CN108204846A - 飞机油量测量系统免校准设计方法 - Google Patents

飞机油量测量系统免校准设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于飞机油量测量领域,提供一种飞机油量测量系统免校准设计方法,包括:对信号处理电路、油量传感器、电缆的制造误差进行分配,使整体误差控制在设计范围内;油面高度计算公式改进;在第一架或前几架试制飞机上预先测定电缆附加电容Ca,确定附加电容均值Ca后,将Ca作为标定值存储在油量计算机硬件或软件中,做为计算基准;如果Ca存储在油量计算机中硬件中,则更换油量计算机后,通过地面设备将先前标定的Ca加载回新更换的油量计算机,无需进行系统加、放油校准;如Ca固化在油量计算机软件中,则对于后续出厂的新飞机,或更换油量计算机、信号处理单元以及传感器后,都无需再对油量测量系统进行标定。

Description

飞机油量测量系统免校准设计方法
技术领域
本发明属于飞机油量测量领域。
背景技术
飞机燃油箱的油量测量主要采用电容式油量测量方式,即基于电容式传感器的油量测量系统。这种测量系统结构简单、技术成熟、可靠,传感器对油箱环境的耐受性好,受油面波动影响较小,是目前国内外飞机广泛采用的油量测量方式。
由于电容式油量测量原理和特性,电缆分布电容、传感器设计和制造、测量电路的元器件差异以及环境条件的变化均会影响油量测量系统精度。为消除这些不确定的影响因素,以往飞机的油量测量系统均采用机上校准的方式,即油量测量系统成附件装机后,需要进行零位和满位校准,以此作为油量测量计算机的计算基准。
目前的油量测量系统校准是在外场通过飞机加、放油的方式进行,即飞机油箱全部加满油后进行满位校准,在全部油箱放尽油后进行零位校准。在新飞机出厂、更换了油量计算机、信号处理单元或多根传感器等测量系统部件时,均需进行油量测量系统校准;在油量测量数据发生较大偏差时,还需重新进行校准。这种加、放油的校准方式需要加油车、抽油车、空调车、电源车、消防车等保障设备,要求的保障人员数量也多,而且加入油箱后放出的燃油因飞机污染度控制要求,不能再继续使用,对人力、物力浪费较大,外场使用和维护成本较高。
发明内容
发明目的
本发明提供一种飞机油量测量系统免校准设计方法,保证装机后的油量测量系统精度,减轻使用和维护成本。
技术方案
一种飞机油量测量系统免校准设计方法,包括:
对信号处理电路、油量传感器、电缆的制造误差进行分配,使整体误差控制在设计范围内;
油面高度计算公式改进为:⊿H=(C-Co)×L/((K-1)×Co);其中,Co为空油状态下的传感器零值,C为传感器的当前电容值,K为燃油介电常数,L为传感器总有效长度;
在第一架或前几架试制飞机上预先测定电缆附加电容Ca,确定附加电容均值Ca后,将Ca作为标定值存储在油量计算机硬件或软件中,做为计算基准;如果Ca存储在油量计算机中硬件中,则更换油量计算机后,通过地面设备将先前标定的Ca加载回新更换的油量计算机,无需进行系统加、放油校准;如Ca固化在油量计算机软件中,则对于后续出厂的新飞机,或更换油量计算机、信号处理单元以及传感器后,都无需再对油量测量系统进行标定。
对信号处理电路的制造误差进行分配具体为:
当传感器电容在20pf~100pf范围内时,测量误差≤0.5pF;
当传感器电容在100pF~200pF范围内时,测量误差≤0.5%;
当传感器电容>200pF时,测量误差≤1%。
对油量传感器的制造误差进行分配具体为:
油量传感器的制造误差由干电容误差和线性度误差两个指标控制:
传感器干电容误差:常温条件下,额定电容C≤50pF时,误差≤±1pF;额定电容在50pF~200pF范围内时,误差≤±2%;
传感器线性度误差:≤±1%。
对电缆的制造误差进行分配具体为:在传感器电缆布线设计时,采用与信号处理单元就近接线的原则并对反馈信号采用双层屏蔽线;在电缆转接插头布线时,隔离激励信号和反馈信号,并在反馈信号周围布置屏蔽针。
有益效果
1.油量测量各部件的设计指标明确,可保证产品生产和制造的一致性;
2.油量测量系统的误差产生环节可明确分析、定位,便于外场排故;
3.在批产飞机,以及维护更换油量测量系统部件时,无需进行系统校准,大大减少了使用和维护成本;
4.实现了技术提升,此设计思想可推广运用于不同原理的各型飞机油量测量系统设计。
具体实施方式
1.油量测量系统原理
油量测量系统主要由电容式油量传感器、电缆、信号处理单元、油量计算机组成,分为信号处理和油量解算两部分。其中,信号处理单元对油量传感器的信号变化进行信号采集并转换为数字信号,然后将转换出的数字信号发送至油量计算机,进行油量解算。
油量传感器是一种电容式传感器,由两个同心金属圆筒组成,两个圆筒构成一对电容极板。当圆筒间被油液浸润时,圆筒间的介电常数发生改变,从而使两个圆筒间的电容发生改变。油量传感器竖直安装在各油箱中,当油量传感器浸没在不同的油面高度下,传感器的实际输出电容C与浸油长度H呈线性变化关系。通过采集传感器输出电容C,就可以计算得到油面高度H。
油面高度计算公式为:H=(C-C0)×L/(CM-C0)。
其中,H为传感器感受到的油面高度;
C为油量传感器的实际输出电容;
C0为传感器的零油电容(零值);
CM为传感器的满油电容(满值);
L为传感器的总有效长度。
计算时,需要在油量计算机中预先存储各油量传感器的零、满值,才能准确计算传感器的浸油长度H。油量测量系统在飞机出厂前进行加、放油校准,目的就是得到飞机实际工作环境下的传感器零、满值,这样才能保证准确计算传感器浸油长度H。油量计算机根据传感器浸油长度计算出油箱的油位高度,再通过储存在计算机中的油量真值表插值计算出油量体积,最后根据燃油密度得到油箱油量。
因此,油量测量的核心为油量传感器信号采集和浸油长度的计算,传感器浸油长度的计算偏差将直接导致油箱油量的测量偏差。
2.油量测量系统误差分析
油位测量传感器信号采集功能主要由油量传感器、测量电缆、信号处理单元来完成,油量测量系统误差主要也来源于这三个部分。
信号处理单元处理出的油量传感器数据通过数字信号传输至油量计算机,再由计算机内部通过插值计算方法对油箱油量进行解算。由于数字信号的传输误差和插值计算偏差很小,可不予考虑。
1)信号处理电路误差
信号处理单元是通过模拟电路实现传感器电容信号的测量,并将模拟信号转换为数字信号输出。由于模拟电路元器件存在离散性,不同的信号处理单元的测量结果也会出现一定的误差。信号处理单元采用交流激励式测量电路。
2)油量传感器误差
油量传感器的误差主要来自制造偏差和分布电容:
a.由于传感器内部结构和元器件的离散性,以及传感器内外管的制造公差,传感器本身会表现出差异性;
b.传感器在装机后,传感器两端与飞机结构之间会存在分布电容,导致机上传感器等效输出电容与原额定电容值产生差异。
3)电缆分布电容误差
油量测量电缆用于传输传感器电容信号到信号处理单元,油量测量电缆和转换插头本身也会带来分布电容。电缆和插头的分布电容附加在传感器测量通路上,便产生了分布电容误差。
油量传感器测量电缆采用屏蔽电缆,以尽可能消除电耦合的影响。但在导线的端头,仍有一部分导线伸出屏蔽体。根据试验室的试验结果,电缆长度在8m以内,对测量结果产生的附加误差很小,一般不大于0.5pF;当电缆长度大于8m时,电缆长度误差对测量结果的影响增大;电缆长度为16m时,测量误差最大可达到3pF。
在油箱壁、插头等电缆转接处,接插件的针孔布线方式对测量结果也有较大影响。屏蔽信号线剥线长度的不同,屏蔽线的连续性以及插头针孔之间的线间距离都将影响电容测量结果。根据试验室结果,信号激励和信号反馈针脚之间的距离越近,反馈信号的附加误差就越大,最大差异接近2pF;信号激励和信号反馈针脚之间的距离越远,反馈信号的附加误差就越小,基本可忽略。
由于以上各油量测量系统部件生产和制造的差异性,在更换信号处理单元、多根油量传感器或测量电缆后,油量计算机实际得到的传感器零、满值与原先校准时存储的零、满值会出现差异,造成油量测量结果产生较大的偏差。
3.油量测量免校准方案
要实现油量测量系统免校准,必须控制各环节和部件的设计和制造公差。由于机上电缆在装机后一般不再更换,更换的信号处理单元和传感器部件误差可控,以此实现免校准设计。具体方案如下:
1)对系统主要部件进行误差分配和控制
根据组成油量测量系统的各部件的设计和技术状态,对系统各部件制造误差进行合理的分配:
a.信号处理电路误差
要控制信号处理单元的测量精度,一方面需要选择高精度的元器件,另一方面可通过软件修正的方式,实现输出精度控制。信号处理单元的测量误差控制如下:
当传感器电容在20pf~100pf范围内时,测量误差≤0.5pF;
当传感器电容在100pF~200pF范围内时,测量误差≤0.5%;
当传感器电容>200pF时,测量误差≤1%。
b.油量传感器误差
某型飞机各传感器干电容值设计范围为:34pF~115pF;当燃油与空气的介电常数比值K=2时,传感器工作电容值范围为:68pF~230pF。
传感器制造误差主要由干电容误差和线性度误差两个指标控制:
传感器干电容误差:常温条件下,额定电容C≤50pF时,误差≤±1pF;额定电容在50pF~200pF范围内时,误差≤±2%。
传感器线性度误差:≤±1%。
c.电缆制造误差
在传感器电缆布线设计时,采用与信号处理单元就近接线的原则并对反馈信号采用双层屏蔽线,尽可能减小电缆长度带来的附加电容,并确保屏蔽体的连续性和良好接地。
在电缆转接插头布线时,隔离激励信号和反馈信号,并在反馈信号周围布置屏蔽针,使电缆的分布电容影响降低到最小。
由此,一方面减小电缆的分布电容影响,另一方面也可控制电缆制造误差。根据机上实测结果,电缆测量误差可控制为0.5~3pF。
2)油面高度计算公式改进
根据电容式传感器的特性,当传感器暴露在空气中时,其介电常数值为空气的介电常数(介电常数为1);当传感器全部浸没在燃油中时,其介电常数值为燃油的介电常数K。而传感器浸没在燃油中产生的电容增量是线性变化的,因此,传感器的浸油长度计算公式可改为:
⊿H=(C-Co)×L/((K-1)×Co)
其中,Co分别为空油状态下的传感器零值,C为传感器的当前电容值,K为燃油介电常数,L为传感器总有效长度。
由于特定牌号的燃油介电常数K基本为定值,因此,传感器浸油长度与当前电容值C和传感器零值Co有关。
在传感器的测量电路中,电缆的附加电容误差是作为一个固定值迭加至电容测量结果上的。由于机上电缆在安装后基本不会更换,而电缆产生的附加电容可通过预先检测的方法获得。因此,上述传感器浸油长度公式最终改为:
⊿H=((C-Ca)-Cd)×L/((K-1)×Cd)
其中,Ca分别为电缆附加电容值,Cd为传感器的额定电容值。
在油量测量系统装机后,在油箱空油状态下由信号处理单元测得的该传感器通道的电容值,减去传感器额定电容值,可得到电缆附加电容值,即:Ca=Co-Cd。
由此可得,油量传感器浸油长度只与传感器当前电容值C和附加电容值Ca有关。根据传感器的安装坐标,即可解算出油箱油位高度。
3)数据标定和加载
根据设计方案,在第一架或前几架试制飞机上需要预先测定电缆附加电容Ca,确定附加电容均值后,将其作为标定值存储在油量计算机硬件或软件中,做为计算基准。
如果附加电容值存储在油量计算机中硬件中,则更换油量计算机后,可通过地面设备将先前标定的附加电容值加载回新更换的油量计算机,无需进行系统加、放油校准。
如附加电容值固化在油量计算机软件中,则对于后续出厂的新飞机,或更换油量计算机、信号处理单元以及传感器后,都无需再对油量测量系统进行标定。
4)设计改进结果
通过上述方案设计,可实现油量测量系统的免校准。根据设计改进和误差分配措施,采用均方根误差分析结果,在单架新飞机上或更换系统组成部件后,油量测量系统误差控制如下:
当待测电容在20pf~100pf范围内时,系统误差≤2.3pF;
当待测电容在100pF~200pF范围内时,系统误差≤2.8%;
当待测电容大于200pF时,测量误差≤3%。

Claims (4)

1.一种飞机油量测量系统免校准设计方法,其特征在于,包括:
对信号处理电路、油量传感器、电缆的制造误差进行分配,使整体误差控制在设计范围内;
油面高度计算公式改进为:⊿H=(C-Co)×L/((K-1)×Co);其中,Co为空油状态下的传感器零值,C为传感器的当前电容值,K为燃油介电常数,L为传感器总有效长度;
在第一架或前几架试制飞机上预先测定电缆附加电容Ca,确定附加电容均值Ca后,将Ca作为标定值存储在油量计算机硬件或软件中,做为计算基准;如果Ca存储在油量计算机中硬件中,则更换油量计算机后,通过地面设备将先前标定的Ca加载回新更换的油量计算机,无需进行系统加、放油校准;如Ca固化在油量计算机软件中,则对于后续出厂的新飞机,或更换油量计算机、信号处理单元以及传感器后,都无需再对油量测量系统进行标定。
2.如权利要求1所述的一种飞机油量测量系统免校准设计方法,其特征在于,对信号处理电路的制造误差进行分配具体为:
当传感器电容在20pf~100pf范围内时,测量误差≤0.5pF;
当传感器电容在100pF~200pF范围内时,测量误差≤0.5%;
当传感器电容>200pF时,测量误差≤1%。
3.如权利要求1所述的一种飞机油量测量系统免校准设计方法,其特征在于,对油量传感器的制造误差进行分配具体为:
油量传感器的制造误差由干电容误差和线性度误差两个指标控制:
传感器干电容误差:常温条件下,额定电容C≤50pF时,误差≤±1pF;额定电容在50pF~200pF范围内时,误差≤±2%;
传感器线性度误差:≤±1%。
4.如权利要求1所述的一种飞机油量测量系统免校准设计方法,其特征在于,对电缆的制造误差进行分配具体为:在传感器电缆布线设计时,采用与信号处理单元就近接线的原则并对反馈信号采用双层屏蔽线;在电缆转接插头布线时,隔离激励信号和反馈信号,并在反馈信号周围布置屏蔽针。
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