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關於智（zhì）能型電磁流量計（jì）的結構測（cè）量原理與信號（hào）檢測（cè）
點擊次（cì）數：1850 發布時間：2021-01-01 12:04:46
摘（zhāi）要：航空燃油質量（liàng）流量是飛機燃油油量控製係統（tǒng）中（zhōng）的重要參數之一，航空燃（rán）油質量流量（liàng）的（de）精準、穩（wěn）定測量，對飛機（jī）的燃油油量的判斷有著重要（yào）的意義。目前航空燃油質量流量測量多采用間接式智（zhì）能型電磁流（liú）量計，間（jiān）接式智能型電磁流量計易受環（huán）境變化影響，存（cún）在精（jīng）度低、穩定性差、測量參數多等缺點。基於（yú）此，設計和開發一種新型的具有高精度、高抗幹擾、性能穩定並適用於（yú）航空領域的智能型電磁流量計有著重要的意義。
燃油流量檢測是飛機發動機的重要需求之一。燃油流量檢測能夠為飛行（háng）員提供進（jìn）入發動機的燃油累計消耗量和（hé）瞬時消耗量的準確信息（xī）；監控（kòng）飛機發動機工作狀（zhuàng）態（加力、巡（xún）航（háng）、小推力）；對發動機供油情況（輸油（yóu）管路、供油泵、閥等）故障檢測；為發動機控製（電調）係統提供控製參數，輔助發動機控製（zhì）；同時降（jiàng）低油耗（hào），提升（shēng）環保，提高經濟性。以我國目前開展的發動機研究工（gōng）作為例，發動機的*關鍵參數之一就是淨推力，而淨推力的方程如式（1）。
式中：GF 為進入發動機的燃油流量。
由（yóu）此可見，燃油流（liú）量檢（jiǎn）測參數是（shì）飛（fēi）機發動機控（kòng）製的關鍵參數之一。燃油流量檢（jiǎn）測的精（jīng）度與可（kě）靠性，直接（jiē）關係到飛機發動機控製係統的控製精度與可靠性，進而關係到整個飛機的飛行安全。隨著燃油流量仿真、材料科學和工藝技術的不斷發展，飛機需求不斷提高，研（yán）製新一代高精度、高可靠性的機載燃油質量流量流量計，對於（yú）提高整個飛機的（de）技戰術（shù）指標，滿足飛機（發動（dòng）機）的需求，有（yǒu）著十分重要的意義。
機載燃油流量測量的發展經曆了體積流量測量、間接式質量流量測（cè）量和直接式流量測量三個階段。*一階段體積（jī）流量測量。體積流量測量因測（cè）量精度低（一般在2% 左（zuǒ）右），逐漸趨於淘汰。*二階段間接式質量流量測（cè）量。間接式質量流（liú）量（liàng）測量有推導式、溫度 - 壓力補償式等。例如俄羅斯的 д30 發動機采用了推導式測量方法，即容積（jī）流量 - 密度計組合式流量測量獲得質量流量，該測量方式設備體積大、重量重、精度低、可靠性較低。*三階段直接式流量測量。歐美等先進**早（zǎo）在 20 世 紀 70、80 年代就成（chéng）功研製出直接式智能型電磁（cí）流量計，主要是動量矩式。動量矩式流量計是根據（jù）牛頓*二定律的原（yuán）理製作的。從力學角度來說，質量是物體慣性（xìng）的量度。物體受外力作用，運動狀（zhuàng）態發生變化（huà），其變化量的大（dà）小與（yǔ）質量有關。測量運動狀態對（duì）時間的變化率，即可測得質量流量。動量矩式流量計利用流體動量（liàng）矩的變化（huà）反映質量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個主動輪和一個從動輪，分別裝在兩短軸上。動量矩式流量計有兩（liǎng）種形式，一種是采用（yòng）電動機以恒定角速度 ω 驅動主動輪，需要外能源。例（lì）如（rú）斯貝發動機安裝（zhuāng）的智能型電磁流（liú）量計。另一種是（shì）采（cǎi）用簧片控製（zhì）燃油通量，從而控製主動輪與從動輪的轉速，此（cǐ）種質量流量控製方法采用流體（tǐ）自（zì）身能量控製主動輪與從動輪恒速。其主要原理是測量部件由兩個用渦圈彈簧連（lián）接的渦輪（主動輪與從動輪）構成，渦輪受流體本身的流（liú）動能量衝擊而旋轉（zhuǎn），兩渦輪葉片旋轉傾角（jiǎo）不同而造成（chéng）的力（lì）矩差由（yóu）連接的渦圈彈（dàn）簧平衡，使（shǐ）兩渦輪間形成扭角。扭角的大（dà）小反映質量流量的大小（xiǎo）。測（cè）量扭角造成的信號時間差，即可測（cè）得（dé）質量流量。直接式（shì）質量流量（liàng）流量計精度高（一（yī）般在（zài） 0.5% 左右，且不受溫度和燃油品質變化的影響）、體（tǐ）積小、重量輕、可靠（kào）性高，因此廣泛（fàn）地應用於波音、空客以及新一代戰鬥（dòu）機上。
我國機（jī）載燃油流量測量主（zhǔ）要（yào）是體積式流（liú）量測量，所采（cǎi）用的間接式質量（liàng）流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發動機的容積流量 - 密（mì）度計（jì）組（zǔ）合式智能型電（diàn）磁流量計。至今，直接式流量測量剛開始起步（資料收集、方案論證階段），且（qiě）未應用在任何（hé）國產飛（fēi）機（發動機）上。
1 智能型電磁流量計結構及測量工作原理
智能（néng）型電磁流量計主要由機械組合件、殼體組合件、出口殼（ké）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（zhōng）心軸安裝，把流經智能型電磁流量（liàng）計的燃油質量流量轉換成在其上（shàng）旋轉的兩個磁（cí）鐵間的角度偏移量 φ。磁鐵轉過智能型電磁流量計殼體（tǐ）組合件上的兩感應線圈時，感應線圈產生並輸出脈衝信號。兩個脈衝之間存在一個時間差 △t，差值與兩個磁鐵間角度偏移（yí）量和質量流率成正比例關係。
1.1 工作原理
燃油從殼體組合件的入口端流入，流過殼（ké）體組合（hé）件上的整流體（tǐ）時，整流體對燃油進行整流，使流量相對平穩而不紊亂。隨後，燃（rán）油再流過（guò）機械組合件。在機械組合件的出口端，旋形帽的螺旋槽將流過的燃油改變流動方（fāng）向，方向（xiàng）與渦輪的葉（yè）片形成一定的夾角 θ。當燃油流過渦輪時（shí），使渦輪獲得一個角動量開始旋轉，從而（ér）使（shǐ）機械組合件活動部件隨著旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速（sù）和燃油質量（liàng）流（liú）率的關係，可先將渦輪展開，渦輪帶箭頭（tóu）的（de）斜線表示燃油流向。如果渦（wō）輪固定（dìng）不動，流體流過葉片時將受到（dào）阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一個（gè）切向速度 V。
式中： v為流入流量計的燃油流速平均（jun1）值；θ為（wéi）渦輪葉片（piàn）與燃油之間（jiān）的夾角（jiǎo）。
假設渦輪負載為零，這時的切向速度（dù）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 點流到b 點，渦輪正（zhèng）好轉過一個葉片。因此，燃油（yóu）經過渦輪時（shí）部被（bèi）扭曲，滿油能量（liàng）損失，渦輪的理論旋轉角速度（dù）公式：
式中：r 為渦輪（lún）葉片的平均半徑。
從以上（shàng）可（kě）以看出，渦輪將燃油流速轉換為渦輪的轉（zhuǎn）速（sù），當流入智能型電磁流量計的燃油流率（lǜ）一定，則（zé）渦輪（lún）的轉（zhuǎn）速n 恒定不變。
1.3 轉速的（de）控製
支柱（zhù）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（liú）率時，厚簧片和薄簧片處於閉合狀態，所以多數流量（liàng）由旋（xuán）形帽的螺旋槽導流。流率小時，流率增加（jiā）會使渦輪轉速快速增加。大流率（lǜ）時，厚簧片（piàn）和薄簧片張開，不接觸（chù）旋形帽表麵，部分流量不受螺旋形槽的影響。
1.4 質量流量與葉（yè）輪偏轉角的（de）換算
假（jiǎ）設渦輪固定不動（dòng），燃油流過渦輪的葉片時將受到阻（zǔ）力，則當燃（rán）油離開渦輪的葉片時，將產生一個切向動量 mv，這個動量即為（wéi）渦輪獲得衝量 。
式中（zhōng）：I 為渦（wō）圈彈簧材料截麵慣性矩；φ 為渦圈（quān）彈簧變形角；T ＇為作用在渦（wō）圈彈簧上的（de）力矩；l 為渦圈彈簧工作圈展開（kāi）長度；E 為（wéi）渦圈彈簧材料彈性模（mó）量。
2 信號采集
燃（rán）油入口端，軸組合件的軸肩上安裝（zhuāng）了（le）一個起始磁鐵。渦輪旋（xuán）轉帶動軸組合件一起旋轉，當起（qǐ）始磁鐵每次經過起始線圈組合件時，起始線圈組合件將產生一個起始脈衝信號（hào）。燃（rán）油出口（kǒu）端，葉（yè）輪組合（hé）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葉輪組合件旋轉，當終（zhōng）止磁鐵經過終止線圈組合件時，終止線（xiàn）圈組合件將產生一個終（zhōng）止脈（mò）衝信號。根據渦圈（quān）彈簧的工作原理，在力矩 T ＇的作用下，渦圈彈簧（huáng）的角偏移量 φ 即（jí）為起始磁鐵與終止磁鐵之間的角（jiǎo）偏移量。當渦輪以角速度ω旋轉（zhuǎn）時，起始脈（mò）衝信號與終止脈衝信號之間的時（shí）間差（chà）△ t：
從式（15）中可以（yǐ）得出，當渦圈（quān）彈簧材料和形狀確定和渦輪外（wài）形尺寸確定的情況下，時間差△ t 與通過的燃（rán）油質量 m 成正比例關係，則測量起始脈衝信號與終止脈衝信號的時間差△ t，即可得出通過流量計的燃油質量 m。
3 信號檢測
將智（zhì）能型電磁流量（liàng）計流量與相關測試設備連接起來，就可以進行智能型電（diàn）磁（cí）流量計的校（xiào）準，時間差△ t 由專用試驗測試設備可以測出。起始脈衝信號和終止脈衝信號如圖 1 所示。經過專（zhuān）用試驗（yàn）測試設備（bèi）信號轉化後的信號方波如圖 2 所示。
4 結束語
文章介紹了智能型電磁（cí）流量（liàng）計的（de）測量原理及（jí）組（zǔ）成，分析了智能型電磁流量計的（de）工（gōng）作過（guò）程，重點討論了工作原理（lǐ）和信號采集原理（lǐ）。智（zhì）能（néng）型（xíng）電磁流量（liàng）計抗外界幹擾能力強（qiáng），測量精度高、易（yì）實現（xiàn）實時測量，可滿足航空飛行複雜環境的需求（qiú）。
燃油流量檢測是飛機發動機的重要需求之一。燃油流量檢測能夠為飛行（háng）員提供進（jìn）入發動機的燃油累計消耗量和（hé）瞬時消耗量的準確信息（xī）；監控（kòng）飛機發動機工作狀（zhuàng）態（加力、巡（xún）航（háng）、小推力）；對發動機供油情況（輸油（yóu）管路、供油泵、閥等）故障檢測；為發動機控製（電調）係統提供控製參數，輔助發動機控製（zhì）；同時降（jiàng）低油耗（hào），提升（shēng）環保，提高經濟性。以我國目前開展的發動機研究工（gōng）作為例，發動機的*關鍵參數之一就是淨推力，而淨推力的方程如式（1）。
式中：GF 為進入發動機的燃油流量。
由（yóu）此可見，燃油流（liú）量檢（jiǎn）測參數是（shì）飛（fēi）機發動機控（kòng）製的關鍵參數之一。燃油流量檢（jiǎn）測的精（jīng）度與可（kě）靠性，直接（jiē）關係到飛機發動機控製係統的控製精度與可靠性，進而關係到整個飛機的飛行安全。隨著燃油流量仿真、材料科學和工藝技術的不斷發展，飛機需求不斷提高，研（yán）製新一代高精度、高可靠性的機載燃油質量流量流量計，對於（yú）提高整個飛機的（de）技戰術（shù）指標，滿足飛機（發動（dòng）機）的需求，有（yǒu）著十分重要的意義。
機載燃油流量測量的發展經曆了體積流量測量、間接式質量流量測（cè）量和直接式流量測量三個階段。*一階段體積（jī）流量測量。體積流量測量因測（cè）量精度低（一般在2% 左（zuǒ）右），逐漸趨於淘汰。*二階段間接式質量流量測（cè）量。間接式質量流（liú）量（liàng）測量有推導式、溫度 - 壓力補償式等。例如俄羅斯的 д30 發動機采用了推導式測量方法，即容積（jī）流量 - 密度計組合式流量測量獲得質量流量，該測量方式設備體積大、重量重、精度低、可靠性較低。*三階段直接式流量測量。歐美等先進**早（zǎo）在 20 世 紀 70、80 年代就成（chéng）功研製出直接式智能型電磁（cí）流量計，主要是動量矩式。動量矩式流量計是根據（jù）牛頓*二定律的原（yuán）理製作的。從力學角度來說，質量是物體慣性（xìng）的量度。物體受外力作用，運動狀（zhuàng）態發生變化（huà），其變化量的大（dà）小與（yǔ）質量有關。測量運動狀態對（duì）時間的變化率，即可測得質量流量。動量矩式流量計利用流體動量（liàng）矩的變化（huà）反映質量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個主動輪和一個從動輪，分別裝在兩短軸上。動量矩式流量計有兩（liǎng）種形式，一種是采用（yòng）電動機以恒定角速度 ω 驅動主動輪，需要外能源。例（lì）如（rú）斯貝發動機安裝（zhuāng）的智能型電磁流（liú）量計。另一種是（shì）采（cǎi）用簧片控製（zhì）燃油通量，從而控製主動輪與從動輪的轉速，此（cǐ）種質量流量控製方法采用流體（tǐ）自（zì）身能量控製主動輪與從動輪恒速。其主要原理是測量部件由兩個用渦圈彈簧連（lián）接的渦輪（主動輪與從動輪）構成，渦輪受流體本身的流（liú）動能量衝擊而旋轉（zhuǎn），兩渦輪葉片旋轉傾角（jiǎo）不同而造成（chéng）的力（lì）矩差由（yóu）連接的渦圈彈（dàn）簧平衡，使（shǐ）兩渦輪間形成扭角。扭角的大（dà）小反映質量流量的大小（xiǎo）。測（cè）量扭角造成的信號時間差，即可測（cè）得（dé）質量流量。直接式（shì）質量流量（liàng）流量計精度高（一（yī）般在（zài） 0.5% 左右，且不受溫度和燃油品質變化的影響）、體（tǐ）積小、重量輕、可靠（kào）性高，因此廣泛（fàn）地應用於波音、空客以及新一代戰鬥（dòu）機上。
我國機（jī）載燃油流量測量主（zhǔ）要（yào）是體積式流（liú）量測量，所采（cǎi）用的間接式質量（liàng）流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發動機的容積流量 - 密（mì）度計（jì）組（zǔ）合式智能型電（diàn）磁流量計。至今，直接式流量測量剛開始起步（資料收集、方案論證階段），且（qiě）未應用在任何（hé）國產飛（fēi）機（發動機）上。
1 智能型電磁流量計結構及測量工作原理
智能（néng）型電磁流量計主要由機械組合件、殼體組合件、出口殼（ké）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（zhōng）心軸安裝，把流經智能型電磁流量（liàng）計的燃油質量流量轉換成在其上（shàng）旋轉的兩個磁（cí）鐵間的角度偏移量 φ。磁鐵轉過智能型電磁流量計殼體（tǐ）組合件上的兩感應線圈時，感應線圈產生並輸出脈衝信號。兩個脈衝之間存在一個時間差 △t，差值與兩個磁鐵間角度偏移（yí）量和質量流率成正比例關係。
1.1 工作原理
燃油從殼體組合件的入口端流入，流過殼（ké）體組合（hé）件上的整流體（tǐ）時，整流體對燃油進行整流，使流量相對平穩而不紊亂。隨後，燃（rán）油再流過（guò）機械組合件。在機械組合件的出口端，旋形帽的螺旋槽將流過的燃油改變流動方（fāng）向，方向（xiàng）與渦輪的葉（yè）片形成一定的夾角 θ。當燃油流過渦輪時（shí），使渦輪獲得一個角動量開始旋轉，從而（ér）使（shǐ）機械組合件活動部件隨著旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速（sù）和燃油質量（liàng）流（liú）率的關係，可先將渦輪展開，渦輪帶箭頭（tóu）的（de）斜線表示燃油流向。如果渦（wō）輪固定（dìng）不動，流體流過葉片時將受到（dào）阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一個（gè）切向速度 V。
式中： v為流入流量計的燃油流速平均（jun1）值；θ為（wéi）渦輪葉片（piàn）與燃油之間（jiān）的夾角（jiǎo）。
假設渦輪負載為零，這時的切向速度（dù）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 點流到b 點，渦輪正（zhèng）好轉過一個葉片。因此，燃油（yóu）經過渦輪時（shí）部被（bèi）扭曲，滿油能量（liàng）損失，渦輪的理論旋轉角速度（dù）公式：
式中：r 為渦輪（lún）葉片的平均半徑。
從以上（shàng）可（kě）以看出，渦輪將燃油流速轉換為渦輪的轉（zhuǎn）速（sù），當流入智能型電磁流量計的燃油流率（lǜ）一定，則（zé）渦輪（lún）的轉（zhuǎn）速n 恒定不變。
1.3 轉速的（de）控製
支柱（zhù）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（liú）率時，厚簧片和薄簧片處於閉合狀態，所以多數流量（liàng）由旋（xuán）形帽的螺旋槽導流。流率小時，流率增加（jiā）會使渦輪轉速快速增加。大流率（lǜ）時，厚簧片（piàn）和薄簧片張開，不接觸（chù）旋形帽表麵，部分流量不受螺旋形槽的影響。
1.4 質量流量與葉（yè）輪偏轉角的（de）換算
假（jiǎ）設渦輪固定不動（dòng），燃油流過渦輪的葉片時將受到阻（zǔ）力，則當燃（rán）油離開渦輪的葉片時，將產生一個切向動量 mv，這個動量即為（wéi）渦輪獲得衝量 。
式中（zhōng）：I 為渦（wō）圈彈簧材料截麵慣性矩；φ 為渦圈（quān）彈簧變形角；T ＇為作用在渦（wō）圈彈簧上的（de）力矩；l 為渦圈彈簧工作圈展開（kāi）長度；E 為（wéi）渦圈彈簧材料彈性模（mó）量。
2 信號采集
燃（rán）油入口端，軸組合件的軸肩上安裝（zhuāng）了（le）一個起始磁鐵。渦輪旋（xuán）轉帶動軸組合件一起旋轉，當起（qǐ）始磁鐵每次經過起始線圈組合件時，起始線圈組合件將產生一個起始脈衝信號（hào）。燃（rán）油出口（kǒu）端，葉（yè）輪組合（hé）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葉輪組合件旋轉，當終（zhōng）止磁鐵經過終止線圈組合件時，終止線（xiàn）圈組合件將產生一個終（zhōng）止脈（mò）衝信號。根據渦圈（quān）彈簧的工作原理，在力矩 T ＇的作用下，渦圈彈簧（huáng）的角偏移量 φ 即（jí）為起始磁鐵與終止磁鐵之間的角（jiǎo）偏移量。當渦輪以角速度ω旋轉（zhuǎn）時，起始脈（mò）衝信號與終止脈衝信號之間的時（shí）間差（chà）△ t：
從式（15）中可以（yǐ）得出，當渦圈（quān）彈簧材料和形狀確定和渦輪外（wài）形尺寸確定的情況下，時間差△ t 與通過的燃（rán）油質量 m 成正比例關係，則測量起始脈衝信號與終止脈衝信號的時間差△ t，即可得出通過流量計的燃油質量 m。
3 信號檢測
將智（zhì）能型電磁流量（liàng）計流量與相關測試設備連接起來，就可以進行智能型電（diàn）磁（cí）流量計的校（xiào）準，時間差△ t 由專用試驗測試設備可以測出。起始脈衝信號和終止脈衝信號如圖 1 所示。經過專（zhuān）用試驗（yàn）測試設備（bèi）信號轉化後的信號方波如圖 2 所示。
4 結束語
文章介紹了智能型電磁（cí）流量（liàng）計的（de）測量原理及（jí）組（zǔ）成，分析了智能型電磁流量計的（de）工（gōng）作過（guò）程，重點討論了工作原理（lǐ）和信號采集原理（lǐ）。智（zhì）能（néng）型（xíng）電磁流量（liàng）計抗外界幹擾能力強（qiáng），測量精度高、易（yì）實現（xiàn）實時測量，可滿足航空飛行複雜環境的需求（qiú）。
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