高可靠性自檢燃油油位信號器研究

唐文斌 李東霖

摘 要：機載燃油油位信號系統必須獨立于燃油測量系統，用于飛機燃油控制及油量告警。目前行業內使用較多的是單干簧浮子式油位信號器，其主要由外管、干簧、帶磁鐵的浮子等組成，工作時浮子隨油面上下浮動，當油面到達預定位置時，浮子的磁性致使干簧管接通，發出油面告警信號，單干簧信號器都存在可靠性低，穩定性低，外場檢測不方便等問題，因此，開發和設計一種新型的具有高可靠性和集自檢功能于一身的油位信號器具有重要的意義。

關鍵詞：信號器;自檢;余度;高可靠性

中圖分類號：V241.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0073-02

航空航天燃油信號器是燃油系統發出告警信號的關鍵部件，目前行業上多數使用的是單干簧式信號器。它是一種采用單干簧式和帶磁鐵的浮子，浮子隨著液面到達指定位置時，使干簧管吸合完成的器件，其關鍵部件是干簧管，可靠度是由其內置干簧管來保證的。此類信號器中的干簧管都是用環氧樹脂膠灌進導桿內的，具有不可修復性，一旦干簧管發生故障，整個信號器都將報廢，造成不必要的浪費，另一方面如果信號器在外場發生故障也不方便現場定位干簧管的故障。

因此，在現有技術干簧管、繼電器可靠性難以迅速提高的情況下，通過對燃油測量核心部件干簧管、繼電器采用并、串聯的方式，以達到迅速提高燃油測量信號器可靠性，并且通過對纏繞在干簧管外部線圈通電的方式完成信號器的自檢功能，這也就形成了集高可靠性自檢于一身的新型信號器—高可靠性自檢信號器，目前此類信號器已成功應用于航天領域。

1 信號器組成及功能

信號器的內部組成圖見圖1。主要由干簧管組合件、浮子組合件、導桿組合件、線路板組合件、安裝座、外體及墊圈等組成。

干簧管組合件由四個SGG-1A干簧管、線圈、支撐桿、保持架四部分組成。四個SGG-1A干簧管采取并串方式，固定于保持架上，在干簧管上涂環氧樹脂膠，然后把線圈固定在干簧管上。整個干簧管組合件最后灌E-51環樹脂膠固定于導桿組合件內。導桿底部到進油口距離2mm，浮子距外壁3mm。浮子組合件由浮子和磁棒組成，浮子材料為聚乙醚泡沫塑料，磁鐵固定于浮子內。導桿組合件由導桿和密封塞組成，材料均為2A12，導桿和密封塞之間采用焊接方式。線路板組合件由線路板、電阻、繼電器、二極管組成，整個線路板組合件用螺釘固定于安裝座內。安裝座材料為2A12，采用螺釘固定于于外體上。

信號器功能：當油位信號器裝于燃油系統中，用于控制油箱內液面高度，當浮子隨油箱內液面高度到達允許值時，干簧管吸合，從而繼電器吸合，此時油位信號器發出控制信號，信號器內設計有自檢查線路，供外場檢查信號器內部干簧管能否正常工作。

2 高可靠性自檢信號器工作原理

油位信號器原理框圖見圖2，各針腳定義如下：

1針：正常信號;

2針：正常信號;

3針：殼體;

4針：檢測（28.5V）;

5針：28.5V;

6針：—。

油位信號器檢測時，“4針”檢測28.5V電源通過限流電阻后，加載在自檢線圈上，自檢線圈產生自檢磁場，致使干簧管接通，干簧管接通后“5針”28.5V電源加載在繼電器線圈上，繼電器接通，致使“5針”28.5V電源加載在正常信號上，“2針”和“1針”并聯，達到檢測的目的。

油位信號器工作時，磁浮子位置根據油面發生變化，當浮子到達預定位置時，致使干簧管接通，干簧管接通后“5針”28.5V電源加載在繼電器線圈上，繼電器接通，致使“5針”28.5V電源加載在正常信號上，信號器工作正常。

下面就信號器各部件工作原理做詳細的分解，如：干簧管工作原理、干簧管自檢工作原理、干簧管并串聯分析、浮子技術等。

2.1 干簧管工作原理

干簧管又稱磁控繼電器，干簧管是由兩根既導電又導磁的合金絲制成的簧片，按一定的相對位置，封結在充有保護氣體的玻璃管中而構成的自動控制用元件。它由兩根既導電又導磁的鐵磁體簧片密封安裝在一個玻璃管內構成。兩簧片重疊并留有一定間隙以構成接點。平時，玻璃管中的兩個簧片是分開的，當永久磁鐵靠近干簧管或者由繞在干簧管上的線圈通電形成磁場使簧片磁化時，兩個簧片受感應產生一個北極N和一個南極S，玻璃管內的兩個異性簧片相互吸引，當吸引的磁力超過簧片的彈力時，簧片就會吸合在一起，使電路連通。當磁力減小到一定值，兩個簧片本身的彈力大于其吸引的磁力時，接點又會被分開，從而斷開電路。

同理，在干簧管測試時，干簧管外部纏繞著銅質的線圈，對線圈通電會產生外磁場，簧片在外磁場的作用下被磁化。當外磁場足夠大時，產生的磁力會使簧片能夠克服自身復原力矩而吸合，該指標就是干簧管的吸合安匝數;當外磁場足夠小時，簧片又會在自身復原力矩的作用下分開。這樣干簧管在實際應用的電路中便起到了磁控開關的作用。

由于它具有結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、吸合功率小等突出優點，因此成為控制中的重要元件，尤其在航空航天等領域被廣泛采用。

2.2 干簧管自檢原理

螺線管半徑為R，總長度l，單位長度上的匝數為N的螺線管在其軸線上一點的磁場感應強度按畢奧—薩伐爾定律計算如下：

將螺線管分割成許多圓線圈。長度為dl內的各匝圓線圈的總效果，是一匝圓電流線圈的ndl倍。

對干簧管生產測試而言，近似認為β1=0，β2=π，以45安匝為例，標準測試時磁感應強度為：

干簧管自檢是根據電磁場原理和干簧管的特性，將被測干簧管置入線圈內，當線圈通過電流時，將會產生感應磁場，簧片在磁力作用下克服自身還原力矩開始吸合，測得的干簧管電阻減小，此時電流和線圈匝數的乘積稱吸合安匝，導通電阻稱為吸合電阻。當兩簧片緊密吸合在一起，這時測得的干簧管電阻穩定，稱為工作電阻。斷開線圈中的電流，簧片在自身復原力矩的作用下開始分離，測得的干簧管電阻增大，此時的安匝數稱為釋放安匝。通過此方法來達到干簧管提前檢測的目的。

2.3 干簧管并串聯分析

為了滿足信號器高可靠度要求，油位信號器采用了余度設計。余度設計分析如下：

（1）單干簧式如圖3所示;（2）串—并結構如圖4所示;（3）并—串結構如圖5所示。

干簧管失效模式分兩種：開路和短路。干簧管失效率為0.003，可靠度為0.997。干簧管出現斷路故障模式與短路故障模式的比例為2：1，即斷路故障率為0.002，短路故障概率為0.001。普通信號器采用的是第一種單干簧式，一旦干簧管出現開路或者短路，信號器將無法工作，可靠性較低，而串—并結構主要保護短路故障模式，并—串結構主要保護開路故障模式，在航空航天信號器的使用過程中，干簧管最大的失效模式為干簧管損壞造成開路現象，因此，采取第3種4干簧并—串結構，此種結構只有在并聯的兩個干簧管同時出現開路或者兩組干簧管同時閉合的情況下信號器才會故障，而此類現象出現的情況幾率很小，因此，采用并串模式大大增加了信號器的可靠性。

2.4 浮子技術

浮子是利用高分子材料配方和發泡成型技術制造的，具有壽命長、不變形、不生霉、不增重、耐高溫等特點，并且也有成熟的國防專利技術，其成品在國內各種型號的機型上廣泛使用，它與干簧管技術一樣都經過國內幾乎所有機種的裝機驗證，不受國外技術和采購渠道制約。

浮子由聚乙醚泡沫塑料材料制成，聚乙醚泡沫塑料密度小于燃油密度，它起的作用是在浮力作用下帶動磁鐵隨液面變化到指定液面高度，使磁鐵吸合干簧管，發出告警信號。當液面到達產品規定刻線的時候，隨著液面下降，浮子也沿著導桿隨之下降，在導桿的底端有擋圈限制浮子的行程，從而磁鐵一直吸合干簧管發出告警信號。

3 信號器特點

通過上述分析，高可靠性自檢信號器有如下特點：

（1）產品原理采用干簧浮子式原理，用于發出油箱設定油面位置的油面信號;該信號器具有結構簡單、可靠性高、成本低等優點;（2）干簧管組件采用冗余設計技術，可提高產品工作可靠性;（3）干簧管組件采用自檢測設計，具有提前判斷干簧管的好壞的優點;（4）選用軍用繼電器增強信號器驅動電流，繼電器具有兩組轉換觸點，負載電流較單干簧管式信號器增大，具有體積小、重量輕、耐振動、抗沖擊及能在惡劣環境條件下可靠工作的特點。

4 結語

本文介紹了高可靠性信號器工作原理及組成，分析了信號器的工作過程，重點討論了高可靠性設計和自檢工作原理。此信號器較之普通信號器大大提高了可靠性并且具有干簧管自檢功能，滿足了信號器可靠性越來越高的要求。

參考文獻

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[2] 崔丹，耿進龍，王瀾.信號系統電子安全設備自檢技術研究[J].鐵道通信信號，2012，48（10）：18-20.