大型灭火飞机水箱水量实时测量方法研究

大型灭火飞机水箱水量实时测量方法研究

胡玫瑰，石磊，谢辉

中航通飞华南飞机工业有限公司，广东省珠海市519040

摘要：大型灭火飞机为了承载水量，通常将船体结构设计为水箱，使其能够在火灾区域附近水域通过高速滑行汲水，或者通过地面注水/预混夜的方式将水箱载入相应的水量，为飞行员高效执行灭火任务提供必要条件，但目前国内缺乏水箱水量的测量方法，本文提出了一种可实时测量灭火飞机水箱水量/预混液的测量方法。该测量方法是将水位高度转换为敏感测量单元所呈现的电容，通过对该电容进行测量解算出水位。本文采用基于软件算法的锁相放大技术对采集得到的反馈信号进行处理，从而解算出水量传感器敏感测量单元所呈现的电容，从而根据“电容－水位高度”标定数据表，获得水箱液位，灭火任务计算机再将水箱液位转换为水的重量，再实时发送给显示器，供驾驶员使用。

该方法已在某大型灭火飞机上成功运用，验证了该测试方法的正确性和有效性，其灵活性高，可扩展性强。

关键词：水量测量；电容；锁相放大技术

中图分类号：XXXX文献标识码：A

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1引言

为了提高森林灭火的效率，自20世纪中后期开始，世界各国着手开展森林消防作业飞机的研制和改装，从旋翼飞机到固定翼飞机，取水投水方式也从地面加注、水弹投放发展到了滑行汲水。大型灭火飞机在森林消防体系中发挥越来越重要的作用，目前关于飞机燃油测量、发动机滑油箱油量测量的方法研究较多[1]~[5],但如何实时的测量飞机水箱的水量，国内外尚无相关研究。本文提供了一种可实时测量飞机水箱水量的有效方法，即在飞机水箱安装若干个水量传感器，水量传感器通过水密电缆与灭火任务计算机和应急控制盒交联，水量传感器实时探测水箱水量，并将液位高度发送至灭火任务计算机和应急控制盒，计算机和控制盒再将水箱液位转换为水的重量，再实时发送给驾驶员。

1水量传感器的组成

水量传感器的组成包括：水量传感器（含电缆、插头和尾附）、穿墙转接座、匹配端插头和尾附。水量传感器的组成部件主要包括：同轴圆柱电容器、供电及信号处理电路、电路盒、法兰盘、电缆和连接器。

水量传感器通过电源连接线和ARINC-429总线，与灭火任务计算机和应急控制盒交联，交联关系如图1所示，由应急控制盒为其供电，其测量信息通过1路429总线同时发送给灭火任务计算机和应急控制盒。

图1  水量传感器外部交联关系

图2  水量传感器外观图

采用同轴圆柱形电容器作为测量敏感部件，产品外观整体呈圆柱形，通过两个吊卡进行机械安装固定，采用标准电连接器同电缆连接，如图2所示。

2  水位测量的物理原理

水量传感器采用电容器将传感器在水中的浸没高度转换为电容，并且传感器浸没高度和电容量具有唯一对应关系。

由物理学原理可知，电容器的电容量是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置及极板间电介质介电常数的函数。以平行板电容器为例，如果不考虑边缘效应，其电容量为：

式中：

Q——极板上的电荷量；U——两极板间的电势差；——电容传感器介质的介电常数（F/m）；S——极板的面积（m2）；d——极板间的距离（m）。

如果保持、S和d中两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可以把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过测量电路，将电容量的变化转化为电信号输出，这就是电容式传感器的基本物理原理。

由于本产品需要将水面高度转换为电容，因此选用同轴圆柱形的电容器。该电容器由一组同轴安装在一起的圆柱形金属管组成，它们相对于飞机水平飞行状态垂直于水面安装在水箱内，内外管就是电容器的正负极板，二者需要保持一定的间隙，如图3所示。电容器的一部分浸入水中，浸入高度随着水量的多少而变化。电容器浸入部分和伸出水面部分极板间的介质不同，前者是水，后者是空气或水蒸气（近似于空气）。

图3  水量传感器原理示意图

设电容器内外极管的半径分别为r和R，若极管总长度H远大于外极管半径R时，电容器可视为无限长同轴圆柱形结构，可不考虑边缘效应。若内外极管间为真空，设内极管表面单位长度上的电荷为，则由高斯定理，可知内外极管之间介质中的电场强度为：

式中：——真空的介电常数；——长度向量，。

同时，对长度为H的电容器，内极管表面的电荷量为。而电容器内极管间的电压U为：

式中：R——电容器外管的外径；r——电容器内管的内径。

则电容器中的介质为真空时的电容量可表示为：

当电容器完全浸没于水中时，电极间的介质为水。当水量减少时，两极板间的介质包括水和空气两部分，水和空气两部分介质对应的电容表达式分别为：

式中：

——水的介电常数；

——空气的介电常数；

——水在电容器中的高度。

电容器的电容等于这两部分电容之和（等效为两个电容并联连接），即

式中：

——水箱中无水时电容器的电容值（即干电容），接近于传感器在真空环境下的电容；

——水箱有水时所增加的电容值。

的数值仅取决于传感器本身的尺寸，而∆C的大小与水面高度h 有关。由于，所以恒为正值，因此，对内外极管沿轴向的间隙一致的传感器，

的大小随着水面高度h的变化呈线性变化，这样就把对水面高度的测量转换成对电容的测量。

定义电容式水量器的灵敏度K如式（9）所示。

由式（9）可以看出，电容式水量传感器的灵敏度为常数，其取决于工作介质的介电常数和电容器内外极管的管径。对于给定的工作介质，只能通过选取恰当的r、R来获得更大的灵敏度，即应在不影响水面在传感器内自由升降的前提下，使得r和R尽可能地接近。

3  水量传感器的工作原理

3.1系统工作原理

水量传感器可分为敏感测量单元（同轴圆柱电容器）、激励单元、信号采样单元、处理单元、电源单元和通信接口单元，工作原理如图4所示。产品的工作原理可以概括如下：

1) 处理单元向激励单元提供固定频率的本振信号（方波）；

2) 激励单元产生与本振信号同频的正弦交流信号，并将该信号作为敏感测量单元（同轴圆柱电容器）的激励；

3) 敏感测量单元利用电容器的工作原理，将水面高度转换为电容器电容；

4) 信号采样单元对敏感测量单元的反馈信号进行采样；

5) 处理单元利用锁相放大法将该反馈信号转换为相位信号，并解算出对应的电容值。处理单元检索预先通过实验获得的“电容－水位高度”标定数据表，获得水位高度值；

6) 通信接口单元向计算机/控制盒发送处理单元解算得到的水面高度值。

图4  水量传感器的工作原理框图

3.2  工作过程

大型灭火飞机有若干个水箱，每个水箱配备2个（或若干个）水量传感器，对水箱水量进行测量，其工作过程信号流图如图5所示（以单个水箱内的传感器为例）。水量传感器通过水密电缆与计算机和控制盒交联，水密电缆通过支架和卡箍安装固定在水箱的箱壁上。水量传感器通过429向计算机/控制盒发送测量信息和产品状态信息，通过RS-422与调试设备之间交互调试信息。

图5  水量传感器工作信号流图

4  功能的实现设计

水量传感器为长圆柱形传感器，具有内外同轴的两个部分，内外部分别是直径不同的不锈钢内外管，不锈钢内管作为电容器的一个内电极，不锈钢外管作为电容器的一个外电极，不锈钢内外管之间用绝缘材料分隔开，外部的不锈钢管下部设有进水孔。随着被测液体的液位高度的变化，液体会从进水孔进入水量传感器内外电极之间，从而导致电容式传感器中的电容量发生改变。水位测量的原理就是将水位高度转换为敏感测量单元所呈现的电容，通过测量电容进而实现水位测量。水量传感器实时探测水箱水/液位，并将液位高度发送至灭火任务计算机和应急控制盒，计算机和控制盒再将水箱液位转换为水的重量，再实时发送给驾驶员。

水量传感器为两个，单个水量传感器的长度接近水箱高度的1/2，水量传感器以水箱内部靠近外侧垂直安装的形式固定在水箱中，两个水量传感器分别安装在水箱底部和顶部。通过此方法不但可覆盖测量水箱的全部液位高度，而且解决了采用单个长的水量传感器安装时非常困难的问题。

5  系统硬件和软件设计

水量传感器硬件包括2个PCB和1个敏感测量单元（即同轴圆柱电容器），2个PCB分别为：信号采集PCB、信号处理PCB。信号采集PCB是信号处理PCB与敏感测量单元之间的纽带，即信号采集PCB是信号处理PCB向敏感测量单元施加激励信号和采集反馈信号的媒介。

信号处理PCB包含以下4个功能模块，分别为：电源转换模块、测量模块、通信模块、保护与隔离模块。

水量传感器的信息实时发送至计算机/控制盒，它们实时对水量信息进行处理。

6  结束语

本文根据大型灭火飞机水箱特点，介绍了一种可实时测量飞机水箱内水量的方法。该测量方法可实时监测水箱水量信息（水位），并向灭火任务计算机和应急控制盒传输信息，可以满足飞机各种要求及水箱环境；采用上下两个水量传感器，不仅能够对水箱所有液位进行测量，而且解决了水量传感器过大不易安装及拆卸的问题。水量传感器采用电容传感器，通过内外管电极安装同轴性，不仅可以减小飞机飞行在不同高度下受气压的影响，而且可以提高测量的精确度；垂直安装于水箱同时鉴于汲水速度快，可以保证飞机飞行姿态变化对水量数据的稳定性影响较小；飞机水箱内部水量传感器的连接器及电缆的密封、水密处理、腐蚀防护处理，能够满足在水箱恶劣的环境下信息的传输要求。该测量方法适用于不同大小的各类型水箱，灵活性高，可扩展性强。

参考文献

[1] 王向杨，庄达民，刘建民. 飞机燃油测量方法研究.飞机设计，2004（1）：47-51.

[2] 单宝峰，莫凡臣，李景春，田志平.航空发动机滑油箱油量的实时测量方法研究.航空精密制造技术, 2014(8),第50卷第4期.

[3] 杨俊杰，谷雨，某型机燃油测量系统测试方法的研究.《测控技术)2015年第34卷增刊,106~109.

[4] 王新民,顾晓婕,李俨. 飞机燃油测量系统的现状分析与发展方向.中国航空学会2007年学术年会,控制与应用第十三届学术年会6-11.

[5] GJB 5099-2002《飞机数字式油量测量系统通用规范》.

作者简介：

胡玫瑰

(1983—)，性别：女，学位：硕士，职称：工程师，研究方向：航空电子系统。

Tel: 0756-3976723

E-mail：hmgwxs@126.com

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