Паливовимірювальна система літака середньомагістральних ліній. 
Дослідження додаткових температурних похибок паливомірної системи і шляхів їх компенсації

Реферат

Пояснювальна записка до дипломної роботи «Паливовимірювальна система літака середньомагістральних ліній. Дослідження додаткових температурних похибок паливомірної системи і шляхів їх компенсації»: 81 стор., 3 рисунки, 18 використаних джерел.

Ключові слова: ЛІТАЛЬНИЙ АПАРАТ, ЕЛЕКТРОЄМНІСНИЙ ПАЛИВОМІР, ТЕМПЕРАТУРНА ПОХИБКА, ВИМІРЮВАЛЬНА СХЕМА, КОМПЕНСАЦІЙНИЙ МІСТ, ПОХИБКА ДАТЧИКА, МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Об'єктом дослідження паливовимірювальна система літака середньомагістральних ліній Предметом дослідження є температурні похибки паливомірної системи літака Мета дипломної роботи — дослідження температурної похибки паливомірної системи та шляхи її компенсації

Методологічна база досліджень ґрунтується на використанні сучасних методів синтезу, аналізу і моделювання авіаційних приладів.

Однією з найважливіших вимірювальних систем на ЛА є паливомір, що визначає запас палива в баках. Паливоміри літаків цивільної авіації це аналогові вимірювальні системи, точність яких вже не завжди задовольняє пропонованим вимогам. Рішення питань підвищення точності і надійності паливомірів можливо при переході до цифрових систем вимірювання і відповідних алгоритмів обробки вимірювальних сигналів за допомогою цифрових ЕОМ. Застосування цифрових методів обробки сигналів додатково забезпечує великі можливості вбудованого контролю параметрів вузлів і елементів. Це дозволяє прийти до обслуговування авіаційної техніки по стану.

Зміст

Вступ

1. Аналіз вимірювальних систем різних типів

2. Принципи побудови бортових паливомірів

2.1 Призначення і функції паливомірів

2.2 Електроємнісний метод визначення запасу палива

2.3 Похибки електроємнісних паливомірів

2.4 Паливоміри літаків ЦА

3. Технічні вимоги до паливоміра

3.1 Вимоги, що визначають показники якості й експлуатаційні характеристики

3.2 Вимоги до конструктивного пристрою

3.3 Метрологічні характеристики

3.4 Вимоги до надійності

3.5 Вимоги безпеки

3.6 Вимоги до перешкодозахищеності

3.7 Вимоги до забезпечення контролю метрологічних характеристик

3.8 Вимоги до умов застосування

4. Розрахунок похибки

4.1 Оцінка похибки датчика

4.2 Оцінка похибки вимірювальної схеми

4.3 Компенсаційний міст

5. Технічна експлуатація паливоміра

5.1 Передполітна підготовка

5.2 Робота в польоті

5.3 Післяполітний огляд

5.4 Перевірка паливоміра

6. Охорона праці

6.1 Небезпечні та шкідливі виробничі фактори

6.2 Підвищений рівень статичної електрики

6.3 Підвищений рівень шуму в виробничому приміщенні

6.4 Недостатній або підвищений рівень освітлення

6.5 Підвищений рівень м’якого рентгенівського випромінювання

6.6 Підвищена та понижена температура, підвищена вологість

6.7 Технічні та організаційні заходи по зменшенню рівня впливу виробничих факторів

6.8 Пожежна та вибухова безпека

7. Охорона навколишнього середовища

8. Безпека польотів Висновок Список використаної літератури

Вступ

В даний час цивільна авіація відіграє велику роль і набуває все більших і більших масштабів у виконанні багатьох різноманітних задач для задоволення потреб людства. Устаткування сучасних повітряних суден (ПС) дозволяє вирішувати складні навігаційні задачі, підвищується безпека й економічність польотів, але вимагає високої кваліфікації інженерно-технічного складу при обслуговуванні.

Однією з найважливіших вимірювальних систем на ПС є паливомір, що визначає запас палива в баках. Паливоміри літаків цивільної авіації це аналогові вимірювальні системи, точність яких вже не завжди задовольняє пропонованим вимогам. Рішення питань підвищення точності і надійності паливомірів можливо при переході до цифрових систем вимірювання і відповідних алгоритмів обробки вимірювальних сигналів за допомогою цифрових ЕОМ. Застосування цифрових методів обробки сигналів додатково забезпечує великі можливості вбудованого контролю параметрів вузлів і елементів. Це дозволяє прийти до обслуговування авіаційної техніки по стану.

У даному дипломному проекті розроблена схема побудови цифрового паливоміра для перспективних цивільних літаків, розраховані деякі його вузли. Паливомір має кращі економічні і ергономічні показники, підвищену надійність. Розробка і впровадження паливоміра відповідає сучасній концепції бортового авіаційного устаткування.

Відповідно до завдання в дипломному проекті основна увага приділена розробці вимірювальної схеми паливоміра і його датчиків.

1. Аналіз вимірювальних систем різних типів

Вимоги вдосконалення паливовимірювальних систем (в подальшому — паливоміри) з метою підвищення їх надійності та точності призвели до появи багатьох паливомірів, різних за принципом побудови та конструкції. Паливоміри класифікують за різноманітними ознаками, але основною вважається класифікація за методом вимірювання рівня. Але не всі методи забезпечують потрібні метрологічні та експлуатаційні характеристики, яким повинні задовольняти авіаційні паливоміри. Тому далі подано короткий аналіз найбільш поширених паливомірів з метою виявити більш перспективні з них для подальшого вдосконалення.

Поплавкові паливоміри

Принцип дії заснований на використанні виштовхуючої сили рідини (палива), що діє на поплавок. Поплавок жорстко закріплений на одному з плечей важеля. Вихідним параметром датчика є кут обертання вільного кінця важеля. Робочий діапазон обертання важеля складає біля 90^о.

Суттєвими недоліками такого паливоміра є його недистанційність та те, що він вимірює рівень рідини, а не її масу. Додаткова похибка датчика важільно-поплавкового рівневимірювача обумовлена відхиленням від розрахункового значення температури середовища і обумовлена температурною зміною щільності рідини і парогазової суміші, зміною об'єму поплавка, зміною лінійних розмірів системи бак-датчик. Через нелінійність характеристики похибки важільно-поплавкового рівневимірювача залежить від поточного значення рівня.

Електромеханічні паливоміри

Для забезпечення дистанційності важіль поплавкового паливоміра з'єднують з будь-яким електричним перетворювач лінійного і кутового переміщення (потенціометричним, індуктивним, ємнісним), який з'єднується з вимірювальною схемою з показуючим приладом.

Електромеханічні рівневимірювачи мають відносно просту конструкцію та вимірювальну схему, і в цьому їх перевага. Основним недоліком їх є прямий зв’язок між діапазоном вимірювання рівня і габаритами приладу.

Ультразвукові рівневимірювачи

В акустичних рівневимірювачах поточне положення рівня визначається по часу проходження ультразвукових коливань від джерела до приймача при віддзеркаленні від поверхні розділу двох середовищ.

Локація рівня найчастіше здійснюється знизу, і при цьому визначається товщина шару рідини над джерелом і приймачем ультразвукових коливань. Локація знизу краща, так як в цьому випадку джерело і приймач працює в більш сприятливих умовах, що потребує малої потужності джерела коливань і невеликого підсилення в приймальній частині пристрою. Більшість ультразвукових рівневимірювачів має одноелементні датчики, у яких функції випромінювача і приймача і віддзеркалюючої поверхні рівня, що забезпечує прихід віддзеркаленого сигналу на приймач. Коливання поверхні палива в баку приведе до того, що віддзеркалений сигнал не влучить у приймач або буде дуже слабким.

Крім того, на похибку вимірювання рівня впливають різноманітні включення в паливо (особливо кульки газу) і зміна швидкості звука в паливі в залежності від ґатунку і густини. Компенсація цих похибок суттєво ускладнює вимірювальну схему.

Дисипативні рівневимірювачи

Принцип роботи дисипативних рівневимірювачів полягає у використанні явища розсіювання звукової енергії в рідині (паливі). У найпростішому випадку дисипативний рівневимірювач має випромінювач ультразвукових коливань і приймач, які встановлені на дні і кришці бака. Інтенсивність звукової енергії, що реєструється приймачем, залежить від рівня рідини. Статична характеристика рівневимірювача суттєво нелінійна, але основним недоліком дисипативних рівневимірювачів є дуже низький коефіцієнт корисної дії, обумовлений значним віддзеркаленням звукової енергії від межі розділу рідина-газ.

Радіоізотопні рівневимірювачи

При вимірюванні рівня радіоізотопними рівневимірювачами використовують ефект поглинання радіаційного випромінювання атомами речовини (палива), який пропорційний густині речовини, тобто цей метод оснований на використанні різниці густини речовини, які утворюють межу розділу.

В радіоізотопних рівневимірювачах використовують джерела гама-випромінювання. Інтенсивність гама-випромінювання після проходження його через шар поглинаючої речовини товщиною d визначається із співвідношення

I=I_oexp (*d),

де І, І₀ — інтенсивність випромінювання до і після проходження випромінювання скрізь речовину; - коефіцієнт лінійного поглинання речовини.

Коефіцієнт лінійного поглинання характеризує спільне послаблення випромінювання в результаті всіх видів його взаємодії з речовиною. Теоретичне значення визначити дуже важко, і при розрахунках використовують експериментально отримані значення коефіцієнта.

Основними елементами радіоізотопних рівневимірювачів є джерело і детектор випромінювання і кілька детекторів, розташованих по периферії паливного бака. Місце розташування визначається експериментально таким чином, що незалежно від положення рівня палива в баку, викликаного еволюціями літака, сумарний сигнал приймачів кількості палива в баку.

Для безпечної експлуатації радіоізотопних рівневимірювачів важливо правильно вибрати джерело радіоактивного випромінювання. Недоліком таких рівнемірів полягає у тому, що радіаційне випромінювання впливає на якість палива і небезпечне для людини.

Паливоміри літаків ЦА

На літаках ЦА встановлені паливоміри різних типів і модифікацій, які відрізняються своїми технічними і метрологічними характеристиками. Переглянемо деякі з них.

Паливомір типу СЕПС (СЭТС):

показує вірно тільки в горизонтальному польоті;

основна похибка паливоміра не більше 5%, сумарна похибка в робочих умовах не більше 8% від номінального значення шкали показуючого приладу;

електрична ємність датчиків вимірюється вимірювальним мостом змінного струму, що живиться напругою з частотою 400 Гц.;

— врівноваження мосту здійснюється по одній складовій механічно електродвигуном. Перевагою застосованої вимірювальної схеми можна вважати нечутливість до зміни напруги і частоти джерела живлення.

До недоліків схеми відносять низьку точність вимірювання малих значень ємностей, тому доводиться застосовувати датчики зі збільшеним числом електродів (труб), що нарешті приводить до нового недоліку — збільшення розмірів і маси датчика.

Паливомір СПУП (СПУТ):

виконує ті ж функції, що і СЕПС і має аналогічну мостову схему вимірювання ємності датчика;

основна різниця в роботі схеми полягає у введенні поправки, яка враховує зміну діелектричної проникності палива;

схема компенсації являє собою найпростіший чотириплечий міст;

При зміні діелектричної проникності палива на _п ємність датчика змінюється на C_д

_,

Виходи вимірюваного та компенсаційного мостів з'єднані паралельно, напруги U і U_k складаються (у протифазі) на вході підсилювача сигналу нерівноваги вимірювального мосту і, таким чином, похибка від зміни _п компенсується. Так як С_д залежить від рівня палива п, напруга компенсаційного моста також стає залежною від h.

Система управління і вимірювання палива СУІП (СУИТ): Крім звичайних функцій (як СЕПС і СПУП) здійснює також автоматичне вирівнювання запасу палива між баками, видачу інформації про запас палива у літаковий відповідник і бортову апаратуру реєстрації.

Основна похибка в горизонтальному польоті при нормальних умовах не більш 2% від кінцевого значення шкали покажчика, при роботі в умовах, що відрізняються від нормальних — не більш 4%.

Основною різницею вимірювальної схеми системи СУІП від переглянутих вище паливомірів є істотне покращання вимірювальної схеми, яка виконана на основі трансформаторного мосту та живиться напругою підвищеної частоти (10 кГц).

Для виключення температурної похибки від зміни діелектричної проникненості палива застосовано терморезистор, опір якого залежить від температури палива.

Вихід мостової схеми ввімкнено до входу слідкуючої системи, що вміщує підсилювач, двигун і редуктор, що зв’язаний з потенціометром відробітки, яка і забезпечує автоматичне врівноваження вимірювальної схеми.

Похибки паливомірів

Вимірювання запасу палива на сучасних вітчизняних та закордонних повітряних кораблях (ПК) здійснюється переважно електроємніcними паливомірами. На ПК що експлуатуються в Україні, вимірювання ємності датчиків здійснюється мостовими схемами на підставі трансформаторних модуляційних або немодуляційних мостів з електромеханічним зрівноваженням.

Методична похибка вимірювання, що зумовлена нестабільністю ємнісного коефіцієнта палива компенсується за, допомогою терморезистора або спеціального конденсатора, які безперервно знаходяться в паливі.

Як відомо, для отримання лінійної шкали паливоміру треба враховувати формулу баків, В існуючих паливомірах це робиться за допомогою профілювання датчиків механічним способом. Похибка при цьому може досягати 1,44%, до того ж початкова ємність датчиків з технологічних причин на може бути отримана з похибкою менш ніж ±1%.

Якщо паливомір повинен вимірювати масу палива, то в ємнісному датчику виникає методична похибка через відхилення значення діелектричної проникненності палива від стандартного значення яри нормальних умовах, а також в наслідок зменшення температури палива. До того ж виявилось, що паливо в баках ПК має не однакову діелектричну проникність на різних рівнях. Діелектрична проникність одного сорту палива може відрізнятися на ±1,96%, а від сорту до сорту на 6,25%.

Значна інструментальна похибка виникає при вимірювані ємності, особливо аналоговими вимірювальними схемами. Ця похибка залежить в першу чергу від стану ізоляції датчиків та кабелів, що з'єднують датчики з наступними блоками, а також від виду вимірювальної схеми та засобів її зрівноваження. Для зменшення похибки застосовують датчики в розділеними електричними втратами та модуляційні трансформаторні мости. В такому разі інструментальна похибка може бути в межах ±1,4%,

Методична похибка в датчиках виникає також через перетікання палива під час еволюцій ПК (крен, тангаж), еволютивна похибка зростає при зменшенні висоти палива і збільшенні кутів крену і тангажу.

Похибки таких паливомірів залежать від форми баків та її стабільності., еволюції ПК (кутів крену та тангажу), маси палива в баку, щільності палива, властивостей ліній зв’язку датчиків з іншими блоками. Загальна похибка вимірювання запасу палива становить ±(2−6)% від максимальних показань.

Аналогові паливоміри, як було доведено у звіті по системах вимірювання запасу палива, що зробила Європейська група на семінарі ІСАО в м. Арлінгтоні в 1986 році, без додаткових заходів зменшення похибки можуть в нормальних умовах мати похибку від ±4 до ±6% від максимальних показань, до того мають досить велику масу.

На сучасних ПК, на яких застосовуються авіадвигуни з високою паливною ефективністю, підвищилися вимоги то точності вимірювання запасу палива, які не можуть забезпечити існуючі паливоміри.

З проведеного аналізу паливомірів витікає необхідність розроблення нових паливомірів з використанням можливосте сучасної вимірювальної техніки.

2. Принципи побудови бортових паливомірів

2.1 Призначення і функції паливомірів

Для вимірювання запасу і витрати палива на борту літального апарата (ЛА) застосовують паливоміри і витратоміри, що разом із системами вимірювання тиску палива і сигналізаторами потоку і роботи насосів контролюють паливну систему сучасного літака.

Крім того, паливовимірюючі системи здійснюють керування порядком заправлення і вироблення палива з баків (групи баків), а також забезпечують правильне положення центра ваги ЛА в польоті системами автоматики, вбудованими в паливомір, або окремими пристроями-сигналізаторами рівня.

Вимірювання запасу і витрати палива має здійснюватися методами і засобами, що дозволяють оцінити дійсну кількість палива на різних етапах польоту з достатньою точністю і стабільністю.

Таким чином, паливовимірювальна система на борту літака виконує наступні функції:

— вимірює кількість палива, заправленого на землі, кількість палива в польоті;

— сигналізує про максимально доступний рівень палива в баках і рівні палива, що відповідають аеронавігаційному запасу,

— сигналізує про працездатність паливовимірювальної системи;

— керує порядком заправлення ЛА паливом, порядком виробітку палива по заданій програмі, положенням центра ваги ЛА;

— обчислює, на основі інформації про запас палива завантаження ЛА у повздовжньому і поперечному напрямку, фактичне положення центра ваги;

— сигналізує про наявність аварійної течі палива з паливної системи.

В основу створення пристроїв, що вимірюють запас палива, можуть бути покладені різні фізичні явища і залежності, прояв яких однозначно зв’язаний з запасом палива на борту ЛА. В даний час запас палива визначається за рівнем його в паливних баках.

Вимірювання рівня рідини полягає в перетворенні поточного значення рівня у відповідне значення вихідного параметра рівнеміра кута повороту стрілки показника, число на цифровому табло і т.д. Процес перетворення, як правило, складний, тому що вхідний параметр рівнеміра потерпає послідовно цілий ряд перетворень в інші проміжні величини.

2.2 Електроємнісний метод визначення запасу палива

Електроємнісний метод є основним методом безперервного визначення запасу палива на борту ЛА.

Сутність методу зводиться до вимірювання електричної ємності датчиків, що розміщені у паливних баках і являє собою повітряний конденсатор, набраний з коаксиально розташованих труб.

При заповненні бака паливом електрична ємність датчика змінюється внаслідок того, що діелектрик, що знаходиться в просторі між обкладками (трубами) конденсатора (датчика), змінюється: у заповненій частині бака між трубами датчика знаходиться паливо, в незаповненій — повітря. По електричній ємності датчика можна судити про рівень палива в баку.

Ескіз паливного бака з двохтрубним ємнісним датчиком на мал. 2.1.

Мал. 2.1

Електрична ємність такого датчика визначається формулою де К — постійний коефіцієнт,

Eв — діелектрична проникність повітря, Еt — діелектрична проникність палива,

— довжина частини датчика не заповнена паливом,

— довжина частини датчика, заповнена паливом,

— зовнішній діаметр внутрішньої труби,

— внутрішній діаметр зовнішньої труби.

При заправленні бака паливом ємність датчика буде плавно мінятися від свого початкового значення (бак порожній) до свого максимального значення Описаний метод має похибки, головна з причин яких є зміна діелектричної проникності палива в залежності від температури і від сорту залитого палива.

З метою зменшення похибки в сучасних паливомірах використовуються спеціальні датчики-компенсатори, що видають у схему вимірювання кількості палива сигнал, пропорційний температурній методичній похибці.

Іншою причиною похибки є опір витоку ємнісних датчиків. При роботі електроємнісних паливомірів на низькій частоті опір конденсаторних датчиків великий, а при підвищенні частоти живлення опір конденсатора падає і шунтуюча дія опору витоку позначається менше. Тому для електроємнісного паливоміра застосовують підвищену частоту для ослаблення впливу струмів витоку між конденсаторними трубами через ізолюючі елементи, на яких осідають гігроскопічні парафіносмолисті опади.

2.3 Похибки електроємнісних паливомірів

Аналіз структури і досвід проектування й експлуатації паливовимірюючих систем показує, що точність вимірювання кількості палива в першу чергу залежить від структури побудови паливної системи ЛА. У тих випадках, коли в польоті передбачається визначений порядок вироблення палива через видаткові баки, кількість палива, особливо при використанні аеронавігаційного запасу, вимірюється з підвищеною точністю. Якщо паливна система побудована за принципом почергової подачі палива в двигуни з інших груп баків або для забезпечення центрування передбачене перекачування палива з одних груп баків в інші, точність вимірювання кількості в ряді випадків погіршується.

Тривалі спостереження за технічним станом паливовимірюючих систем на літальних апаратах у процесі їх багаторічної експлуатації дають підставу сказати, що з часом паливовимірюючі системи стають нестабільними внаслідок випадання на елементах паливовимірювальної системи, тяжкоростворюємих смол і опадів, які знаходяться в паливних баках, також зниження ізоляційних властивостей сполучних ліній.

В даний час, у зв’язку з підвищенням вимог по забезпеченню безпеки польотів, рентабельності перевезень, зниженню трудомісткості і вартості обслуговування паливовимірювальних систем зникла необхідність підвищення їхніх технічних характеристик, так як основним резервом зниження маси ЛА є зменшення кількості даремно перевезеного палива, що заправляється понад аеронавігаційного запасу.

Однак застосування різних конструкцій кесонних баків, нових сортів палива, різних типів присадок у сполученні з підвищеним експлуатаційним діапазоном температур значно ускладнює цю задачу, тому що електропровідність вимірюваного середовища збільшується у процесі польоту, у паливо попадає велика кількість конденсату, що приводить до більш інтенсивного утворення смол і опадів.

Зазначені явища в сукупності з інтенсивним старінням ізоляції сполучних ліній приводить до зміни параметрів каналів вимірювання і значно збільшують похибку паливомірів. Проведені дослідження показали, що точність і стабільність вимірювання кількості палива в польоті можуть бути підвищені наступними способами:

— комплексним проектуванням паливної системи і паливо вимірювальної системи ЛА, раціональною побудовою їхніх структур для забезпечення підвищення точності вимірювання;

— використанням паливних баків як градуйованих резервуарів, тобто виключенням із загального каналу вимірювання похибки, яка викликана схемою вимірювання баків, паливо з яких вироблено, і автоматичним коректуванням показань витратоміра в польоті;

— створенням вимірювальних систем, здатних зменшити вплив сукупності факторів, що погіршують точність і стабільність показань існуючих паливовимірювальних систем.

В даний час проектування паливовимірювальних систем разом із градуйовочною кривою паливного бака звичайно задається і похибка виготовлення паливного бака (у більшості випадків ±1% від його повного обсягу). Однак при серійному виробництві технологічне устаткування забезпечує виготовлення паливного бака з конкретною визначеною точністю.

Таким чином, без переключення каналів при вимірюванні сумарного запасу палива на літаку або вимірювання, що приходиться на двигун похибка вимірювання дискретного зменшується в міру вироблення палива з баків.

Зазначений метод ще більш ефективний для коректування показань сумуючого витратоміра в польоті, так як останній накопичує похибку по мірі виробітку палива.

В існуючих структурах паливовимірювальних систем у ряді випадків похибка вимірювання кількості палива на останніх етапах польоту, збільшується внаслідок збільшення похибки вимірювальних мостів банків, паливо з яких вироблено.

Збільшення похибки відбувається через осідання на деталі електроємнісних датчиків і сполучну лінію конденсату, а в ряді випадків і внаслідок відмовлення елементів вимірювального моста.

Для підвищення точності вимірювання кількості палива, особливо на останніх етапах польоту, при раціональній структурі побудови паливної системи доцільно вимірювальний міст бака після вироблення з нього палива відключити від сумарної схеми вимірювання.

У цьому випадку канал вимірювання порожнього бака видає в сумарну схему вимірювання нуль-сигнал, що буде відповідати повному виключенню зі схеми вимірювання похибок датчиків пустих баків і їх сполучних ліній. Розглянуті вище системи паливовимірювань передбачають застосування градуїровочних залежностей перетину бака від його обсягу в статичних умовах. У дійсності рівень палива залежить від положення літака в просторі, його прискорень і крутки крила. Збільшення відношення маси палива до маси комерційного навантаження, а також вимоги до вимірювання і керування центруванням надзвукових транспортних літаків поставили задачу зменшення похибки вимірювання запасу палива ±0,5%. З цією метою на борту ЛА повинний встановлюватися обчислювач, що визначає похибки паливоміра в конкретних умовах польоту, а показання паливоміра повинні відповідно коректуватися.

2.4 Паливоміри літаків ЦА

На сучасних літаках ЦА встановлюються паливоміри різного типу і модифікацій, що відрізняються своїми технічними і метрологічними характеристиками, але практично всі паливоміри основані на електроємнісному методі визначення кількості палива в баку.

Нижче приведений короткий опис паливомірів деяких типів. У відповідності з задачею дипломного проекту основна увага приділена схемам вимірювання кількості палива.

1. Електроємнісний паливомір СЕПС призначений для:

— вимірювання сумарного запасу палива в трьох групах баків на кожен двигун роздільно;

— вимірювання запасу палива в кожній групі баків;

— автоматичного керування витратою палива;

— автоматичного керування заправленням баків паливом;

— сигналізації залишку.

СЕПС дає правильні показання тільки в лінії горизонтального польоту. Основна похибка паливоміра не більш ±5%, а в умовах підвищеної вологості (95…98%) при температурі 40 °C не перевищує ±8% від номінального значення шкали показового приладу.

Принцип роботи електроємнісного паливоміра заснований на вимірюванні електричної ємності датчика-конденсатора, що міняється при зміні запасу палива. Датчики паливоміра, встановлені вертикально в паливні баки літака, складаються з декількох коаксіально розташованих і электрично ізольованих труб з повітряним зазором між ними. В міру заповнення баків паливом заповнюється також і зазор між трубами. Так як діелектрична проникність повітря і палива різні, то вимірювання рівня палива в зазорах приводить до зміни електричної ємності датчиків. Якби діелектрична проникність палива була величиною постійною, то показання паливоміра в кожний момент вимірювання залежали б тільки від обсягу палива в баку.

Вимірюючи мінливу електричну ємність датчиків, тим самим вимірюють запас палива в баках паливної системи літака у вагових одиницях. Вимірювання електричної ємності датчиків відбувається за допомогою вимірювального моста змінного струму, одним плечем якого є ємність датчика.

Функціональна електрична схема вимірювального моста паливоміра приведена на мал.1.2.

Живлення вимірювального моста здійснюється від вторинної обмотки 3−4 трансформатора, на первинну обмотку 1−2 якого подається змінна напруга 115 В, 400 Гц. Вимірювальний міст складається з двох плечей, представлених активними опорами у виді резисторів Р4 і Р1 (одне плече) і резисторів Р6, Р5, Р2, Р3 (друге плече), і з двох плечей, представлених ємнісними опорами (конденсатора С0- третє плече і датчика конденсатора Сх — четверте плече). Ємність С0 дорівнює початковій ємності датчика (сухого).

Коли міст знаходиться в рівновазі, різниця потенціалів його вершин Е D дорівнює нулю. Як тільки ємність датчика зміниться внаслідок зміни рівня палива в баку, потенціал вершини D щодо вершини Е зміниться, і різниця потенціалів між вершинами Е и D буде прикладена до входу підсилювача. З виходу підсилювача напруга надходить на керуючі обмотки двигуна, ротор якого, обертаючи, приводить повзунок резистора Р6 у таке положення, при якому різниця потенціалів між вершинами Е і D знову стає рівною нулю.

Разом із движком резистора Р6 переміщується стрілка показового приладу, жорстко скріплена з движком.

При початковому значенні ємності датчика Сх=С0 міст реостатом Р4 відрегульований таким чином, що його рівновага настає тоді, коли повзунок резистора Р6 знаходиться в одному з крайніх положень, а стрілка приладу, що показує, на нульовій відмітці шкали.

При зміні електричної ємності датчика до значення Сх=2С0 (що відповідає бакам, цілком заправленим паливом) міст резистором Р6 регулюється так, щоб його рівновага наступала тоді, коли движок резистора Р5 буде знаходитися в іншому крайньому положенні, а стрілка приладу, на відмітку шкали, що відповідає залитій кількості палива. При наявності визначеного запасу палива в баках стрілка приладу, що показує, зупиниться на відповідній відмітці шкали, відградуйованій у вагових одиницях (кг). Формула, яку обчислює прилад при вимірюванні запасу палива, має вигляд:

де Рпоказання паливоміра в кг;

Kкоефіцієнт пропорційності, K= 0,24;

— коефіцієнт пропорційності між ємністю датчика і кількістю палива в баку;

— рівень палива в баку;

— діелектрична пропорційність палива;

— внутрішній діаметр зовнішньої труби;

— зовнішній діаметр внутрішньої труби.

Достоїнством схеми, що застосовується можна вважати малі методичні похибки через зміну напруги і частоту джерела живлення.

До недоліків схеми можна віднести:низьку точність вимірювання малих значень ємностей, тому для підвищення точності застосовують датчики з великою кількістю труб, що у підсумку приводить до нового недоліку — збільшенню розмірів і маси датчика; наявність реактивних і активних елементів у схемі моста при його зрівноваженні вимагає регулювання двох параметрів; регулювання тільки одного з них, хоча і спрощує процес настроювання, але призводить до неповного зрівноваження і появи додаткових похибок.

2. Автомат центрування з паливоміром АЦП призначений для:

— автоматичного балансування літака при виробленні палива з витримкою рівності кількості палива в лівій і правій консолях крила;

— вимірювання сумарної кількості палива;

— вимірювання кількості палива роздільно в лівій і правій консолях крила;

— сигналізації аварійного залишку палива в лівій і правій консолях крила роздільно від двох сигналізаторів рівня.

Основна похибка вимірювання кількості палива при нормальних умовах не перевищує ±2% від номінального значення шкали приладу, що показує.

Похибка вимірювання кількості палива в робочих умовах не перевищує ±8%. Функціональна електрична схема вимірювання кількості палива приведена на мал.1.3. Вимірювання ємності датчиків виробляється вимірювальним мостом змінного струму.

Живлення схеми моста здійснюється від вторинної обмотки трансформатора Т1, на первинну обмотку якого подається напруга 115 В, частотою 400 гц. У два мости входять активні опори Р1, Р2, Р3, Р4 і в два інші конденсатори: С0-конденсатор постійної ємності, і Сх — ємнісний датчик.

При початковому значенні ємності датчика Сх =С0 (що відповідає порожньому баку) міст за допомогою реостата Р4 відрегульований таким чином, що його рівновага настає тоді, коли движок потенціометра відпрацювання Р2 знаходиться в крайньому нижньому положенні.

При максимальному значенні електричної ємності датчика, що відповідає цілком залитому баку, міст регулюється за допомогою реостата Р1 таким чином, щоб у стані рівноваги движок потенціометра Р2 знаходився в крайньому верхньому положенні. Коли міст знаходиться в стані рівноваги напруга на його вихідній діагоналі СД дорівнює нулю. Як тільки ємність датчика зміниться, в наслідок зміни рівня палива в баку, рівновага моста порушиться, і потенціал вершини «Д» щодо вершини «З» зміниться. Виникає напруга небалансу моста, що подається на вхід підсилювача А1. Посилена напруга надходить на керуючу обмотку електродвигуна М1, вісь якого зв’язана через редуктор з движком потенціометра відпрацьовування Р 2. Движок потенціометра Р2 переміщений у таке положення, при якому напруга між вершинами Д і З стає рівна нулю. Таким чином, кожному рівню палива відповідає визначене положення движка потенціометра відпрацювання Р2, з віссю електродвигуна I зв’язані також движки потенціометрів Р7 і Р8, що підживлюються напругами, пропорціональними повному запасу вимірюваного палива, від вторинних обмоток трансформатора Т1. Напруги, пропорційні кількості палива у баку, з цих потенціометрів надходять відповідно в схему вимірювання кількості палива та у схему автомата центрування.

Мал. 2.2

В схемі вимірювання кількості палива напруга З/у знята з виходу потенціометра Р7, вимірюється за допомогою компенсаційної схеми, що включає в себе вторинну обмотку трансформатора ТЗ, потенціометр відпрацьовування К в, підсилювач А2 і двигун М2.

На потенціометр Р2 подається напруга, що дорівнює за значенням напрузі на потенціометрі Р7. При рівних значеннях напруг на потенціометрах Р7 і Р9 система знаходиться в стані рівноваги, і сигнал на вході підсилювача А2 відсутній. При зміні напруги на потенціометрі Р7 внаслідок зміни рівня в баку між точками Е і F виникає напруга розбалансу, що буде прикладена до входу підсилювача А2.

Підсилена напруга з виходу А2 подається на керуючу обмотку двигуна М2, що переміщує движок потенціометра Р9, доти, поки не зрівноважить напруги U1 і U2. Крім того, на осі ротора двигуна розташована стрілка приладу, яка показує, що також переміщається при зміні кількості палива в баку.

Шкала градуюється в кг, і по положенню стрілки судять про кількість залитого палива. Зміна діелектричної проникності палива при зміні температури або сорту палива викликає деяку зміну ємності датчика, внаслідок чого на вихідній діагоналі СД вимірювального моста виникає «напруга помилки». Це приводить до неправильного висновку про вимірювання кількості палива. Схема компенсації являє собою найпростіший чотириплечий міст, два плеча якого складають дві напівобмотки трансформатора Т2, третім плечем служить ємнісний датчик — компенсатор Ск, постійно занурений у паливо, і четвертим плечем є конденсатор Сэ, ємність якого дорівнює ємності датчика конденсатора, зануреного в нормальне для даної градуїровки паливо (при нормальних умовах).

Регулювання моста здійснюється резистором Р11 таким чином, щоб компенсаційний міст у нормальних умовах знаходився в стані рівноваги.

Повної компенсації похибки можна досягти, якщо вихідна напруга компенсаційного моста буде залежати від діелектричної проникності та від кількості палива. Компенсаційний міст живиться напругою, яка знімається з потенціометра Р6, вісь якого механічно зв’язана з віссю привода стрілки приладу, що показує.

Виходи вимірювального і компенсаційного мостів з'єднані паралельно, тому на вхід підсилювача А1 надходить сигнал, у якого «напруга помилки» скомпенсована.

3. Система керування і вимірювання палива СКВП призначена для:

— вимірювання запасу палива в кожному баку;

— вимірювання сумарного запасу палива на об'єкті одночасно з вимірюванням запасу палива по баках;

— автоматичного керування порядком витрати палива;

— автоматичного керування закриттям заправних кранів;

— сигналізації критичного залишку палива;

— автоматичного вирівнювання запасу палива між баками 2(лівий і правий) і 3 (лівий і правий)

— видачі сигналів про сумарний запас палива в літаковий покажчик (ЛП);

— видачі інформації про сумарний запас палива в бортову апаратуру реєстрації.

Основна похибка вимірювальної частини системи для лінії горизонтального польоту при нормальних умовах не більше ±2% від кінцевого значення шкали показника. Похибка для лінії горизонтального польоту при роботі в умовах, відмінних від нормальних не більше ±4% від кінцевого значення шкали показника.

Спрощена функціональна схема вимірювання вагового запасу палива системи СКВП приведена на мал. 2.3.

Схема являє собою міст змінного струму, що містить три електроємнісних плеча:

— плече датчика (Сд),

— плече порівняння (З0)

— плече відпрацьовування (Свідпр).

Плече датчика перетворить електричну ємність датчика в пропорційне значення струму Iд плеча датчика. Так Іо плеча порівняння забезпечує зрівноважування початкового струму Iдо у плечі датчика, що відповідає відсутності палива. Струм плеча відпрацьовування Івідпр забезпечує зрівноважування збільшення струму? Iд у плечі датчика, пропорційного ваговому запасу вимірюваного палива. Для виключення температурної похибки електричної ємності датчик живиться від джерела напруги, що залежить від температури палива.

Мал. 2.3

Залежність від температури палива забезпечується така, при якій відбувається компенсація температурної похибки електричної ємності датчика, тобто рівність по величині і протилежність за знаком відносяться до збільшення ємності датчика і напруги живлення плеча датчика.

Живлення плеча відпрацьовування забезпечується від движка потенціометра відпрацьовування, напруга на якому не залежить від температури палива.

Кут повороту движка потенціометра відпрацьовування (напруга живлення плеча відпрацьовування) є вихідним параметром схеми вимірювання і пропорційно ваговому запасу вимірюваного палива.

Рівновага мостової схеми забезпечується при рівності нулю його вихідної напруги (струму).

Де — збільшення електричної ємності, викликане наявністю вимірюваного палива.

Функціональна схема вимірювання вагового запасу палива приведена на мал. 2.4.

Напруга живлення складається з двох складових Uп та? Uп. Перша складова Uп, що не залежить від температури палива, надходить у плече вимірювального електричного моста безпосередньо від обмотки трансформатора Т2. Друга складова? Uп, залежна від температури палива, надходить у ланцюг живлення електроємнісного моста з виходу компенсаційного пристрою, виконаного по мостовій резисторній схемі, в одне з пліч якого включений датчик температури палива Р3 термометр опору. Резисторний міст живиться від допоміжної обмотки трансформатора й урівноважений при нормальній температурі палива.

Мал. 2.4

Первинна обмотка трансформатора Т2 живиться від вихідної обмотки трансформатора підвищеної частоти Т1 через потенціометр регулювання максимуму — Р1.

Живлення плеча відпрацьовування Свідпр забезпечується з движка лінійного потенціометра Рвідпр підключеного до обмотки трансформаторної частоти Т1.

Вихід вимірювальної мостової схеми підключений до входу слідкуючої системи, що забезпечує автоматичне урівноважування вимірювальної мостової схеми.

Потенціометр Р6 регулювання нуля забезпечує підгонку плеча відпрацьовування (С0), що врівноважує початковий струм плеча датчика, що відповідає відсутності палива.

Потенціометр Р1 регулювання максимуму забезпечує для кожного каналу вимірювання регулювання показань покажчика.

Приведений опис паливомірів, що використовуються на літаках цивільної авіації показує, що вони мають той самий принцип дії і подібні електричні схеми примирительної частоти, що виконується на основі аналогових РС — мостів з електромеханічним автоматичним зрівноважуванням.

Поліпшити метрологічні характеристики експлуатованих паливомірів на колишній елементній базі не представляється можливим, тому необхідна побудова паливомірів на базі цифрових вимірювальних пристроїв, цифрової обробки результатів вимірювання за допомогою ЕОМ. Цифрові пристрої і цифрова обробка інформації в бортових системах керування, вимірювання в контролі знаходять усе більш широке застосування. Крім розширення складу систем літаків, керованих за допомогою ЕОМ, останнім часом намітилася тенденція комплексування задач, що дозволяє більш якісно вирішувати приватні задачі, тому що одночасно враховуються параметри стану декількох систем літака. У цих умовах актуальною є розробка цифрового паливоміра, що мав би значно більш високі метрологічні і технічні характеристики в порівнянні з наявними аналоговими електроємнісними паливомірами.

3. Технічні вимоги до паливоміра

3.1 Вимоги, що визначають показники якості й експлуатаційні характеристики

1. Паливомір призначений для вимірювання запасу палива на борту літального апарата і повинний задовольняти наступним технічним вимогам:

— кількість паливних баків — не більш 8;

— кількість датчиків у кожному баку — не більш 4.

2. По захищеності від впливу навколишнього середовища блоки повинні відповідати тропічному виконанню категорії I за ДСТ 20 397−82.

3. Обмін інформацією між пристроями паливоміра має здійснюватися через інтерфейс И41 (MULTIBUS).

4. У паливомірі повинно забезпечуватися відображення інформації на екрані дисплея і цифровому індикаторному табло.

5. Електроживлення паливоміра повинно здійснюватися від бортової мережі 27 В постійного струму.

6. Паливомір повинен працювати в робочому або тестовому режимах. У робочому режимі паливомір повинен виконувати наступні функції:

— вимірювання і цифрове відображення запасу палива в кожному баку;

— вимірювання і цифрове відображення повного запасу палива;

— цифрове керування і відображення попередньо обраної послідовності заправлення палива в кожен бак;

— керування кранами заправлення паливом на автоматичне закінчення заправлення кожного бака або на попередньо визначений повний обсяг;

— виведення даних про щільність і ємність датчиків окремого бака на інтерфейсну шину для забезпечення пошуку й усунення несправностей у датчику всередині бака і зв’язаної з ними проводки;

— виведення інформації про несправні компоненти (блоки) вимірювальної системи.

7. У тестовому режимі повинні виконуватися наступні функції:

— автоматичний прогін тестових програм перевірки працездатності паливоміра;

— виведення повідомлень про перевірку і результати виконання тестових програм на екран дисплея.

3.2 Вимоги до конструктивного пристрою

1. У комплект паливоміра повинні входити наступні блоки пристрою:

— датчики для вимірювання кількості палива;

— датчики компенсаційні;

— датчики щільності палива;

— блок центрального процесора;

— блок індикації;

— пульт контролю і керування;

— блок живлення.

2. Конструктивно блоки паливоміра повинні бути виконані з урахуванням вимог до конструкції авіаційних приладів.

3. По ергономічним вимогам блоки і пристрої паливоміра повинні відповідати ДСТ 12.2.032−78 і ДСТ 24 750−81.

4. Конструкція блоків паливоміра повинна забезпечувати зручність експлуатації, доступ до всіх змінних і регульованих елементів і можливість ремонту.

5. Однотипні блоки і пристрої, що входять у комплект паливоміра повинні бути взаємозамінними і при заміні не вимагати власного підстроювання і підстроювання інших блоків і пристроїв, зв’язаних з ними, якщо це не передбачено технічною документацією.

6. Конструкторська, експлуатаційна і програмна документація повинна відповідати вимогам стандартів ЕСКД, ЕСПД.

3.3 Метрологічні характеристики

1. Межа основної похибки вимірювання запасу палива — ±0,5% від обмірюваного значення.

2. Межа додаткової похибки вимірювання в робочих умовах — ±0,5%.

3. Повний час повного циклу вимірювання (для всіх датчиків) — не більш 10 с.

3.4 Вимоги до надійності

1. Паливомір повинен бути ремонтопридатним і відноситися до відновлювальної групи виробів. Закон розподілу часу безвідмовної роботи і часу відновлення паливоміра — експоненціальний.

2. Показники надійності встановлюються для робочих умов експлуатації (п.8).

3. Показники надійності паливоміра повинні мати наступні значення:

3.1. Середній наробіток на відмову (Т0) за умови проведення технічного обслуговування паливоміра повинен бути не менш 1000 г.

Відмовою паливоміра варто вважати порушення працездатності, що робить неможливим його використання по призначенню, як описано в п. 2.1.6 цього розділу, і таким, що потребує втручання інженерно-технічного персоналу для його відновлення.

3.2. Середній наробіток на збій (Тс) паливоміра повинен бути не менш 1010 біт обробленої інформації.

Збоєм варто вважати короткочасне порушення працездатності паливоміра, що не потребує втручання інженерно-технічного персоналу для його усунення і не перешкоджає нормальному використанню паливоміра.

3.3. Середній термін служби — не менш 10 років.

3.5 Вимоги безпеки

Конструкція паливоміра повинна забезпечувати безпеку персоналу при монтажі, експлуатації і ремонті. Загальні вимоги електричної і протипожежної безпеки за ДСТ 12.2.007−75 ДСТ 12.2.003−74.

3.6 Вимоги до перешкодозахищеності

1. Паливомір повинен бути працездатним при плавному стрибкоподібному відхиленні напруги в мережі електроживлення на ±20% від номінального значення.

2. Паливомір повинен бути захищений від перешкод по мережі живлення. На працездатність паливоміра не повинне впливати включення і відключення електроживлення агрегатів паливної системи ЛА та інших видів авіаційного устаткування.

3. Рівень радіоперешкод, що створює паливомір не повинен перевищувати значень, установлених ДСТ 20 397−82.

3.7 Вимоги до забезпечення контролю метрологічних характеристик

1. Контроль метрологічних характеристик паливоміра здійснюється на етапі виготовлення — для перевірки якості виготовлення, і на етапі експлуатації - для перевірки відповідності метрологічних характеристик необхідним значенням.

2. Перевірка паливоміра повинна проводитися колективно.

3. Схеми з'єднань, алгоритми визначення метрологічних характеристик вимірювальних блоків і вимоги до метрологічної атестації програмного забезпечення повинні бути приведені в відповідній технічній документації по перевірці і метрологічній атестації.

4. При перевірці повинні використовуватися вбудовані зразкові засоби і зразкові джерела сигналів, що входять до складу паливоміра.

5. При проведенні перевірки паливоміра повинні виконуватися наступні етапи:

— перевірка стану і комплектності технічної документації

— зовнішній огляд блоків паливоміра;

— визначення метрологічних характеристик;

— обробка результатів вимірювання і оформлення результатів перевірки.

3.8 Вимоги до умов застосування

1. Паливомір повинен зберігати працездатний стан при наступних умовах:

— температура навколишнього середовища від — 50 °C до 60 °C;

— відносна вологість повітря від 40 до 100%

— атмосферний тиск від 40 до 107 кПа (від 300 до 800 мм рт.ст.),

2. По стійкості до механічних впливів паливомір повинен бути виготовлений підвищеної механічної міцності, що витримував би дію вібрації в частотному діапазоні від 10 до 300 Гц із прискоренням до 5g.

3. По стійкості до впливу зовнішніх кліматичних факторів блоки паливоміра повинні відповідати категорії I за ДСТ 20 397−82.

4. Стійкість до механічних і кліматичних впливів комплектуючих виробів електронної техніки і електротехніки повинні відповідати ДСТ 16 962−71.

5. Експлуатація паливоміра повинна проводитися персоналом, що пройшов спеціальну підготовку і має посвідчення на право експлуатації виробів авіаційної техніки.

4. Розрахунок похибки

4.1 Оцінка похибки датчика

Абсолютна додаткова похибка ємнісного датчика в загальному вигляді визначається виразом:

де і ємності датчика при поточних і нормальних значеннях параметрів навколишнього середовища.

Без обліку можливого і припустимого розкиду розмірів деталей при виготовленні і зборці ємнісних датчиків їх поточна електрична ємність залежить, головним чином, від температури Q навколишнього середовища. Поточна ємність двохтрубного датчика як функція вимірювання висоти h рівня палива і збільшення температури середовища? Q має вигляд:

де — поточний обсяг палива при нормальній температурі м³;

— приведена площа бака, що відповідає поточній висоті рівня палива при нормальних умовах м²;

— відносна діелектрична проникність палива при нормальній температурі;

— температурний коефіцієнт об'ємного розширення палива, 1/к;

— температурний коефіцієнт зміни діелектричної проникності палива, 1/к;

— температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу датчика, 1/к;

— температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу бака,

=-293- збільшення температури, К (або °С);

— висота бака (або датчика) у нормальних умовах, м.

— постійний коефіцієнт.

Інші позначення відповідають (3.1)

Відповідно ємність датчика Сн при нормальних умовах З огляду на, те, що — висота рівня палива в баку при нормальній температурі і що в першому наближенні поточна висота рівня:

Оцінку похибки датчика при даній висоті знаходять по формулі:

Похибка датчика буде мати максимальне значення при повному баку і залежатиме від температури палива. Оцінка цієї похибки виконана за наступних чисельних значень коефіцієнтів, які входять в:

=9.2· 10−4

=-6· 10−4

=2

=0.22· 10−4

=0.22· 10−4

Коефіцієнт, А для розрахованого датчика Граничні значення похибки будуть на границях діапазону робочих температур датчика паливоміра:

При Q = -60°С (213К), коли, ?Q=80 К, зміна ємності датчика:

9пФ При Q = 50 °C (323К), коли, ?Q=30 К, зміна ємності датчика:

— 3пФ

Ємність датчика цілком заповненого паливом:

Відносна похибка датчика:

Так як похибка датчика найбільш істотно впливає на повну похибку паливоміра, то без її компенсації неможливо забезпечити необхідну точність паливоміра.

Якщо у формулу (3.3) підставити дійсне значення, що відповідає робочим умовам, то (3.3) можна привести до виду (нехтуючи членами вищого порядку малості):

4.2 Оцінка похибки вимірювальної схеми

де — напруга у вихідній діагоналі мостової схеми.

— проводимості гілок вихідного вузла мостової схеми,

— ємність конденсаторних датчиків схеми.

Активними проводимостями конденсаторних перетворювань нехтуємо,

так як вони мають вплив малих значень тангажа кута втрати (палива ;

гаса), як рідкий — є хорошим диелектриком.

— проводимість вхідного ланцюга підсилювача ПВЧ Підставивши вирази проводимостей гілок моста і перетворивши отримані вирази, отримаємо:

В стані рівноваги мостової схеми .

Тому справедливо Звідки отримаємо при

Припускаючи, що

або

де — чутливість потенціометра відпрацювання

тоді знайдемо

.

Даний вираз є градуйованою формулою паливо вимірювальної системи.

Розглянемо причини виникнення додаткових температурних похибок ємнісних паливовимірювальних систем.

З цією метою прологарифмуємо отриманий вираз градуйованої характеристики і продиференціюємо його таким чином:

Похідна по впливаючій фізичній величині (температурі) буде рівнятися виразу:

де — відносна температурна похибка (якщо рахувати приріст температури дорівнює С, то ці коефіцієнти будуть рівними або представляти температурні коефіцієнти цих фізичних величин).

— температурний коефіцієнт напруги плеча 1.

— температурний коефіцієнт плеча обробки .

— температурний коефіцієнт конденсаторів плеча обробки розбалансу.

.

— температурний коефіцієнт діелектричної проникності палива і повітря в надпаливному просторі датчика.

— температурними коефіцієнт підвищення висоти рівня палива в баку.

С урахуванням зроблених позначень, отримаємо:

.

Враховуючи обставини, відзначимо, що, тому вони скомпенсуються, тобто. Температурний коефіцієнт ємності конденсатора можна не викидати з умови мінімуму загального результату.