關於高壓電（diàn）磁（cí）流量計的結構測量（liàng）原理與信（xìn）號檢測
點擊次數：2024 發布時間：2021-09-09 14:21:25
摘要：航空燃油質量流量是飛機（jī）燃油油量控製係統（tǒng）中（zhōng）的重要參數之一，航空燃油質量流量的精準、穩定測量，對飛機的燃油油量的判斷有著重要的意義。目前航空燃油質量流量測量多采用間接式高壓（yā）電磁流量計，間接式高（gāo）壓電（diàn）磁流（liú）量計易（yì）受環境變化影響，存（cún）在精度低、穩定性差、測量參數多（duō）等缺點（diǎn）。基於此，設計和開發一種新型（xíng）的具有高精度、高抗幹擾、性能穩定並適用於航空（kōng）領域的高壓（yā）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（gòu）為飛行員提（tí）供進入發動機的燃油累計消耗量（liàng）和瞬時消耗量的準確信息（xī）；監控飛機發動機工作狀態（加力、巡航、小推力）；對發動機供油情況（輸油管路、供油泵（bèng）、閥等）故障（zhàng）檢測；為發動機（jī）控製（電（diàn）調）係統提供（gòng）控製（zhì）參數，輔助發動機控製；同時降低油耗，提升環保，提高經濟性。以（yǐ）我國目前開展的發動（dòng）機研究工作為（wéi）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（shì）（1）。
式中：GF 為進入發動機的燃油流量。
由此可見（jiàn），燃油流（liú）量（liàng）檢測參數是飛機發動（dòng）機控（kòng）製的關鍵參數之一。燃油流量檢測（cè）的精度與可靠性，直接關（guān）係到飛（fēi）機發動機控製係（xì）統的控製（zhì）精度與可靠性，進而關係到整個飛機的飛行安全。隨（suí）著燃油流（liú）量仿真、材料科學和工藝技術的不斷發展，飛機（jī）需求不斷（duàn）提高，研製新一代高精度、高可靠性的機載燃油（yóu）質量流量流量計，對（duì）於提高整個飛機的技戰術指標，滿足飛機（發動機）的需求，有著十分重要（yào）的意義。
機載燃油流量測量的發展經曆（lì）了體積流量測量、間接式質量流量（liàng）測量和直接式流量測量三個階段。*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），逐漸趨於淘汰。*二階段間接式質量流量測量（liàng）。間接式質量流（liú）量測量（liàng）有推導式、溫（wēn）度 - 壓力補償式等。例（lì）如俄羅斯的 д30 發動機采用了推（tuī）導式測量方法（fǎ），即容積流（liú）量 - 密度計組合式流（liú）量測量獲得質量流量，該測（cè）量方式設備體（tǐ）積大、重量重、精度低（dī）、可靠性較低。*三階段直接式流量測量。歐（ōu）美等先進**早在 20 世（shì） 紀 70、80 年代就成功研製出直接式高壓電磁流量（liàng）計，主要是動量矩式。動量矩式流量計（jì）是根據牛頓（dùn）*二定律的原理製作的。從力學角度來（lái）說，質量是物體慣性的量度。物體受外力作用，運動狀態發（fā）生變化，其變化量（liàng）的大小與質量有關（guān）。測量（liàng）運（yùn）動狀態對時間（jiān）的變化率，即可（kě）測得質量流量。動量矩式流量計利用流體動量矩的變化反映質量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個主（zhǔ）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種形式，一種是采用電動機以恒定角速度 ω 驅動主（zhǔ）動輪（lún），需要外能源。例如斯貝（bèi）發（fā）動機（jī）安裝的（de）高壓電磁流量計。另一種是采用簧片控製燃油通量，從而（ér）控製（zhì）主動輪與從動輪的轉（zhuǎn）速，此種質（zhì）量流量控製方法采用流體自身能量控製主動（dòng）輪與從動輪恒（héng）速。其主要原理是測量部件（jiàn）由兩個用渦（wō）圈彈簧連接的渦輪（lún）（主動輪與從（cóng）動輪）構成，渦輪受流體本身的流動能量衝擊而旋轉，兩渦輪葉片旋（xuán）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。扭角的大小反映質量流量的大小。測量扭（niǔ）角（jiǎo）造成的信號時間（jiān）差，即可測得質量流量。直接式質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變化的影響）、體積小、重量輕、可靠性（xìng）高，因此廣泛地應用於波音、空客以及新一（yī）代戰鬥（dòu）機上（shàng）。
我國機載燃油流量測量（liàng）主要是體積式流量測量，所采用的（de）間接式質量流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發動（dòng）機的容積（jī）流量 - 密度計組合式高壓電磁流量計。至今（jīn），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（rèn）何國產飛（fēi）機（發動機）上。
1 高壓電磁流（liú）量（liàng）計結構及測量工作原理
高壓電磁流量計主要由（yóu）機械組合件、殼體組合件、出口（kǒu）殼（ké）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，把流經高壓電磁流量計的燃油質量流量轉換成在其上旋轉的（de）兩個磁鐵間的角度偏移（yí）量 φ。磁鐵轉過高壓電磁流量計殼體組合（hé）件上的兩（liǎng）感應（yīng）線（xiàn）圈時，感應線（xiàn）圈產生並輸出脈衝信號。兩個脈衝之間存在一個時間差（chà） △t，差值與兩個磁鐵間角度偏移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（hé）件的入口端流入，流過殼（ké）體組合件上的整流體時（shí），整（zhěng）流體（tǐ）對燃油進行整流，使流（liú）量相對（duì）平穩而不（bú）紊亂。隨後，燃油再流過機械組合件。在機械組合件的出口（kǒu）端，旋形帽的螺旋槽將流過（guò）的燃油改變（biàn）流動方向，方向與渦輪的葉片形成一（yī）定的（de）夾角 θ。當燃油流過渦輪時，使渦輪獲得（dé）一個角動量（liàng）開始旋轉，從而使機械組合件活動部件隨（suí）著旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速和燃油質量流率的關係，可先將渦輪（lún）展開，渦（wō）輪帶箭頭的斜線表示燃油流向。如果渦輪固定不動，流體流過葉片時將受到阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一（yī）個切向速度 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（zǎi）為零，這時的切向速度就是渦輪（lún）的切向速度。在這種情況下，燃油中某一油分子由（yóu） a 點流到（dào）b 點，渦輪正好轉過（guò）一個葉片。因此，燃油經過渦輪時部被扭（niǔ）曲，滿油能（néng）量損失，渦輪的理論旋轉角速（sù）度公式：
式中：r 為渦輪葉片的平（píng）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，當流入高（gāo）壓電磁流量計的燃油（yóu）流率一定，則渦輪（lún）的轉速n 恒定不變。
1.3 轉速的控（kòng）製
支柱組（zǔ）合件（jiàn）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。小流率時，厚簧片和薄簧片（piàn）處於閉合狀態，所以多數流量由旋形（xíng）帽的螺旋槽導（dǎo）流。流率小時，流率增加會使渦輪轉速快速增加（jiā）。大流率時，厚簧片（piàn）和（hé）薄簧片張開，不接觸旋形帽表麵，部分流量不受螺（luó）旋形槽的影響。
1.4 質量流量與葉輪偏轉（zhuǎn）角的換算
假設渦輪固定不動，燃油流過渦輪（lún）的葉片時將受到阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一個切向動量 mv，這個動量即（jí）為渦輪獲得衝量 。
式中：I 為渦圈彈簧材料截麵慣性矩（jǔ）；φ 為渦圈彈簧變形角；T ＇為作用在渦圈彈（dàn）簧上的（de）力矩；l 為渦圈彈簧工作圈展開長度；E 為渦圈彈簧材料彈（dàn）性模量。
2 信號采集
燃油入口端，軸組合件的軸肩上安裝（zhuāng）了一個起始磁鐵。渦輪旋轉（zhuǎn）帶動（dòng）軸組合件一起旋轉，當起始磁（cí）鐵每次經過起始線圈組合件時，起始線圈組合件（jiàn）將產生一個起始脈（mò）衝信號。燃油出口端，葉輪組合件的葉輪（lún）罩安裝（zhuāng）了一個終止磁鐵。軸組合件通過渦圈彈簧帶（dài）動葉輪組合件旋轉，當終止磁鐵經過終止線圈組合件（jiàn）時，終止線圈組合件將產生一個終止脈衝信號（hào）。根據渦圈彈簧的工作原理，在力矩 T ＇的作用（yòng）下，渦（wō）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，起始脈衝信號與終止（zhǐ）脈衝信號之間的時間差△ t：
從式（15）中可以得（dé）出（chū），當渦圈彈簧材料和（hé）形狀確（què）定和渦輪外形尺寸確（què）定的情況下，時間差（chà）△ t 與通過的燃（rán）油質量 m 成正比（bǐ）例關係（xì），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（de）燃油質量（liàng） m。
3 信號（hào）檢測
將（jiāng）高壓電磁流（liú）量計流量與相關測試設（shè）備連接起來，就可以進行高壓電磁流量計的校準，時間差△ t 由專用試驗（yàn）測試設備（bèi）可以測出。起始脈衝信號和終止脈衝信號如圖 1 所示。經過專用試驗（yàn）測試設備（bèi）信號轉化後的信號方波如圖（tú） 2 所示。
4 結束語
文章介紹（shào）了高壓電磁流量計的測量原理及組成，分析了高壓電磁流量計的工作過程，重點討（tǎo）論了工作原理和信號（hào）采（cǎi）集原理。高壓電磁流量計抗外界幹擾能力強，測量精度高、易實現實時測量，可（kě）滿（mǎn）足（zú）航空飛行複雜環境的需求。
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（gòu）為飛行員提（tí）供進入發動機的燃油累計消耗量（liàng）和瞬時消耗量的準確信息（xī）；監控飛機發動機工作狀態（加力、巡航、小推力）；對發動機供油情況（輸油管路、供油泵（bèng）、閥等）故障（zhàng）檢測；為發動機（jī）控製（電（diàn）調）係統提供（gòng）控製（zhì）參數，輔助發動機控製；同時降低油耗，提升環保，提高經濟性。以（yǐ）我國目前開展的發動（dòng）機研究工作為（wéi）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（shì）（1）。
式中：GF 為進入發動機的燃油流量。
由此可見（jiàn），燃油流（liú）量（liàng）檢測參數是飛機發動（dòng）機控（kòng）製的關鍵參數之一。燃油流量檢測（cè）的精度與可靠性，直接關（guān）係到飛（fēi）機發動機控製係（xì）統的控製（zhì）精度與可靠性，進而關係到整個飛機的飛行安全。隨（suí）著燃油流（liú）量仿真、材料科學和工藝技術的不斷發展，飛機（jī）需求不斷（duàn）提高，研製新一代高精度、高可靠性的機載燃油（yóu）質量流量流量計，對（duì）於提高整個飛機的技戰術指標，滿足飛機（發動機）的需求，有著十分重要（yào）的意義。
機載燃油流量測量的發展經曆（lì）了體積流量測量、間接式質量流量（liàng）測量和直接式流量測量三個階段。*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），逐漸趨於淘汰。*二階段間接式質量流量測量（liàng）。間接式質量流（liú）量測量（liàng）有推導式、溫（wēn）度 - 壓力補償式等。例（lì）如俄羅斯的 д30 發動機采用了推（tuī）導式測量方法（fǎ），即容積流（liú）量 - 密度計組合式流（liú）量測量獲得質量流量，該測（cè）量方式設備體（tǐ）積大、重量重、精度低（dī）、可靠性較低。*三階段直接式流量測量。歐（ōu）美等先進**早在 20 世（shì） 紀 70、80 年代就成功研製出直接式高壓電磁流量（liàng）計，主要是動量矩式。動量矩式流量計（jì）是根據牛頓（dùn）*二定律的原理製作的。從力學角度來（lái）說，質量是物體慣性的量度。物體受外力作用，運動狀態發（fā）生變化，其變化量（liàng）的大小與質量有關（guān）。測量（liàng）運（yùn）動狀態對時間（jiān）的變化率，即可（kě）測得質量流量。動量矩式流量計利用流體動量矩的變化反映質量流量，其典型結構是在儀表殼內有一個主（zhǔ）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種形式，一種是采用電動機以恒定角速度 ω 驅動主（zhǔ）動輪（lún），需要外能源。例如斯貝（bèi）發（fā）動機（jī）安裝的（de）高壓電磁流量計。另一種是采用簧片控製燃油通量，從而（ér）控製（zhì）主動輪與從動輪的轉（zhuǎn）速，此種質（zhì）量流量控製方法采用流體自身能量控製主動（dòng）輪與從動輪恒（héng）速。其主要原理是測量部件（jiàn）由兩個用渦（wō）圈彈簧連接的渦輪（lún）（主動輪與從（cóng）動輪）構成，渦輪受流體本身的流動能量衝擊而旋轉，兩渦輪葉片旋（xuán）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。扭角的大小反映質量流量的大小。測量扭（niǔ）角（jiǎo）造成的信號時間（jiān）差，即可測得質量流量。直接式質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變化的影響）、體積小、重量輕、可靠性（xìng）高，因此廣泛地應用於波音、空客以及新一（yī）代戰鬥（dòu）機上（shàng）。
我國機載燃油流量測量（liàng）主要是體積式流量測量，所采用的（de）間接式質量流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發動（dòng）機的容積（jī）流量 - 密度計組合式高壓電磁流量計。至今（jīn），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（rèn）何國產飛（fēi）機（發動機）上。
1 高壓電磁流（liú）量（liàng）計結構及測量工作原理
高壓電磁流量計主要由（yóu）機械組合件、殼體組合件、出口（kǒu）殼（ké）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，把流經高壓電磁流量計的燃油質量流量轉換成在其上旋轉的（de）兩個磁鐵間的角度偏移（yí）量 φ。磁鐵轉過高壓電磁流量計殼體組合（hé）件上的兩（liǎng）感應（yīng）線（xiàn）圈時，感應線（xiàn）圈產生並輸出脈衝信號。兩個脈衝之間存在一個時間差（chà） △t，差值與兩個磁鐵間角度偏移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（hé）件的入口端流入，流過殼（ké）體組合件上的整流體時（shí），整（zhěng）流體（tǐ）對燃油進行整流，使流（liú）量相對（duì）平穩而不（bú）紊亂。隨後，燃油再流過機械組合件。在機械組合件的出口（kǒu）端，旋形帽的螺旋槽將流過（guò）的燃油改變（biàn）流動方向，方向與渦輪的葉片形成一（yī）定的（de）夾角 θ。當燃油流過渦輪時，使渦輪獲得（dé）一個角動量（liàng）開始旋轉，從而使機械組合件活動部件隨（suí）著旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速和燃油質量流率的關係，可先將渦輪（lún）展開，渦（wō）輪帶箭頭的斜線表示燃油流向。如果渦輪固定不動，流體流過葉片時將受到阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一（yī）個切向速度 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（zǎi）為零，這時的切向速度就是渦輪（lún）的切向速度。在這種情況下，燃油中某一油分子由（yóu） a 點流到（dào）b 點，渦輪正好轉過（guò）一個葉片。因此，燃油經過渦輪時部被扭（niǔ）曲，滿油能（néng）量損失，渦輪的理論旋轉角速（sù）度公式：
式中：r 為渦輪葉片的平（píng）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，當流入高（gāo）壓電磁流量計的燃油（yóu）流率一定，則渦輪（lún）的轉速n 恒定不變。
1.3 轉速的控（kòng）製
支柱組（zǔ）合件（jiàn）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。小流率時，厚簧片和薄簧片（piàn）處於閉合狀態，所以多數流量由旋形（xíng）帽的螺旋槽導（dǎo）流。流率小時，流率增加會使渦輪轉速快速增加（jiā）。大流率時，厚簧片（piàn）和（hé）薄簧片張開，不接觸旋形帽表麵，部分流量不受螺（luó）旋形槽的影響。
1.4 質量流量與葉輪偏轉（zhuǎn）角的換算
假設渦輪固定不動，燃油流過渦輪（lún）的葉片時將受到阻力，則當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一個切向動量 mv，這個動量即（jí）為渦輪獲得衝量 。
式中：I 為渦圈彈簧材料截麵慣性矩（jǔ）；φ 為渦圈彈簧變形角；T ＇為作用在渦圈彈（dàn）簧上的（de）力矩；l 為渦圈彈簧工作圈展開長度；E 為渦圈彈簧材料彈（dàn）性模量。
2 信號采集
燃油入口端，軸組合件的軸肩上安裝（zhuāng）了一個起始磁鐵。渦輪旋轉（zhuǎn）帶動（dòng）軸組合件一起旋轉，當起始磁（cí）鐵每次經過起始線圈組合件時，起始線圈組合件（jiàn）將產生一個起始脈（mò）衝信號。燃油出口端，葉輪組合件的葉輪（lún）罩安裝（zhuāng）了一個終止磁鐵。軸組合件通過渦圈彈簧帶（dài）動葉輪組合件旋轉，當終止磁鐵經過終止線圈組合件（jiàn）時，終止線圈組合件將產生一個終止脈衝信號（hào）。根據渦圈彈簧的工作原理，在力矩 T ＇的作用（yòng）下，渦（wō）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，起始脈衝信號與終止（zhǐ）脈衝信號之間的時間差△ t：
從式（15）中可以得（dé）出（chū），當渦圈彈簧材料和（hé）形狀確（què）定和渦輪外形尺寸確（què）定的情況下，時間差（chà）△ t 與通過的燃（rán）油質量 m 成正比（bǐ）例關係（xì），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（de）燃油質量（liàng） m。
3 信號（hào）檢測
將（jiāng）高壓電磁流（liú）量計流量與相關測試設（shè）備連接起來，就可以進行高壓電磁流量計的校準，時間差△ t 由專用試驗（yàn）測試設備（bèi）可以測出。起始脈衝信號和終止脈衝信號如圖 1 所示。經過專用試驗（yàn）測試設備（bèi）信號轉化後的信號方波如圖（tú） 2 所示。
4 結束語
文章介紹（shào）了高壓電磁流量計的測量原理及組成，分析了高壓電磁流量計的工作過程，重點討（tǎo）論了工作原理和信號（hào）采（cǎi）集原理。高壓電磁流量計抗外界幹擾能力強，測量精度高、易實現實時測量，可（kě）滿（mǎn）足（zú）航空飛行複雜環境的需求。