V錘為試驗時吊錘的體積，即

其中：t為試驗時油箱中的燃油溫度；t標為標定時的燃油溫度；0.0 000 236為吊錘（吊錘材料為鋁合金2A12T4）的 溫 度 膨 脹 或 收 縮 系 數［14］，單位為℃－1。

標定時需取一份燃油試樣（本文試驗燃油為RP-3航空煤油），由CNAS實驗室給出t標溫度條件下的試樣密度值，該密度與式（2）計算得到的燃油密度值對比，計算它們的相對誤差，可得到試驗裝置的真實密度測量精度。

2 試驗結果

2.1 試驗裝置靜態標定及結果

為保證高低溫靜態試驗結果滿足設計要求，需要按1.2節要求對試驗裝置進行標定。

首先按圖1建立試驗裝置系統，加注RP-3航空煤油至燃油箱滿刻度線位置以完全浸沒燃油溫度傳感器，調節高低溫試驗箱溫度至設定值（標定時分別設定2個溫度進行驗證），等到1＃和2＃溫度傳感器電阻值穩定后，記錄溫度穩定時間保證正式進行驗證試驗，同時記錄2個溫度傳感器電阻值，并根據PT1000熱電阻分度表（在溫度傳感器技術說明書中）換算出溫度值，計算出溫度絕對誤差。

燃油溫度標定結果如表1所示，結果表明溫度測量系統誤差小于±0.1℃，在密度傳感器上下各布置一個高精度航空機載燃油溫度傳感器能有效監控燃油密度傳感器所處區域真實溫度，設計裝置可以保證燃油溫度的穩定性和均勻性，滿足試驗要求。

表1 燃油溫度標定結果Table 1 Results of fuel temperature calibration

在圖1的試驗裝置系統中，加注RP-3航空煤油至燃油箱滿刻度線位置，用CNAS實驗室標準密度計測量燃油箱中的航空煤油密度值，記錄燃油溫度和密度值；然后按照1.2.3節方法對吊錘進行稱重，用式（2）計算航空煤油密度值。

燃油密度標定結果如表2所示，吊錘方式測量的密度值與CNAS方式測定的密度值相對誤差Δρ為－0.025%，而CNAS實驗室的密度標定精度為±0.052%，所以采用吊錘方式測量密度的最大誤差為－0.077%（即－0.025%－0.052%＝－0.077%）。

表2 燃油密度標定結果Table 2 Results of fuel density calibration

綜上，標定結果表明：溫度測量系統誤差小于±0.1℃，密度測量系統的最大誤差為－0.077%，滿足試驗裝置的測量精度為密度傳感器（UUT）測量精度4倍及以上的要求（C919任務規定密度傳感器測量精度為0.4%）。

2.2 密度測量試驗及結果

按本文圖1搭建好試驗裝置系統，在完成2.1節的標定試驗后后，不更換燃油箱中的RP-3航空煤油，同時使密度傳感器處于工作狀態，調節試驗箱溫度，待溫度穩定后，記錄的2個燃油溫度傳感器測量的溫度為試驗溫度，并按照《DO-160F機載設備環境條件和試驗程序》的規定進行試驗［15］，在規定的檢測時間點記錄燃油密度傳感器輸出信號周期T和吊錘在燃油中的質量，結果如表3所示。

根據表3試驗結果，應用式（2）計算試驗裝置密度測量系統測得的燃油密度ρs，應用式（4）計算密度傳感器測量得到的密度值［16－18］，計算結果如表4所示。

式中：K0、K1、K2為航空機載燃油密度傳感器儀表常數，也叫特征系數，制造商在研制生產過程中，通過多種液體標定實驗確定［19－21］，并在合格證上標明。

表4 燃油密度計算結果Table 4 Results of fuel density calculation

試驗結果表明，在RP-3航空煤油和工作溫度范圍內（－45～60℃），航空機載燃油度傳感器的最大密度測量誤差為0.18%，滿足設計指標（規定精度為0.4%）要求。

3 結 論

1）運用阿基米德原理，設計了一種新的高精度航空機載燃油密度傳感器高低溫靜態試驗方法，搭建了一套高低溫靜態試驗驗證裝置。

2）通過標定試驗，表明試驗驗證裝置密度測量系統的最大誤差為－0.077%，符合試驗裝置的測量精度為密度傳感器（UUT）測量精度4倍及以上的規定，達到了設計要求，滿足航空機載燃油密度傳感器高低溫靜態試驗驗證要求。

3）通過高溫燃油試驗和低溫燃油試驗驗證，表明航空機載燃油密度傳感器在高溫燃油和低溫燃油中燃油密度最大測量誤差為0.18%，優于0.4%。