МНОГОДАТЧИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ БОРТОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЗОНДА
MULTI-SENSOR MEASURING DEVICE FOR ON-BOARD MEASURING PROBE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области топливоизмерительных систем, в частности, для применения в авиации.
Уровень техники
Из предшествующего уровня техники известно несколько типов зондов для измерения количества топлива в топливном баке летательного аппарата. Наиболее распространенным является измерительный зонд емкостного типа, содержащий два электрода в виде цилиндрических трубок, одна из которых коаксиально установлена внутри другой. Зонд выполнен открытым с обоих концов таким образом, чтобы топливо свободно поступало в пространство между электродами. Емкость конденсатора, образованного двумя электродами, имеет линейную зависимость от высоты столбика топлива между двумя трубками. Описание такого емкостного зонда можно найти, например, в патентной заявке FR-A-2582396.
Однако емкостные зонды не являются достаточно удовлетворительными. Действительно, значение измеряемой емкости зависит от диэлектрического коэффициента топлива. Однако этот коэффициент меняется в зависимости от качества топлива и от степени его возможного загрязнения водой в результате заправок. Чтобы избежать ошибок при измерении, приходится предусматривать сложную систему измерения, содержащую разные типы датчиков. На практике эта система содержит множество емкостных зондов, называемых первичными зондами, детекторы верхнего уровня, детекторы нижнего уровня, датчики измерения диэлектрической проницаемости, плотности, температуры и т.д. Наконец, большинство самолетов оборудуют также вторым типом измерительных зондов, называемых вторичными, которые можно применять на земле в случае выхода из строя первичных зондов. Обычно эти вторичные зонды используют магнит, неподвижно соединенный с поплавком, при этом магнит перемещается относительно датчиков магнитного потока в зависимости от уровня топлива. Описание такого зонда MFLI (магнитный указатель уровня топлива) можно найти, в частности, в патентной заявке DE-A-4128178.
Для установки вышеуказанных датчиков или зондов MFLI часто необходимо просверливать в нескольких местах топливный бак, а также нижнюю стенку крыла. В этом случае необходимо предусмотреть герметичный монтаж, что неизбежно приводит к рискам утечки и усложняет операции технического обслуживания. Кроме того, локально вокруг просверленного отверстия следует добавлять усиление, что приводит к увеличению веса летательного аппарата.
Прежде всего, настоящее изобретение направлено на создание топливоизмерительной системы, которая характеризуется простотой установки и технического обслуживания и для которой не требуется просверливать топливный бак.
Во-вторых, изобретение направлено на создание измерительного устройства с датчиками на основе микроэлектромеханических систем (MEMS), которое можно легко интегрировать в уже существующие измерительные системы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение касается многодатчикового измерительного устройства для измерительной системы, содержащего:
- вставку, предназначенную для установки вдоль оси в емкостном зонде таким образом, чтобы она занимала заранее определенное осевое положение по отношению к указанному зонду;
- подложку, на которой устанавливают множество датчиков;
- средства удержания для удержания указанной подложки на заранее определенном расстоянии от указанной вставки вдоль указанной оси.
Предпочтительно указанное множество датчиков содержит, по меньшей мере, один MEMS-датчик.
Предпочтительно указанное множество датчиков содержит, по меньшей мере, один датчик давления и один датчик плотности. Оно может содержать также, по меньшей мере, один датчик диэлектрической проницаемости.
Согласно примеру выполнения, указанное множество датчиков содержит однотипные датчики.
Указанные средства удержания предпочтительно содержат первые средства удержания, установленные на указанной вставке, и вторые средства удержания, установленные на первых средствах при помощи средств быстрого крепления, при этом подложку устанавливают между первыми и вторыми средствами удержания после стопорения указанных средств быстрого крепления.
Согласно примеру выполнения, вставка имеет кольцевую форму и содержит резьбовое осевое отверстие.
Предпочтительно первые средства удержания выполнены в виде первой цилиндрической детали, коаксиальной с вставкой и заканчивающейся в своей верхней части резьбовой трубчатой головкой, предназначенной для завинчивания в указанное отверстие, при этом в указанной цилиндрической детали выполняют сквозное осевое отверстие.
Предпочтительно вторые средства удержания выполняют в виде второй цилиндрической детали, коаксиальной с первой деталью и содержащей сквозное осевое отверстие.
Предпочтительно выполняют друг против друга первый и второй кольцевые пазы соответственно в нижней поверхности первой цилиндрической детали и в верхней поверхности второй цилиндрической детали, при этом подложку выполняют в виде кольцевой пленки, верхняя часть которой свободно заходит в первый кольцевой паз, а ее нижняя часть свободно заходит во второй кольцевой паз.
На наружной поверхности кольцевой пленки можно установить интерфейс соединения, общий для разных датчиков, при этом соединительные провода между указанными датчиками и указанным интерфейсом погружают в материал указанной пленки.
Предпочтительно материалом указанной пленки является поликарбонат.
Для защиты датчиков их предпочтительно устанавливают на внутренней поверхности кольцевой пленки.
Согласно первому варианту, указанные средства быстрого крепления содержат, с одной стороны, штифты, установленные на первой или второй цилиндрических деталях, и, с другой стороны, соответствующие отверстия, выполненные в другой детали, при этом размеры указанных штифтов определяют таким образом, чтобы они заходили с усилием в указанные соответствующие отверстия.
Согласно второму варианту, указанные средства быстрого крепления содержат, с одной стороны, защелкивающиеся пальцы, выполненные в первой или второй цилиндрических деталях, и, с другой стороны, соответствующий паз, выполненный в другой детали, при этом указанные пальцы выполнены с возможностью защелкивания в указанном соответствующем пазу.
Объектом изобретения является также топливоизмерительная система, установленная на летательном аппарате и содержащая:
- множество емкостных зондов, установленных на заранее определенной высоте во множестве топливных баков;
- множество описанных выше многодатчиковых измерительных устройств, при этом указанные устройства устанавливают соответственно на указанных емкостных зондах;
- множество локальных процессоров, при этом каждый локальный процессор выполнен с возможностью обработки данных измерения, поступающих от указанных емкостных зондов, многодатчиковых измерительных устройств, с которыми он соединен;
- центральный процессор, выполненный с возможностью вычисления, на основании обработанных данных и геометрических характеристик указанного множества топливных баков, количества топлива, содержащегося в этих баках.
Измерительная система может дополнительно содержать множество вспомогательных датчиков, установленных в указанном множестве топливных баков, при этом каждый вспомогательный датчик входит в состав узла, состоящего из детектора верхнего уровня, детектора нижнего уровня, детектора воды и температурного датчика, при этом каждый вспомогательный датчик соединен с одним из указанных локальных процессоров, который выполнен с возможностью обработки данных измерения, поступающих от указанного вспомогательного датчика.
Предпочтительно вспомогательные датчики являются MEMS-датчиками.
Для защиты этих датчиков предпочтительно каждый MEMS-датчик устанавливают на внутренней поверхности скобы, лапки которой крепят болтами на внутренней конструкции летательного аппарата.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид емкостного зонда, оборудованного многодатчиковым измерительным устройством согласно варианту выполнения изобретения;
фиг.2 - вид в разборе многодатчикового измерительного устройства согласно варианту выполнения изобретения;
фиг.3 - вид в осевом разрезе части многодатчикового измерительного устройства;
фиг.4 - вид сверху части измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - вид бортовой измерительной системы, оборудованной многодатчиковыми измерительными устройствами в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - деталь монтажа вспомогательного датчика, входящего в состав измерительной системы, показанной на фиг.5.
Подробное описание частных вариантов осуществления изобретения
Основополагающей идеей настоящего изобретения является использование первичных емкостных зондов для встраивания в них многодатчикового измерительного устройства, в частности, с MEMS-датчиками.
На фиг.1 схематично показан емкостной зонд 100, известный из уровня техники, который оборудовали многодатчиковым измерительным устройством 150 в соответствии с настоящим изобретением. Емкостной зонд содержит две коаксиальные металлические цилиндрические трубки 110, 120, при этом наружная трубка 120 закреплена при помощи изолирующих хомутов 130, 140 на внутренней арматуре топливного бака на заранее определенной высоте. Внутренняя трубка 110 не доходит до нижнего конца наружной трубки 120, поэтому в основании емкостного зонда остается свободное пространство. Предпочтительно многодатчиковое измерительное устройство 150 заходит в это свободное пространство, что будет подробнее описано ниже.
Согласно первому варианту, емкостной зонд 100 и многодатчиковое измерительное устройство 150, содержат, каждый, свой собственный соединитель, обозначенный соответственно позициями 135 и 145. Соединительные провода 141 передают низковольтные сигналы и предпочтительно выполнены экранированными для обеспечения защиты от электромагнитных помех, в частности, от помех, создаваемых сигналами, проходящими по соединительным проводам 131.
Согласно второму, не показанному варианту, сигналы, поступающие от емкостного зонда 100 и от датчиков измерительного устройства 150, проходят обработку в локальном процессоре, предпочтительно, но не обязательно установленном в самом измерительном устройстве, после чего передаются через шину данных в центральный процессор измерительной системы.
На фиг.2 показан вид в разборе нижней части емкостного зонда, а также деталь конструкции измерительного устройства 150.
Многодатчиковое измерительное устройство в основном содержит вставку 160, первую цилиндрическую деталь 180 и вторую цилиндрическую деталь 190. Вставка 160 выполнена в виде кольцевой детали с наружным диаметром, по существу равным внутреннему диаметру цилиндрической трубки 120, и установлена в натяг внутри последней, но без деформации. После установки вставки на место ее основание доходит до нижнего конца трубки. Положение вставки вдоль оси емкостного зонда оказывается, таким образом, идеально определенным. Вставка заходит под внутреннюю цилиндрическую трубку 110 таким образом, чтобы ее присутствие не мешало емкостному измерению. Она содержит резьбовое осевое отверстие 161, в которое завинчивают резьбовую трубчатую головку 181, являющуюся неотъемлемой частью первой цилиндрической детали 180.
Наружный диаметр первой цилиндрической детали 180 по существу равен наружному диаметру трубки 120. Эта деталь содержит в своей верхней части резьбовую трубчатую головку 181, предназначенную для завинчивания во вставку. Таким образом, узел, образованный вставкой и трубкой, опирается на заплечик 182, когда первая цилиндрическая деталь находится в завинченном положении. Вместе с тем, предпочтительно на заплечике 182 устанавливают прокладку 170, чтобы избежать любого повреждения трубки 120 во время затягивания. В не показанном альтернативном варианте выполнения вставка может содержать в своем основании заплечик диаметром, равным или превышающим наружный диаметр трубки, и в этом случае основание трубки опирается непосредственно на указанный заплечик.
Предпочтительно наружную поверхность цилиндрической детали 180 обрабатывают накаткой, по меньшей мере, на части 183 ее высоты для облегчения ее затягивания. Как будет подробнее показано далее, в нижней части эта деталь содержит первые средства 185 быстрого крепления (на этой фигуре не видны).
Вторая цилиндрическая деталь 190 тоже имеет наружный диаметр, по существу равный диаметру трубки 120, и предпочтительно обработана накаткой, по меньшей мере, на части 191 своей высоты. Вторые средства 195 быстрого крепления являются неотъемлемой частью детали 190, или их крепят на верхней части детали. Первые и вторые средства 185 и 195 быстрого крепления взаимодействуют для неподвижного соединения первой и второй цилиндрических деталей 180 и 190.
Согласно первому варианту выполнения, вторые средства 195 быстрого крепления выполнены в виде штифтов, расположенных параллельно оси вращения второй цилиндрической детали 190 и установленных в верхней части последней. В этом случае первые средства быстрого крепления выполняют в виде отверстий 185 в нижней части первой цилиндрической детали 180. Размеры штифтов определяют таким образом, чтобы они заходили с усилием в соответствующие отверстия.
В альтернативном варианте штифты можно выполнять на первой цилиндрической детали, а отверстия - во второй цилиндрической детали.
Предпочтительно штифты и соответствующие отверстия располагают равномерно в угловом направлении, чтобы распределять механические усилия во время затягивания.
Согласно второму, не показанному варианту выполнения, вторые средства быстрого крепления выполнены в виде упруго деформирующихся защелкивающихся пальцев, расположенных в направлении или в направлениях, по существу параллельном(ых) оси вращения второй цилиндрической детали. Каждый палец заканчивается концом в виде наклонной площадки, которая может заходить в кольцевой паз, выполненный в нижней части первой цилиндрической детали 180.
В альтернативном варианте защелкивающиеся пальцы можно выполнять на первой цилиндрической детали, а паз - во второй цилиндрической детали.
Предпочтительно пальцы равномерно располагают в угловом направлении.
Наконец, специалист может предусмотреть другие типы эквивалентных средств быстрого крепления, не выходя при этом за рамки настоящего изобретения.
Предпочтительно обе цилиндрические детали и, в случае необходимости, средства быстрого крепления выполняют из термопластического материала.
На фиг.3 показано осевое сечение двух цилиндрических деталей, соединенных при помощи средств быстрого крепления, в данном случае выполненных в виде штифтов 195 и соответствующих отверстий 185.
Первые и вторые средства быстрого крепления выполняют также функцию распорок между двумя цилиндрическими деталями 180 и 190 таким образом, чтобы между ними сохранялось заранее определенное расстояние D.
1
2
1
2
Соответственно в нижней поверхности первой цилиндрической детали и в верхней поверхности второй цилиндрической детали выполнены кольцевые пазы 187 и 197. Эти пазы находятся друг против друга, когда обе детали соединяют стопорением при помощи средств быстрого крепления. Между двумя цилиндрическими деталями устанавливают кольцевую пленку 200 с MEMS-датчиками 210. Ее толщину выбирают меньшей ширины пазов 187 и 197, а ее высоту выбирают немного меньшей D+g+g, где g и g являются соответствующими значениями глубины двух пазов. Благодаря наличию этих зазоров, пленка сохраняет свободу вращения внутри этих пазов, даже когда она находится между двумя цилиндрическими деталями 180 и 190. Кроме того, расстояние, измеренное по вертикальной оси, между подложкой 200 и основанием вставки 160 оказывается идеально определенным. Таким образом, после установки емкостного зонда в топливном баке на заранее определенной высоте высота этих датчиков оказывается точно известной.
В первой и второй цилиндрических деталях 180, 190 соответственно выполняют осевые отверстия 221, 222 достаточно большого диаметра, чтобы топливо могло свободно циркулировать между первой и второй цилиндрическими деталями, с одной стороны, и между первой цилиндрической деталью и трубкой 120, с другой стороны. Кроме того, число и угловое расширение средств быстрого крепления выбирают достаточно малыми, чтобы топливо свободно циркулировало между зоной 220 и кольцевой пленкой 200. Таким образом, датчики гарантированно остаются постоянно в контакте с топливом.
На фиг.4 показан вид сверху второй цилиндрической детали 190. На фигуре показаны вторые средства быстрого крепления (в данном случае выполненные в виде штифтов), кольцевой паз 197, а также отверстие 220 для циркуляции топлива.
Кольцевую пленку 200 выполняют из изолирующего материала, предпочтительно из поликарбоната. Датчики 210 устанавливают на внутренней поверхности кольцевой пленки таким образом, чтобы оператор мог манипулировать пленкой, не повреждая эти датчики. На наружной поверхности кольцевой пленки устанавливают также соединительный интерфейс 213, общий для разных датчиков. Предпочтительно его соединяют с датчиками при помощи проводов, погруженных в материал пленки. С соединительным интерфейсом может быть связан соединитель 215 для соединения датчиков с локальным процессором или с центральным процессором. Свободное вращение кольцевой пленки 200 в пазах 187 и 197 позволяет облегчить операцию соединения между интерфейсом 213 и соединителем 215, независимо от положения последнего.
В случае выхода из строя одного из датчиков вторую цилиндрическую деталь можно легко демонтировать и заменить кольцевую пленку.
Датчики 210 содержат один, а предпочтительно несколько MEMS-датчиков. Некоторые из этих датчиков предназначены для измерения физико-химических свойств топлива, в частности, его плотности, вязкости или диэлектрической проницаемости. Например, из патентной заявки US 2002/0194906 известен тип MEMS-датчика, который может измерять плотность и вязкость текучей среды. Измерение диэлектрической проницаемости можно осуществлять на основании измерения емкости конденсатора, для которого механически изменяют межарматурное расстояние или площадь.
К кольцевой пленке 200 можно также прикрепить более распространенные микроэлектронные датчики, в частности датчики диэлектрической проницаемости или давления. Таким образом, измерение диэлектрической проницаемости можно осуществлять на основании измерения емкости эталонного конденсатора, а измерение давления можно производить на основании измерения напряжения пьезоэлектрического преобразователя.
В случае необходимости, некоторые из датчиков могут быть однотипными, то есть один и тот же датчик можно предусмотреть в нескольких экземплярах с целью повышения надежности или снижения шума за счет усреднения измерений.
Первичное измерение высоты топлива можно получить на основании измерений емкости, производимых емкостным зондом, и измерений диэлектрической проницаемости, производимых многодатчиковым устройством.
Вторичное измерение высоты топлива можно получить, например, на основании измерений давления и плотности, производимых многодатчиковым устройством. Таким образом, можно отказаться от установки вторичных зондов MFLI и избежать связанных с ними недостатков.
Данные измерения, получаемые от различных датчиков, передаются по шине данных на локальный процессор или, по умолчанию, на центральный процессор измерительной системы. Измерения емкости, диэлектрической проницаемости, давления и плотности могут проходить обработку в локальном процессоре, предпочтительно установленном или погруженном в корпус второй цилиндрической детали 190. В альтернативном варианте локальный процессор может быть вынесен за пределы этой детали для обработки данных измерения, поступающих от множества емкостных зондов и связанных с ними многодатчиковых устройств.
Локальный процессор может производить только фильтрование и уплотнение поступающих в него данных. Согласно варианту выполнения, он осуществляет вычисления, позволяющие получить первичные и/или вторичные измерения высоты топлива и передавать их в центральный процессор. В случае необходимости, сообщение между локальным процессором и центральным процессором можно обеспечивать при помощи беспроводной связи.
На фиг.5 схематично показана топливоизмерительная система 300, установленная на летательном аппарате. Она содержит центральный процессор 310, в случае необходимости, один или несколько концентраторов 315 данных, локальные процессоры 320, емкостные зонды 100, на которых установлены многодатчиковые измерительные устройства 150, обозначенные Р, а также вспомогательные датчики 350, более подробно рассмотренные ниже.
Каждый локальный процессор 320 соединен с множеством емкостных зондов (оснащенных многодатчиковыми устройствами), а также с вспомогательными датчиками 350, находящимися вблизи него. Данные, обрабатываемые локальными процессорами, в случае необходимости, группируются концентратором данных, а затем передаются в центральный процессор.
Центральный процессор вычисляет, в частности, количество топлива в зависимости, с одной стороны, от первичных и/или вторичных измерений, соответственно производимых емкостными зондами и многодатчиковыми устройствами, и, с другой стороны, от геометрии топливных баков. Кроме того, центральный процессор измерительной системы обрабатывает данные, полученные от вспомогательных датчиков, и, в случае необходимости, передает соответствующие тревожные сигналы в систему сигнализации во время полета.
Среди вспомогательных датчиков 350 следует указать температурные датчики 351, детекторы 352 нижнего уровня, детекторы 353 верхнего уровня и датчики 354 наличия воды.
Температурные датчики 351 установлены, в частности, во внешних топливных баках, которые наиболее подвержены большим колебаниям температуры. Действительно, важно предупредить экипаж, когда температура топлива становится слишком низкой или слишком высокой, так как эта ситуация может помешать нормальной работе самолета: слишком низкая температура повышает вязкость топлива и может затруднить работу насосов, тогда как слишком высокая температура может привести к созданию паровых пробок в системе питания двигателей.
Предпочтительно датчики нижнего уровня устанавливают в наиболее низких местах различных топливных баков, а детекторы верхнего уровня располагают в положениях, выше которых происходит переливание в балансировочный топливный бак.
Предпочтительно датчики наличия воды располагают в низких местах топливного бака, где за счет более высокой плотности, чем у керосина, может скапливаться вода. Предпочтительно их можно устанавливать вблизи некоторых емкостных зондов таким образом, чтобы можно было идентифицировать неисправность в системе выверки.
Температурные датчики, датчики верхнего и нижнего уровня, детекторы наличия воды предпочтительно являются MEMS-датчиками.
На фиг.6 показан один из этих датчиков 350, установленный на внутренней поверхности скобы 410. Лапки 411 скобы крепят при помощи болтов 412 и стопорных гаек 413 на внутренней конструкции летательного аппарата, например, как показано на фигуре, на стенке 420 пролета крыла. Датчик 350 располагают в месте, не подверженном ударам, между конструкцией самолета и скобой 410, что позволяет значительно снизить риск повреждения во время операции осмотра или технического обслуживания. Подключение датчика можно легко осуществить при помощи многоштырькового соединителя 415.
Необходимо также отметить, что за счет крепления скобы на стенке пролета крыла монтаж датчика не требует сверления отверстий в топливном баке. Кроме того, в случае выхода из строя датчика скобу можно легко снять и заменить датчик.