机载燃油密度传感器高低温静态试验技术

邱遥远，牛满江，余刚，薛双喜

航空工业四川泛华航空仪表电器有限公司，成都 610500

机载燃油测量是飞机燃油系统最重要的功能之一。燃油测量的精度、可靠性及维护性，对飞机的性能有着重要的影响［1］。对军用飞机而言，提高燃油测量精度，意味着可以大大提高飞机的有效载荷、航程及作战半径；而对民用飞机而言，提高燃油测量精度，则可以提高载客载货能力，大大改善飞机经济性，降低运营成本。

飞机燃油测量一般以质量作为测量的最终结果，然而由于飞机在不同气候、不同空域下，不同牌号燃油的品质等会发生很大变化，从而引起燃油密度的变化，这样就增加了燃油测量的不确定性［2］。因此，为了实现最高精度燃油质量测量，必须能够直接测量飞机燃油的密度［3－4］。

航空机载燃油密度传感器能实现机载燃油密度实时测量，该传感器具有测量精度高［5－6］（优于0.4%）、稳定性好（不随燃油牌号、温度等变化而变化）、体积小、重量轻、功耗低［7］等特点，同时该传感器能在恶劣环境下进行测量，具备优异的抗电磁干扰和防爆等性能。然而，在飞机的各种飞行包线环境下，机载燃油的温度会发生剧烈变化，因此密度传感器在高温燃油或低温燃油中的工作性能直接关系到燃油测量精度。

在国外，由于商业秘密限制等原因，暂未获得相关航空机载企业对机载燃油密度传感器进行高低温静态试验的方法。在国内，某单位从事航空机载燃油密度传感器研制生产，该单位采用高低温箱进行密度传感器高低温性能静态试验，这种方式既没有实时检测燃油的实际温度，也没有测量高温燃油或低温燃油的真实密度，因此无法真实有效地验证密度传感器在高温燃油或低温燃油中的测量精度。

在C919大型客机机载燃油密度传感器的研制过程中，飞机总体设计单位和美国Parker公司要求在－45～60℃的燃油温度范围内，机载燃油密度传感器的测量精度不低于0.4%。而传统的高低温静态试验方法显然无法满足这一需求。

因此，本文对航空机载燃油密度传感器高低温静态试验方法技术进行了研究，运用阿基米德原理研究了一种在燃油中进行高低温静态试验的新型试验装置和方法，打破传统高低温静态试验方法的固有思维，弥补了高低温静态试验时难以实时测量燃油真实密度的缺陷，可以精确地验证密度传感器在高温燃油或低温燃油中的测量精度，并通过了C919总体设计单位和美国Parker公司的评审，为航空机载燃油密度传感器工程应用和装机试飞提供了试验数据支撑。

1 试验方法

为了测试航空机载燃油密度传感器高温燃油和低温燃油中的测量精度，需要解决以下3个关键问题：① 试验验证装置的测量精度及实现方案；② 试验时，燃油密度传感器所处区域的真实燃油温度及获取方法；③ 在某一温度条件下，燃油的真实密度值及获取方法。

1.1 试验装置设计

Fig.1 Diagram of test equipment

本节设计了密度传感器高低温静态试验装置，示意图如图1所示，装置由高低温试验箱、专用航空燃油油箱（受试密度传感器固定在油箱中）、支撑平台、CNAS（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，中国合格评定国家认可委员会）实验室校准合格的维持放大器、分析天平、高精机载燃油温度传感器、吊锤和燃油管路等组成。经美国Parker公司评审确认，本方案采用阿基米德原理实现试验用燃油密度精确测量是满足要求的，从根源解决了验证装置精度问题（使用其他类型和等级的密度计，依然不能证明该类型密度计在高低温条件下的精度）；采用双高精机载燃油温度传感器实现密度传感器所处区域燃油温度实时监控（布置于密度传感器上下侧），保证了试验温度指标要求；CNAS校准维持放大器实现密度传感器输出信号拾取。

试验前，先建立静态试验基准（见1.2节），然后记录分析天平测量的吊锤在空气中的质量，燃油通过燃油管路将RP-3航空煤油加注入燃油箱，并用高低温试验箱对煤油进行加热，当温度传感器所感应温度达到试验要求温度并稳定后，记录分析天平测量的吊锤在煤油中的质量，通过温度补偿计算得到试验温度下的吊锤体积，并运用阿基米德原理变换公式计算得到此时燃油的真实密度，作为相对误差计算的真值。再读取维持放大器测量的密度传感器输出信号周期，借助密度传感器合格证上给定的公式（后文给出）可计算得到密度传感器测量的密度值，该测量结果减去真值，得到绝对误差。最后通过相对误差计算方法得到机载燃油密度传感器的测量精度指标。

1.2 试验装置静态基准设计

一般要求试验装置的测量精度为UUT（Unit Under Test，受试设备）测量精度的4倍及以上［8］，所以为了验证密度传感器的在高温燃油和低温燃油中的测量精度（0.4%），就需要建立更高精度的验证基准（不能高于0.1%）。

1.2.1 吊锤体积标定原理

在本试验装置中，借助吊锤测量航空煤油真实密度值的过程至关重要，所以必须先对吊锤体积进行标定，以最大限度地降低验证系统误差。

本文应用阿基米德原理进行吊锤体积标定，吊锤全部浸在燃油中时，它会受到向上的浮力，浮力的大小等于吊锤排开液体所受到的重力的大小，即得到吊锤排开液体的体积＝（吊锤在空气中的质量－吊锤在液体中的质量）／液体密度，吊锤排开液体的体积即为吊锤的体积。

在进行密度传感器高低温静态试验前，必须要对吊锤体积进行标定，示意如图2所示［9］，将分析天平（经CNAS实验室校准）置于支撑平台上、标准液体倒入器皿中，用分析天平分别称重得到吊锤在空气中的质量m空气和完全浸没在液体中的质量m液，结合CNAS实验室给出的标准液体密度ρ，计算［10］得到吊锤标定体积V标为

1.2.2 燃油温度测量方法

为了使燃油箱中的燃油温度稳定性和均匀性均优于±0.5℃，本文设计了浸没燃油箱的高低温恒温油槽，同时使用2个高精度机载燃油温度传感器测量密度传感器附近的燃油温度，温度传感器要满足B类仪表［11］规范要求，保证试验所采用的整个温度测量系统［12－13］满足±0.1℃的误差要求。

1.2.3 带温度修正的燃油密度静态标定原理

作为整个验证装置的核心，在试验过程中，RP-3航空煤油真实密度值的获取关系到验证系统精度的实现，本文应用阿基米德原理测定试验燃油真实密度ρs：

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

式中：ρs为燃油真实密度；m锤空为试验前吊锤在空气中的质量；m锤油为试验时吊锤完全浸没在燃油中的质量；V锤为试验时吊锤的体积，即

其中：t为试验时油箱中的燃油温度；t标为标定时的燃油温度；0.0 000 236为吊锤（吊锤材料为铝合金2A12T4）的 温 度 膨 胀 或 收 缩 系 数［14］，单位为℃－1。

标定时需取一份燃油试样（本文试验燃油为RP-3航空煤油），由CNAS实验室给出t标温度条件下的试样密度值，该密度与式（2）计算得到的燃油密度值对比，计算它们的相对误差，可得到试验装置的真实密度测量精度。

2 试验结果

2.1 试验装置静态标定及结果

为保证高低温静态试验结果满足设计要求，需要按1.2节要求对试验装置进行标定。

首先按图1建立试验装置系统，加注RP-3航空煤油至燃油箱满刻度线位置以完全浸没燃油温度传感器，调节高低温试验箱温度至设定值（标定时分别设定2个温度进行验证），等到1＃和2＃温度传感器电阻值稳定后，记录温度稳定时间保证正式进行验证试验，同时记录2个温度传感器电阻值，并根据PT1000热电阻分度表（在温度传感器技术说明书中）换算出温度值，计算出温度绝对误差。

燃油温度标定结果如表1所示，结果表明温度测量系统误差小于±0.1℃，在密度传感器上下各布置一个高精度航空机载燃油温度传感器能有效监控燃油密度传感器所处区域真实温度，设计装置可以保证燃油温度的稳定性和均匀性，满足试验要求。

表1 燃油温度标定结果Table 1 Results of fuel temperature calibration

在图1的试验装置系统中，加注RP-3航空煤油至燃油箱满刻度线位置，用CNAS实验室标准密度计测量燃油箱中的航空煤油密度值，记录燃油温度和密度值；然后按照1.2.3节方法对吊锤进行称重，用式（2）计算航空煤油密度值。

燃油密度标定结果如表2所示，吊锤方式测量的密度值与CNAS方式测定的密度值相对误差Δρ为－0.025%，而CNAS实验室的密度标定精度为±0.052%，所以采用吊锤方式测量密度的最大误差为－0.077%（即－0.025%－0.052%＝－0.077%）。

表2 燃油密度标定结果Table 2 Results of fuel density calibration

综上，标定结果表明：温度测量系统误差小于±0.1℃，密度测量系统的最大误差为－0.077%，满足试验装置的测量精度为密度传感器（UUT）测量精度4倍及以上的要求（C919任务规定密度传感器测量精度为0.4%）。

2.2 密度测量试验及结果

按本文图1搭建好试验装置系统，在完成2.1节的标定试验后后，不更换燃油箱中的RP-3航空煤油，同时使密度传感器处于工作状态，调节试验箱温度，待温度稳定后，记录的2个燃油温度传感器测量的温度为试验温度，并按照《DO-160F机载设备环境条件和试验程序》的规定进行试验［15］，在规定的检测时间点记录燃油密度传感器输出信号周期T和吊锤在燃油中的质量，结果如表3所示。

根据表3试验结果，应用式（2）计算试验装置密度测量系统测得的燃油密度ρs，应用式（4）计算密度传感器测量得到的密度值［16－18］，计算结果如表4所示。

式中：K0、K1、K2为航空机载燃油密度传感器仪表常数，也叫特征系数，制造商在研制生产过程中，通过多种液体标定实验确定［19－21］，并在合格证上标明。

表4 燃油密度计算结果Table 4 Results of fuel density calculation

试验结果表明，在RP-3航空煤油和工作温度范围内（－45～60℃），航空机载燃油度传感器的最大密度测量误差为0.18%，满足设计指标（规定精度为0.4%）要求。

3 结 论

1）运用阿基米德原理，设计了一种新的高精度航空机载燃油密度传感器高低温静态试验方法，搭建了一套高低温静态试验验证装置。

2）通过标定试验，表明试验验证装置密度测量系统的最大误差为－0.077%，符合试验装置的测量精度为密度传感器（UUT）测量精度4倍及以上的规定，达到了设计要求，满足航空机载燃油密度传感器高低温静态试验验证要求。

3）通过高温燃油试验和低温燃油试验验证，表明航空机载燃油密度传感器在高温燃油和低温燃油中燃油密度最大测量误差为0.18%，优于0.4%。