飞机燃油油位测量方法的研究

陆文俊

【摘 要】本文主要对飞机燃油油位的检测方法进行了深入的研究，先分析了国内外油位测量的现状，再对几种常见的测量方法进行分析比较。根据适航和可靠性的要求，对当下国内大飞机燃油系统的油位测量提出了较为适合的检测方法。最后，对未来油位测量方法进行了展望。

【关键词】油位检测；电容传感器；超声波传感器

0 引言

飞机燃油油量测量系统的、可靠性、精确度、灵敏度、维护性对整体飞机性能而言有着举足轻重的作用。其中，飞机燃油油位的测量是飞机燃油测量系统中很重要的一部分。据统计，燃油测量精度每提高1%，可以多载重200公斤。因此，提高飞机燃油油位测量的准确度，进一步提高油量的检测精确度，就成为了飞机燃油系统研究工作的重要方向。

本文根据将主要讨论常见的几种测量方法，并分析其原理，包括浮子电阻式、电容式以及超声波式等。最后，比较其优缺点，并探究适用于我国飞机燃油油位测量的有效方法，以及油位检测方法的发展趋势。

1 浮子电阻式油位测量方法

浮子电阻式油位测量方法通过安装在油箱内的浮子传感器，感受油箱中油面高度来测得飞机载油量。浮子传感器由可变电阻和浮子组成，当油面高度变化时，可变电阻值随之改变，这样，就将油面高度变化的非电量变化转换成电量变化，输入仪表线路，从而测得油箱中的油量，其原理简图如下图1所示。测量总油量时，传感器则需要使用多个，对称式电桥的一个桥臂由所有传感器内的电位器互相串联而成。

该测量方法存在以下问题：测量范围小，指示误差大，传感器极易损坏，体积大，安装调试不方便等。

2 电容式油位测量方法

电容式油位测量方法是现代航空领域最常用的方法，其基本原理是空气与燃油存在介电常数特性方面存在差值。将两个同心电极管垂直或接近垂直地安排在燃油箱内构成电容时，就利用了这一现象，如图2所示。

在真空状态下，圆柱形传感器的理论电容值由下述公式给出：

式中ε0为介电常数，H为传感器高度，r1为传感器内管的外半径，r2为传感器内管的内半径。如图3所示，当燃油介质的液面在电容式传感的两同心圆筒之间变化时，引起极板间介质的高度变化，因而导致电容变化，传感器的电容量如下式计算：

式中C为总电容，C1为气体部分电容，C2为燃油部分电容，ε0为空气介电常数，ε1为燃油介电常数。由上式可以看出总电容量与燃油液面高度呈线性关系，由于油箱曲线是已知的，所以测得燃油介质的液面高度，及可得到电容传感器的电容量，进而得到燃油箱内的剩余油量。该测量方法主要问题是由于电容整体要浸入燃油内，所以因为其体积的原因，影响了原始液面的高度。

3 超声波式油位测量方法

超声波测量依赖于声波能够在液体中传播并在该液体的界面处发生反射这一声学现象。测量中的关键在于声波在燃油中的传播速度与燃油的温度成反比，并且燃油类型不同而不同。超声波测量系统的基本原理为：

1）声波通过燃油时的传播速度可由声速计进行测量；

2）声音从发射换能器通过燃油向上传播到燃油界面，然后向下传播返回接收换能器的往返时间，可用传感器测量。

3.1 超声波传感器的工作原理

超声波液位测量，是基于超声波在声阻抗率不同的媒介分界面上产生反射的特性。由超声波换能器发出的超声波在液体与气体的分界面发生反射，产生回波被换能器接接收，依据换能器发射超声波到再次接收到超声波所历经的时间可测出液位。超声传感器相对于电容传感器具有结构简单、测量精度高、测量稳定性好、抗干扰能力强等优点。如图4所示，为超声波声速计和超声波传感器的工作原理图，此处声速计利用一固定目标体起到一个声速校准的作用，而传感器则用于测量油箱内的燃油高度。

图5给出的时间曲线，表明采用这种布局如何可以获得燃油油面高度，参数定义如下：

TT为目标体的往返时间，TS为至油面的往返时间，D为至目标体的已知距离，L为至油面的未知距离。

通过下列公式，可由声速计导出燃油内的声速VOS，即：

VOS=2D/TT

同样，如下公式可以确定至油面的未知距离L，即：

L=VOS·（TS/2）

由上面两个公式，我们可以得到油面高度，即：

L=D（TS/TT）

超声波燃油测量方法主要存在的问题是这种技术不能通过测量无油空间的超声波的往返时间，声波在介质中传播会发生衰减，飞机处于爬升姿态时会产生气泡，影响测量。

3.2 超声波传感器的设计

如图6所示，超声波传感器由下端的换能器组件构成，并附带一个垂直固定在其上的稳定筒，传感器可由金属或者复合材料构成。对于某个给定位置，传感器的整个长度与等效的电容式传感器相同，除非留出必要的安装间隙。

换能器组件带有压电陶瓷盘器件，起到收发器的作用，产生并接收超声波。换能器组件由共振盘和电阻放电网组成，后者直接安装在此盘上，以便安全地消散由于温度或机械冲击、机械迷宫或者气泡等累积的任何非正常能量。

稳定筒的用途是准直换能器所发生和接收的声波，并提供一个进行测量的“受保护区”。稳定筒保护测量，避免出现不利现象，例如燃油晃动或大个气泡。稳定筒和换能器组件的设计必须使燃油可方便地进入稳定筒，以使得油位跟随稳定筒外面的燃油，但防止在使用中可能产生的湍流引起的大个气泡进入。在换能器组件内纳入迷宫式隔声板，可达到此目的。最后，下部安装支架应固定到防气泡罩上，上部可移动以及阻尼器，位于定位筒上。

4 结论

根据以上对各个检测方法的研究和分析，结合国内油位传感器的发展现状，未来的商用飞机应当采用电容式油位测量方法较为妥当。

国外的技术领先国内至少20年，在积极推进油位检测的发展方面，B777客机和F-22猛禽战机已经使用了超声波式油位测量方法，并取得了一定的成功。然而，我们可以看到，在最新的机型，例如波音B787梦想飞机和空客A380，以及新的超宽体机A350中全部将电容式测量作为燃油油位测量的首选技术。

究其原因，一是超声波技术的优势尚未得到充分的体现，二是燃油测量需要极高的可靠性，因为必须进入燃油箱进行维护，成本很高，三是电容式油位测量技术已经被应用多年，业界一直以其为基础来制造整个燃油测量系统。因此，对于新技术的应用，一直处于保守状态，难以取代陈旧的电容式测量法，尽管其存在电缆束连通性和水污染有关的使用问题。

对于未来油位检测技术的发展，按作者的观点，超声波式油位测量法会被广泛应用，因为技术总是会有反复推进的过程，等待技术成熟后，相信非接触式的超声波会以其明显的优势占据一席之地。未来最具发展前景的技术将是使用光和微机电技术（MEMS）的一种组合，MEMS装置可能会设计成通过光纤受光激励时，测量压力、温度、密度和加速度等传感器。因为MEMS传感器尺寸小，适合于埋置在复合材料结构内，因此这是能可靠的在不利环境下工作的，并满足当前严格条例要求的理想后续技术。

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[责任编辑：汤静]