飛機燃油測量液位高度解算方法研究

師顯強，樊偉

（航空工業四川泛華航空儀表電器有限公司）

0 引言

飛機燃油箱油量及其分布是飛機重要的基礎信息，安全、穩定、精確的燃油量測量對改善飛機整體性能具有重要意義[1]。

目前，國內外最常見的飛機燃油量測量方式為：首先依據油箱之間燃油的串通性能及翼肋的密封性能對整個油箱進行分塊，各塊油量之和即為總油量；再對每塊通過遍布于不同部位的油量傳感器（現有最常見的為電容式油量傳感器）測量油面高度，結合油面角測量，然后查詢表征油面高度、油面角與燃油量、燃油重心等對應關系的燃油質量特性數據庫，最后經插值解算、信息后處理得到油量測量結果。數字式燃油測量原理見圖1[2]。

飛機燃油測量解算方法是燃油測量系統設計的核心之一，燃油測量解算的輸入是油量傳感器初始采樣值，介電常數傳感器初始采樣值，溫度傳感器采樣值和密度傳感器采樣值（如果有），油量傳感器和介電常數傳感器初始采樣值由燃油計算機內的數字平衡電橋或C/V轉換獲取，線性電容式油量傳感器采樣值與獲得的模擬量電壓值成等比例關系，溫度傳感器一般采用鉑電阻式、其采樣值與實際溫度值成等比例關系，密度傳感器一般采用振動式密度計。

圖1 數字式燃油測量原理圖Fig.1 Digital fuel measurement principle diagram

液位高度解算是燃油測量解算的重要且必要環節，其輸入是各油量傳感器初始采樣值以及標定零滿值，介電常數傳感器初始采樣值以及標定值，輸出是各油量傳感器浸油高度。下文在介紹了液位高度解算原理的基礎上，對液位高度解算涉及的幾項關鍵技術點進行了分析說明，并歸納了液位高度解算流程，以指導燃油測量解算軟件設計。

1 液位高度解算原理

首先介紹一下線性電容式油量傳感器的工作原理[3-5]，見圖2：

圖2 線性電容式油量傳感器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of linear capacitive fuel sensor

線性電容式傳感器通過底部小孔與油箱形成連通器，當燃油增多，h增大，△C也增大；燃油減少，h減少，△C也減小。通過測量電容的大小就能知道液位的高低。

可見，△C不光與h有關，也與K有關。燃油的K隨油品、溫度等變化，因此需要K補償。補償方法：裝一個長期完全浸沒在燃油中的傳感器：

燃油測量過程中，已知油量標定時的零電容值、滿電容值，補償零值、補償滿值以及使用過程中的當前采樣值和當前補償零值（滿值）。

標定時的零電容值：

標定時的滿電容值：

標定時的補償零值：

標定時的補償滿值：

當前補償零值：

當前補償滿值：

當前采樣值轉換如下：

2 液位高度解算關鍵技術點分析

2.1 KF的有效性問題

2.2 Cs的預處理問題

Cs表示油量傳感器（包括補償傳感器）的初始采樣值，初始采樣值由模擬量獲得，為了得到穩定可靠的油量傳感器初始采樣值，需要進行預處理操作，

第一：祛除奇異值，即祛除明顯失真的傳感器采樣值，一般認為油量傳感器初始采樣值低于標定零值加閾值或高于標定滿值加閾值則認為失真，閾值的大小由所有可能油品和溫度導致的油量傳感器采樣值最大偏差再附加一定的余量決定[6-7]。

第二：采樣值平滑，采樣值為模擬量輸出值，一般存在波動，需要對初始采樣值進行平滑處理，采樣值平滑的方法包括多次采樣取平均，多次采樣取中值，還有使用祛除最大、最小后取平均的方式，根據系統精度要求和使用工況決定[8-9]。

2.3 液位高度置信度問題

如前文所述液位高度計算公式為：

由于油量傳感器采樣值Cs存在波動的可能，導致在某些狀態下Cs-C0標會有不同的結果，例如，目前實際油箱全空，由于Cs模擬量的波動性，會導致Cs-C0標存在小于0、等于0、大于0但小于某一閾值、大于某一閾值等情況，小于0或等于0計算出的液位高度為0，如果大于0但小于某一閾值，則計算結果有較小液位高度，但這個液位高度是實際不存在的，會給系統帶來測量誤差，閾值的大于由傳感器空電容值的偏差及一定安全系數決定。

如果Cs-C0標大于某一閾值，則說明油量傳感器實際浸油，如果Cs＜KFCF標計算結果為傳感器接近滿油，但實際可能是已經滿油，Cs≥KFCF標計算結果為傳感器滿油，但實際可能還沒有滿。

基于上述分析，經過對Cs的預處理后，液位高度可分為空油、接近空、正常、接近滿、滿油五種狀態。

空油對應：

接近空對應：

正常對應：

接近滿對應：

滿油對應：

正常狀態被認為可信度高，空油、滿油狀態認為可信度較高，接近空、接近滿認為可信度較低，后續燃油測量解算需要使用液位高度置信度。

3 液位高度解算流程

結合前文對液位高度解算原理和關鍵技術點的分析：總結出的液位高度解算流程如下：

圖3 液位高度解算流程圖Fig.3 Flow chart of liquid level height calculation

4 結束語

本文在介紹了液位高度解算原理的基礎上，對液位高度解算涉及的幾項關鍵技術點進行了分析說明，并歸納出了液位高度解算流程，以指導機載燃油測量解算軟件設計[10]。