飛機(jī)燃油油量測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零不成功問(wèn)題研究

王捷WANG Jie；朱書月ZHU Shu-yue；王凱WANG Kai

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

0 引言

飛機(jī)燃油油量的測(cè)量數(shù)值是預(yù)估飛行續(xù)航時(shí)間和確保飛行安全的重要參數(shù)[1]，其功能由燃油測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。燃油測(cè)量系統(tǒng)主要設(shè)備見(jiàn)圖1，主要包括油量傳感器、油量傳感器信號(hào)器和油量測(cè)量計(jì)算機(jī)等設(shè)備，其功能框圖見(jiàn)圖2。目前飛機(jī)燃油測(cè)量多使用電容式油量傳感器。它安裝在油箱內(nèi)，浸入燃油的高度不同其電容值就產(chǎn)生了相應(yīng)的變化，再通過(guò)C/V 轉(zhuǎn)化電路將電容值轉(zhuǎn)化為電壓值傳遞至油量測(cè)量計(jì)算機(jī)[2]，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)將不同電壓值對(duì)應(yīng)的油量值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算和溫度修正再輸出，從而得到飛行儀表上的燃油數(shù)據(jù)。因設(shè)備精度高，電容值存在個(gè)體差異，故在安裝后需對(duì)燃油油量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)零、調(diào)滿工作。某飛機(jī)在執(zhí)行燃油系統(tǒng)調(diào)零操作后，一線檢測(cè)設(shè)備顯示調(diào)零成功，但機(jī)上油量顯示并未歸零。故針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行原理研究和技術(shù)改進(jìn)，解決調(diào)零不成功問(wèn)題。

圖1 油量測(cè)量計(jì)算機(jī)及油量傳感（信號(hào)）器

圖2 燃油測(cè)量系統(tǒng)功能框圖

1 故障原因分析

為解決該問(wèn)題，首先進(jìn)行FTA 分析，故障樹(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)零不成功問(wèn)題故障樹(shù)

首先針對(duì)調(diào)零后機(jī)上油量未歸零問(wèn)題，梳理出該故障的3 個(gè)底事件如下：

①一線檢測(cè)設(shè)備故障；

②檢測(cè)設(shè)備通訊電纜故障；

③油量測(cè)量計(jì)算機(jī)故障。

1.1 一線檢測(cè)設(shè)備故障底事件分析

一線檢測(cè)設(shè)備故障，可能存在未成功發(fā)送調(diào)零指令卻錯(cuò)誤顯示調(diào)零成功的情況，導(dǎo)致一線檢測(cè)設(shè)備顯示調(diào)零成功，實(shí)際油量測(cè)量計(jì)算機(jī)未執(zhí)行調(diào)零操作，機(jī)上油量未歸零的故障現(xiàn)象。

一線檢測(cè)設(shè)備是用于在地面給油量測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零調(diào)滿的設(shè)備。在飛機(jī)空油和滿油的情況下，通過(guò)RS422A 通訊方式向燃油測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送燃油油量零位和滿位的校準(zhǔn)指令，并通過(guò)RS422A 通訊方式接收燃油測(cè)量系統(tǒng)反饋的校準(zhǔn)結(jié)果信息，隨后再通過(guò)ARINC429 通訊接收油位校準(zhǔn)后的油量數(shù)據(jù)并發(fā)送至屏幕顯示。因其功能較多，故一線檢測(cè)設(shè)備采用雙CPU 設(shè)計(jì)，分別為數(shù)據(jù)處理模塊A 和數(shù)據(jù)處理模塊B,二者之間通過(guò)IIC 通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)處理模塊A 負(fù)責(zé)接收燃油測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出的油量數(shù)據(jù)，采用循環(huán)接收的模式，周期為300ms。接收到的油量數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)IIC 通訊以300ms 的周期向數(shù)據(jù)處理模塊B 循環(huán)發(fā)送。數(shù)據(jù)處理模塊B 負(fù)責(zé)與燃油測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行RS422 通訊信息交互，只有在觸發(fā)調(diào)零或調(diào)滿操作期間，數(shù)據(jù)處理模塊B 向燃油測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送燃油油量零位和滿位的校準(zhǔn)指令，并通過(guò)RS422A 通訊方式接收燃油測(cè)量系統(tǒng)反饋的校準(zhǔn)結(jié)果信息。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊B 可通過(guò)RS232 通訊向其顯示屏發(fā)送校準(zhǔn)結(jié)果信息和油量數(shù)據(jù)信息。該一線檢測(cè)設(shè)備具有自檢功能，包括硬件自檢和通訊自檢。硬件自檢方式為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)備重要硬件線路工作狀態(tài)；通訊自檢方式為可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收，判斷自身通訊模塊工作狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)一線檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行自檢和返廠功能檢查，結(jié)果均正常，故可排除一線檢測(cè)設(shè)備故障底事件。

1.2 檢測(cè)設(shè)備通訊電纜故障底事件分析

檢測(cè)設(shè)備通訊電纜故障，調(diào)零指令可能未成功發(fā)送至油量測(cè)量計(jì)算機(jī)，亦會(huì)導(dǎo)致一線檢測(cè)設(shè)備顯示調(diào)零成功，但實(shí)際油量測(cè)量計(jì)算機(jī)未執(zhí)行調(diào)零操作，機(jī)上油量未歸零的故障現(xiàn)象。

為排查上述底事件，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)檢測(cè)設(shè)備通訊電纜進(jìn)行通斷檢查，結(jié)果均無(wú)異常，故繼續(xù)分析油量測(cè)量計(jì)算機(jī)故障底事件。

1.3 油量測(cè)量計(jì)算機(jī)故障底事件分析

燃油油量測(cè)量系統(tǒng)采用電容式測(cè)量原理，油量傳感器輸出電容量與油量傳感器的浸油高度呈線性正比關(guān)系。機(jī)上調(diào)零的目的在于記錄空油時(shí)油量傳感器的電容量，機(jī)上調(diào)滿的目的在于記錄滿油時(shí)油量傳感器的電容量。知道了油量傳感器空油與滿油時(shí)的電容量，就可以計(jì)算出線性正比關(guān)系的斜率。根據(jù)測(cè)量到的油量傳感器電容量，計(jì)算出油量傳感器的浸油高度，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)再根據(jù)浸油高度和油箱曲線進(jìn)行對(duì)比即可計(jì)算出油箱剩余油量。

根據(jù)本次故障現(xiàn)象，以下3 點(diǎn)問(wèn)題可引發(fā)機(jī)上調(diào)零不成功故障，詳述如下。

1.3.1 C/V 芯片故障分析

C/V 芯片是油量測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部用于采集傳感器電容值的核心元器件，C/V 芯片故障可能導(dǎo)致采集到的傳感器電容值不停變化，導(dǎo)致油量測(cè)量計(jì)算機(jī)在成功完成調(diào)零操作后，油量無(wú)法歸零。

1.3.2 鐵電存儲(chǔ)器故障分析

油量測(cè)量計(jì)算機(jī)使用鐵電存儲(chǔ)器儲(chǔ)存零滿數(shù)據(jù)，鐵電存儲(chǔ)器失效會(huì)導(dǎo)致零滿數(shù)據(jù)無(wú)法寫入，可能導(dǎo)致油量測(cè)量計(jì)算機(jī)在成功完成調(diào)零操作后，油量仍無(wú)法歸零。

為詳細(xì)分析本底事件，特對(duì)故障油量測(cè)量計(jì)算機(jī)進(jìn)行專用檢測(cè)設(shè)備檢查，其C/V 芯片轉(zhuǎn)換功能和鐵電存儲(chǔ)器儲(chǔ)存零滿數(shù)據(jù)功能均正常，故可以排除C/V 芯片故障和鐵電存儲(chǔ)器故障。

1.3.3 地線未良好連接分析

由于油量傳感器輸出的電容信號(hào)是個(gè)微小的弱電信號(hào)，極小的信號(hào)波動(dòng)都會(huì)引起測(cè)量到的油量傳感器電容量跳變，導(dǎo)致機(jī)上油量測(cè)量的不穩(wěn)定。又因?yàn)橛土啃盘?hào)測(cè)量的數(shù)值大小是以其參考地為零點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，故為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，就必須確保油量傳感器與油量測(cè)量計(jì)算機(jī)一點(diǎn)穩(wěn)定接地并實(shí)現(xiàn)參考地絕對(duì)統(tǒng)一，避免因?yàn)閰⒖嫉夭灰恢禄虿环€(wěn)定引起測(cè)量錯(cuò)誤或跳變。油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與油量傳感器在機(jī)上安裝時(shí)，分別就近與飛機(jī)結(jié)構(gòu)搭接，以提高產(chǎn)品的電磁屏蔽性能與抗干擾性能。同時(shí)，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與油量傳感器之間通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)地線連接，達(dá)到油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與油量傳感器測(cè)量共地的設(shè)計(jì)要求。

分解檢查故障油量測(cè)量計(jì)算機(jī)，根據(jù)檢查結(jié)果，繪制出故障油量測(cè)量計(jì)算機(jī)接線狀態(tài)如圖4 所示。由上圖可發(fā)現(xiàn)電纜引入的油量傳感器測(cè)量地未與計(jì)算機(jī)殼體搭接，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地只能通過(guò)28V 電源地線與飛機(jī)的殼體地搭接。在此情況下，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與檢測(cè)設(shè)備會(huì)共用地線，這樣油量測(cè)量計(jì)算機(jī)的地電位會(huì)受到檢測(cè)設(shè)備工作電流的影響。

圖4 故障油量測(cè)量計(jì)算機(jī)接線狀態(tài)

設(shè)油量測(cè)量計(jì)算機(jī)工作電流為I1，檢測(cè)設(shè)備工作電流為I2，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與檢測(cè)設(shè)備共用地線電阻為R。由此，檢測(cè)設(shè)備未工作時(shí)，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)地電位電壓為I1*R；檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，地電位電壓為（I1+I2）*R。即檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)地電位電壓會(huì)上升I2*R。

由此可知，油量傳感器測(cè)量地未在油量測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部與殼體搭接，二者測(cè)量不共地，電容值受不共地因素的影響產(chǎn)生波動(dòng)，即使在油量測(cè)量計(jì)算機(jī)完成調(diào)零操作后，機(jī)上油量也無(wú)法歸零。進(jìn)而該問(wèn)題原因可定位，是由油量傳感器測(cè)量地引入油量測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部的地線未與機(jī)箱連接地線搭接所致。

2 解決措施

如圖5 所示，將油量測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部地線和機(jī)箱連接地線搭接后，油量傳感器殼體地、油量測(cè)量計(jì)算機(jī)殼體地與機(jī)上28V 電源地都與飛機(jī)殼體地接通；油量傳感器的測(cè)量地通過(guò)機(jī)上電纜接到油量測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部后接系統(tǒng)地，同時(shí)通過(guò)增加的接地線再接油量測(cè)量計(jì)算機(jī)殼體地；28V 電源地進(jìn)入油量測(cè)量計(jì)算機(jī)后，連接油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地，通過(guò)增加的接地線接油量測(cè)量計(jì)算機(jī)殼體地；28V 電源地進(jìn)入檢測(cè)設(shè)備，經(jīng)過(guò)檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換輸出檢測(cè)設(shè)備5V 電源地，檢測(cè)設(shè)備5V 電源地通過(guò)檢測(cè)設(shè)備電纜連接到油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地。在這種接線狀態(tài)下，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地通過(guò)油量測(cè)量計(jì)算機(jī)殼體地實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)殼體地的搭接，可以保證搭接良好可靠。

圖5 增加統(tǒng)一接地線后狀態(tài)

為驗(yàn)證上述分析，特將故障油量測(cè)量計(jì)算機(jī)返修增加內(nèi)部地線后裝機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)確認(rèn)可以成功完成調(diào)零、調(diào)滿工作。后續(xù)已對(duì)油量測(cè)量計(jì)算機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，將油量測(cè)量計(jì)算機(jī)的內(nèi)部接地線和機(jī)箱連接地線穩(wěn)定搭接，問(wèn)題得以解決。

3 原因總結(jié)

此次燃油油量測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零不成功的原因?yàn)橛土繙y(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部未接系統(tǒng)地到殼體的地線，調(diào)零前接上檢測(cè)設(shè)備，受到檢測(cè)設(shè)備用電影響，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地電平上升，導(dǎo)致油量傳感器采樣值降低，油量降低。調(diào)零工作完成后，油量“假象歸零”。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備斷電后，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地不再受到檢測(cè)設(shè)備用電影響，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地電平恢復(fù)，油量傳感器采樣值恢復(fù)正常，油量顯示數(shù)值又上漲。最終導(dǎo)致的問(wèn)題現(xiàn)象就是機(jī)上完成調(diào)零后油量顯示歸零，檢測(cè)設(shè)備下電后油量又出現(xiàn)了上漲，故障即表現(xiàn)為機(jī)上調(diào)零不成功。

經(jīng)原因分析和實(shí)際驗(yàn)證后，將油量測(cè)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地通過(guò)內(nèi)部接地線與殼體統(tǒng)一連接，繼而實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)殼體地的搭接。連接檢測(cè)設(shè)備時(shí)，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)與檢測(cè)設(shè)備共用地線電阻為R=0。這時(shí)即使檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，油量測(cè)量計(jì)算機(jī)地電位電壓也不會(huì)變化，也不會(huì)導(dǎo)致油量傳感器采樣值變化，即可解決機(jī)上調(diào)零不成功問(wèn)題。

4 結(jié)論

燃油油量測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零、調(diào)滿功能是否有效將直接影響燃油測(cè)量系統(tǒng)的顯示精度，對(duì)飛行安全和任務(wù)的完成造成一定影響。本文針對(duì)燃油油量測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零不成功問(wèn)題進(jìn)行理論詳細(xì)分析，論證了統(tǒng)一有效接地對(duì)高精度設(shè)備的重要影響，保障了飛機(jī)燃油系統(tǒng)的正常工作。