飛機燃油測量系統(tǒng)設(shè)計誤差影響分析

王卉

【摘 要】燃油測量系統(tǒng)在設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生的誤差對測量精度的影響，從而確定減小誤差的方法。

【關(guān)鍵詞】燃油測量系統(tǒng)；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(tǒng)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(jù)剩余油量對后續(xù)航線做出正確判斷。燃油測量系統(tǒng)的精度影響飛機的經(jīng)濟性和安全性，因此高精度的測量系統(tǒng)是現(xiàn)代民用客機的發(fā)展趨勢。

1 燃油測量系統(tǒng)設(shè)計誤差的組成

油箱內(nèi)的油量傳感器負(fù)責(zé)測量油面高度，然后將測得的信號發(fā)送給燃油計算機。燃油計算機根據(jù)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(nèi)剩余的油量。

在設(shè)計階段，燃油測量系統(tǒng)獲取系統(tǒng)級的測量精度要求之后，應(yīng)確定油箱內(nèi)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(tǒng)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(xù)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(qū)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(tài)的傳感器測得的數(shù)據(jù)是有用的。

在飛行過程中，由于飛機姿態(tài)，油箱結(jié)構(gòu)，燃油消耗等因素的影響，油箱內(nèi)的油面始終都是在變化的。在布置傳感器時，應(yīng)保證當(dāng)飛機在規(guī)定的姿態(tài)范圍內(nèi)變化時，每個油箱內(nèi)至少有一根傳感器能處于有效測量的狀態(tài)。這樣才可以始終獲得這個油箱內(nèi)的油面高度信號。這也就是測量的連續(xù)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(qū)域，即測量死區(qū)，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(jié)

將“測量連續(xù)性”和“不可測油量”結(jié)合在一起考慮就會發(fā)現(xiàn)，如果可以保證測量的連續(xù)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(xù)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(yīng)該保證以下兩點以求實現(xiàn)誤差最?。?/p>

1）在規(guī)定的飛機姿態(tài)范圍內(nèi)，確保測量的連續(xù)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(chǔ)，根據(jù)傳感器測得的油面高度信號插值，得出當(dāng)前的燃油體積。

為了保證燃油計算機使用有效的傳感器數(shù)據(jù)，在設(shè)計時，每根傳感器都有特定的負(fù)責(zé)區(qū)域。這根傳感器的數(shù)據(jù)只用于計算這個特定區(qū)域內(nèi)的體積/油量。這個特定區(qū)域稱為隔艙，通常根據(jù)油箱的連通性劃分。以油箱內(nèi)的密封肋和半密封肋為分界線，因為在這些肋的兩側(cè)油面容易出現(xiàn)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(shù)據(jù)中用于計算隔艙A的油量，2號傳感器的數(shù)據(jù)只用于計算隔艙B的油量。也就是說，各個隔艙內(nèi)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(tài)下，不同油面高度下，傳感器測量高度和燃油體積的數(shù)據(jù)。

燃油計算機根據(jù)每根傳感器測得高度數(shù)據(jù)，插值真值表。如果一個隔艙內(nèi)有多根傳感器，那么將其結(jié)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(yīng)一個真值表的方法。

3.3 生成真值表

從油箱結(jié)構(gòu)連通性的角度考慮，將油箱劃分為若干個隔艙，認(rèn)為每個隔艙是一個獨立的單元，單獨計算這個單元內(nèi)的油量，最后將所有單元相加，得出油箱內(nèi)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(zhǔn)傳感器

確定一個飛機姿態(tài)，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(tài)誤差最小。將這根實際不存在的傳感器稱為基準(zhǔn)傳感器。

2）生成基準(zhǔn)傳感器的真值表

仍基于這個飛機姿態(tài)角，從基準(zhǔn)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(shù)據(jù)。

3）更改飛機姿態(tài)，重復(fù)上面兩個步驟。

這樣，針對每個飛機姿態(tài)，都可以得到一組H-V數(shù)據(jù)。最終生成的是不同姿態(tài)下的H-V數(shù)據(jù)。

3.4 插值真值表

如圖7所示，P0是基準(zhǔn)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(jù)P1和P0的相對位置關(guān)系，將H1轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的H0，然后插值，得到體積。

圖7 真實傳感器與基準(zhǔn)傳感器的位置關(guān)系

如果這個隔艙內(nèi)布置了多根傳感器，就將各個傳感器插值得到的結(jié)果取平均值。

3.5 小結(jié)

通過上述分析可以看出，插值的結(jié)果是否準(zhǔn)確主要取決于真值表數(shù)據(jù)的“密度”。即真值表的數(shù)據(jù)越密，即步長越短，由于插值引起的誤差就越小。

4 設(shè)計時測量精度的驗證

4.1 檢查測量連續(xù)性

將傳感器位置坐標(biāo)導(dǎo)入油箱數(shù)模，然后確定最大的姿態(tài)角，以該平面切割油箱數(shù)模，檢查是否存在某些區(qū)域不可測的情況。如圖8所示，當(dāng)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(xù)的情況。

圖8 測量不連續(xù)示意圖

4.2 計算精度

在導(dǎo)入傳感器坐標(biāo)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(jù)這個測量高度，插值真值表，得出體積V2，那么當(dāng)前傳感器布置方案的誤差為（V2-V1）/V1。

4.3 小結(jié)

采用這種驗證方法基于一個前提：假設(shè)使用的油箱數(shù)模是100%準(zhǔn)確的。這種方法有利于：

1）確認(rèn)布置方案是否滿足測量連續(xù)性的要求；

2）在保證了連續(xù)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(tǒng)精度的原因有：

1）不能保證測量的連續(xù)性；

2）不可測油量；

3）真值表的精度。

其中測量的連續(xù)性，在確定了飛行姿態(tài)之后，在設(shè)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(zhǔn)確。同時，真值表的步長越小，數(shù)據(jù)越密，插值的誤差就越小。

因此，在驗證測量系統(tǒng)精度時，如果發(fā)現(xiàn)測量精度不滿足要求，可通過優(yōu)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。