關(guān)于循環(huán)水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)測(cè)量原理與信號(hào)檢測(cè)

摘要：航空燃油質(zhì)量流量是飛機(jī)燃油油量控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一，航空燃油質(zhì)量流量的精準(zhǔn)、穩(wěn)定測(cè)量，對(duì)飛機(jī)的燃油油量的判斷有著重要的意義。目前航空燃油質(zhì)量流量測(cè)量多采用間接式循環(huán)水流量計(jì)，間接式循環(huán)水流量計(jì)易受環(huán)境變化影響，存在精度低、穩(wěn)定性差、測(cè)量參數(shù)多等缺點(diǎn)?；诖耍O(shè)計(jì)和開發(fā)一種新型的具有高精度、高抗干擾、性能穩(wěn)定并適用于航空領(lǐng)域的循環(huán)水流量計(jì)有著重要的意義。
燃油流量檢測(cè)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要需求之一。燃油流量檢測(cè)能夠?yàn)轱w行員提供進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油累計(jì)消耗量和瞬時(shí)消耗量的準(zhǔn)確信息；監(jiān)控飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)（加力、巡航、小推力）；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油情況（輸油管路、供油泵、閥等）故障檢測(cè)；為發(fā)動(dòng)機(jī)控制（電調(diào)）系統(tǒng)提供控制參數(shù)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)控制；同時(shí)降低油耗，提升環(huán)保，提高經(jīng)濟(jì)性。以我國目前開展的發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作為例，發(fā)動(dòng)機(jī)的*關(guān)鍵參數(shù)之一就是凈推力，而凈推力的方程如式（1）。

式中：GF 為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量。
由此可見，燃油流量檢測(cè)參數(shù)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵參數(shù)之一。燃油流量檢測(cè)的精度與可靠性，直接關(guān)系到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度與可靠性，進(jìn)而關(guān)系到整個(gè)飛機(jī)的飛行安全。隨著燃油流量仿真、材料科學(xué)和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)需求不斷提高，研制新一代高精度、高可靠性的機(jī)載燃油質(zhì)量流量流量計(jì)，對(duì)于提高整個(gè)飛機(jī)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，滿足飛機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）的需求，有著十分重要的意義。
機(jī)載燃油流量測(cè)量的發(fā)展經(jīng)歷了體積流量測(cè)量、間接式質(zhì)量流量測(cè)量和直接式流量測(cè)量三個(gè)階段。*一階段體積流量測(cè)量。體積流量測(cè)量因測(cè)量精度低（一般在2% 左右），逐漸趨于淘汰。*二階段間接式質(zhì)量流量測(cè)量。間接式質(zhì)量流量測(cè)量有推導(dǎo)式、溫度 - 壓力補(bǔ)償式等。例如俄羅斯的 д30 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了推導(dǎo)式測(cè)量方法，即容積流量 - 密度計(jì)組合式流量測(cè)量獲得質(zhì)量流量，該測(cè)量方式設(shè)備體積大、重量重、精度低、可靠性較低。*三階段直接式流量測(cè)量。歐美等先進(jìn)**早在 20 世 紀(jì) 70、80 年代就成功研制出直接式循環(huán)水流量計(jì)，主要是動(dòng)量矩式。動(dòng)量矩式流量計(jì)是根據(jù)牛頓*二定律的原理制作的。從力學(xué)角度來說，質(zhì)量是物體慣性的量度。物體受外力作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，其變化量的大小與質(zhì)量有關(guān)。測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)時(shí)間的變化率，即可測(cè)得質(zhì)量流量。動(dòng)量矩式流量計(jì)利用流體動(dòng)量矩的變化反映質(zhì)量流量，其典型結(jié)構(gòu)是在儀表殼內(nèi)有一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪，分別裝在兩短軸上。動(dòng)量矩式流量計(jì)有兩種形式，一種是采用電動(dòng)機(jī)以恒定角速度 ω 驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，需要外能源。例如斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的循環(huán)水流量計(jì)。另一種是采用簧片控制燃油通量，從而控制主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，此種質(zhì)量流量控制方法采用流體自身能量控制主動(dòng)輪與從動(dòng)輪恒速。其主要原理是測(cè)量部件由兩個(gè)用渦圈彈簧連接的渦輪（主動(dòng)輪與從動(dòng)輪）構(gòu)成，渦輪受流體本身的流動(dòng)能量沖擊而旋轉(zhuǎn)，兩渦輪葉片旋轉(zhuǎn)傾角不同而造成的力矩差由連接的渦圈彈簧平衡，使兩渦輪間形成扭角。扭角的大小反映質(zhì)量流量的大小。測(cè)量扭角造成的信號(hào)時(shí)間差，即可測(cè)得質(zhì)量流量。直接式質(zhì)量流量流量計(jì)精度高（一般在 0.5% 左右，且不受溫度和燃油品質(zhì)變化的影響）、體積小、重量輕、可靠性高，因此廣泛地應(yīng)用于波音、空客以及新一代戰(zhàn)斗機(jī)上。
我國機(jī)載燃油流量測(cè)量主要是體積式流量測(cè)量，所采用的間接式質(zhì)量流量測(cè)量，僅是測(cè)仿俄羅斯 д30 發(fā)動(dòng)機(jī)的容積流量 - 密度計(jì)組合式循環(huán)水流量計(jì)。至今，直接式流量測(cè)量剛開始起步（資料收集、方案論證階段），且未應(yīng)用在任何國產(chǎn)飛機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）上。
1 循環(huán)水流量計(jì)結(jié)構(gòu)及測(cè)量工作原理
循環(huán)水流量計(jì)主要由機(jī)械組合件、殼體組合件、出口殼體組合件及外殼組合件等組成。
機(jī)械組合件沿殼體組合件的中心軸安裝，把流經(jīng)循環(huán)水流量計(jì)的燃油質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換成在其上旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)磁鐵間的角度偏移量 φ。磁鐵轉(zhuǎn)過循環(huán)水流量計(jì)殼體組合件上的兩感應(yīng)線圈時(shí)，感應(yīng)線圈產(chǎn)生并輸出脈沖信號(hào)。兩個(gè)脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間差 △t，差值與兩個(gè)磁鐵間角度偏移量和質(zhì)量流率成正比例關(guān)系。
1.1 工作原理
燃油從殼體組合件的入口端流入，流過殼體組合件上的整流體時(shí)，整流體對(duì)燃油進(jìn)行整流，使流量相對(duì)平穩(wěn)而不紊亂。隨后，燃油再流過機(jī)械組合件。在機(jī)械組合件的出口端，旋形帽的螺旋槽將流過的燃油改變流動(dòng)方向，方向與渦輪的葉片形成一定的夾角 θ。當(dāng)燃油流過渦輪時(shí)，使渦輪獲得一個(gè)角動(dòng)量開始旋轉(zhuǎn)，從而使機(jī)械組合件活動(dòng)部件隨著旋轉(zhuǎn)。
1.2 燃油流速的測(cè)量
為了推導(dǎo)渦輪轉(zhuǎn)速和燃油質(zhì)量流率的關(guān)系，可先將渦輪展開，渦輪帶箭頭的斜線表示燃油流向。如果渦輪固定不動(dòng)，流體流過葉片時(shí)將受到阻力，則當(dāng)燃油離開渦輪的葉片時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)切向速度 V。

式中： v為流入流量計(jì)的燃油流速平均值；θ為渦輪葉片與燃油之間的夾角。
假設(shè)渦輪負(fù)載為零，這時(shí)的切向速度就是渦輪的切向速度。在這種情況下，燃油中某一油分子由 a 點(diǎn)流到b 點(diǎn)，渦輪正好轉(zhuǎn)過一個(gè)葉片。因此，燃油經(jīng)過渦輪時(shí)部被扭曲，滿油能量損失，渦輪的理論旋轉(zhuǎn)角速度公式：

式中：r 為渦輪葉片的平均半徑。
從以上可以看出，渦輪將燃油流速轉(zhuǎn)換為渦輪的轉(zhuǎn)速，當(dāng)流入循環(huán)水流量計(jì)的燃油流率一定，則渦輪的轉(zhuǎn)速n 恒定不變。
1.3 轉(zhuǎn)速的控制
支柱組合件的厚簧片和薄簧片隨燃油流量的增加或減少而張開或閉合。小流率時(shí)，厚簧片和薄簧片處于閉合狀態(tài)，所以多數(shù)流量由旋形帽的螺旋槽導(dǎo)流。流率小時(shí)，流率增加會(huì)使渦輪轉(zhuǎn)速快速增加。大流率時(shí)，厚簧片和薄簧片張開，不接觸旋形帽表面，部分流量不受螺旋形槽的影響。
1.4 質(zhì)量流量與葉輪偏轉(zhuǎn)角的換算
假設(shè)渦輪固定不動(dòng)，燃油流過渦輪的葉片時(shí)將受到阻力，則當(dāng)燃油離開渦輪的葉片時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)切向動(dòng)量 mv，這個(gè)動(dòng)量即為渦輪獲得沖量 。

式中：I 為渦圈彈簧材料截面慣性矩；φ 為渦圈彈簧變形角；T ＇為作用在渦圈彈簧上的力矩；l 為渦圈彈簧工作圈展開長(zhǎng)度；E 為渦圈彈簧材料彈性模量。
2 信號(hào)采集
燃油入口端，軸組合件的軸肩上安裝了一個(gè)起始磁鐵。渦輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸組合件一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)起始磁鐵每次經(jīng)過起始線圈組合件時(shí)，起始線圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)起始脈沖信號(hào)。燃油出口端，葉輪組合件的葉輪罩安裝了一個(gè)終止磁鐵。軸組合件通過渦圈彈簧帶動(dòng)葉輪組合件旋轉(zhuǎn)，當(dāng)終止磁鐵經(jīng)過終止線圈組合件時(shí)，終止線圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)終止脈沖信號(hào)。根據(jù)渦圈彈簧的工作原理，在力矩 T ＇的作用下，渦圈彈簧的角偏移量 φ 即為起始磁鐵與終止磁鐵之間的角偏移量。當(dāng)渦輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，起始脈沖信號(hào)與終止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差△ t：

從式（15）中可以得出，當(dāng)渦圈彈簧材料和形狀確定和渦輪外形尺寸確定的情況下，時(shí)間差△ t 與通過的燃油質(zhì)量 m 成正比例關(guān)系，則測(cè)量起始脈沖信號(hào)與終止脈沖信號(hào)的時(shí)間差△ t，即可得出通過流量計(jì)的燃油質(zhì)量 m。
3 信號(hào)檢測(cè)
將循環(huán)水流量計(jì)流量與相關(guān)測(cè)試設(shè)備連接起來，就可以進(jìn)行循環(huán)水流量計(jì)的校準(zhǔn)，時(shí)間差△ t 由專用試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備可以測(cè)出。起始脈沖信號(hào)和終止脈沖信號(hào)如圖 1 所示。經(jīng)過專用試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)化后的信號(hào)方波如圖 2 所示。

4 結(jié)束語
文章介紹了循環(huán)水流量計(jì)的測(cè)量原理及組成，分析了循環(huán)水流量計(jì)的工作過程，重點(diǎn)討論了工作原理和信號(hào)采集原理。循環(huán)水流量計(jì)抗外界干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高、易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，可滿足航空飛行復(fù)雜環(huán)境的需求。