БОРТОВАЯ ТОПЛИВОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С КОРРЕКЦИЕЙ ПО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТОПЛИВА

2002120117
Бортовая топливоизмерительная система с коррекцией по диэлектрической проницаемости и теплопроводности топлива
Полезная модель относится к авиаприборостроению и может быть использована для контроля запаса топлива в топливных баках топливной системы самолета.
Известна топливоизмерительная система, содержащая датчики уровня топлива в топливных баках самолета, блок преобразования и нормирования сигналов датчиков и бортовой вычислитель, содержащий устройство вычисления количества топлива в топливном баке в функции уровня топлива в баке с учетом геометрических характеристик этого бака и с коррекцией вычисленного в бортовом вычислителе запаса топлива на борту самолета по измеренным текущим значениям углов крена и тангажа самолета. Л. Б. Лещинер и др. Проектирование топливных систем, М., «Машиностроение, стр.30-32, 1991.
Недостатком этой системы является наличие значительной методической эволютивной погрешности определения запаса топлива на борту самолета, возникающей при пространственных эволюциях самолета, во-первых, вследствие того, что в бортовом вычислителе корректируется не запас топлива в каждом отдельном топливном баке, а сразу весь запас топлива на борту самолета и, во-вторых, из-за того, что при пространственных эволюциях углы крена и тангажа самолета могут значительно отличаться от углов наклона поверхности топлива в баке.
B64D 37/00
Федерации № 2156444, МКИ GO IF 23/26, B64D 37/00, опубл. 2000 г, содержащая датчики уровня топлива и датчики углов наклона поверхности топлива, установленные в топливных баках самолета, датчик температуры топлива, установленный в одном из топливных баков самолета, блок преобразования и нормирования сигналов упомянутых датчиков, блок геометрических характеристик баков, суммирующее устройство и бортовой вычислитель, содержащий формирователь параметров топлива и устройство вычисления объема топлива в баке, состоящее из формирователя функции объема, формирователя функции наклона и блока выбора и сравнения, причем выход каждого из датчиков уровня топлива и углов наклона поверхности топлива, а также выход датчика температуры топлива соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, уровнемерные входы устройства вычисления объема топлива в баке соединены с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, входы исходных данных этого устройства подключены к выходам блока геометрических характеристик баков, а температурный вход формирователя параметров топлива соединен с соответствующим выходом блока преобразования и нормирования сигналов датчиков.
Однако известная топливоизмерительная система характеризуется тремя недостатками, затрудняющими ее использование на борту самолета.
В этой системе предусмотрена возможность определения массового запаса топлива на борту самолета путем коррекции в формирователе параметров топлива, входящем в состав бортового вычислителя, вычисленного значения объемного запаса топлива на борту самолета по температуре и характеристическим
параметрам топлива. Однако операция коррекции объемного запаса топлива на борту самолета сопровождается значительной методической погрешностью, т.к. температура топлива в известной системе измеряется с помощью единственного датчика температуры, установленного только в одном из топливных баков самолета, а текущие значения характеристических параметров топлива в известной системе вообще не измеряются с помощью соответствующих датчиков, а вычисляются в формирователе параметров топлива на основании номинальных паспортных данных заправленного топлива, которые вводят в память формирователя при предполетной подготовке самолета, например, на основании номинальной плотности poi топлива марки Mj при температуре 20°С.
Первым недостатком известной системы является наличие значительной методической погрешности определения массового запаса топлива на борту самолета.
Указанный недостаток вызван двумя причинами.
Во-первых, определение средней температуры всего топлива, находящегося в нескольких баках топливной системы самолета, по температуре, измеренной только в одном из этих баков, связано со значительной погрешностью усреднения, вызванной реально существующим разбросом температур топлива между отдельными топливными баками. Разброс температуры топлива между отдельными баками топливной системы может достигать при эксплуатации самолета величины ± 35°С. Например, в случае нескольких последовательных дозаправок самолета, не полностью израсходовавшего запас топлива в предыдущем перелете, в аэропортах, расположенных в меридиональном направлении, с температурами заправляемого топлива - 35°С (в северном
аэропорту) и + 35°С (в южном аэропорту), температуры топлива в различных баках могут отличаться между собой на 70°С.
Во-вторых, определение фактических параметров заправленного топлива в бортовом вычислителе известной системы производится не на основе измеряемых текущих значений характеристических параметров топлива, а по номинальным значениям этих параметров, указанным в сопроводительном паспорте на заправленное топливо, что также сопровождается значительной ошибкой, вызванной отклонением фактических значений параметров от номинальных. В качестве номинального параметра при определении массового запаса топлива путем коррекции вычисленного объемного запаса обычно используется характеристический параметр poi заправленного топлива - номинальная плотность
топлива марки Mf при нормальной температуре.
Однако, при перелете дальнемагистрального самолета с дозаправками в нескольких аэропортах топливами различных марок, достоверно установить какоелибо конкретное значение плотности топлива в баке без измерения фактических характеристических параметров топлива в этом баке становится затруднительным, т.к. разные баки самолета могут оказаться заполненными топливами различных марок, а некоторые из баков - смесью топлив различных марок. При этом разброс плотности топлив различных марок, находящихся в различных баках самолета, даже при одинаковой температуре топлива может достигать ± 4%, а при разбросе температур топлива в различных баках с учетом температурного коэффициента плотности топлива, составляющего около 0,1 % на градус, может достигать в диапазоне температур от + 35°С до - 35°С величины ± 7 % См., напр., справочник «Свойства авиационных топлив («Aviation fuel properties). Atlanta, Georqia, 1988.
Т.к. сертификационные авиационные требования Единые нормы летной годности гражданских транспортных самолетов. Приложение 8.0; Специальные требования. П 8.8.10; п.2.1; -М., 1987.  безусловно требуют измерения массового запаса топлива на борту самолета с погрешностью, не превышающей ± 3,5 % во всех условиях эксплуатации, и, в том числе, при любых, разрешенных для данного класса самолетов, марках заправленного топлива или смеси топлив различных марок, то очевидно, что известная система фактически не может быть применена для определения массового запаса топлива на борту гражданского транспортного самолета, так как не соответствует сертификационным требованиям по точности измерения.
Вторым недостатком известной системы является невозможность определения массового запаса топлива в каждом отдельном баке топливной системы самолета.
Известная система позволяет определить только суммарный массовый запас топлива на борту самолета. Этот недостаток обусловлен тем, что определение массового запаса топлива в известной системе производится путем коррекции суммарного объемного запаса топлива на борту самолета, что не дает возможности определения массового запаса топлива в отдельном баке. Поскольку вышеупомянутые единые нормы летной годности самолетов безусловно требуют измерения массового запаса топлива в каждом отдельном топливном баке самолета, то известная система не отвечает сертификационным требованиям и не может быть использована на борту самолета.
Третьим недостатком известной системы является использование бортовых датчиков угла наклона поверхности топлива для измерения текущих значений угла наклона поверхности топлива в топливных баках самолета.
К сожалению, в описании изобретения к упомянутому патенту № 21564444 на известную систему отсутствуют сведения, подтверждающие возможность осуществления бортового датчика угла наклона поверхности топлива в топливном баке самолета.
В известной технической литературе также отсутствуют сведения о применении таких датчиков на борту самолета. Известные датчики угла наклона, описанные в технической литературе и широко используемые на борту самолета, измеряют не углы наклона поверхности топлива, а углы наклона самого самолета в вертикальной и горизонтальной плоскостях (углы крена и тангажа самолета). Однако при пространственных эволюциях самолета углы крена и тангажа могут существенно отличаться от углов наклона поверхности топлива в баке.
Известные датчики угла наклона поверхности жидкости, описанные в технической литературе: буйковые датчики, содержащие плавающий на поверхности жидкости поплавковый буй с указателями углового положения буя, и жидкостные датчики, содержащие установленный в баке сосуд, представляющий собой уменьшенную геометрическую модель бака, заполненный постоянным количеством эталонной жидкости, с указателями углового положения поверхности этой жидкости, предназначены для использования в сугубо стационарных условиях, когда поверхность контролируемой ими жидкости находится в спокойном состоянии.
В нестационарных условиях показания этих датчиков характеризуются значительной погрешностью измерения, что затрудняет их использование в топливных баках самолета при пространственных эволюциях последнего. В связи с этим использование датчиков угла наклона поверхности топлива в известной бортовой топливоизмерительной системе самолета не только усложняет эту систему, но и вызывает существенную методическую эволютивную погрешность определения объемного запаса топлива в баке, а, следовательно, и массового запаса топлива на борту самолета.
Для уменьшения влияния первого из отмеченных недостатков известной системы на точность определения массового запаса топлива на борту самолета в предлагаемой полезной модели, в отличие от известной системы, в которой массовый запас топлива на борту самолета определяется путем преобразования объемного запаса топлива на борту самолета, полученного суммированием в суммирующем устройстве объемов топлива в каждом отдельном баке, вычисленных в устройстве вычисления объема топлива в баке, входящем в состав бортового вычислителя, в массовый запас топлива на борту самолета путем коррекции объемного запаса топлива на борту самолета в формирователе параметров топлива, входящем в состав бортового вычислителя, на основе паспортных данных о номинальных значениях характеристических параметров топлива, заправленного в топливные баки при предполетной подготовке самолета, и текущих значений температуры топлива, измеряемой в процессе полета только в одном из топливных баков, предложена топливоизмерительная система, в которой массовый запас топлива на борту самолета определяется методом преобразования объемного запаса топлива в баке, вычисленного в устройстве вычисления объема
топлива в баке, входящем в состав бортового вычислителя, путем коррекции объемного запаса в массовый запас топлива в этом баке на основе измеряемых на борту самолета значений характеристических параметров топлива: диэлектрической проницаемости, и теплопроводности, а также температуры топлива в каждом баке, с идентификацией в бортовом вычислителе марки фактически содержащегося в баке топлива по измеренным значениям характеристических параметров топлива в каждом баке, определением в бортовом вычислителе фактической плотности топлива по идентифицированной марке топлива в каждом баке, коррекцией в формирователе параметров топлива фактической плотности топлива в баке по температуре топлива в этом баке и определением массового запаса топлива на борту самолета путем суммирования в суммирующем устройстве массовых запасов топлива в каждом отдельном баке.
Для устранения второго недостатка известной системы в бортовом вычислителе предлагаемой системы определяется массовый запас топлива в каждом баке.
С этой целью бортовой вычислитель системы содержит устройство вычисления массы топлива в баке на основании поступающей на входы этого устройства информации об объеме топлива в баке и о фактической плотности топлива в баке, определяемой по идентифицированной в бортовом вычислителе марке топлива в баке и по фактическому значению температуры топлива в этом баке.
Для уменьшения влияния третьего из отмеченных недостатков известной системы на точность определения запаса топлива в баке при пространственных эволюциях самолета в предлагаемой полезной модели, в отличие от известной
топловоизмерительной системы, в которой объемный запас топлива в баке определяется на основе измеряемых текущих значений уровня топлива в баке с использованием измеряемых текущих значений углов наклона поверхности топлива в баке и, как исходных данных, геометрических характеристик бака, предложена топливоизмерительная система, в которой объемный запас топлива в баке определяется на основе текущих значений уровня топлива в баке, измеряемых не менее, чем в трех различных точках поверхности топлива в баке, не лежащих на одной прямой линии, с использованием, как исходных данных, геометрических характеристик бака, что позволяет вычислять объем топлива в баке при пространственных эволюциях самолета без использования дополнительной информации о текущих значениях углов наклона поверхности топлива в баке и без учета влияния эволютивной погрешности измерения углов наклона поверхности топлива на точность определения запаса топлива в баке.
Таким образом, в основу предлагаемой полезной модели поставлена задача повышения точности определения массового запаса топлива на борту самолета при пространственных эволюциях самолета, разбросе температур и марок топлива, находящегося в различных баках топливной системы самолета, а также задача определения массового запаса топлива в каждом топливном баке.
Поставленная задача достигается тем, что в топливоизмерительной системе, содержащей датчики уровня топлива в топливных баках самолета, датчик температуры топлива в топливном баке, блок преобразования и нормирования сигналов датчиков, блок геометрических характеристик баков, суммирующее устройство и бортовой вычислитель, содержащий устройство вычисления объема топлива в баке и формирователь параметров топлива, причем выход каждого из
датчиков уровня топлива и выход датчика температуры топлива соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, уровнемерные входы устройства вычисления объема топлива в баке соединены с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, входы исходных данных этого устройства подключены к выходам блока геометрических характеристик баков, формирователь параметров топлива снабжен температурным входом, соединенным с соответствующим выходом блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, новым является то, что в систему дополнительно введены преобразователи характеристических параметров топлива в топливных баках самолета: преобразователь диэлектрической проницаемости топлива, и преобразователь теплопроводности топлива, дополнительно для топливных баков, не содержащих датчиков температуры, введены датчики температуры топлива в баке, не менее, чем один из датчиков уровня топлива выполнен электроемкостным и содержит дополнительный выход, датчик температуры топлива выполнен терморезистивным и содержит дополнительный выход, вход преобразователя диэлектрической проницаемости топлива соединен с дополнительным выходом электроемкостного датчика уровня топлива, вход преобразователя теплопроводности топлива соединен с дополнительным выходом датчика температуры топлива в баке, датчики уровня топлива установлены в топливном баке не менее, чем в трех его различных точках, не лежащих на одной прямой линии, в бортовой вычислитель введены устройство вычисления массы топлива в баке и идентификатор марки топлива в баке, формирователь параметров топлива снабжен дополнительными температурными входами по числу дополнительно введенных датчиков
температуры топлива в баке, при этом выход каждого преобразователя характеристического параметра топлива и каждого дополнительного датчика температуры топлива соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, параметрические и температурные входы идентификатора марки топлива в баке соединены с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, выходы этого идентификатора подключены к идентификационным входам формирователя параметров топлива, снабженного дополнительными температурными входами, соединенными с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования сигналов датчиков, выходы устройства вычисления объема топлива в баке подключены к первой группе входов устройства вычисления массы топлива в баке, вторая группа входов которого соединена с выходами формирователя параметров топлива, а выходы подключены ко входам суммирующего устройства.
Заявленная полезная модель поясняется представленной на Фигуре функциональной схемой предлагаемой топливоизмерительной системы.
Топливоизмерительная система содержит установленные в каждом из N топливных баков 1 топливной системы самолета датчики текущих параметров топлива: датчики 2 уровня (h) топлива, из которых хотя бы один датчик выполнен электроемкостным и терморезисторный датчик 3 температуры (t) топлива. В каждом топливном баке 1 содержится не менее трех датчиков 2 уровня топлива, не лежащих на одной прямой линии, например, установленных, как это показано на виде «а бака 1, в трех различных точках этого бака, не лежащих на одной прямой линии. Каждый из электроемкостных датчиков 2 уровня топлива и каждый датчик 3 температуры топлива снабжен, помимо основного выхода, дополнительным
выходом. Дополнительные выходы датчиков 2 и 3 подключены каждый ко входу одного из преобразователей 4, 5 характеристических параметров топлива. В качестве преобразователя 4 первого характеристического параметра топлива применен преобразователь диэлектрической проницаемости (е) топлива, а в качестве преобразователя 5 второго характеристического параметра топлива применен преобразователь теплопроводности (Я,) топлива. Дополнительный выход датчика 2 соединен со входом преобразователя 4, а дополнительный выход датчика 3 - со входом преобразователя 5. Выходы датчиков 2 и 3 каждого бака 1 подключены к одной из  групп входов блока 6 преобразования и нормирования сигналов датчиков, предназначенного для приведения к единому нормализованному виду неунифицированных сигналов датчиков и преобразователей различных физических величин: уровня h, температуры t, диэлектрической проницаемости е и теплопроводности Я,.
Блок 6 имеет N групп входов (по числу N баков 1). Выходы датчиков 2, 3 и преобразователей 4, 5 каждого бака 1 подключены к группе входов блока 5, номер которой соответствует номеру этого бака, например, датчик 3 температуры топлива, установленный в первом баке 1, подключен к одному их входов первой группы входов - входу Вх ti блока 6, а датчик 2 уровня топлива, установленный в точке «2 N - ого бака 1, подключен к одному из входов N- ной группы входов входу Вх hN2 блока 6. Выходы блока 6 соединены со входами бортового вычислителя 7, в состав которого входят электронные модули: устройство 8 вычисления объема топлива в баке, идентификатор 9 марки топлива в баке, формирователь 10 параметров топлива и устройство 11 вычисления массы топлива
в баке; кроме того, в состав системы входят блок 12 геометрических характеристик баков, суммирующее устройство 13 и формирователь 14 выходной информации.
Устройство 8 вычисления объема топлива в баке содержит группу уровнемерных входов и группу входов исходных данных. Уровнемерные входы ВхЬц, Bxhn , Bxhu, ... BxhN1, BxhN2 , BxhN3 устройства 8 соединены с соответствующими выходами блока 6, а входы Вх (Ьц , b2j , bjiJi ... Вх (bij , b2j , b3k)N исходных данных - с выходом блока 12 геометрических характеристик бака.
Идентификатор 9 марки топлива в баке содержит группу параметрических входов и группу температурных входов. Параметрические входы Вхеь BxXi, ... BxeN, BxA,N идентификатора 9, предназначенные для приема нормализованных значений характеристических параметров топлива  в баках, и температурные входы Bxti, ... BxtN идентификатора 9, предназначенные для приема нормализованных значений температуры топлива в баках, соединены с соответствующими выходами блока 6.
Выходы идентификатора 9 подключены к идентификационным входам ВхМь ... BxMN формирователя 10 параметров топлива, выходы которого соединены со входами второй группы входов Bxp(t)i, ... Bxp(t)N устройства 11 вычисления массы топлива в баке. Температурные входы Bxtj, ... BxtN формирователя 10 подключены к соответствующим выходам блока 6, а первая группа входов BxVj,... BxVN устройства 11 соединена с выходами устройства 8.
Выходы устройства 11 соединены со входами Bxmi ... Вхтм суммирующего устройства 13 и со входами Bxmt ... BxmN формирователя 14 выходной информации. Выход суммирующего устройства 13 соединен со входом
Bxm формирователя 14 выходной информации, выход Выхт которого предназначен для выдачи во взаимодействующие системы самолета информации о массовом запасе m топлива на борту самолета, в выходы Bbixmt ... BbixmN- для выдачи в эти системы информации о массе m топлива в отдельных топливных баках.
Преобразователь 4 первого характеристического параметра топлива представляет собой преобразователь электрической емкости заполненного топливом электроемкостного датчика 2 уровня, величина выходного информативного параметра которого - электрической емкости - зависит от диэлектрической проницаемости топлива, находящегося между электродами датчика 2, в диэлектрическую проницаемость е топлива. Преобразователь 5 второго характеристического параметра топлива представляет собой преобразователь электрического сопротивления, погруженного в топливо терморезисторного датчика 3 температуры, величина выходного информативного параметра которого - электрическое сопротивление - зависит при подогреве датчика 3 протекающим по нему подогреваемым током, от теплопроводности окружающего датчик топлива, в теплопроводность X топлива.
При работе предлагаемой топливоизмерительной системы предварительно в бортовой вычислитель 7 и в блок 12 геометрических характеристик баков вводят исходные данные, алгоритмы преобразования и функциональные зависимости, необходимые для вычисления массового запаса топлива. Исходные данные вводят в память идентификатора 9, формирователя 10 и блока 12. Алгоритмы преобразования вводят в память идентификатора 9 и формирователя 10,
математические зависимости вводят в память устройств 8 и 11, а также в память формирователя 10.
В память идентификатора 9 марки топлива в баке вводят два массива исходных данных: массив (а характеристических констант топлива и массив (Mj) марок топлива в функции одного из характеристических параметров Jj топлива, например параметра А.( при конкретном значении tj температуры топлива. В память блока 12 геометрических характеристик бака вводят два массива исходных данных: массив (1,2 ... п, ... N) номеров топливных баков и массив (Ьц , b2j, Ьз;) констант для каждого бака, ставящих в соответствие любой паре значений ( h2j) уровня топлива в точках «1 и «2 этого бака одно значение Vn объема топлива в баке. В память формирователя 10 параметров топлива вводят массив исходных данных (Cj) о значениях номинальных плотностей ps топлива и температурных коэффициентов PJ плотности топлива для группы топлив известных марок, используемых на данном классе самолетов, и для смесей топлив этих марок. Кроме того, в память идентификатора 9 и формирователя 10 вводят алгоритмы преобразования исходных данных в выходные сигналы этих электронных модулей. В память устройств 8 и 11, а также в память формирователя 10 вводят функциональные зависимости, необходимые для вычисления объема и массы топлива в баке.
В процессе полета с выходов датчиков 2, 3 и преобразователей 4, 5 на входы Bxhn, Bxh12, Bxhi3 , Вхеь BxXj, Bxtb ... BxhN1, BxhN2, BxhN3, BxeN , BxXN BxtN блока 6 поступают сигналы о текущих значениях уровней, характеристических параметров и температуры топлива в каждом из топливных баков 1. В блоке 6 эти сигналы преобразуются к нормализованному виду и с
соответствующих выходов блока поступают на соответствующие входы электронных модулей 8, 9 и 10 бортового вычислителя 7. Нормализованные сигналы о текущих значениях трех различных уровней топлива в каждом баке, измеренных в трех точках бака, не лежащих на одной прямой линии, поступают с выходов блока 6 на уровнемерные входы Bxhu, BxhI2, Bxhj3, ... BxhNt, BxhN2, BxhN3 устройства 8 вычисления объема топлива в баке, нормализованные сигналы о текущих значениях каждого из характеристических параметров EJ и A.J топлива в каждом из N баков 1 поступают с выходов блока 6 на параметрические входы Bxei, BxXi, ... Bx8N, BxXN идентификатора 9 марки топлива в баке, а нормализованные сигналы о температуре топлива в каждом баке - с выходов блока 6 на температурные входы Bxtb ... BxtN этого идентификатора и на температурные входы Bxti,... BxtN формирователя 10 параметров топлива.
В устройстве 8 вычисляется объем Vn топлива в n-ном топливном баке 1 на основании поступающих на уровнемерные входы этого устройства нормализованных сигналов о текущих значениях уровней топлива, измеренных в трех различных точках бака, и исходных данных о геометрических характеристиках этого бака, поступающих с выходов блока 12 на входы Вх (Ьп , b2j , b3k)i, ... Вх (bij , b2j , b3k)N исходных данных устройства 8 в соответствии с введенной в память устройства 8 функциональной зависимостью
(1) ,.,.),,, где
функция F ставит в соответствие каждой тройке (hn,h2J,h)k) текущих значений
констант (b,j , b2j , b3k)n. Зависимость (1) может быть выражена, например, линейным полиномом
(2) VB  (buhu+b2jh2j + b3kh3k)B,™e
коэффициенты Ь„,Ь2,Ь3|4 характеризуют геометрию n-ного топливного бака, а уровни hu,h2. и hjk топлива измеряются в точках «1, «2 и «3 этого бака, не
лежащих на одной прямой линии.
Полином (2) может быть задан для каждого из N топливных баков, например в численной форме, с помощью d квадратных численных матриц. Каждая из таких матриц содержит d строк и d столбцов, причем каждая из строк, в свою очередь, содержит d численных значений объема топлива, соответствующих значениям Ь1{,... hld уровня топлива в точке «1 n-ного бака, и d столбцов, каждый из которых содержит d численных значений объемов топлива, соответствующих значениям h2j,... h2d уровня топлива в точке «2 n-ого бака. При этом каждая из d квадратных матриц соответствует одному из d значений уровня Ьз|, ... bjd топлива в точке «3 n-ого бака. В целом, совокупность d квадратных матриц представляет собой кубическую матрицу размерности d, содержащую d3 дискретных численных значений объема топлива в каждом из 1, 2, ... п ... N топливных баков 1. В качестве примера численной матрицы ниже приведена матрица (3), содержащая d2 численных значений Уц ... Vdd объема топлива в топливном баке № 4 в функции уровней hn и h2j топлива, соответственно, в точках «1 и «2 этого бака.
(3)
Матрица значений объема V(hni h2j)4 топлива в топливном баке № 4 при значении уровня h3k  const.