飛機燃油測量系統設計及免加油校準優化方案

劉兆強 楊東 許揚 李長勝

摘要：為了提升飛機燃油測量系統的免加油校準能力，根據油量測量系統的設計原理，分析了各部件對油量測量一致性的影響權重，并在權重分析的基礎上，結合對常規的手動校準和自動校準方案論證結果，提出了一種燃油測量系統免加油校準設備方案。結果顯示，該設備的原理正確，功能完善，能滿足大部分條件下的飛機燃油測量系統免加油校準操作。

關鍵詞：燃油測量系統；測量一致性；系統免加油校準

Keywords：fuel measuring system；measurement consistency；fuel free calibration

0 引言

目前，飛機燃油測控系統主要以電容式測量原理為主，傳感器中不同的油量將導致不同的輸出電容，配以附屬處理電路即可完成飛機油量信號的實時監測與顯示[1，2]。而在油量測量和模擬信號傳輸過程中，油量傳感器、激勵源信號、信號傳輸電纜、信號處理電路均在一定程度上影響著油量測量的信號一致性，因此，在燃油系統裝機或更換系統油量測量部件后必須對系統進行校準操作[3]。

系統油量部分的常規校準分為手動校準和自動校準兩種方式，但常規的校準方式均需要對飛機油箱反復加放油，容易造成地勤人員工作量大和燃油浪費，因此燃油系統的免加油校準被廣泛提出。電容式油量測量系統免加油校準是系統性的技術問題，目前該問題的解決方案有兩種，分別是系統解決方案和利用模擬信號裝置代替加放油進行校準。其中，系統解決方案是基于產品一致性設計和嚴格的誤差分配，將油量傳感器、油量測量電纜、燃油測量計算機進行標定校準，只需在首次加放油時進行標定并記錄原始數據，后續更換計算機可根據原始數據修訂換裝計算機數據，實現免加油校準。利用模擬信號裝置代替加放油進行校準的方案的具體操作為：利用模擬信號裝置還原機上滿油和零油信號，實現對燃油測量計算機的校準，該方案需要在每架飛機出廠前均對從油量傳感器至燃油測量計算機端的電容信號進行測量并記錄歸檔，且在測量和還原信號的環節會引入一定的附加誤差，較難滿足系統測量誤差要求。

第一種方式適用于新研制的燃油測量系統，在設計初期進行免加油校準設計，第二種方式適用于已有燃油測量系統的免加油校準優化，本文在此基礎上論述某型飛機的燃油測量系統設計及免加油校準優化方案。

1 燃油測量原理

燃油測量系統由檢查和控制操縱臺、顯示驅動器、油量傳感器和溫度傳感器組成，圖1所示為常用的設計接線方式。檢查和控制操縱臺接收油量傳感器、溫度傳感器等各類信號，與顯示驅動器一起對上述信號進行綜合處理后得到油量、溫度等信息，通過RS-422A接口發送到上位機。檢查和控制操縱臺還具有油量測量零滿調整功能和零滿檢查功能。

如圖2所示，在燃油測量原理框圖中，虛線框內分別為油量傳感器、溫度傳感器、顯示驅動器，其余部分為檢查和控制操縱臺。

根據該測量原理，油量測量時的具體操作步驟如下：

1）將115V信號引入檢查和控制操縱臺后，變換為激勵信號激勵油量測量交流電橋工作，變換為驅動信號驅動顯示驅動器內的同步電機工作。

2）顯示驅動器內的同步電機帶動平衡電位計和取樣電位計同步轉動，平衡電位計參與交流電橋平衡，取樣電位計以直流電壓的形式同步反映平衡電位計的位置情況。

3）溫度傳感器在交流電橋中起電路溫度補償作用（另一路溫度傳感器用于測量燃油密度，與油量測量電橋無關，圖中未反映）。

4）正常工作情況下，一路激勵信號通過零檢測開關的默認位置激勵調零電位計、電容式傳感器（A1橋），另一路激勵信號激勵調滿電位計、溫度傳感器、平衡電位計、平衡電容（B橋）。兩路信號求和、放大，轉換為控制信號控制顯示驅動器的同步電機做正向和反向運動，同步電機帶動平衡電位計和取樣電位計同步轉動。工作結果有三種： A1橋和B橋信號平衡，同步電機停止轉動，油量正常指示；A1橋>B橋，油量顯示上限值；B橋>A1橋，油量顯示下限值。其中，調零電位計和調滿電位計需在傳感器空油位和滿油位時按照既定要求調整到位，為油量測量確定零滿點。

5）零位檢測情況下，即按壓檢查和控制操縱臺上的“零”檢測按鈕，一路激勵信號通過零檢測開關的切換位置激勵標準電位計、標準電容（A2橋），另一路激勵B橋。兩路信號求和、放大，轉換為控制信號控制顯示驅動器的同步電機做正向和反向運動，同步電機帶動平衡電位計和取樣電位計同步轉動。此時的A2橋用于替代A1橋工作，檢測電橋電路能否回到0±100kg。完成油量零滿標定后，需在零位檢測情況下調整標準電位計使油量指示0±100kg。

6）最大檢測情況下，即按壓檢查和控制操縱臺上的“最大”檢測按鈕，一路激勵信號通過零檢測開關的默認位置激勵“調零電位計、電容式傳感器”，同時通過最大檢測開關的切換位置激勵“標準電位計、標準電容”（A1+A2橋），另一路激勵B橋。兩路信號求和、放大，轉換為控制信號控制顯示驅動器的同步電機做正向和反向運動，同步電機帶動平衡電位計和取樣電位計同步轉動。此時A1+A2橋工作，檢測電橋電路能否指示到最大值。

2 油量測量一致性的影響因素

由圖1和圖2可知，在油量測量和模擬信號傳輸過程中，油量傳感器、激勵源信號、信號傳輸電纜、顯示驅動器、檢查和控制操縱臺均會影響油量測量的一致性。而溫度傳感器的物理特性為電阻，本身一致性較好，對油量測量一致性影響基本可以忽略。

2.1 油量傳感器

9根油量傳感器的電容最大誤差為15.6pF，相對誤差為15.6/355.6=4.4%，即油量傳感器影響的極限為4.4%。

2.2 激勵源信號

燃油測量系統油量傳感器的激勵信號為115V電源經信號變壓器產生的正弦恒頻信號，標準信號的頻率為400Hz，峰峰值為20V。由試驗結果可知，激勵信號的頻率和信號峰值均會對傳感器的輸出信號產生影響，誤差約為±0.7%，即極限差異為1.4%，這是一項已得到驗證的技術指標。

2.3 信號傳輸電纜

如圖3所示，在燃油測量系統中，檢查和控制操縱臺、顯示驅動器、油量傳感器以及溫度傳感器通過信號傳輸電纜與油量傳感器相連。油量傳感器從飛機油箱至飛機座艙的檢查和控制操縱臺長達20m，電纜的敷設、捆扎方式、線纜間的寄生電容、線纜導通電阻均會導致信號的差異。根據工程數據統計，油量傳感器到檢查和控制操縱臺的信號傳輸電纜引入的分布電容差異為26～34pF，即變化量約為8pF，該差異大小與飛機型號相關。根據燃油中傳感器電容值約為空氣中電容值的2倍，傳感器組電容變化量約為355.8pF，則相對變化量為8/355.8=2.2%，即信號傳輸電纜影響的極限差異為2.2%。

2.4 檢查和控制操縱臺及顯示驅動器

檢查和控制操縱臺及顯示驅動器共同構成油量測量電橋電路，而內部變壓器、運算放大器、功率三極管、同步電機、多聯電位器及阻容器件等器件的個體差異以及內部印制電路板、線束等差異也會導致信號測量的一致性降低。檢查和控制操作臺及顯示驅動器的差異性可以通過調零、調滿操作消除，在本免加油校準方案中可以忽略。

因此，若不進行機上加放油調零、調滿操作以消除傳感器和電纜引入的誤差，則燃油測量系統中將最大引入4.4%+1.4%+2.2%=8%的誤差值，將超出規定的使用要求。

3 燃油測量常規校準操作

3.1 校準的必要性

如上所述，受燃油測量系統的測量原理所限，產品裝機后的油量傳感器信號轉換各環節存在參數差異，油量測量難以一致。當前實際工程應用中難以消除油量傳感器、信號傳輸電纜、元器件參數的差異性，因此，在燃油系統裝機或更換系統油量測量部件（檢查和控制操縱臺、顯示驅動器、油量傳感器）后，必須對系統進行校準操作。

在不同的液面高度下，電容式油量傳感器輸出不同的電容值，經測量變換為不同的電壓。由于油量傳感器上已刻錄了油箱曲線，實際測量油箱內油量值和油量測量電壓值后，得到如圖4所示的曲線。

如圖4所示，油量和電壓曲線近似為一次曲線，因此可用一次方程y=k+b進行線性擬合，假設油量值與電壓值的轉換關系為：

燃油測量系統常規校準設備的檢查和控制操縱臺面板如圖5所示。

某型機要求測量系統的檢查和操縱控制臺、顯示驅動器在首次裝機或其中任意部件更換或油量傳感器在首次裝機或1/3的油量傳感器部件更換后，必須實施系統油量部分的調零、調滿校準。目前，系統油量部分的常規校準分為手動校準和自動校準兩種形式。系統產品首次裝機進行油量部分校準時，需先進行手動校準，再進行系統自動校準；飛機在之后的使用過程中，若需進行油量部分的校準，一般直接實施自動校準，無需再進行手動校準。

3.2 手動調整校準

將燃油測量系統安裝上飛機后，系統油量部分的手動校準包含以下步驟：打開系統檢測口蓋，將專用試驗器連接到系統檢測口；接通本燃油測量系統的電源；系統產品通電3min后，打開調整蓋板；在空油箱狀態時，旋動“零”調整旋鈕，調整燃油油量系統的零位，使專用試驗器顯示值為0.6±0.05V；在滿油箱狀態時，旋動“最大”調整旋鈕，使專用試驗器顯示值為7±0.3V；系統油量部分調零、調滿校準完畢后，關閉調整蓋板；關閉本燃油測量系統的電源；關閉系統檢測口蓋。手動校準過程中應注意，在調節滿位后，需檢查系統的零位值，必要時需反復進行調整。

3.3 自動調整校準

燃油測量系統的自動校準包括調零校準和調滿校準，具體操作是以“自動調零”按鈕和“自動調滿”按鈕共同完成。

在進行燃油測量系統的自動調整校準時，按以下步驟進行：接通燃油測量系統的電源；系統產品通電3min后，打開調整蓋板；在飛機油箱滿油或空油狀態時，按下“自動調滿”或“自動調零”按鈕3s后松開，完成系統油量部分的自動調滿調零校準；關閉本燃油測量系統的電源；關閉檢查和控制操縱臺面板上的調整蓋板。

4 燃油油量測量系統免加油校準方案設計

4.1 設備工作原理

研制的免加油校準設備由數字式電容測量電路、免加油校準裝置、飛機油量信號模擬裝置、面板顯示模塊等組成。燃油油量-耗量測量系統免加油校準檢測設備板如圖6所示。

數字式電容測量電路由運算放大器、A/D轉換器、面板插座操縱板組件、檢測電纜組件等組成，對飛機燃油電容信號及傳感器電容值進行測量及故障判斷，并通過面板波段開關切換，在線測量飛機各油量傳感器的電容值和全機總電容值（油量）以及單根油量傳感器的電容值。通過數字式電容測量電路，測量并記錄飛機油量零位、滿位電容值。用免加油校準裝置復現飛機油量零位、滿位電容值，實現對燃油測量系統的免加油校準操作。

該設備設計有電源反接保護電路，具有反接保護功能。采用便攜式機箱設計，具有防水、防震功能，并方便外場使用。

4.2 設備功能

該套燃油油量測量系統免加油校準設備具有的功能包括：1）檢查燃油油量測量系統的基本誤差；2）隨機測量傳感器的空油電容值，地面測量單個傳感器的空油電容值；3）對裝機后傳感器的故障檢查；4）不加放油，調整燃油油量測量系統零、滿位；5）檢測顯示驅動器直流電壓進行燃油油量測量系統零滿位調整工作狀態檢查。6）設備具有自檢測功能，電源具有反接保護功能。

4.3 免加油校準實現

準備環節：當油量傳感器更換超過1/3時需測一次，考慮到傳感器故障率較低，一架飛機在準備環節只需測一次。

1）飛機處于校準狀態，將飛機燃油放空并對飛機燃油測量系統進行燃油零位校準操作；

2）用本設備實際測量并記錄飛機零位油量電容值；

3）將飛機燃油加滿并對飛機燃油測量系統進行燃油滿位校準操作；

4）用本設備實際測量并記錄飛機滿位油量電容值。

使用環節：

1）本設備對接擬裝機檢查和控制操縱臺及顯示驅動器；

2）模擬輸出已記錄飛機零位油量電容值，并執行調零操作；

3）模擬輸出已記錄飛機滿位油量電容值，并執行調滿操作；

4）檢查和控制操縱臺及顯示驅動器裝機；

5）免加油校準結束。

5 結論

根據目前飛機燃油測量系統的設計原理，本文分析了油量測量和模擬信號傳輸過程中影響油量測量一致性的各項因素，結論如下：油量傳感器和信號傳輸電纜對油量測量一致性的影響較大，激勵信號和內部元器件的質量也會在一定程度上影響傳感器的輸出信號，而溫度傳感器的影響可以忽略不計。為提高系統燃油測量的一致性，在分析常規手動校準和自動校準的基礎上，進一步提出一種燃油測量系統免加油校準設備方案，該方案用模擬油量信號替代真實加放油過程，復現飛機油量零位、滿位電容值，實現對燃油測量系統的免加油校準操作。該設備原理正確，功能完善，能滿足大部分條件下的飛機燃油測量系統免加油校準操作。

參考文獻

[1]顏萬億，劉日明. 飛機燃油系統測量技術研究[M]. 北京：第三0一研究所出版，1992.

[2] Roy L，Chuck C. Aircraft Fuel System [M]. United Kingdom：JohnWiley&Sons，Ltd，1996.

[3] HB 6178-1988，電容式燃油油量測量系統的安裝和校準[S]. 航空工業部601所，1988.

作者簡介

劉兆強，研究員級高級工程師，研究方向為機載燃油測量控制。