机载新型质量流量计研究

　　飞机燃油量质量参数是飞机在飞行中需要实时监测的一个重要参数,它直接影响到飞机在飞行中的续航能力、重心保持、应急告警等功能,因此,质量流率比体积流率更有意义。目前测量质量流率的方法通常有两种: 1)体积流量和某种密度测量的组合,或某种计算修正的方法如温度修正; 2)直接质量流量计[1-4]。

　　飞机本身是一个振动频率很丰富的质量体,且姿态不稳定,具有较大的加速度且温度变化大(例如通常要求-55℃~85℃),重量要求轻,可靠性要求高。常见的流量测量方法有超声波流量计、电磁流量计、压差式流量计、皮托管流量计、科里奥利流量计等。常见的测量密度方法如电容式、放射性式等。由于第四代战斗机要求测量精度高,实现仪器的高度集成化和智能化,并要求设备数量、重量尺寸和耗电量降至最小,显然以上测试方式对其很难全部满足[5-7]。

　　作者提出了一种双轮结构,即主动轮和质量感应轮,应用动量矩质量理论对流体流量进行测量。设计思路是利用主动轮给整个测量装置提供转动力矩,质量感应轮对流体的质量流量进行精确测量。通过双通道信号采集装置检测相位差,并最终得到质量流量信号。由于该质量流量计最终得到的信号是相位差,机械振动、倾斜、加速度变化、温度变化对转速虽然有影响,但对相位差的影响是共模的,采取适当措施可以使这些影响减到很小,因而特别适用于机载。

　　1　结构与原理

　　根据未来机载要求,文中所研究新型质量流量计是依据动量矩原理而设计。基本结构如图1所示。

　　主动轮和质量感应轮由一根游丝连接在一弹性体上,置于流量计的壳体中。主动轮周边的斜孔为整个传感器提供动力。质量感应轮的圆柱体上均布着24片用以感受流体质量叶片。当液体流过该质量流量计时,前后两轮所起的作用不同。流体冲击主动轮,在斜孔的作用下产生转矩,主动轮旋转角速度与流体流率成正比。质量感应轮使被测流体在管道中,由原来的水平运动变为在周向方向上的圆周运动和水平运动的合运动。根据角动量理论可知,有外力矩对整个系统总角动量变化进行补偿。由于质量感应轮与转动轴通过蜗圈弹簧连接,通过弹簧扭转变形产生力矩使被测流体周向旋转,扭转角所形成的角度差与质量流量成比例关系。为能采集到角度差信号,将圆柱永久磁铁嵌入主动轮的顶部,如图2所示,和质量感应轮直叶片之间的圆柱体上,质量流量计外壳上安装两个磁敏传感器。当磁铁随前后轮转动经过磁敏传感器正下方时,输出脉冲信号。两个脉冲信号被送入前置处理单元,对信号进行放大、滤波整形,经电路运算后可得到主动轮转速和前后两轮之间相位差。当前后轮结构确定时,容积流量正比于主动轮的转速,主动轮和质量感应轮之间的相位差正比于流体的质量流量。最后将相位差信号送入计算单元经处理后变换成与质量流量相对应的数据,并在显示单元里显示累积质量流量值与瞬时流量值,其累积流量值还可直接计算出飞机的剩余燃料,与油箱中其它传感器形成冗余数据,可提高飞行安全性。