航空燃油密度測量技術研究

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航空燃油密度測量技術研究

The Research of Aviation Fuel Density Measurement Technology

鮮燕1王麗梅1陳健1陳貴勇2/ Xian Yan1Wang Limei1Chen Jian1Chen Guiyong2

(1.中國民航飛行學院新津分院，成都 611400;2.中航工業成飛集團復合材料加工廠，成都 61000)

(1.Civil Aviation Flight University of China Xinjin Flight College，Chengdu 611400，China;

2.AVIC Chengdu Aircraft Composites Factory,Chengdu 610000,China)

0引言

燃油是飛機的能源，燃油系統是飛機能源的供應系統。飛機燃油系統主要功能是儲存燃油，并根據飛行狀態和飛行高度，按需要的壓力和流量，安全可靠地將燃油供給發動機。因而在飛機的飛行過程中，燃油量對飛行安全起著重要的作用[1-3]，不僅要求燃油量能實時地顯示出，并且要求其測量值盡可能精確。這是由于飛機工作的特殊環境所導致的，燃油測量系統的測量精度對飛機的整體性能有重要的影響，例如民用飛機的燃油測量精度只要每提高0.5%，相應就可以至少增加2~3名乘客[4]，大大提高經濟效益。因此，提高飛機燃油系統的測量精度顯得尤為重要。

近年來，如何實現高精度飛行燃油密度的實時測量是國內外一直在探索和研究的重點，然而國內航空燃油密度測量技術的研究尚處于起步階段，因此，對各種新的燃油密度測量方法及燃油量測量技術的研究將推動著燃油測量技術不斷地發展與完善。

1燃油測量系統

飛機燃油測量系統包括液位測量傳感器、密度測量傳感器、燃油測量與處理任務計算機以及油量顯示等部分，圖1是它的工作原理：油位測量傳感器首先測量出油箱中燃油的高度h，結合飛行姿態和飛行高度以及數學模型信息，計算機可得到相應的燃油體積v，同時密度傳感器可以測出燃油的密度ρ，計算機通過結合溫度補償等可得出油箱燃油的質量m，最終輸出并顯示。

圖1　燃油測量系統原理圖

其中，燃油的液位測量經歷了從油尺測量、電容式(特性傳感器到線性傳感器)測量、超聲波測量、放射性測量、光纖測量以及磁致伸縮技術測量等各種先進的測量方式并存的時代，使實時的體積計算成為現實[5]。由于燃油的消耗是動態過程，燃油密度并不是固定值，它會隨著飛機飛行的高度、大氣壓力、油箱溫度的變化而改變，因此要實時地測量出燃油密度，并且提高密度的測量精度，從而提高整個燃油測量系統的精度，是燃油測量中至關重要的一個環節。

2燃油密度的測量

燃油的密度測量從早期的間接測量、比重計測量逐漸到了振動筒式測量、放射性同位素測量、超聲波測量等傳感器測量，使得燃油測量精度、安全性、操作性及自動化水平大大提高，下面就幾種主要密度測量方法的工作原理進行說明。

2.1　主要測量方法及其原理

(1)間接方法進行測量

早期的燃油測量系統不能對燃油密度進行直接測量，而采用的是間接測量方式。密度的間接測量又有結合介電常數和燃油溫度補償的方法(式1)以及利用燃油密度與溫度、壓力等之間的關系(式2)來進行間接測量兩種[3,6]。

ρ=F1(T·C)

(1)

ρ=F2(P·T)

(2)

其中，ρ為燃油密度，T為溫度，C為介電常數，P為壓力，F1為密度與介電常數之間的關系函數；F2為燃油密度與溫度、壓力之間的關系函數。

對于第一種方法，由于燃油品格的不同，介電常數與密度之間的關系不總是恒定的，且測量得出的燃油密度精度不高；對于第二種方法，由于溫度壓力以及其他參數與密度之間的關系復雜，往往測量過程中簡化模型，使得精度降低。因此，相繼出現了直接測量的密度計以及傳感器。

(2)比重計進行測量

比重計是測定液體密度的一種儀器，原理是阿基米德定律和物體浮在液面上的平衡，由干管和軀體組成。當比重計在不同的燃油中浸入的深度不同，受到的壓力不同，根據干管上的讀數可以確定出燃油的密度。由于比重計測量密度精度不高，加上自動化程度低，一般在飛機燃油上很少使用。

(3)基于諧振技術測量

基于諧振技術的燃油密度測量采用的是諧振筒式傳感器，它是一種適用于多種參數測量的傳感器，通過測量諧振筒在不同狀態下的固有振動頻率，從而測量出測量燃油的密度，輸出量為頻率[7-8]。諧振筒的結構簡圖如圖2所示，可以將其視為一個單自由度受迫振動的二階系統，等效于如圖3所示模型，其運動方程可以表述為式(3)。當外力(激振力)F(t)能夠克服阻尼力時，系統就將處于諧振狀態，根據振動理論，其諧振頻率為式(4)，也即是固有頻率。

小學生的學習是緊緊依靠著興趣來驅動的，好奇心和求知欲是小學生的主要心理特點。學生在課堂上由教師指導學習新知，在課下通過作業去主動研究和解決問題，在此過程中又產生新的困惑，再由教師進行指導和點撥。在這樣的一個循環之中，教師不斷地激發和提升學生的開拓精神和創造能力，通過作業，引導學生主動學習知識，樂于參與討論，處理語言和綜合運用語言的能力將不斷提升。作業是一節課教學的終點，同時也是學生學習的起點，作業不是學生的負擔，而是一種發展的需求。

(3)

(4)

圖2　諧振筒的結構簡圖

圖3　振動系統等效模型

其中，F(T)為激振力，m為等效質量，c為阻尼系數，k為彈簧剛度，E為材料彈性模量，I為剛度。

當燃油從諧振筒中流過時，總質量由m變成m+Δm，Δm是燃油振動部分的質量，此時的振動頻率為式(5)。

(5)

(6)

(7)

其中，d1、d2分別為諧振筒的內外徑，f為諧振筒的振動頻率，fx為加入燃油后諧振筒的振動頻率。

當燃油進入諧振狀態的諧振筒中，將隨之一起振動并成為其振動質量的有效部分，根據式(7)測量出此時的振動頻率即可以確定出燃油的密度，圖4是系統原理框圖。

圖4　諧振式航空燃油測量系統示意圖

(4)放射性同位素測量

I=I0exp(-μρxd)

(8)

(9)

通過轉換，可以得到式(9)，由于μ、d、I0都是不變的，只需根據衰減后射線的強度I就可以得到所需的燃油密度，圖5是此測量方式的示意圖。

圖5　放射性燃油密度測量示意圖

(5)超聲波測量

超聲波測量燃油密度利用的是超聲波在燃油中的傳播過程是以縱波的形式進行的，其傳播速度與燃油密度、聲阻抗等密切有關[13-14]，測量出燃油中的聲速即可得到燃油的密度，其表達式為式(10)。超聲波測量密度示意圖如圖6所示。

(10)

式中：c為超聲波的傳播速度，E為燃油的體積彈性模量，ρ為燃油的密度。

圖6　超聲波測量密度示意圖

2.2　各種測量方法對比

表1是各種燃油密度測量方法的優缺點詳細情況，從成本、測量精度、穩定性、自動化程度、是否與燃油接觸、系統可操作性以及維護性等方面進行了對比說明。其中比重計測量與間接測量屬于靜態測量，其余測量方法屬于動態測量；諧振技術測量和超聲波測量為非接觸式測量，在密度測量過程中不易造成傳感器的污染，使得傳感器穩定性較好。

表1　燃油密度測量方法對比表

2.3　國內外燃油密度測量研究

我國的燃油測量技術研究起步較晚，從20世紀70年代才開始跟蹤與研究航空液位傳感器、燃油密度傳感器及其相關技術[15]，目前我國民用飛機的燃油密度測量主要采用間接方式，即介電常數與溫度補償的方法進行測量，只有個別機型選用了數字化燃油測量系統，這樣導致燃油測量數字化程度偏低，容易造成測量系統的可靠性較低，測量精度偏低，平均無故障工作時間較短，占用維修時間較多。

在傳感器方面，霍尼韋爾和史密斯公司等國外大型公司大力開展數字式燃油測量系統技術研究，先后在波音 757、波音 767、C-130和F-22 等飛機上成功運用放射性燃油密度傳感器和諧振式密度傳感器，結合補償修正技術、BIT技術等使密度測量傳感器在測量精度、可靠性和使用壽命方面有很大的提高。其中以美國F-22為代表的第四代戰斗機不僅更換了密度測量方法，還徹底放棄了電容式液位測量，使燃油測量系統發生了質的飛越。2014年由美國UTC公司設計和生產的聯合技術航空系統被Airbus S.A.S.選中為空客A321、A319、A320和A320neo等機型提供通用燃油測量系統，該燃油測量系統提供了改良的性能和更好的可靠性，提供通用的燃油密度測量和液位探測儀、指示器和油量感應控制裝置等。

3燃油測量技術的發展

無論是振動筒式測量、放射性同位素測量還是超聲波測量方法，每一種新型的燃油密度測量技術及其應用都將直接或間接地提高航空燃油的測量精度和自動化水平，微電子和計算機技術在燃油測量技術發展的過程中起了決定性作用，這就決定了數字化、綜合化是航空燃油測量技術發展的必然趨勢。

大力開展各種新型的燃油液位和燃油密度測量技術研究，研制適合我國燃油系統發展需求的燃油測量系統，是實現飛機燃油管理的重要基礎。未來航空燃油測量系統的發展將集中體現在五個方面：一是高精度傳感器的研制，著力提高燃油測量精度，提高燃油的利用效率；二是傳感器內部結構與分布技術的優化，力圖實現傳感器的一體化、小型化；三是測量誤差的補償與修正技術的完善，減小系統誤差；四是系統可靠性和維護性等的改進，提高系統整體功能性；五是向智能控制發展，實現燃油系統的數字化、綜合化管理。

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摘要：

燃油量是飛機燃油系統的重要組成部分，同時燃油密度的測量又是燃油測量中的一個關鍵環節，為了進一步研究提高航空燃油密度測量精度的方法，預測燃油測量未來的發展，介紹了燃油測量系統和密度測量的重要性，結合文獻分析法和定性分析法進行了總結歸納，論述了各種燃油密度測量方法的基本原理，包括間接法、比重計法、基于諧振技術測量、放射性同位素測量以及超聲波測量，并對比分析了各種方法的優缺點，在國內外研究現狀的基礎上指出了數字化綜合化是航空燃油測量技術發展的必然趨勢。

關鍵詞：航空燃油；密度測量；方法；原理；燃油量

[Abstract]The amount of fuel is an important component of the aviation fuel system, while measuring the fuel density is a key link in fuel quantity measurement. To further investigate the accuracy of aviation fuel density measurements to predict the future development of fuel measurements. This paper summarizes the main methods for measuring the fuel density, including the indirect method, hydrometer measurement, based on resonance technology measurement, a radioactive isotope measurement and ultrasonic measurement, analyzes basic principle of the methods, and compares their advantages and disadvantages, with current research points out the development trend of fuel measurement technology.

[Key words]aviation fuel; density measurement; method; principle; the amount of fuel

基金項目：中國民航飛行學院新津分院青年基金項目，項目編號：XM1668。

中圖分類號：V233.2

文獻標識碼：A