ДАТЧИКИ РАСХОДА ТОПЛИВА

Расход топлива измеряется при самых различных видах летных испытаний самолета и его силовой установки. Часто возникает необходимость измерения мгновенного и интегрального значений массового расхода топлива в линиях высокого давления. Однако в ряде случаев измеряются соответствующие значения объемного расхода, в том числе и в линиях низкого давления, где установлены штатные датчики – расходомеры, используемые нередко для летных испытаний.

Допустимая погрешность измерения мгновенного и интегрального значений массового расхода топлива составляет 0,5% от текущего значения. При повышенной температуре среды, окружающей датчики расхода, и плотности топлива (Т>473⁰К) допускается увеличение погрешности до 0,8%.

В системах автоматического управления газотурбинным двигателем мгновенный расход топлива через основной и форсажный контуры используется в качестве регулируемого параметра. При этом требуется измерять расход с погрешностью не более 0,1%.

Приборы, предназначенные для измерения мгновенного и интегрального значений объемного или массового расхода топлива, называются соответственно расходомерами и счетчиками количества топлива. Измерительный преобразователь, непосредственно воспринимающий измеряемый расход, называют датчиком расхода.

Из выражений для мгновенных значении объемного расхода Q = SV и массового расхода G = ρSV топлива плотностью ρ, протекающего через сечение S трубопровода со скоростью V, следует, что измерение расхода можно свести к измерению величин ρ и V при постоянной площади S.

Если для измерения объемного расхода применить расходомер с турбинными датчиками, то для определения массового расхода необходимо перемножить в цифровом виде частоту импульсов с выхода расходомера на частоту выхода датчика плотности. Этот метод при летных испытаниях является базовым.

Применяются и другие косвенные методы измерения массового расхода:

· контроль температуры топлива в полете для оценивания его плотности с последующим введением этого параметра в рабочую формулу,

· автоматическая коррекция плотности топлива непосредственно в датчиках расходомеров.

Измерение интегрального значения расхода топлива сводится к интегрированию по времени сигналов мгновенного расхода. Так как обычно электрические сигналы мгновенного расхода дискретны по времени, то интегрирование сводится к подсчету импульсов за определенное время полета.

Наибольшее применение в практике летных испытаний получили турбинный (скоростной) и частотный методы измерения расхода топлива. Находит применение метод измерения мерного объема расхода топлива. Техническая реализация названных методов воплощена в соответствующих датчиках расходомеров.

Принцип действия турбинных датчиков основан на зависимости частоты вращения крыльчатки (турбины), помещенной в поток, от скорости потока. Мерой мгновенного расхода служит частота вращения, а мерой интегрального расхода за некоторый интервал времени – количество оборотов крыльчатки за это же время. Достоинством метода является пропорциональная зависимость частоты вращения крыльчатки от скорости потока топлива. К недостатку метода следует отнести зависимость частоты вращения крыльчатки от вязкости (температуры) топлива.

Схема преобразования сигнала в распространенном расходомере с турбинным датчиком может быть представлена в виде

, цифровой код.

Поток в трубопроводе, движущийся со скоростью V и определяющий расход Q топлива, приводит во вращение с частотой f крыльчатку, помещенную в трубопроводе. Частота вращения крыльчатки преобразуется в электрический сигнал с частотой f_эл, например, индуктивным датчиком или тахогенератором. В приборах мгновенного расхода сигнал тахогенератора аналогового вида (напряжение U, ток I) или цифрового вида (код) служит мерой измеряемого расхода. В приборах интегрального расхода сигнал тахогенератора или индуктивного датчика преобразуется в последовательность импульсов с дальнейшим суммированием ( ).

Принцип действия частотного датчика плотности основан на известной зависимости частоты колебаний резонатора–вибрирующего цилиндра от плотности топлива. Собственная частота колебания является функцией физических свойств цилиндра. Она зависит от формы и размера, упругости материала, массы, а также от распределения масс присоединенной жидкости, участвующей в колебаниях. Масса топлива, примыкающего к стенкам цилиндра, эффективно добавляется к вибрирующей массе. В результате изменения плотности топлива изменяется общая масса и, следовательно, собственная частота колебаний резонатора. Датчики обеспечивают высокую точность измерения в широком диапазоне температур и весьма стабильны в течение длительной эксплуатации.

Принцип действия датчиков, построенных на методе измерения мерного объема расхода топлива, основан на пропускании по трубопроводу контролируемого потока жидкости порциями определенного объема. В датчиках используются обратные насосы. При перепаде давления ротор (чаще чашечного или коловратного типов) начинает вращаться, подавая порции топлива при каждом обороте. Измерение расхода сводится к измерению числа порций топлива, проходящего в единицу времени, т.е. к измерению частоты вращения ротора насоса. Достоинство метода заключается в том, что вязкость топлива не влияет на работу расходомера. Однако изменение температуры топлива существенно влияет на точность измерений.

Обобщенная схема измерения расходов топлива при летных испытаниях представлена на рис. 4.

Рис. 4. Методы и средства измерения расхода топлива при летных испытаниях.

В практике летных испытаний применяется комплекс измерительной аппаратуры, в состав которого входят датчики объемного расхода и датчики плотности топлива, автономные СУ, нормализующие электрические сигналы датчиков в аналоговую форму или частоту. Аналоговые сигналы по напряжению регистрируются аппаратурой точной магнитной записи, а по току – светолучевыми осциллографами. Частотные сигналы в виде последовательности импульсов с выходов частотомеров или счетных устройств регистрируются соответствующими каналами аппаратуры точной магнитной записи.

Известное применение при летных испытаниях получили штатные расходомеры топлива, устанавливаемые в магистралях низкого давления. Комплект расходомера состоит обычно из турбинного датчика, вторичного преобразователя и визуального прибора. Выходные сигналы датчиков преобразуются, например, с помощью тиратронного или магнитного преобразователей в соответственно однополярные и двуполярные импульсы. Эти сигналы поступают на визуальный прибор и могут регистрироваться аппаратурой точной магнитной записи и светолучевым осциллографом. Однако для сохранения надежности работы штатного расходомера должно быть введено ограничение потребляемого экспериментальной аппаратурой тока величиной не более 0,5 мА. Для этого предусмотрено специальное согласующее устройство, способное работать с различными штатными расходомерами. Амплитуда импульсов выходного электрического сигнала согласующего устройства такова, что они могут регистрироваться с помощью частотомеров (мгновенный расход) или счетных устройств (интегральный расход) аппаратуры точной магнитной записи, а также светолучевым осциллографом.

Для измерения расходов топлива в высоконапорных магистралях применяется турбинный датчик, имеющий в отличие от датчиков штатных расходомеров меньшие габаритные размеры, обладающий более высоким допустимым значением давления и соответственно большим перепадом давления на датчике. Выходной сигнал датчика имеет синусоидальную форму. При измерении мгновенных значений расхода топлива частота сигнала датчика преобразуется с помощью согласующего устройства в ток (0...2 мА) или напряжение (О...6 В). Согласующее устройство имеет встроенный блок калибровки измерительного тракта сигналами частотой 400 и 100 Гц. Эти сигналы берутся от штатной бортовой сети переменного тока напряжением 115 В, частотой 400 Гц. Периодичность калибровок и длительность их следования формируются специальной схемой согласующего устройства. Калибровочные сигналы и линейная зависимость выходных сигналов от частоты сигналов датчика (предельная частота 500 Гц) позволяют создавать программы автоматизированной обработки при работе с аппаратурой точной магнитной записи или легко расшифровывать записи осциллограмм.

В некоторых случаях для регистрации сигналов турбинных датчиков с помощью аппаратуры точной магнитной записи выходной сигнал датчика должен быть преобразован в сигнал частоты следования однополярных положительных импульсов. С этой целью применяется специальное согласующее устройство.

Известное применение получил расходомер топлива, специализированный для летных испытаний. Он позволяет измерять мгновенные значения объемных и массовых расходов топлива. При этом выдаются электрические сигналы в виде частоты следования импульсов (f_mах = 1000 Гц), напряжения (U_max = 6 В), постоянного тока (I_max = 2 мА). Для измерения интегральных значений объемных и массовых расходов сигналы формируются в виде последовательности импульсов частотой до 2, 4 и 16 Гц, а также частоты в пределах до 1000 Гц. Структурная схема измерительного канала расходомера приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема измерительного канала расходомера топлива
для летных испытаний

В состав его входят турбинный датчик объемного расхода в комплекте с двумя автономными согласующими устройствами и плотномер топлива. Согласующие устройства преобразуют частоту датчика в десятиразрядный код, который затем преобразуется в аналоговый сигнал или/и в низкочастотную последовательность импульсов. Плотномер измеряет плотность углеводородистых топлив для коррекции показаний по плотности в расходомере. Плотномер содержит частотный датчик с вибрирующим цилиндром и вторичный преобразователь. Колебания цилиндра в требуемой моде возбуждаются с помощью пьезоэлектрической системы, состоящей из возбудителей и приемников. Они расположены на стенках вибрирующего цилиндра по взаимно перпендикулярным направлениям, что предотвращает прямую связь между ними. Преобразователь осуществляет режим автоколебаний вибрирующего цилиндра датчика и преобразует сигнал датчика в двенадцатиразрядный параллельный двоичный код, пропорциональный плотности топлива. Этот код плотности поступает, в свою очередь, на преобразователи, где для измерения массового расхода топлива осуществляется перемножение кода объемного расхода топлива и кода плотности.

Другим способом измерения массового расхода является применение известных объемных расходомеров с контролем температуры топлива и введением соответствующих поправок на изменение плотности топлива. Внедряются в практику летных испытаний датчики расходомеров с автоматической коррекцией плотности топлива. Инструментальные погрешности датчиков расхода топлива складываются из погрешности от нагрузки крыльчатки, погрешности измерения ее угловой скорости тахометрическим узлом и др. Погрешность частотного датчика плотности определяется, в основном, нелинейностью градуировочной характеристики. Доминирующей составляющей погрешностей датчиков расхода является методическая погрешность, возникающая вследствие изменения плотности топлива при изменении температуры или сорта топлива. Температурная погрешность в диапазоне ± 60⁰С достигает 5...10%. Погрешность при замене сорта топлива может достичь 5...6%.

Указанные погрешности учитываются поправочными графиками.

Монтаж расходомеров следует осуществлять в соответствии с инструкцией по эксплуатации и техническому обслуживанию. Датчики устанавливаются либо во всасывающей, либо в нагнетающей линиях топливной системы так, чтобы направление потока топлива совпадало с направлением стрелки на корпусе датчика. Желательно датчики устанавливать во всасывающей линии, снижающей возможность подтекания топлива и обеспечивающей безопасность установки. Частотный датчик плотности рекомендуется устанавливать вертикально при потоке топлива сверху вниз. Это уменьшает эрозию и возможность осаждений на стенках чувствительного элемента, а также способствует всплытию пузырьков. Датчик устанавливается на специальной площадке, крепление ее к элементам конструкции самолета должно быть упругим. В отдельных случаях допускается жесткое крепление.