關(guān)于插入式電磁流量計(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)量多采用間接式插入式電磁流量計(jì)，間接式插入式電磁流量計(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(kāi)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)域的插入式電磁流量計(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(guó)目前開(kāi)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(jiàn)，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插入式電磁流量計(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(lái)說(shuō)，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)安裝的插入式電磁流量計(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(guó)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)組合式插入式電磁流量計(jì)。至今，直接式流量測(cè)量剛開(kāi)始起步（資料收集、方案論證階段），且未應(yīng)用在任何國(guó)產(chǎn)飛機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）上。
1 插入式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)及測(cè)量工作原理
插入式電磁流量計(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)插入式電磁流量計(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(guò)插入式電磁流量計(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)渦輪時(shí)，使渦輪獲得一個(gè)角動(dòng)量開(kāi)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(kāi)，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(guò)葉片時(shí)將受到阻力，則當(dāng)燃油離開(kāi)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(guò)一個(gè)葉片。因此，燃油經(jīng)過(guò)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)流入插入式電磁流量計(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(kāi)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(kāi)，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(guò)渦輪的葉片時(shí)將受到阻力，則當(dāng)燃油離開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)渦圈彈簧帶動(dòng)葉輪組合件旋轉(zhuǎn)，當(dāng)終止磁鐵經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)流量計(jì)的燃油質(zhì)量 m。
3 信號(hào)檢測(cè)
將插入式電磁流量計(jì)流量與相關(guān)測(cè)試設(shè)備連接起來(lái)，就可以進(jìn)行插入式電磁流量計(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(guò)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(yǔ)
文章介紹了插入式電磁流量計(jì)的測(cè)量原理及組成，分析了插入式電磁流量計(jì)的工作過(guò)程，重點(diǎn)討論了工作原理和信號(hào)采集原理。插入式電磁流量計(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。

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