JP6987144B6 - キャパシタ燃料プローブ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタ燃料プローブ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｆｕｅｌ ｐｒｏｂｅ）、特に航空機用のキャパシタ燃料プローブ、およびそのようなキャパシタ燃料プローブを製造するためのプロセスに関するものである。

航空機用燃料プローブは、通常、キャパシタを形成する２つの同心円状導電性チューブ（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｕｂｅ）からなる。次いで、キャパシタ値は、チューブ間に存在する燃料高さの関数として変化し、したがってキャパシタ値を測定することで燃料レベルに対する値を推測することが可能になる。燃料レベルＨを計算するための式は、Ｈ＝（Ｃ－Ｃ_ｅ）／（α・（Ｋ－１））であり、Ｃは測定されたキャパシタ値であり、Ｃ_ｅはキャパシタチューブの間に燃料が存在していないことに対応するキャパシタ値であり、指数ｅはキャパシタが空であること、すなわち、燃料がないことを表し、αはプローブの幾何学的形状および製造特徴にのみ依存する特定の定数であり、Ｋは燃料の誘電定数である。燃料の誘電体定数ＫはＫ＝ε／ε_０として定義され、εおよびε_０は、それぞれ、燃料および真空の誘電体誘電率値である。

しかしながら、そのようなキャパシタ燃料プローブは、航空機燃料タンク内に実装されたときに次の欠点を有する。
－ タンク内の燃料は、著しい温度勾配を受けることがあり、これは燃料誘電体定数の局所値をタンク上で、特にキャパシタ燃料プローブに沿って変化させる。この結果、測定されたキャパシタ値から計算される燃料レベルＨに対して誤差が生じ、そのような誤差は有意なものとなり得る。
－ 空港で１つの航空機燃料タンクに給油するために使用される燃料は、燃料補給前にタンク内に残っている量の燃料の燃料タイプと異なることがある。特に、給油燃料と残留燃料は、異なる密度値および異なる誘電体定数値を有することがある。重力により、給油燃料および残留燃料は混じらず、互いに接して留まり、したがって、燃料誘電体定数の値は、給油が完了した後キャパシタ燃料プローブの長さにわたって変化する。これもまた、結果として、計算される燃料レベルに対して誤差を生じる。この後者の誤差は、原油の精製から得られる燃料の代わりに、水素化処理エステル・脂肪酸またはフィッシャー・トロプシュ触媒を使用して石炭から得られる燃料などの、特別な供給源からの燃料が使用される場合になおいっそう著しいものとなる。

計算される燃料レベルにおけるそのような誤差の結果は、コックピット内計器上に表示され、パイロットを混乱させ得る燃料量情報の変化であり得る。他の結果は、燃料量監視機能によってトリガーされる誤警報、補給後の燃料流出、航空機に搭載されている別々のタンク間の誤った燃料移送、などであり得る。

一般に、計算された燃料レベルの誤差は、所与の用途について保証され得る精度を制限することになる。典型的には、ＡＲＩＮＣ ６１１－１標準では、不正確さが最大でもフルスケールの１％であることを要求している。最新技術は、現行システムではこの要求条件を満たすことが困難であること、そのことでハードウェアの著しい複雑さが要求されることを示している。

キャパシタ燃料プローブからの燃料レベル決定を改善するために、燃料中に沈められるプローブを使用して、燃料誘電体定数の実効値を決定し、次いで、燃料誘電体定数についてそれにより得られた値を部分的に沈められているキャパシタ燃料プローブから測定されたキャパシタ値と組み合わせることが提案されている。しかし、これは、燃料レベル決定の精度を改善するけれどもまだ満足のゆくものではないが、それは燃料誘電体定数値および燃料レベル計算に使用される値を決定するために使用されるキャパシタが互いに離れている場所に関係しているからである。そして、水平温度勾配が航空機燃料タンク内に存在している可能性があり、これは特に燃料タンクが配置される航空機の翼に太陽輻射が当たることによる。また、そのような実装は、燃料誘電体定数を得るために使用される各燃料プローブが沈められているかどうかを決定するために複雑なアルゴリズムを必要とし、信頼性が限定されるという問題を抱える。

キャパシタプローブに基づき燃料レベル決定の精度を改善する別の試みによれば、プローブの底部に配置され、長さが知られている、小さなキャパシタセグメントを、燃料誘電体定数の値を決定する作業専用にすることが提案されている。しかし、これは、存在している可能性があり、キャパシタ燃料プローブに沿って燃料誘電体定数の値を変動させる、垂直勾配を考慮する上で効率的でない。

次いで、米国特許第３，２８３，５７７号では、プローブに沿って様々な高さで燃料誘電体定数値の決定を可能にするように適合されているセグメント分割されたキャパシタ燃料プローブを提案している。このために、測定ユニットは、キャパシタセグメントとは別に提供される。これは、燃料レベルを計算するときにより正確な誘電体定数値を考慮することを可能にする。しかし、そのようなシステムは複雑であり、多数のコンポーネントを備えているため総重量およびコストの増大を招く。

このような状況から始まり、本発明の一目的は、正確な燃料レベル決定を可能にする新しいキャパシタ燃料プローブを提供することである。特に、本発明は、燃料レベルを決定するときに、プローブに沿って存在し得る燃料誘電体定数の値の変動を考慮することを目指している。

追加の目的は、既存のシステムと比較して、追加される必要のあるコンポーネントの個数を制限することである。

これらの目的または他の目的を達成するために、本発明の第１の態様では、燃料の誘電体定数値が最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にあるときにプローブ軸に沿って燃料レベルを測定することを意図されているキャパシタ燃料プローブを提案し、これらの最小限度および最大限度はキャパシタ燃料プローブに対して規定される。

キャパシタ燃料プローブは、Ｎを５より大きい整数として、プローブ軸に沿って互いに重ね合わされている一連のＮ個の分離されたキャパシタセグメントを備える。各キャパシタセグメントは、プローブ軸に沿って底部高さ値から頂部高さ値まで延在し、キャパシタセグメントのうちのどれか１つの頂部高さ値は、キャパシタセグメントのうちの最低のキャパシタセグメントから最高のキャパシタセグメントへ移動するときに次のキャパシタセグメントの底部高さ値に対応する。

本発明の文脈内で、「キャパシタセグメント」という語句は、適切な電気的接続を通じて様々な方式より互いに並列接続され得るキャパシタの部分を表す。キャパシタ技術における当業者にはよく知られているように、各キャパシタセグメントは、同等に、他のキャパシタセグメントとは別にこのキャパシタ専用の２つのキャパシタ電極からなるか、またはこのキャパシタセグメント専用であり、すべてのキャパシタセグメント間で共有される共通電極に関して配置構成されている１つのキャパシタ電極からなるものとしてよい。この後者の場合において、各キャパシタセグメントは、その専用のキャパシタ電極とこのキャパシタ電極に面する共通電極の一部とを含むものとして考えられてよい。実施形態の両タイプとも、「キャパシタセグメント」という語句を通じてこの説明に包含される。

本発明の第１の特徴によれば、キャパシタ燃料プローブは、キャパシタセグメントのうちの任意の３つの連続するセグメントが互いに電気的に絶縁されるようにさらに設計される。次いで、各キャパシタセグメントは少なくとも３つのセットのうちの１つに、プローブ軸に沿って重ね合わせ順序に従いキャパシタセグメントのうちの最低のキャパシタセグメントから最高のキャパシタセグメントへ移動している間にそれらのセットの同一の順序付けられたシーケンスを繰り返すことによって、割り当てられる。各セット内のすべてのキャパシタセグメントは、他のセットとは別に並列接続配置構成に従って電気的に接続される。

本発明の第２の特徴は、プローブ軸に沿って最低のキャパシタセグメントから最高のキャパシタセグメントまで整数指数ｎを用いてすべてのキャパシタセグメントを漸次番号付けし、ｈ_ｎが第ｎのキャパシタセグメントの頂部高さ値を表すときに適用される。次の条件が満たされる。
２からＮまでの任意のｎ値について、ｈ_ｎ－１＜ｈ_ｎ・（Ｋ_ｍｉｎ－１）／（Ｋ_ｍａｘ－１）。

このようにして、並列接続されているすべてのキャパシタセグメントに対応する第１のキャパシタ値を測定することで、補償器セットと呼ばれる、セットのうちの少なくとも１つが、最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間で燃料誘電体定数の値が何であれ燃料レベルが交差するキャパシタセグメントを有しないことを指示し得る。したがって、補償器セットに対して測定される第２のキャパシタ値が、燃料誘電体定数の推定値を計算することを可能にする。次いで、第１のキャパシタ値と組み合わせた燃料誘電体定数のこの推定値は、燃料レベルに対する精緻化値を計算することを可能にする。

このようにして、補償器セットは、プローブ軸に沿って燃料誘電体定数に存在する可能性のあるレベル計算変動を補償する機能を有する。そのような補償は、高燃料レベルの場合を含めて正確であるものとしてよいが、それは、補償に使用されるプローブ部分はプローブの最低のキャパシタセグメントに制限されないからである。

そのようなキャパシタ燃料プローブは、航空機の燃料タンク内で動作するように適合され得る。

本発明の好ましい実施形態において、次の追加の特徴のうちの少なくとも１つは、互いに独立して、またはそれらのうちのいくつかの組合せにより、有利に実装され得る。
－ キャパシタセグメントの個数Ｎは、８より大きい、好ましくは９に等しい、および／または１６より小さいものとしてよい。
－ キャパシタセグメントが他のセットとは別に各セット内で並列接続されているセットの数は、３であってもよい。
－ 燃料誘電体定数に対する最小限度Ｋ_ｍｉｎは、１．９０から２．０６の間にあるものとしてよい。
－ 燃料誘電体定数に対する最大限度Ｋ_ｍａｘは、２．１９から２．３５の間にあるものとしてよい。
－ すべてのキャパシタセグメントのそれぞれの長さ値は、キャパシタ燃料プローブに沿って漸次ｎ値とともに大きくなり得る。
－ キャパシタセグメントの頂部高さ値は、ｈ_１・ｒ^{（ｎ－１）}に等しいものとしてよく、ｈ_１はｎ＝１に対応する最低のキャパシタセグメントの頂部高さ値であり、ｒは（Ｋ_ｍａｘ－１）／（Ｋ_ｍｉｎ－１）より大きい等比数列の公比であり、好ましくは２未満である。

特に、Ｋ_ｍｉｎ＝１．９８からＫ_ｍａｘ＝２．２７までの範囲は、燃料温度が－５５℃から＋７０℃の間であり、燃料が、ＪＥＴＡ／Ａ１、ＪＰ４、ＪＰ５、ＪＰ７、ＪＰ８、およびＴＳ１を含む、主ＪＥＴタイプのうちの１つであるときに、燃料誘電体定数Ｋに対するすべての可能な値を含む。

一般に、本発明では、キャパシタ燃料プローブは、少なくとも１つのキャパシタ測定ユニットと、キャパシタ測定ユニットをキャパシタセグメントのセットのうちのどれか１つに電気的に接続するのに適している接続配置構成とをさらに備え得る。このようにして、キャパシタ測定ユニットは、キャパシタセグメントセットのうちのどれか１つに対して測定されたキャパシタ値を提供することができる。

本発明の第２の態様は、プローブの軸に沿って燃料レベルを測定する作業専用のキャパシタ燃料プローブを製造するためのプロセスを提供し、このプロセスは
／１／ 燃料の誘電体定数値が最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にあり、これらはキャパシタ燃料プローブに対して規定されていると仮定するステップと、
／２／ Ｎが５より大きい、一連のＮ個のキャパシタセグメントに対してそれぞれの頂部高さ値を決定するステップと、
／３／ Ｎ個のキャパシタセグメントがプローブ軸に沿って互いに重ね合わされるようにキャパシタ燃料プローブを生産するステップと、
／４／ Ｎ個のキャパシタセグメントを少なくとも３つのセットに、プローブ軸に沿ってキャパシタセグメントのうちの最低のキャパシタセグメントから最高のキャパシタセグメントへ移動している間にセットの同一の順序付けられたシーケンスを繰り返し、他のセットとは別に並列接続配置構成に従って各セット内のすべてのキャパシタセグメントを電気的に接続することによって、分配するステップと、
／５／ 任意選択で、キャパシタ燃料プローブを航空機燃料タンク内に固定するステップとを含む。

ステップ／２／から／４／は、ステップ／１／で規定されているような燃料誘電体定数値に対する最小限度Ｋ_ｍｉｎおよび最大限度Ｋ_ｍａｘとともに、そのように設計され製造されているキャパシタ燃料プローブが場合によっては好ましい実施形態の任意選択の特徴を含む本発明の第１の態様に適合するように実行される。

場合によっては、キャパシタ燃料プローブの設計では、燃料誘電体定数範囲の知識に関係する不確定性以外の不確定性を考慮してもよい。特に、キャパシタセグメントの頂部高さ値は、ステップ／２／において、燃料レベルが最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にある燃料誘電体定数の少なくとも１つの値について第ｎのキャパシタセグメントと交差することを示す第１のキャパシタ値が、３からＮまでのｎについて、最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にある燃料誘電体定数値が何であれ、またキャパシタセグメントの長さに関係する製造誤差、キャパシタ燃料プローブの組み立てステップに関係する位置決め誤差、および実際のキャパシタ値に関して測定されるようなキャパシタ値に関係する測定誤差から選択される誤差値が何であれ、これらの誤差値の各１つはキャパシタ燃料プローブに対して規定されているそれぞれの追加の最小限度と最大限度の間にあり、第（ｎ－２）のキャパシタセグメントが燃料内に完全に沈められることを確実にするように決定される。

最後に、本発明の第３の態様では、燃料タンクと、燃料タンク内に固定される、本発明の第１の態様に従う少なくとも１つのキャパシタ燃料プローブとを備える、航空機用の燃料タンク機器を提案している。

本発明のこれらのおよび他の特徴は、次に、好ましいが、非限定的な、本発明の実施形態に関係する、添付図を参照しつつ説明される。

本発明によるキャパシタ燃料プローブの斜視図である。 本発明による航空機燃料タンクを例示する図である。 図１による２つのキャパシタ燃料プローブに対する可能な値を示す表である。 ２つの異なる燃料誘電体定数分布に対する、図３による１つのキャパシタ燃料プローブを使用して計算される燃料レベル値に存在する誤差を示す図である。 ２つの異なる燃料誘電体定数分布に対する、図３による１つのキャパシタ燃料プローブを使用して計算される燃料レベル値に存在する誤差を示す図である。

わかりやすくするため、図１および図２に現れている要素のサイズは、実際の寸法または寸法比に対応していない。また、これらの図のうちの異なる図に示されている同じ参照番号または記号は、同一の機能を有する要素のうちの同一の要素を表している。

図１によれば、本発明によるキャパシタ燃料プローブ１００は、一例として、９個のキャパシタセグメントを備える。本発明の一般的な部分で使用されている表記を参照すると、Ｎ＝９である。キャパシタセグメントは、プローブ軸Ｘ－Ｘに沿って積み重ねられ、最低端であると考えられるプローブ１００の一端のところの最低のキャパシタセグメントから始まる、１から９の参照番号のラベルを付けられている。キャパシタセグメントに対するこれらの参照番号は、この説明の一般的な部分に関わる指数ｎに対応している。すべてのキャパシタセグメント１～９はプローブ軸Ｘ－Ｘを中心として円筒形であり、同一の基部領域が軸Ｘ－Ｘに垂直である、ものとしてよい。キャパシタセグメント１～９のうちの任意の２つの隣接するセグメントは、好ましくは可能な限り互いに近い位置にあるが、互いに電気的に分離されている。キャパシタセグメント１の下側縁から、軸Ｘ－Ｘに平行な状態で測定されたキャパシタセグメントｎの頂部高さ値は、ｈ_ｎと表され、ｎは１からＮまでの間で変化する。第（ｎ＋１）のキャパシタセグメントの底部高さ値は頂部高さ値ｈ_ｎにほとんど等しいと仮定される。

参照番号１０を付けられているシリンダは、すべてのキャパシタセグメント１～９に共通の連続的内部電極である。指数値ｎを有する、キャパシタセグメント１～９の各１つは、共通電極１０と一緒にそれぞれのキャパシタを形成し、それによって、燃料充填に一部、またはキャパシタセグメントｎと共通電極１０との間のギャップに全部、依存する、キャパシタ値Ｃ_ｎをもたらす。プローブ１００に対して可能な代替的構成において、連続的共通電極１０は、外部で一連のキャパシタセグメント１～９の周りに配置構成され得る。

キャパシタセグメント１、４、および７は、Ａというラベルを付けられた第１のセットを形成する。これらは、電気的に並列接続され、第１のキャパシタ測定ユニットＭＵ_Ａは、セットＡのキャパシタ値Ｃ_Ａを測定するための専用のユニットである。このキャパシタ値は、Ｃ_Ａ＝Ｃ_１＋Ｃ_４＋Ｃ_７である。

キャパシタセグメント２、５、および８は、Ｂというラベルを付けられた第２のセットを形成する。これらも、電気的に並列接続され、第２のキャパシタ測定ユニットＭＵ_Ｂは、セットＢのキャパシタ値Ｃ_Ｂを測定するための専用のユニットであり、Ｃ_Ｂ＝Ｃ_２＋Ｃ_５＋Ｃ_８である。

キャパシタセグメント３、６、および９は、Ｃというラベルを付けられた第３のセットを形成する。これらも、電気的に並列接続され、第３のキャパシタ測定ユニットＭＵ_Ｃは、セットＣのキャパシタ値Ｃ_Ｃを測定するための専用のユニットであり、Ｃ_Ｃ＝Ｃ_３＋Ｃ_６＋Ｃ_９である。

各キャパシタセグメント１～９上で図１に示されている大文字は、キャパシタセグメントを含むセットを指す。

各キャパシタ測定ユニットに対する実施形態は、当技術分野でよく知られ、広く使われており、したがってここでは説明は無用である。場合によっては、３つの別々の測定ユニットＭＵ_Ａ、ＭＵ_Ｂ、およびＭＵ_Ｃは、単一のユニットに置き換えてもよい。次いで、これは、単一のキャパシタ測定ユニットを代替的にセットＡ、Ｂ、およびＣに接続し、キャパシタ値Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、およびＣ_Ｃを連続的に測定するように制御され得る可変電気的接続配置構成と組み合わせされる。

キャパシタ燃料プローブ１００全体に対する総キャパシタ値はＣ＝Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｃである。これは、事実上並列接続されているすべてのキャパシタセグメント１～９に対応する。燃料がない場合、すなわち、キャパシタセグメント１～９の各々と共通電極１０との間に空気しか存在しない場合、Ｃ_Ａ＝Ｃ_ｅＡ、Ｃ_Ｂ＝Ｃ_ｅＢ、Ｃ_Ｃ＝Ｃ_ｅＣおよびＣ＝Ｃ_ｅ＝Ｃ_ｅＡ＋Ｃ_ｅＢ＋Ｃ_ｅＣである。これらの表記における指数ｅは、対応するキャパシタセグメントが空である、すなわち、燃料がないことを表す。

Ｈは、キャパシタセグメント９の頂部縁とキャパシタセグメント１の底部縁との間に存在する燃料レベルの高さを表す。Ｈは、そこで、下側キャパシタセグメントの底部縁から、プローブ軸Ｘ－Ｘに沿って測定され、この後者はｎ＝１に対応している。したがって、Ｈ＝０は、キャパシタセグメント１の底部縁に配置されている燃料レベルに関係し、Ｈ＝ｈ_９は、キャパシタセグメント９の頂部縁に配置されている燃料レベルに関係する。

この説明の一般的な部分において第１のキャパシタ値と呼ばれる、キャパシタ値Ｃを測定することで、燃料レベルに対する概算推定値Ｈ＝（Ｃ－Ｃ_ｅ）／（α・（Ｋ－１））が得られ、αはすでに定義されており、Ｋは、燃料誘電体定数に対する近似値であり、これは、所定の最小限度Ｋ_ｍｉｎと所定の最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にある値であってよい。このＨ値は、キャパシタセグメント１～９のうちの１つの中に置かれる、すなわち、これは、キャパシタセグメントのうちの２つの連続するセグメントの頂部高さ値の間にある。図１に表されている例では、燃料レベルＨは、ｈ_７とｈ_８との間にあるＨに対応する、キャパシタセグメント８内に配置される。

本発明の燃料プローブ設計原理は、燃料レベルＨが、３より大きいｎについて、キャパシタセグメントｎ内に配置されたときに、キャパシタセグメントｎ－２は完全に沈められることを確実にするというものである。図１に表されている例について、キャパシタセグメント６は完全に沈められなければならない。

測定結果として得られる同一の第１のキャパシタ値Ｃについて、最大燃料レベルＨ_ｍａｘは、Ｋ_ｍｉｎと仮定される燃料誘電体定数に対応し、最小燃料レベルＨ_ｍｉｎは、Ｋ_ｍａｘと仮定される燃料誘電体定数に対応する。これは、Ｃ＝Ｃ_ｅ＋α・（Ｋ_ｍｉｎ－１）・Ｈ_ｍａｘ＝Ｃ_ｅ＋α・（Ｋ_ｍａｘ－１）・Ｈ_ｍｉｎと表される。

次いで、本発明では、Ｈ_ｍａｘ＝ｈ_ｎであるときに、Ｈ_ｍｉｎ＞ｈ_ｎ－１であると設定し、これはｈ_ｎ－１＜ｈ_ｎ・（Ｋ_ｍｉｎ－１）／（Ｋ_ｍａｘ－１）として表される。

プローブ１００の全長は、最初に固定される。これは、頂部高さ値ｈ_９に対応する。次いで、前述の不等式は、ｈ_９値からのキャパシタセグメント８の頂部高さ値ｈ_８に対する最大値を与え、同じことが、ｈ_８値からキャパシタセグメント７の頂部高さ値ｈ_７に対する最大値を取得することに対して適用され、というように続けられ、ｈ_２値からのキャパシタセグメント１の頂部高さ値ｈ_１に対する最大値に至る。

特に、このようにして決定される頂部高さ値ｈ_１～ｈ_９は、公比ｒおよび指数ｎを用いた等比数列、たとえば、ｈ_ｎ＝ｈ_１・ｒ^{（ｎ－１）}を形成するものとしてよく、公比ｒは比（Ｋ_ｍａｘ－１）／（Ｋ_ｍｉｎ－１）の値より大きい。そのような実施形態または等比数列タイプにおいて、キャパシタセグメントの個別の長さ（ｈ_ｎ－ｈ_ｎ－１）は、ｎ値とともに増加する。

たとえば、Ｋ_ｍｉｎは２．０３であり、Ｋ_ｍａｘは２．２３であってよい。これは、ＡＲＩＮＣ６１１－１標準において報告されているように－３０℃から５０℃の範囲内の温度値に対する燃料ＪＥＴ－Ａ１に対応する。次いで、比（Ｋ_ｍａｘ－１）／（Ｋ_ｍｉｎ－１）は１．１９４に等しい。したがって、連続するｈ_ｎ値は、条件ｈ_ｎ／ｈ_ｎ－１＞１．１９４を満たしていなければならない。図３の表は、本発明の２つの実施形態の例に対するｈ_ｎ値を示しており、両方ともＫ_ｍｉｎおよびＫ_ｍａｘに対するこれらの値に対応し、Ｎ＝９であり、プローブ１００の全長ｈ_９は５６１ｍｍ（ミリメートル）に等しい。αは０．１８５ｐＦ／ｍｍ（ピコファラド／ミリメートル）に等しいものとしてよく、したがってＫ＝Ｋ_ｍｉｎのときにＣ＝１０６．９ｐＦ（ピコファラド）となる。

すべてのキャパシタセグメントのそれぞれの頂部高さ値がちょうど説明された通りに決定された後、プローブ１００が生産されてよい。たとえば、電気的絶縁材料の２つの中空シリンダが用意され、最小直径を有するシリンダについては外側表面、最大直径を有するシリンダについては内部表面で、導電性塗料により覆われるものとしてよい。最小直径を有するシリンダは、共通電極１０を形成することを意図され、最大直径を有するシリンダは、すべてのキャパシタセグメント１～９を形成することを意図され得る。次いで、キャパシタセグメント１～９は、導電性塗料がないセグメント間ギャップによって区切られ得る。ギャップは、所望のキャパシタセグメントの頂部高さ値をもたらしながらキャパシタセグメントを分離するようにプローブ軸Ｘ－Ｘに沿って配置される。次いで、キャパシタセグメント１～９への電気的接続は、図１に表されているようなセットＡ、Ｂ、およびＣに従って配置構成される。

こうして得られたキャパシタ燃料プローブ１００は、図２に表されているように航空機燃料タンク２００などの燃料タンク内にしっかり取り付けられるべきである。プローブ１００をタンク２００内の固定された位置および向きに維持するための硬質支持体の実施形態は当技術分野で知られており、したがって、本明細書において再び説明する必要はない。場合によっては、本発明によりいくつかのプローブはタンク２００内の、互いに離れているそれぞれの位置に固定されてよく、それぞれの向きは一方のプローブと他方のプローブと異なっていてもよい。参照記号１００’および１００’’は、プローブ１００のと異なる向きおよび長さを有し得るそのような追加の燃料プローブを表す。

燃料レベルＨの改善された決定を得るためにそのようなプローブ１００を使用する方法について、次に説明する。

第１のステップにおいて、キャパシタ値Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、およびＣ_Ｃは、実際の燃料レベルがプローブ１００の底部と頂部との間にある間に、測定ユニットＭＵ_Ａ、ＭＵ_Ｂ、およびＭＵ_Ｃを使用して同時にまたはほとんど同時に測定される。次いで、全キャパシタの値が、公式Ｃ＝Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｃを使用して計算される。

第２のステップにおいて、決定されるべき燃料レベルＨに対する可能な最小高さ値は、他の公式Ｈ_ｍｉｎ＝（Ｃ－Ｃ_ｅ）／（α・（Ｋ_ｍａｘ－１））を使用して全キャパシタ値Ｃから計算される。この値Ｈ_ｍｉｎは、実際の燃料レベルＨと同じキャパシタセグメント内に置かれ得るか、または実際の燃料レベルＨのからすぐ下の隣接するキャパシタセグメント内に置かれ得る。

第３のステップにおいて、第２のステップで計算されるような最小高さ値Ｈ_ｍｉｎと重なるキャパシタセグメントのうちのその１つのセグメントが識別され、第１の選択されたキャパシタセグメントと呼ばれる。次いで、第１の選択されたキャパシタセグメントのすぐ下に置かれるキャパシタセグメントが、続いて識別され、第２の選択されたキャパシタセグメントと呼ばれる。実際の燃料レベルＨが第ｎのキャパシタセグメント内に置かれ、次いで、第１の選択されたキャパシタセグメントが同じ第ｎのキャパシタセグメントであり、それにより第２の選択されたキャパシタセグメントは第（ｎ－１）のキャパシタセグメントとなるか、または第１の選択されたキャパシタセグメントが第（ｎ－１）のキャパシタセグメントであり、それにより第２の選択されたキャパシタセグメントは第（ｎ－２）のキャパシタセグメントとなると仮定する。図３の表において、「キャパシタンスセット」という表題の第４の列は、第１の選択されたキャパシタセグメントを含むセットＡ～Ｃのうちの１つを、この後者が表の同じ行の第１の列に示されているものであるときに示している。次いで、「補償器セット」という表題の第５の列は、第２の選択されたキャパシタセグメント含むセットを示している。

たとえば、実際の燃料レベルＨが、図１に表されているように第８のキャパシタセグメント（ｎ＝８）内にあるときに、全キャパシタに対する測定された値Ｃにより、Ｈ_ｍｉｎ＝３７０ｍｍとなり得る。図３の両方のキャパシタ燃料プローブについて、このＨ_ｍｉｎ値は、第７のキャパシタセグメント（ｎ＝７）内に置かれる。次いで、第１の選択されたキャパシタセグメントは、Ａであるキャパシタンスセットに対応する、第７のセグメントであり、第２の選択されたキャパシタセグメントは、Ｃである補償器セットに対応する、第６のセグメントである。

第４のステップにおいて、補償器セットに対する測定されたキャパシタ値は、燃料の誘電体定数Ｋに対する値を計算するために使用され、これはプローブ１００の底部と燃料レベルＨとの間の平均値として有効である。誘電体定数Ｋに対するこの計算された値は、Ｋ_ｆｉｎｅと記される。これは、本発明のプローブ設計が、第２の選択されたキャパシタセグメントが燃料内に完全に沈められ、また補償器セットに属する他のキャパシタセグメントがそのようなものが存在するとすれば第２の選択されたキャパシタセグメントの下に置かれているが、補償器セットにも属すが第２の選択されたキャパシタセグメントの上に置かれているキャパシタセグメントは、ここでもまたそのようなものが存在するとすれば、燃料を完全に切らしている、ことを確実にするので正確に計算され得る。したがって、補償器セットの沈められた長さは、確実に知られる。燃料中に沈められている補償器セットのキャパシタセグメントのこの全長は、第１の選択されたキャパシタセグメントの指数値ｎとともに増加し、このことは、燃料誘電体定数Ｋに対する存在する可能性のある垂直勾配が改善された範囲で考慮されることを示す。ここで再び、Ｈ_ｍｉｎ＝３７０ｍｍの例に対して、第３（ｎ＝３）および第６（ｎ＝６）のキャパシタセグメントはセットＣの沈められている部分を形成する。次いで、誘電体定数値Ｋ_ｆｉｎｅは、公式
Ｋ_ｆｉｎｅ＝１＋（Ｃ_Ｃ－Ｃ_ｅＣ）／［α・（ｈ_３－ｈ_２＋ｈ_６－ｈ_５）］
を使用して計算され得る。

上記の説明から、当業者であれば、図３の表の各行について、誘電体定数値Ｋ_ｆｉｎｅを計算するために使用されるべき正しい公式を推定することができる。

最後に、第５のステップで、燃料レベルは、公式
Ｈ＝（Ｃ－Ｃ_ｅ）／（α・（Ｋ_ｆｉｎｅ－１））
を使用して決定することができ、第１のステップで計算されるように、ここでもまたＣ＝Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｃである。

図４の図は、図３に示されている第１の発明の実施形態の例について、この方法で決定された燃料レベルと、実際の燃料レベルとの間に存在する誤差を示している。実際の燃料レベルの値は、単位ミリメートルで水平軸によって示され、誤差値は、これも単位ミリメートルで図の左部分に垂直軸によって示される。本発明を実装することに関係する誤差曲線は、プローブ１００の底部のところの２．２０からプローブ１００の頂部のところの約２．００まで直線的に減少する燃料誘電体定数Ｋの特定の場合について、連続する直線で描かれている。誘電体定数Ｋに対するそのような変動は、タンク内高さに対する水平軸、ただし、Ｋ値については図の右部分の垂直軸をここでもまた参照する点線に対応する。本発明を実装することによって決定されるような燃料レベルに対する最大誤差は、絶対値で約１０ｍｍである。比較のため、図は、従来技術から知られているようなプローブを使用したときに得られる誤差も示しており、これは誘電体定数計算専用の１つの４０ｍｍ底部キャパシタセグメントと、燃料レベル決定のみ専用とする１つの単一の連続する上側セグメントとからなる。そのような従来技術のプローブを使用することで、誤差は、燃料レベルがプローブ頂部にあるときに絶対値で最大４３ｍｍまでの燃料レベルとともに増大する。

図５の図は、燃料誘電体定数Ｋが１１０ｍｍの高さ値より下の約２．１３の第１の値と、１１０ｍｍの高さ値より上の約２．０６の第２の値とを有する状況に対する図４の図に対応する。そのような状況は、補給に使用される燃料タイプが補給前にタンク内に残っていた燃料の燃料タイプに比べて軽いときに補給後に生じ得る。再び図３からの第１の発明の実施形態の例のプローブを実装するときの誤差は、常に、絶対値で２．５ｍｍ未満であるが、これは図４と同じ従来技術のプローブを使用したときに絶対値で２７ｍｍまで上昇する。

場合によっては、キャパシタ燃料プローブ１００は、燃料誘電体定数Ｋの正確な値または値の分布に関する知識を欠いている結果生じる誤差に加えて、他の可能な誤差を考慮するようにさらに設計され得る。そのような追加の誤差は、キャパシタセグメント１～９の長さに関係する製造誤差、および／またはキャパシタ燃料プローブ１００の組み立てステップに関係し、α定数に影響を及ぼす可能性のある位置決め誤差、および／またはキャパシタ値の測定に関係する測定誤差であってよい。このために、考慮されるべき誤差の各１つについてそれぞれの最小限度および最大限度が規定される必要がある。次いで、可能な最小の燃料レベルＨ_ｍｉｎおよび可能な最大の燃料レベルＨ_ｍａｘは、場合によっては各誤差による燃料高さシフトを、この後者がこの誤差、およびこれらの誤差値の組合せについて規定されている限度の間で変動するときに包含するように、全キャパシタＣの同一の値について計算され得る。次いで、プローブ設計は、２から９までのｎについて、Ｈ_ｍａｘ＝ｈ_ｎであるときに、ｈ_ｎ－１＜Ｈ_ｍｉｎを選択することによって、前の方で説明されているのと似た方法で続けることができる。このようにして設計されたプローブを使用して燃料レベルを決定するときに、燃料レベルＨに対する最小高さＨ_ｍｉｎは、考えられている誤差すべてに対する最小限度または最大限度を使用して計算される。この値から、燃料レベル決定方法の残り部分は変更がない。

本発明は、上で提示されている詳細な説明に限定されないこと、説明されている実施形態の二次的態様が適合され得ることは理解されなければならない。特に、引用されているすべての数値は、変更されてよい。

説明されているように、キャパシタセグメントは、セグメント分割された外部電極チューブと、頂部プローブ縁から底部プローブ縁まで連続する内部電極チューブとを使用することによって生産され得る。しかし、頂部プローブ縁から底部プローブ縁まで連続する外部電極チューブとセグメント分割された内部電極チューブとを使用することも可能である。外部電極チューブおよび内部電極チューブが両方ともセグメント分割されることも可能である。

Ａ、Ｂ、Ｃ セット
１～９ キャパシタセグメント
１０ 共通電極
１００、１００’、１００’’ キャパシタ燃料プローブ
２００ 航空機燃料タンク

Claims (11)

1. 燃料の誘電体定数（Ｋ）値が最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にあるときにプローブ軸（Ｘ）に沿って燃料レベル（Ｈ）を測定するためのキャパシタ燃料プローブ（１００）であって、前記最小限度および最大限度は前記キャパシタ燃料プローブに対して規定され、
   前記キャパシタ燃料プローブ（１００）はＮを５より大きい整数として前記プローブ軸（Ｘ）に沿って互いに重ね合わされている一連のＮ個の分離されたキャパシタセグメント（１～９）を備え、各キャパシタセグメントは前記プローブ軸に沿って底部高さ値から頂部高さ値まで延在し、前記キャパシタセグメントのうちのどれか１つの前記頂部高さ値は前記キャパシタセグメントのうちの最低のキャパシタセグメントから前記キャパシタセグメントのうちの最高のキャパシタセグメントへ移動するときに次のキャパシタセグメントの底部高さ値に対応し、
   前記キャパシタ燃料プローブ（１００）は前記キャパシタセグメント（１～９）のうちの任意の３つの連続するセグメントが互いに電気的に絶縁されるようにさらに設計され、各キャパシタセグメントは少なくとも３つのセット（Ａ～Ｃ）のうちの１つに、前記プローブ軸（Ｘ）に沿って重ね合わせ順序に従い前記最低のキャパシタセグメントから前記最高のキャパシタセグメントへ移動している間に前記セットの同一の順序付けられたシーケンスを繰り返すことによって、割り当てられ、各セット内のすべての前記キャパシタセグメントは他のセットとは別に並列接続配置構成に従って電気的に接続される、キャパシタ燃料プローブ（１００）において、
   すべての前記キャパシタセグメント（１～９）が前記プローブ軸（Ｘ）に沿って前記最低のキャパシタセグメントから前記最高のキャパシタセグメントまで整数指数ｎを用いて漸次番号付けされ、ｈ_ｎが第ｎのキャパシタセグメントの前記頂部高さ値を表すときに、条件
   ２からＮまでの任意のｎ値について、ｈ_ｎ－１＜ｈ_ｎ・（Ｋ_ｍｉｎ－１）／（Ｋ_ｍａｘ－１）
   が満たされ、
   したがって、並列接続されているすべての前記キャパシタセグメントに対応する第１のキャパシタ値（Ｃ）を測定することで、補償器セットと呼ばれる、前記セット（Ａ～Ｃ）のうちの少なくとも１つが、前記最小限度Ｋ_ｍｉｎと前記最大限度Ｋ_ｍａｘとの間で前記燃料誘電体定数の前記値が何であれ前記燃料レベル（Ｈ）が交差するキャパシタセグメントを有しないことを指示し、かつ
   したがって、前記補償器セットに対して測定される第２のキャパシタ値（Ｃ_Ａ～Ｃ_Ｃ）が、前記燃料誘電体定数（Ｋ）の推定値を計算することを可能にし、
   前記第１のキャパシタ値と組み合わせた前記燃料誘電体定数の前記推定値は、前記燃料レベルに対する精緻化値を計算することを可能にすることを特徴とする、キャパシタ燃料プローブ（１００）。
2. Ｎは、８より大きく、より好ましくは９に等しく、または１６未満である請求項１に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
3. 前記キャパシタセグメント（１～９）が前記他のセットとは別に各セット内で並列接続されている前記セット（Ａ～Ｃ）の数は、３である請求項１または２に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
4. 前記燃料誘電体定数（Ｋ）に対する前記最小限度Ｋ_ｍｉｎは、１．９０から２．０６の間にある請求項１から３のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
5. 前記燃料誘電体定数（Ｋ）に対する前記最大限度Ｋ_ｍａｘは、２．１９から２．３５の間にある請求項１から４のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
6. すべての前記キャパシタセグメント（１～９）のそれぞれの長さ値は、前記キャパシタ燃料プローブに沿って漸次ｎ値とともに増大する請求項１から５のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
7. 前記キャパシタセグメント（１～９）の頂部高さ値（ｈ_１～ｈ_９）は、ｈ_１・ｒ^{（ｎ－１）}に等しく、ｈ_１はｎ＝１に対応する前記最低のキャパシタセグメント（１）の前記頂部高さ値であり、ｒは（Ｋ_ｍａｘ－１）／（Ｋ_ｍｉｎ－１）より大きい等比数列の公比であり、好ましくは２未満である請求項１から６のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
8. 少なくとも１つのキャパシタ測定ユニット（ＭＵ_Ａ、ＭＵ_Ｂ、ＭＵ_Ｃ）と、前記キャパシタ測定ユニットをキャパシタセグメント（１～９）の前記セット（Ａ～Ｃ）のいずれか１つに電気的に接続するのに適している接続配置構成とをさらに備え、それにより前記キャパシタ測定ユニットは、キャパシタセグメントの前記セットのうちのどれか１つに対して測定されたキャパシタ値（Ｃ_Ａ～Ｃ_Ｃ）を提供する請求項１から７のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
9. 航空機の燃料タンク内で動作するように適合されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００）。
10. キャパシタ燃料プローブ（１００）を製造するためのプロセスであって、前記キャパシタ燃料プローブ（１００）は前記プローブの軸（Ｘ）に沿って燃料レベル（Ｈ）を測定する作業専用であり、
    ／１／ 前記燃料の誘電体定数値（Ｋ）が最小限度Ｋ_ｍｉｎと最大限度Ｋ_ｍａｘとの間にあり、前記キャパシタ燃料プローブ（１００）に対して規定されていると仮定するステップと、
    ／２／ Ｎが５より大きい整数である、一連のＮ個のキャパシタセグメント（１～９）に対してそれぞれの頂部高さ値（ｈ_１～ｈ_９）を決定するステップと、
    ／３／ 前記Ｎ個のキャパシタセグメント（１～９）が前記プローブ軸（Ｘ）に沿って互いに重ね合わされるように前記キャパシタ燃料プローブ（１００）を生産するステップと、
    ／４／ 前記Ｎ個のキャパシタセグメント（１～９）を少なくとも３つのセット（Ａ～Ｃ）に、前記プローブ軸（Ｘ）に沿って前記キャパシタセグメントのうちの最低のキャパシタセグメントから前記キャパシタセグメントのうちの最高のキャパシタセグメントへ移動している間に前記セットの同一の順序付けられたシーケンスを繰り返し、他のセットとは別に並列接続配置構成に従って各セット内のすべての前記キャパシタセグメントを電気的に接続することによって、分配するステップとを含み、
    ステップ／２／から／４／は、ステップ／１／で規定されているような前記燃料誘電体定数値（Ｋ）に対する前記最小限度Ｋ_ｍｉｎおよび前記最大限度Ｋ_ｍａｘとともに、前記キャパシタ燃料プローブ（１００）が請求項１から９のいずれか一項に従うように実行されるキャパシタ燃料プローブ（１００）を製造するためのプロセス。
11. 航空機用の燃料タンク機器であって、燃料タンク（２００）と、少なくとも１つの請求項９に記載のキャパシタ燃料プローブ（１００、１００’、１００’’）とを備え、前記キャパシタ燃料プローブは前記燃料タンク内に固定される航空機用の燃料タンク機器。

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