飞机燃油系统油量传感器布置方法

王 卉

(上海飞机设计研究院动力燃油部，上海 201210)



飞机燃油系统油量传感器布置方法

王 卉

(上海飞机设计研究院动力燃油部，上海 201210)

燃油油量传感器的布置是影响燃油指示系统测量精度最重要的因素。本文对油量传感器的布置方法和油量解算的方法展开了研究和讨论，并且分析了单点故障要求下的传感器布置方法，以及如何减小单点故障对精度的影响，同时初步探讨了油箱变形对传感器布置的影响。

油量传感器；油量解算；测量精度；单点故障；油箱变形

0 引言

现代客机均采用的数字式燃油指示系统主要由油量传感器和燃油计算机组成。燃油计算机根据油箱内的油量传感器采集到的数据进行油量解算，得出当前油量。因此，传感器的布置方案和油量解算的方法都会影响精度。在燃油指示系统的设计阶段，可以从这两个方面入手提高指示系统的精度。

1 燃油油量传感器布置的基本原则

1)传感器安装位置可行性原则

a.避开管路、口盖和设备，以及吸油口；

b.考虑是否便于安装。

2)内油量传感器与油箱壁距离原则

按照传感器安装与拆卸、闪电防护等要求，内装式油量传感器与油箱壁(油箱顶部与底部)之间必须保持一定距离，避免产生火花。

3)补偿传感器安装位置限制性原则

现代客机补偿传感器通常与油量传感器集成为一体。工作过程中，要求补偿传感器始终浸入燃油，通常安装在集油箱的低点。

4)密度计的布置

如果燃油密度计只在地面加油时使用，空中不采集其数据，应将其放置在可以及时感受到燃油混合的位置。有的密度计在空中实时测量，那么就应该将其布置在集油箱内。

5)油量传感器布置应能满足顶部与底部不可测油量的要求

由于传感器的安装位置和高度不同，在不同油面情况下，会出现某些传感器不能感受到油面变化的情况，这就是测量死区。传感器测量死区示意图见图1。

图1 传感器顶部和底部不可测油量

在油面低于或超出油量传感器探测区域时，油量测量会具有底部或顶部不可测油量。

6)油量传感器布置应保证常见飞行姿态下高度测量的连续性

从图2可以看出，当飞机在某个姿态下，导致燃油油面在直线a和b之间变化时，1和2都不能感受到油面的变化，只有中间新增的传感器3才可以感受到当前油面的高度。

图2 传感器测量油面高度连续性原理示意图

7)油量传感器布置应能保证在常见飞行姿态下测量姿态误差小

应尽量将传感器靠近油面的面心布置以减小姿态误差。

2 油量传感器布置流程

1)需要考虑可行性安装位置

利用CATIA软件以油箱数模为基础，初步确定每根翼肋附近的可行安装区域，然后对该区域进行离散化处理。

2)考虑顶部与底部不可测油量约束

考虑到燃油流动的连通性，利用密封肋和半密封肋将油箱划分为若干个隔断，针对每个隔断进行分析。

设置传感器的底部与顶部不可测油量，通过筛选保留下来同时满足顶部和底部不可测油量的传感器。

3)综合考虑油位测量连续性约束

传感器配对。即从满足顶部不可测油量的传感器组A中选取一根，与满足底部不可测油量的传感器组B中的一根形成一对组合C，做到一一遍历。然后对组合C进行测量连续性考察。

a.确定最大飞机姿态角对应的油平面。以图3为例，假设最大姿态角下的油平面是平行于直线a和直线b的，那么如果只考察1和2号传感器，当油平面在a和b之间的区域变化时，没有传感器可以测量，因此需要增加3传感器。

b.过3号传感器的最低点，做平行于直线a的直线c，这时可以看到a和c之间，b和c之间，仍然没有传感器可以测量，因此需要分别针对这两个区域再增加传感器。

c.在增加4和5号传感器之后，以相同的方式检查。可以看到，此时这5根传感器可以保证在最大姿态下，始终有一根传感器可以感受到油面变化的情况。因此这个组合满足测量连续性的要求。

d.对每一个传感器组合都采用这种方式检查，确保最终每个组合都可以满足测量连续性的要求。

图3 测量连续性约束考察

4)确定最终传感器布局

考虑正常油位状态下测量姿态误差约束，以传感器数量最少时，总姿态误差最小确定最终传感器布局。

5)放置密度计和补偿传感器

根据实际情况确定是否需要在空中测量燃油密度，然后按照第1节提到的原则布置密度计。

在布置补偿传感器时，应保证将其始终浸没在燃油里，因此通常将补偿传感器安装在集油箱的低点。

3 燃油量解算的方法

首先离线生成一个传感器的真值表，该真值表中包含了不同姿态下，不同的传感器测量高度H所对应的燃油量体积V，即H-V曲线。生成真值表的主要步骤如下：

1)确定某一飞行姿态，通过传感器上的某个点(对应某测量高度)，以平行于大地的平面切割油箱数模，得到剩余的油箱体积；

2)保持飞行姿态不变，递增/递减传感器的测量高度，得到一组H-V曲线；

3)递增/递减飞行姿态角，重复上述两个步骤，最后得到不同飞行姿态对应的H-V曲线。

燃油计算机获取传感器的数据H后，对真值表进行插值后得出V，根据由补偿传感器、密度传感器信号确定的燃油密度ρ即可计算出油箱中的燃油油量m(kg)。

4 单点故障下的传感器布置方法

为了提高燃油指示系统的可用性，应该考虑在出现单点故障的情况下，指示系统能否继续工作，为飞机提供油量指示。

4.1 减小单点故障影响的方法

为了减小单点故障对传感器的影响，可采取以下几种方法：

1)每个油箱内传感器采用分组布置的方法

油箱内的电缆通常采用菊花链的设计方法，即串联所有的传感器，如果某一根导线或传感器故障，这束电缆上所有传感器数据全部丧失，那么也就会丧失该油箱内的油量数据。为了避免单点故障造成油量指示丧失，可将油箱内的传感器分组布置。如图4所示，油箱内布置A和B两组传感器，黑色代表A组传感器，白色代表B组传感器，这两组传感器采用独立的电缆传输。

2)余度设计

在每个位置放置两根传感器，并通过两束独立的电缆传输这两根传感器的信号。传感器和导线都有备份。

3)软件实现故障重构

当某根传感器故障时，可利用与它邻近的3根传感器测得的高度数据确定当前的油平面，从而反算出故障的传感器的测量高度，然后进行插值计算。

4.2 单点故障下的误差分析

如果传感器和导线均采用余度设计，那么在出现单点故障时，精度是不会降低的。下面对非余度设计的布置方案下的单点故障对精度的影响进行分析。

4.2.1 精度要求

1)正常情况下，误差不应超过指示值的0.5%，满油的1%；

2)单点故障时，误差不可超过指示值的1%，满油的2%。

4.2.2 误差分析

布置传感器时既需要保证正常情况下的精度要求，又需要考虑只有一组传感器工作时的精度。假设A组内的某个传感器或者导线发生了故障，导致A组传感器数据全部丧失。此时，可利用B组的数据计算油量。那么此时B组的传感器精度能否满足要求呢？

1)首先确定方案

在开始布置传感器时就应确定油箱内采用两组传感器的方案，然后对每组传感器单独进行布置。

图4 采用两组传感器的布置方案

2)确定精度要求

由于在丧失一组传感器信号时，已经为“单点故障”的模式，此时的误差要求为“指示值的1%，满油的2%”。

3)测量连续性要求

以飞机最大姿态角作为约束，确定可以满足此要求的两组独立的传感器。

4)顶部和底部不可测油量要求

假设经过上一步后，确定的两组分别包含了10根传感器的组合，然后针对每组传感器进行分析。

图5示意了某个油箱内的顶部和底部不可测油量的约束考察。

图5 不可测油量约束考察

根据图5所示，确定每组传感器中最靠近翼根和翼尖的传感器，然后分别计算这两根传感器底部不可测油量和顶部不可测油量。此时的误差上限为2%(160kg)，考虑到油箱制造、传感器制造和安装、传感器计算分析的建模等方面的误差，可将此处的不可测油量要求尽量控制在比较小的范围内，如0.2%，即16kg。检查这两根传感器是否满足不可测油量16kg的要求，如果不满足，则需要增加传感器，直至满足该要求。

5)两组结合进行考察

由于单组传感器可以满足测量连续性要求，那么合并在一起的组合必然也是满足该要求的。然后考察此时的不可测油量要求，如果不满足，再在翼根和翼尖增加传感器，直至满足要求。

通过上述方法布置的传感器即可满足正常情况和单点故障时的精度要求。

5 油箱变形对传感器布置的影响

由于重力影响，油箱在加满油时会有一个变形，与空油箱的情况不同。可以空油箱的数模为基础，先进行传感器布置，然后再将布置方案导入有变形的油箱模型，考察是否能满足要求。

1)测量连续性

由于测量的连续性在不考虑油箱形变的情况下已经考察过了，因此一般不会再出现问题，接下来只需对不可测油量进行校验。

2)不可测油量

图6是通过倾斜传感器的角度解决不可测油量不满足要求的一种方案。由于翼根和翼尖是发生形变最大的地方，因此应取最靠近翼尖和翼根的两个隔舱进行考察。如果不可测油量要求不能满足，那么可尝试调整最靠近翼根和翼尖的传感器倾斜的角度，或者适当增加传感器的高度，以增大传感器的测量范围，最终保证满足底部和顶部不可测油量要求。

图6 倾斜最靠近翼根和翼尖的传感器

6 结论

根据上述分析可以看出，在燃油指示系统设计过程中，可以从两方面提高测量的精度：

1)合理布置传感器。在要求的姿态范围内可连续测量，即至少有一根传感器可有效感受到油面的变化情况；传感器的顶部和底部不可测油量必须满足要求。

2)合理设计真值表。当保证了上述两点之后，就可以保证在要求的姿态范围内，始终“测得到”油量，然后进行油量解算。如果真值表的数据足够密，那么由于油量解算造成的误差就会非常小，在这种情况下，传感器的布置是影响精度的主要因素。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.11