Вопрос № 1. Назначение, классификация и принцип действия приборов для измерения расхода и количества топлива

Содержание группового занятия

 

Точное определение количества и расхода топлива, которое потребляют двигатели ЛА, относится к важнейшим задачам, решаемым во время полёта. Их знание позволяет рассчитать дальность и продолжительность полёта, а также обеспечить правильность центровки ЛА по мере выработки топлива.

Приборы, предназначенные для определения объёмного или массового количества топлива на ЛА, называются топливомерами. Их применяют для измерения массы топлива в отдельных баках, в группах баков и суммарного количества топлива на борту ЛА. Совместно с топливомерами устанавливают автоматы управления последовательностью выработки и заправки баков топливом. Они также обеспечивают автоматическое управление перекачкой топлива для поддержания центровки ЛА в требуемых пределах. Такие объединённые системы называют топливоизмерительными системами (ТИС).

Приборы, используемые для определения мгновенного (за единицу времени) или суммарного (за время между запуском и остановом двигателя) расхода топлива, называются расходомерами. Мгновенный расход топлива является одним из основных параметров, определяющих тягу двигателя. Суммарный расход топлива позволяет определять его запас во всей топливной системе ЛА во время полёта.

Топливомеры. В авиации наибольшее применение получили топливомеры, основанные на методе измерения уровня топлива в баках. В зависимости от вида чувствительного элемента различают поплавковые или ёмкостные топливомеры. Принцип действия поплавкового топливомера основан на определении уровня топлива с помощью поплавка, плавающего на его поверхности. Ёмкостный топливомер измеряет уровень топлива с помощью установленного в баке конденсатора, значение ёмкости которого зависит от уровня топлива и диэлектрических постоянных топлива и газовой среды в свободной от топлива части бака.

 

Рис.1 Схема попловкового топливомера

Поплавковые топливомеры. В качестве примера поплавкового топливомера рассмотрим электромеханический бензомер типа СБЭС (суммирующий бензиномер электрический с сигнализацией остатка топлива). В комплект прибора входят: датчики, размещённые в баках, указатель, переключатель, система сигнализации и линия связи.

Датчик (рис. а) преобразует перемещение поплавка 3 в зависимости от уровня топлива с помощью передаточного механизма в перемещение щётки потенциометра 9. Сильфон 4 обеспечивает герметизацию внутреннего пространства бака и подвижность передаточного механизма. Потенциометр датчика (рис. б) включён в измерительную схему, подобную схему, подобную схеме манометра типа ЭДМУ. В бензиномере типа СБЭС применён логометрический указатель с подвижными рамками и неподвижным магнитом. Бензиномер имеет один указатель на две группы баков. С помощью переключателя его можно подключить к левой или правой группе баков, а также ко всем бакам, замеряя суммарное количество топлива.

При критическом остатке топлива замыкается контакт 11 и в цепи сигнализации включается лампа. Для создания указателя с равномерной шкалой каркас потенциометра профилируют с учётом функциональной зависимости объёма топлива в баке от его уровня.

Методические ошибки поплавковых топливомеров определяются ускорениями, действующими на поплавок при эволюциях ЛА, стояночными углами ЛА и прогибом крыльев, в которых находятся баки с топливом, под действием аэродинамических сил. Основная инструментальная погрешность топливомеров является следствием изменения параметров электрической схемы от температуры окружающей среды. Суммарная приведённая погрешность поплавковых топливомеров достигает ± 5% в рабочем диапазоне шкалы. При эксплуатации поплавковых топливомеров возможны следующие дефекты: нарушение герметичности датчика, нарушение контакта между щёткой и потенциометром, отказ системы сигнализации из-за разрегулировки или загрязнения контактов, деформация рычагов и потеря плавучести поплавка из-за его разгерметизации. Вследствие этого на ЛА широко применяются ёмкостные топливомеры, которым не свойственны перечисленные дефекты.

Ёмкостные топливомеры. На современных летательных аппаратах эти топливомеры нашли наибольшее применение.

Датчиком топливомера типа СПУТ (система программного управления и измерения топлива) является размещённый в баке цилиндрический конденсатор, обкладками которого служит набор коаксиально расположенных труб. Вследствие разных диэлектрических постоянных топлива и газовой среды в свободной от топлива части бака ёмкость конденсатора

С_х = К₁ + К₂h,

где К₁, К₂ – постоянные коэффициенты, зависящие от параметров конструкции датчика и диэлектрических постоянных топлива и газовой среды;

h – высоты уровня топлива в баке.

Но из-за изменения площади поперечного сечения бака S в зависимости от h прямой пропорциональности между массой топлива m и уровнем h не существует. Чтобы получить необходимую зависимость С_х = f(m) и, как следствие, равномерную шкалу указателя, проградуированную в массовых единицах, профилируют обкладки датчиков в соответствии с изменением S.

 

Рис.2 Схема емкостного топливомера

 

Принцип действия измерительной части топливомера основан на измерении ёмкости с помощью схемы самобалансирующего моста 1. Он состоит из датчиков С_х и С1, постоянной ёмкости С2, резисторов R1 и R2, необходимых для регулировки при нулевом количестве топлива, и резисторов R3, R4, R5 и R6. Конденсатор С1 предназначен для исключения протекания постоянного тока через датчик в случае короткого замыкания в усилителе А. Так как С1 >> С_х, то ёмкость датчиков определяется значением С_х. При сухих баках, изменяя сопротивление R1, добиваются установки стрелки указателя на нулевой отметке шкалы. Начальное значение ёмкости датчика или ёмкость сухого датчика С_х = С2, щётка R6 занимает крайнее верхнее положение, а R3=R1 + R2.

Если баки заполнены топливом, то с помощью сопротивления R5 стрелку указателя устанавливают на отметке шкалы, соответствующей количеству топлива. При его выработке и изменении С_х напряжение U_cd с измерительной диагонали cd подаётся на усилитель А и двигатель М. Последний через редуктор, изменяя сопротивление R6, уравновешивает мост 1 и перемещает стрелку на угол α, который пропорционален С_х. Показание стрелки по шкале указателя определяет количество оставшегося топлива в баке. Питание схема осуществляется напряжением 115 В 400 Гц.

В современных топливомерах, которые градуируются в массовых единицах, имеются устройства температурной компенсации. Они устраняют методическую погрешность, которая возникает в топливомере из-за изменения плотности диэлектрической постоянной при изменении температуры топлива. Такое устройство представляет собой мост 2, плечами которого являются: компенсационный ёмкостный датчик С_k, цепочка C3R7 и вторичные обмотки w2 и w3 трансформатора Тр2. Датчик C_k, состоящий из нескольких прямоугольных пластин, заключённых в трубчатый корпус, помещается в нижнюю часть бака, из которого топливо вырабатывается в последнюю очередь. Следовательно, он всегда погружен в топливо и его ёмкость может изменятся только вследствие изменения диэлектрической постоянной ε_Т. Мост 2 уравновешен при температуре + 20⁰ С, для которой произведена тарировка схемы. Если при постоянном количестве топлива в баках температура его измениться, то на измерительной диагонали моста 1 появиться напряжение U_cd. На измерительной диагонали моста 2 возникает напряжение U_ef = U_ed, но противоположное по фазе. На входе усилителя А они компенсируют друг друга и не вызывают изменения положения стрелки топливомера. Приращение ёмкости датчика С_х при изменении температуры на один градус зависит от значения этой ёмкости, которая уменьшается с выработкой топлива. Поэтому необходимо уменьшить напряжение компенсации U_ef. Это достигается изменением напряжения U_k в диагонали питания моста 2 с помощью потенциометра R8, щётка которого связана с двигателем М через редуктор.

С помощью рассмотренной схемы измеряется не только количество топлива в отдельных баках, но и суммарный запас топлива в группах баков. Для этого с помощью переключателя и коммутирующих реле изменяются сопротивления резисторов R1 – R3 и ёмкость конденсатора С2, а датчики, установленные в баках, подключаются параллельно С_х.

Расходомеры. Принцип измерения мгновенного расхода топлива основан на определении скорости потока, которая при заданном сечении трубопровода и плотности топлива пропорциональна мгновенному расходу. Измерение скорости потока производится с помощью крыльчатки, расположенной в топливной магистрали.

Измерение суммарного расхода топлива основано на подсчёте суммы последовательных электрических импульсов, частота которых пропорциональна частоте вращения крыльчатки. Одна из наиболее распространённых систем измерения расхода топлива типа СИРТ предназначена для измерения мгновенного (часового) расхода топлива каждым авиадвигателем и запаса топлива во всей топливной системе ЛА.

В состав системы входят датчики расхода ДРТМС, датчик плотности ДП, преобразователь сигналов ПС, указатели расхода УМРТ и указатель суммарного запаса топлива УСЗТ.

 

 

Рис.3. Кинематическая схема расходомера

Работа канала измерения мгновенного расхода топлива, обслуживающего один двигатель. Топливо, протекая через датчик расхода, приводит во вращение крыльчатку 6, частота вращения которой пропорциональна скорости потока топлива. На оси крыльчатки крепится ротор в виде постоянного шестиполюсного магнита 7. При вращении крыльчатки магнитное поле магнита индуктирует э.д.с. переменной частоты в катушках, находящихся в корпусе статора 8. Э.д.с. переменной частоты поступает на вход преобразователя частоты в напряжение ПНЧ, где усиливается и преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное частоте вращения крыльчатки, а следовательно, мгновенному расходу в объёмных единицах. Чтобы расход топлива, выраженный в объёмных единицах, преобразовать в расход топлива, выраженный в массовых единицах, необходима поправка на плотность топлива

Q_Т = ρV_Т,

где, Q_Т – массовый расход топлива, кг/ч;

ρ – плотность топлива, кг/см³;

V_Т – объёмный расход, см³/ч.

Зависимость Q_Т реализуется путём потенциометрического умножения. На потенциометр R3a подаётся напряжение с ПЧН, пропорциональное расходу V_Т. Движок потенциометра R3a перемещается пропорционально изменению ρ. В итоге напряжение U_ИЗ, снимаемое с щётки потенциометра, будет пропорционально массовому расходу топлива Q_Т.

Измерение плотности ρ осуществляется с помощью устройства, состоящего из датчика плотности ДП, блока отработки плотности БОП и усилителя УСС 1. Датчик плотности представляет собой плоский конденсатор. Постоянно находящийся в топливе, ёмкость которого меняется в зависимости от плотности топлива. Он включён в схему измерительного моста, состоящего из эталонного конденсатора С1 и резисторов R8a, R9, R10 и R13 – R16. Ёмкостный мост питается переменным напряжением ~ 20 В 400 Гц. При изменении плотности происходит разбаланс моста и сигнал с измерительной диагонали, усиленный усилителем УСС1, поступает на обмотку управления двигателя М1, ротор которого механически связан с движками потенциометров R3a,R8a и со шкалой значений плотности, вращающейся относительно неподвижной стрелки. Перемещение движков потенциометров R3a и R8a приводит мост в согласованное состояние и вводит поправку в значение напряжения U_ИЗ. Это напряжение, пропорционально Q_Т, сравнивается с U_ОП. Результат сравнения подаётся на усилитель УУС2, где усиливается, и поступает на обмотку управления двигателя М2. Двигатель перемещает стрелку указателя УМРТ и движок потенциометра R9a, приводя схему в согласованное состояние. Положение стрелки соответствует значению мгновенного расхода в массовых единицах.

При работе измерителя запаса топлива крыльчатка 6 через червячную передачу 9 вращает сердечник, который является звеном в магнитной цепи катушки 5. Последняя совместно с катушкой постоянной индуктивности 4 составляет схему индуктивного моста. Двумя другими плечами моста являются вторичные обмотки трансформатора, находящегося в преобразователе суммарного расхода (ПСР). Через определённое число оборотов крыльчатки индуктивный мост выходит из равновесия за счёт изменения индуктивности катушки 5. При этом в диагонали моста появляется сигнал переменного тока частотой 400 Гц, модулированный частотой изменения индуктивности катушки 5. Эти сигналы с трёх датчиков расхода поступают на вход ПСР, где происходит усиление, формирование и распределение приходящих импульсов в последовательность, пропорциональную сумме V₁ +V₂ +V₃, где V_i (i=1,2,3) – объёмный суммарный расход топлива на каждый двигатель.

Суммарная приведённая погрешность по мгновенному расходу и суммарному запасу топлива составляет ± 4%. Наиболее частые дефекты возникают из-за засорённости или износа подшипников крыльчатки датчика расхода.