飛機燃油測量系統設計誤差影響分析

王卉

【摘 要】燃油測量系統在設計階段需要確定傳感器的布置方案，然后生成真值表，在這個過程中會產生誤差。本文介紹了傳感器布置和生成真值表的方法，分析了每個階段產生的誤差對測量精度的影響，從而確定減小誤差的方法。

【關鍵詞】燃油測量系統；傳感器；精度；真值表

【Abstract】Fuel gauging system needs to provide probe placement，and generate H-V table during design phase.It introduced the method for probe placement and how to generate H-V table， analyzes the error impact on gauging accuracy，and then how to minimize the error.

【Key words】Fuel gauging system；Probe；Accuracy；H-V table

0 引言

飛機燃油測量系統的主要功能是為機組人員提供機上剩余油量指示，以便機組人員根據剩余油量對后續航線做出正確判斷。燃油測量系統的精度影響飛機的經濟性和安全性，因此高精度的測量系統是現代民用客機的發展趨勢。

1 燃油測量系統設計誤差的組成

油箱內的油量傳感器負責測量油面高度，然后將測得的信號發送給燃油計算機。燃油計算機根據接收到的高度信號，插值真值表得出燃油體積，然后與密度相乘，最后得到油箱內剩余的油量。

在設計階段，燃油測量系統獲取系統級的測量精度要求之后，應確定油箱內傳感器的布置方案，然后確定油量解算的方法。這兩部分工作都會給測量系統帶來誤差，即傳感器布置的誤差和油量解算的誤差。

2 傳感器布置的誤差分析

2.1 測量連續性

如果不考慮傳感器自身的測量誤差和安裝誤差，那么對于每根傳感器而言，只有“測得到”和“測不到”的區別。所謂“測得到”就是指傳感器可以感受到油面高度的變化，這種傳感器稱之為有效的傳感器；而“測不到”也就是感受不到油面高度的變化，將其稱之為無效的傳感器。

圖1即為有效傳感器，有一部分浸沒在燃油中。

圖1 有效的傳感器

如果傳感器完全浸沒在燃油里，如圖2所示；或者完全露出油面，如圖3所示，那么這種就是無效傳感器，因為這種傳感器無法測量到真實的油面。

圖2 完全浸沒在燃油中的傳感器

圖3 完全露出油面的傳感器

顯然，只有處于圖1所示的狀態的傳感器測得的數據是有用的。

在飛行過程中，由于飛機姿態，油箱結構，燃油消耗等因素的影響，油箱內的油面始終都是在變化的。在布置傳感器時，應保證當飛機在規定的姿態范圍內變化時，每個油箱內至少有一根傳感器能處于有效測量的狀態。這樣才可以始終獲得這個油箱內的油面高度信號。這也就是測量的連續性要求。

2.2 不可測油量

由于傳感器安裝位置的限制，每根傳感器都存在不可測的區域，即測量死區，如圖4所示?？梢钥闯?，無論傳感器如何安裝/布置，這個不可測油量都是存在的，而且不可測油量越大，測量的誤差也就越大。

圖4 傳感器的不可測油量

2.3 小結

將“測量連續性”和“不可測油量”結合在一起考慮就會發現，如果可以保證測量的連續性，那么最終影響測量精度的是以下兩部分之和：

1）處于油箱最低位置的傳感器的底部不可測油量；

2）處于油箱最高位置的傳感器的頂部不可測油量。

也就是圖5所示的陰影部分。因為如果可以保證測量的連續性，在1號傳感器的最低感受點以上的部分，和5號傳感器的最高感受點以下的部分，都至少有一根傳感器是部分浸沒在燃油里的。

圖5 傳感器組合的不可測油量

因此在布置傳感器時，應該保證以下兩點以求實現誤差最小：

1）在規定的飛機姿態范圍內，確保測量的連續性；

2）不可測油量最小化。

3 油量解算的誤差分析

3.1 油量解算的前提

油量解算以真值表為基礎，根據傳感器測得的油面高度信號插值，得出當前的燃油體積。

為了保證燃油計算機使用有效的傳感器數據，在設計時，每根傳感器都有特定的負責區域。這根傳感器的數據只用于計算這個特定區域內的體積/油量。這個特定區域稱為隔艙，通常根據油箱的連通性劃分。以油箱內的密封肋和半密封肋為分界線，因為在這些肋的兩側油面容易出現階梯的情況，如圖6所示。針對這種情況，一個油箱分為A和B兩個隔艙，1號和2號傳感器測得的數據中用于計算隔艙A的油量，2號傳感器的數據只用于計算隔艙B的油量。也就是說，各個隔艙內的的油量單獨計算，最后相加得到總油量。

圖6 油面“階梯”

3.2 油量解算的方法

常見的油量解算的方法有兩種：

1）每根傳感器生成一個真值表

這個真值表包含不同姿態下，不同油面高度下，傳感器測量高度和燃油體積的數據。

燃油計算機根據每根傳感器測得高度數據，插值真值表。如果一個隔艙內有多根傳感器，那么將其結果取平均值。

2）每個隔艙生成一個真值表

這個隔艙只有一個真值表，每根傳感器測得的信號都在這個真值表中插值，最后得出這個隔艙的燃油體積。

這里采用一個隔艙對應一個真值表的方法。

3.3 生成真值表

從油箱結構連通性的角度考慮，將油箱劃分為若干個隔艙，認為每個隔艙是一個獨立的單元，單獨計算這個單元內的油量，最后將所有單元相加，得出油箱內的總油量。

下面以一個隔艙為例，說明如何生成真值表。

1）確定基準傳感器

確定一個飛機姿態，計算不同油面高度下的油面的面心，然后將各個面心擬合成一條直線。如果將傳感器按照這根直線的位置安裝，那么傳感器始終處在面心的位置測量，姿態誤差最小。將這根實際不存在的傳感器稱為基準傳感器。

2）生成基準傳感器的真值表

仍基于這個飛機姿態角，從基準傳感器的最低點開始，以確定的步長，用平行于水平面的平面切割油箱，計算這個切割平面下方的燃油體積。這樣就可以得到一組H-V的數據。

3）更改飛機姿態，重復上面兩個步驟。

這樣，針對每個飛機姿態，都可以得到一組H-V數據。最終生成的是不同姿態下的H-V數據。

3.4 插值真值表

如圖7所示，P0是基準傳感器，P1是油箱布置的真實的傳感器。真值表中記錄的H0，傳感器測得的是H1，因此需要根據P1和P0的相對位置關系，將H1轉換成對應的H0，然后插值，得到體積。

圖7 真實傳感器與基準傳感器的位置關系

如果這個隔艙內布置了多根傳感器，就將各個傳感器插值得到的結果取平均值。

3.5 小結

通過上述分析可以看出，插值的結果是否準確主要取決于真值表數據的“密度”。即真值表的數據越密，即步長越短，由于插值引起的誤差就越小。

4 設計時測量精度的驗證

4.1 檢查測量連續性

將傳感器位置坐標導入油箱數模，然后確定最大的姿態角，以該平面切割油箱數模，檢查是否存在某些區域不可測的情況。如圖8所示，當油面在圖中的陰影部分變化時，1和2號傳感器都無法檢測到油面高度。那么，這就是屬于測量不連續的情況。

圖8 測量不連續示意圖

4.2 計算精度

在導入傳感器坐標之后，給定油量/體積V1，然后得到每根傳感器的測量高度，再根據這個測量高度，插值真值表，得出體積V2，那么當前傳感器布置方案的誤差為（V2-V1）/V1。

4.3 小結

采用這種驗證方法基于一個前提：假設使用的油箱數模是100%準確的。這種方法有利于：

1）確認布置方案是否滿足測量連續性的要求；

2）在保證了連續性的前提下，可以計算出油量解算，即真值表的精度。

5 誤差分析

通過上文的分析，影響測量系統精度的原因有：

1）不能保證測量的連續性；

2）不可測油量；

3）真值表的精度。

其中測量的連續性，在確定了飛行姿態之后，在設計過程中是完全可以保證的。不可測油量是由于傳感器安裝引起的，只能在便于安裝/拆卸的前提下，盡量減小傳感器的不可測油量。真值表的精度是由計算時采用的步長和計算使用的油箱模型的精度決定的。在生成真值表時，是基于一個簡化的油箱模型開展的，因此這個簡化模型越接近真實模型，切割模型得到的體積就越準確。同時，真值表的步長越小，數據越密，插值的誤差就越小。

因此，在驗證測量系統精度時，如果發現測量精度不滿足要求，可通過優化簡化的油箱模型和減小真值表的步長提高測量精度，直至滿足要求。