關(guān)于插入式電磁流量計的結構測量原理與信號檢測
點(diǎn)擊次數：2029 發(fā)布時(shí)間：2021-01-01 12:15:04
摘要：航空燃油質(zhì)量流量是飛機燃油油量控制系統中的重要參數之一，航空燃油質(zhì)量流量的精準、穩定測量，對飛機的燃油油量的判斷有著(zhù)重要的意義。目前航空燃油質(zhì)量流量測量多采用間接式插入式電磁流量計，間接式插入式電磁流量計易受環(huán)境變化影響，存在精度低、穩定性差、測量參數多等缺點(diǎn)?；诖?，設計和開(kāi)發(fā)一種新型的具有高精度、高抗干擾、性能穩定并適用于航空領(lǐng)域的插入式電磁流量計有著(zhù)重要的意義。
燃油流量檢測是飛機發(fā)動(dòng)機的重要需求之一。燃油流量檢測能夠為飛行員提供進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的燃油累計消耗量和瞬時(shí)消耗量的準確信息；監控飛機發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)（加力、巡航、小推力）；對發(fā)動(dòng)機供油情況（輸油管路、供油泵、閥等）故障檢測；為發(fā)動(dòng)機控制（電調）系統提供控制參數，輔助發(fā)動(dòng)機控制；同時(shí)降低油耗，提升環(huán)保，提高經(jīng)濟性。以我國目前開(kāi)展的發(fā)動(dòng)機研究工作為例，發(fā)動(dòng)機的最關(guān)鍵參數之一就是凈推力，而凈推力的方程如式（1）。
式中：GF 為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的燃油流量。
由此可見(jiàn)，燃油流量檢測參數是飛機發(fā)動(dòng)機控制的關(guān)鍵參數之一。燃油流量檢測的精度與可靠性，直接關(guān)系到飛機發(fā)動(dòng)機控制系統的控制精度與可靠性，進(jìn)而關(guān)系到整個(gè)飛機的飛行安全。隨著(zhù)燃油流量仿真、材料科學(xué)和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機需求不斷提高，研制新一代高精度、高可靠性的機載燃油質(zhì)量流量流量計，對于提高整個(gè)飛機的技戰術(shù)指標，滿(mǎn)足飛機（發(fā)動(dòng)機）的需求，有著(zhù)十分重要的意義。
機載燃油流量測量的發(fā)展經(jīng)歷了體積流量測量、間接式質(zhì)量流量測量和直接式流量測量三個(gè)階段。第一階段體積流量測量。體積流量測量因測量精度低（一般在2% 左右），逐漸趨于淘汰。第二階段間接式質(zhì)量流量測量。間接式質(zhì)量流量測量有推導式、溫度 - 壓力補償式等。例如俄羅斯的 д30 發(fā)動(dòng)機采用了推導式測量方法，即容積流量 - 密度計組合式流量測量獲得質(zhì)量流量，該測量方式設備體積大、重量重、精度低、可靠性較低。第三階段直接式流量測量。歐美等先進(jìn)國家早在 20 世 紀 70、80 年代就成功研制出直接式插入式電磁流量計，主要是動(dòng)量矩式。動(dòng)量矩式流量計是根據牛頓第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)。測量運動(dòng)狀態(tài)對時(shí)間的變化率，即可測得質(zhì)量流量。動(dòng)量矩式流量計利用流體動(dòng)量矩的變化反映質(zhì)量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪，分別裝在兩短軸上。動(dòng)量矩式流量計有兩種形式，一種是采用電動(dòng)機以恒定角速度 ω 驅動(dòng)主動(dòng)輪，需要外能源。例如斯貝發(fā)動(dòng)機安裝的插入式電磁流量計。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）構成，渦輪受流體本身的流動(dòng)能量沖擊而旋轉，兩渦輪葉片旋轉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。測量扭角造成的信號時(shí)間差，即可測得質(zhì)量流量。直接式質(zhì)量流量流量計精度高（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，因此廣泛地應用于波音、空客以及新一代戰斗機上。
我國機載燃油流量測量主要是體積式流量測量，所采用的間接式質(zhì)量流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發(fā)動(dòng)機的容積流量 - 密度計組合式插入式電磁流量計。至今，直接式流量測量剛開(kāi)始起步（資料收集、方案論證階段），且未應用在任何國產(chǎn)飛機（發(fā)動(dòng)機）上。
1 插入式電磁流量計結構及測量工作原理
插入式電磁流量計主要由機械組合件、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)插入式電磁流量計的燃油質(zhì)量流量轉換成在其上旋轉的兩個(gè)磁鐵間的角度偏移量 φ。磁鐵轉過(guò)插入式電磁流量計殼體組合件上的兩感應線(xiàn)圈時(shí)，感應線(xiàn)圈產(chǎn)生并輸出脈沖信號。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)，整流體對燃油進(jìn)行整流，使流量相對平穩而不紊亂。隨后，燃油再流過(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(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，從而使機械組合件活動(dòng)部件隨著(zhù)旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速和燃油質(zhì)量流率的關(guān)系，可先將渦輪展開(kāi)，渦輪帶箭頭的斜線(xiàn)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為流入流量計的燃油流速平均值；θ為渦輪葉片與燃油之間的夾角。
假設渦輪負載為零，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)，渦輪正好轉過(guò)一個(gè)葉片。因此，燃油經(jīng)過(guò)渦輪時(shí)部被扭曲，滿(mǎn)油能量損失，渦輪的理論旋轉角速度公式：
式中：r 為渦輪葉片的平均半徑。
從以上可以看出，渦輪將燃油流速轉換為渦輪的轉速，當流入插入式電磁流量計的燃油流率一定，則渦輪的轉速n 恒定不變。
1.3 轉速的控制
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)，所以多數流量由旋形帽的螺旋槽導流。流率小時(shí)，流率增加會(huì )使渦輪轉速快速增加。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)量流量與葉輪偏轉角的換算
假設渦輪固定不動(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(cháng)度；E 為渦圈彈簧材料彈性模量。
2 信號采集
燃油入口端，軸組合件的軸肩上安裝了一個(gè)起始磁鐵。渦輪旋轉帶動(dòng)軸組合件一起旋轉，當起始磁鐵每次經(jīng)過(guò)起始線(xiàn)圈組合件時(shí)，起始線(xiàn)圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)起始脈沖信號。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，當終止磁鐵經(jīng)過(guò)終止線(xiàn)圈組合件時(shí)，終止線(xiàn)圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)終止脈沖信號。根據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。當渦輪以角速度ω旋轉時(shí)，起始脈沖信號與終止脈沖信號之間的時(shí)間差△ t：
從式（15）中可以得出，當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，則測量起始脈沖信號與終止脈沖信號的時(shí)間差△ t，即可得出通過(guò)流量計的燃油質(zhì)量 m。
3 信號檢測
將插入式電磁流量計流量與相關(guān)測試設備連接起來(lái)，就可以進(jìn)行插入式電磁流量計的校準，時(shí)間差△ t 由專(zhuān)用試驗測試設備可以測出。起始脈沖信號和終止脈沖信號如圖 1 所示。經(jīng)過(guò)專(zhuān)用試驗測試設備信號轉化后的信號方波如圖 2 所示。
4 結束語(yǔ)
文章介紹了插入式電磁流量計的測量原理及組成，分析了插入式電磁流量計的工作過(guò)程，重點(diǎn)討論了工作原理和信號采集原理。插入式電磁流量計抗外界干擾能力強，測量精度高、易實(shí)現實(shí)時(shí)測量，可滿(mǎn)足航空飛行復雜環(huán)境的需求。
燃油流量檢測是飛機發(fā)動(dòng)機的重要需求之一。燃油流量檢測能夠為飛行員提供進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的燃油累計消耗量和瞬時(shí)消耗量的準確信息；監控飛機發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)（加力、巡航、小推力）；對發(fā)動(dòng)機供油情況（輸油管路、供油泵、閥等）故障檢測；為發(fā)動(dòng)機控制（電調）系統提供控制參數，輔助發(fā)動(dòng)機控制；同時(shí)降低油耗，提升環(huán)保，提高經(jīng)濟性。以我國目前開(kāi)展的發(fā)動(dòng)機研究工作為例，發(fā)動(dòng)機的最關(guān)鍵參數之一就是凈推力，而凈推力的方程如式（1）。
式中：GF 為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的燃油流量。
由此可見(jiàn)，燃油流量檢測參數是飛機發(fā)動(dòng)機控制的關(guān)鍵參數之一。燃油流量檢測的精度與可靠性，直接關(guān)系到飛機發(fā)動(dòng)機控制系統的控制精度與可靠性，進(jìn)而關(guān)系到整個(gè)飛機的飛行安全。隨著(zhù)燃油流量仿真、材料科學(xué)和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機需求不斷提高，研制新一代高精度、高可靠性的機載燃油質(zhì)量流量流量計，對于提高整個(gè)飛機的技戰術(shù)指標，滿(mǎn)足飛機（發(fā)動(dòng)機）的需求，有著(zhù)十分重要的意義。
機載燃油流量測量的發(fā)展經(jīng)歷了體積流量測量、間接式質(zhì)量流量測量和直接式流量測量三個(gè)階段。第一階段體積流量測量。體積流量測量因測量精度低（一般在2% 左右），逐漸趨于淘汰。第二階段間接式質(zhì)量流量測量。間接式質(zhì)量流量測量有推導式、溫度 - 壓力補償式等。例如俄羅斯的 д30 發(fā)動(dòng)機采用了推導式測量方法，即容積流量 - 密度計組合式流量測量獲得質(zhì)量流量，該測量方式設備體積大、重量重、精度低、可靠性較低。第三階段直接式流量測量。歐美等先進(jìn)國家早在 20 世 紀 70、80 年代就成功研制出直接式插入式電磁流量計，主要是動(dòng)量矩式。動(dòng)量矩式流量計是根據牛頓第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)。測量運動(dòng)狀態(tài)對時(shí)間的變化率，即可測得質(zhì)量流量。動(dòng)量矩式流量計利用流體動(dòng)量矩的變化反映質(zhì)量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪，分別裝在兩短軸上。動(dòng)量矩式流量計有兩種形式，一種是采用電動(dòng)機以恒定角速度 ω 驅動(dòng)主動(dòng)輪，需要外能源。例如斯貝發(fā)動(dòng)機安裝的插入式電磁流量計。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）構成，渦輪受流體本身的流動(dòng)能量沖擊而旋轉，兩渦輪葉片旋轉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。測量扭角造成的信號時(shí)間差，即可測得質(zhì)量流量。直接式質(zhì)量流量流量計精度高（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，因此廣泛地應用于波音、空客以及新一代戰斗機上。
我國機載燃油流量測量主要是體積式流量測量，所采用的間接式質(zhì)量流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發(fā)動(dòng)機的容積流量 - 密度計組合式插入式電磁流量計。至今，直接式流量測量剛開(kāi)始起步（資料收集、方案論證階段），且未應用在任何國產(chǎn)飛機（發(fā)動(dòng)機）上。
1 插入式電磁流量計結構及測量工作原理
插入式電磁流量計主要由機械組合件、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)插入式電磁流量計的燃油質(zhì)量流量轉換成在其上旋轉的兩個(gè)磁鐵間的角度偏移量 φ。磁鐵轉過(guò)插入式電磁流量計殼體組合件上的兩感應線(xiàn)圈時(shí)，感應線(xiàn)圈產(chǎn)生并輸出脈沖信號。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)，整流體對燃油進(jìn)行整流，使流量相對平穩而不紊亂。隨后，燃油再流過(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(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，從而使機械組合件活動(dòng)部件隨著(zhù)旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速和燃油質(zhì)量流率的關(guān)系，可先將渦輪展開(kāi)，渦輪帶箭頭的斜線(xiàn)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為流入流量計的燃油流速平均值；θ為渦輪葉片與燃油之間的夾角。
假設渦輪負載為零，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)，渦輪正好轉過(guò)一個(gè)葉片。因此，燃油經(jīng)過(guò)渦輪時(shí)部被扭曲，滿(mǎn)油能量損失，渦輪的理論旋轉角速度公式：
式中：r 為渦輪葉片的平均半徑。
從以上可以看出，渦輪將燃油流速轉換為渦輪的轉速，當流入插入式電磁流量計的燃油流率一定，則渦輪的轉速n 恒定不變。
1.3 轉速的控制
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)，所以多數流量由旋形帽的螺旋槽導流。流率小時(shí)，流率增加會(huì )使渦輪轉速快速增加。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)量流量與葉輪偏轉角的換算
假設渦輪固定不動(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(cháng)度；E 為渦圈彈簧材料彈性模量。
2 信號采集
燃油入口端，軸組合件的軸肩上安裝了一個(gè)起始磁鐵。渦輪旋轉帶動(dòng)軸組合件一起旋轉，當起始磁鐵每次經(jīng)過(guò)起始線(xiàn)圈組合件時(shí)，起始線(xiàn)圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)起始脈沖信號。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，當終止磁鐵經(jīng)過(guò)終止線(xiàn)圈組合件時(shí)，終止線(xiàn)圈組合件將產(chǎn)生一個(gè)終止脈沖信號。根據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。當渦輪以角速度ω旋轉時(shí)，起始脈沖信號與終止脈沖信號之間的時(shí)間差△ t：
從式（15）中可以得出，當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，則測量起始脈沖信號與終止脈沖信號的時(shí)間差△ t，即可得出通過(guò)流量計的燃油質(zhì)量 m。
3 信號檢測
將插入式電磁流量計流量與相關(guān)測試設備連接起來(lái)，就可以進(jìn)行插入式電磁流量計的校準，時(shí)間差△ t 由專(zhuān)用試驗測試設備可以測出。起始脈沖信號和終止脈沖信號如圖 1 所示。經(jīng)過(guò)專(zhuān)用試驗測試設備信號轉化后的信號方波如圖 2 所示。
4 結束語(yǔ)
文章介紹了插入式電磁流量計的測量原理及組成，分析了插入式電磁流量計的工作過(guò)程，重點(diǎn)討論了工作原理和信號采集原理。插入式電磁流量計抗外界干擾能力強，測量精度高、易實(shí)現實(shí)時(shí)測量，可滿(mǎn)足航空飛行復雜環(huán)境的需求。