ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ТОПЛИВА Российский патент 2021 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к емкостному датчику топлива, в частности, для летательного аппарата, и к способу изготовления такого емкостного датчика топлива.

Уровень техники

Датчики топлива воздушных судов обычно состоят из двух концентрических электропроводных трубок, которые образуют конденсатор. Тогда, значение емкости конденсатора меняется как функция уровня топлива, находящегося между трубками, так что измерение емкости конденсатора позволяет делать вывод об уровне топлива. Уравнение для вычисления уровня H топлива имеет следующий вид: H = (C – C_e)/(α·(K–1)), где C – измеренное значение емкости, C_e – значение емкости, соответствующее случаю, когда между трубками конденсатора топливо отсутствует, индекс e означает, что конденсатор пуст, т.е. в нем нет топлива, α – определенная константа, зависящая только от геометрии и технологических характеристик датчика, а K –диэлектрическая постоянная топлива. Диэлектрическая постоянная K топлива определена как K = ε/ε₀, где ε и ε₀ –значения диэлектрической проницаемости топлива и вакуума соответственно.

Тем не менее, такой емкостный датчик обладает следующими недостатками, когда его реализуют в топливном баке воздушного судна:

- топливо в баке может испытывать существенные градиенты температуры, что приводит к изменению локального значения диэлектрической постоянной топлива в баке, в частности вдоль емкостного датчика топлива. Это приводит к погрешности при определении уровня H топлива, вычисляемого из измеренного значения емкости конденсатора, и такая погрешность может быть существенной; и

- тип топлива, используемого для заправки одного воздушного судна в аэропорту, может отличаться от типа того топлива, которое осталось в баке перед дозаправкой. В частности, доливаемое топливо и оставшееся топливо могут иметь различные значения плотности и различные значения диэлектрической постоянной. Под действием силы тяжести доливаемое топливо и оставшееся топливо не смешиваются, а располагаются одно над другом, так что после завершения дозаправки значение диэлектрической постоянной меняется вдоль емкостного датчика топлива. Это также приводит к погрешности при вычислении уровня топлива. Эта последняя погрешность становится даже более значительной, если используют топливо из специальных источников, таких как гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты, или топливо, полученное из угля с использованием катализатора Фишера-Тропша, вместо топлива, полученного при переработке сырой нефти.

Последствиями таких погрешностей в рассчитанном уровне топлива могут быть изменения в информации о количестве топлива, которая отображается на приборах в кабине и которая может запутать пилота. Другими последствиями могут быть ложная тревога, вызванная функциями контроля количества топлива, разлив топлива при заправке, ошибочная перекачка топлива между отдельными баками на борту воздушного судна и т.д.

Как правило, погрешности в рассчитанном уровне топлива ограничивают точность, которая может быть гарантирована для данного применения. Как правило, стандарт ARINC 611-1 требует, чтобы максимальная погрешность составляла 1% от полной шкалы. Существующий уровень техники показывает, что трудно удовлетворить это требование с существующими в настоящее время системами, и что в этом случае требуется существенная аппаратная сложность.

Для уточнения определения уровня топлива по емкостным датчикам топлива было предложено использовать датчики, которые погружены в топливо, для определения фактического значения диэлектрической постоянной топлива, а затем скомбинировать полученное таким образом значение для диэлектрической постоянной топлива со значением емкости, измеренным для емкостного датчика топлива, который погружен частично. Но это все еще не является удовлетворительным, хотя и повышает точность определения уровня топлива, потому что конденсатор, используемый для определения значения диэлектрической постоянной топлива, и конденсатор, который используют для расчета уровня топлива, относятся к местам, которые находятся отдельно друг от друга. А внутри топливного бака самолета могут существовать горизонтальные градиенты температуры, в частности, из-за солнечного излучения, падающего на крыло самолета, в котором расположен топливный бак. Также такие реализации требуют сложных алгоритмов для определения, погружен ли каждый топливный датчик, используемый для получения диэлектрической постоянной топлива, или нет, и обладают ограниченной надежностью.

В соответствии с другой попыткой повысить точность определения уровня топлива на основе емкостных датчиков, было предложено выделить небольшой сегмент конденсатора, который расположен в нижней части датчика и который имеет известную длину, для определения значения диэлектрической постоянной топлива. Но это неэффективно с точки зрения учета возможного вертикального градиента и изменения величины диэлектрической постоянной топлива вдоль емкостного датчика топлива.

В патенте США № 3 283 577 предложен сегментированный емкостный датчик топлива, который приспособлен для определения значения диэлектрической постоянной топлива на разных высотах вдоль датчика. Для этого измерительные блоки выполнены отдельно от сегментов конденсатора. Это позволяет учитывать при вычислении уровня топлива значения диэлектрической постоянной, которые являются более точными. Но такая система сложна, включает в себя многочисленные компоненты, которые способствуют увеличению общего веса и стоимости.

Исходя из этой ситуации, одна цель настоящего изобретения состоит в создании нового емкостного датчика топлива, который позволяет более точно определять уровень топлива. В частности, целью изобретения является учет при определении уровня топлива изменений значения диэлектрической постоянной топлива, которые могут иметь место вдоль датчика.

Дополнительная цель заключается в том, чтобы ограничить количество компонентов, которые необходимо добавить, по сравнению с существующими системами.

Сущность изобретения

Для достижения этих или других целей в первом аспекте настоящего изобретения предложен емкостный датчик топлива, который предназначен для измерения уровня топлива вдоль оси датчика, когда значение диэлектрической постоянной топлива находится между минимальным пределом K_min и максимальным пределом K_max, эти минимальные и максимальные пределы предварительно заданы для емкостного датчика топлива.

Емкостный датчик топлива содержит последовательность из N разделенных сегментов конденсатора, которые наложены друг на друга вдоль оси датчика, причем N является целым числом большим 5. Каждый сегмент конденсатора проходит от нижнего значения высоты до верхнего значения высоты вдоль оси датчика, а верхнее значение высоты любого из сегментов конденсатора соответствует нижнему значению высоты следующего сегмента конденсатора при перемещении от самого нижнего сегмента конденсатора до самого верхнего.

В контексте изобретения фраза "конденсаторные сегменты" обозначает части конденсатора, которые могут быть соединены параллельно друг с другом в соответствии с различными схемами посредством соответствующих электрических соединений. Как хорошо известно специалисту в области технологии конденсаторов, каждый конденсаторный сегмент может эквивалентно состоять из двух конденсаторных электродов, которые выделены для этого конденсаторного сегмента отдельно от других конденсаторных сегментов, или состоять из одного конденсаторного электрода, который предназначен для этого конденсаторного сегмента и расположен относительно общего электрода, разделяемого всеми конденсаторными сегментами. В этом последнем случае каждый конденсаторный сегмент можно рассматривать как сегмент, содержащий свой выделенный конденсаторный электрод и часть общего электрода, которая обращена к этому конденсаторному электроду. Оба варианта осуществления включены в данное описание посредством выражения "конденсаторный сегмент".

Согласно первому признаку изобретения емкостный датчик топлива выполнен так, что любые три последовательных конденсаторных сегмента были электрически изолированы друг от друга. Каждый конденсаторный сегмент относится к одному из по меньшей мере трех наборов путем повторения одной и той же упорядоченной последовательности наборов при переходе от самого нижнего конденсаторного сегмента к самому верхнему в соответствии с порядком наложения вдоль оси датчика. Все конденсаторные сегменты в каждом наборе электрически соединены по схеме параллельного соединения, отдельно от других наборов.

Согласно второму признаку изобретения, при последовательной нумерации всех конденсаторных сегментов целочисленным индексом n от самого нижнего конденсаторного сегмента до самого верхнего вдоль оси датчика и обозначении h_n верхнего значения высоты n-го конденсаторного сегмента, выполняется следующее условие:

h_n-1 < h_n · (K_min-1) / (K_max-1), для любого значения n от 2 до N.

Таким образом, измерение первого значения емкости, которое соответствует всем параллельно соединенным конденсаторным сегментам, может указывать на то, что по меньшей мере один из наборов, называемый компенсаторным набором, не сдержит конденсаторного сегмента, который пересекается уровнем топлива, независимо от значения диэлектрической постоянной топлива между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max. Таким образом, второе значение емкости, которое измерено для компенсаторного набора, позволяет рассчитать оценку диэлектрической постоянной топлива. Эта оценка диэлектрической постоянной топлива в сочетании с первым значением емкости позволяет рассчитать уточненное значение для уровня топлива.

Таким образом, компенсаторный набор при расчете уровня выполняет функцию компенсации возможных изменений диэлектрической постоянной топлива вдоль оси датчика. Такая компенсация может быть точной, в том числе для высоких уровней топлива, поскольку часть датчика, которая используется для компенсации, не ограничена самым нижним конденсаторным сегментом датчика.

Такой емкостный датчик топлива может быть приспособлен для работы в топливном баке летательного аппарата.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения может быть реализован по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков, независимо друг от друга или в сочетании нескольких из них:

- число N конденсаторных сегментов может быть больше 8, предпочтительно равно 9 и/или меньше 16;

- количество наборов, в которых конденсаторные сегменты соединены параллельно внутри каждого набора, отдельно от других наборов, может составлять 3;

- минимальное граничное значение K_min для диэлектрической постоянной топлива может составлять от 1,90 до 2,06;

- максимальное граничное значение K_max для диэлектрической постоянной топлива может составлять от 2,19 до 2,35;

- соответствующие значения длины всех конденсаторных сегментов могут увеличиваться вместе со значением n вдоль емкостного датчика топлива; и

- верхние значения высоты конденсаторных сегментов могут равняться h₁ · r^(n-1), где h₁ – верхнее значение высоты самого нижнего конденсаторного сегмента, соответствующего n = 1, а r – знаменатель геометрической прогрессии, превышающий (K_max – 1) / (К_min – 1) и предпочтительно меньше 2.

В частности, диапазон от K_min = 1,98 до K_max = 2,27 содержит все возможные значения диэлектрической постоянной K топлива, если температура топлива составляет от -55°C до +70°C, и топливо относится к одному из основных типов JET, включая JETA/A1, JP4, JP5, JP7, JP8 и TS1.

Как правило, для изобретения емкостный датчик топлива может дополнительно содержать по меньшей мере один блок измерения емкости и соединительное устройство, пригодное для электрического соединения блока измерения емкости с любым одним из наборов конденсаторных сегментов. Таким образом, блок измерения емкости может быть выполнен с возможностью обеспечивать измеренное значение емкости для любого из наборов конденсаторных сегментов.

Во втором аспекте изобретения предложен способ изготовления емкостного датчика топлива, предназначенного для измерения уровня топлива вдоль оси датчика, который содержит следующие этапы:

/1/ предполагают, что значение диэлектрической постоянной топлива находится между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max, которые предварительно заданы для емкостного датчика топлива;

/2/ определяют соответствующие верхние значения высоты для последовательности из N сегментов конденсатора, где N является целым числом больше 5;

/3/ изготавливают емкостный датчик топлива таким образом, чтобы N конденсаторных сегментов накладывались один на другой вдоль оси датчика;

/4/ распределяют N конденсаторных сегментов по меньшей мере по трем наборам путем повторения одной и той же упорядоченной последовательности наборов при переходе от самого нижнего конденсаторного сегмента к самому верхнему вдоль оси датчика и электрически соединяют все конденсаторные сегменты в пределах каждого набора по схеме параллельного соединения, отдельно от других наборов; и

/5/ как вариант, фиксируют емкостный датчик топлива внутри топливного бака летательного аппарата.

Этапы /2/ - /4/ выполняют так, чтобы сконструированный и изготовленный таким образом емкостный датчик топлива соответствовал первому аспекту изобретения, возможно, включая в себя дополнительные признаки предпочтительных вариантов осуществления, при этом минимальное граничное значение K_min и максимальное граничное значение K_max для значения диэлектрической постоянной топлива соответствуют указанным на этапе /1/.

Возможно, конструкция емкостного датчика топлива может учитывать неопределенности, отличные от тех, которые связаны со знанием диапазона значений диэлектрической постоянной топлива. В частности, верхние значения высоты конденсаторных сегментов могут быть определены на этапе /2/, так что первое значение емкости конденсатора, указывающее, что уровень топлива пересекает n-й конденсаторный сегмент по меньшей мере для одного значения диэлектрической постоянной топлива, заключенного между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max, гарантирует, что (n-2)-й конденсаторный сегмент полностью погружен в топливо независимо от значения диэлектрической постоянной между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max, для n от 3 до N, а также независимо от значений погрешности, выбранных из производственных погрешностей, связанных с длинами конденсаторных сегментов, погрешностей позиционирования, относящихся к этапу сборки емкостного датчика топлива, и погрешностей измерения, связанных со значениями емкости конденсатора, измеренными относительно фактических значений емкости конденсатора, каждое из этих значений погрешности содержится между соответствующими дополнительными минимальным и максимальным граничными значениями, которые предварительно заданы для емкостного датчика топлива.

Наконец, в третьем аспекте изобретения предложено оборудование топливного бака для летательного аппарата, которое содержит топливный бак и по меньшей мере один емкостный датчик топлива, который соответствует первому аспекту изобретения, и закреплен внутри топливного бака.

Эти и другие признаки изобретения будут теперь описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые относятся к предпочтительным, но не ограничивающим вариантам осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид в перспективе емкостного датчика топлива в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 показан топливный бак летательного аппарата в соответствии с изобретением;

на фиг. 3 приведена таблица, показывающая возможные значения для двух емкостных датчиков топлива в соответствии с фиг. 1; и

на фиг. 4 и 5 приведены диаграммы, показывающие погрешности в значениях уровня топлива, вычисленных с использованием одного емкостного датчика топлива в соответствии с фиг. 3 для двух различных распределений диэлектрической постоянной топлива.

Для ясности размеры элементов, показанных на фиг. 1 и 2, не соответствуют действительным размерам или соотношениям размеров. Также, одинаковые ссылочные позиции или знаки, указанные на различных фигурах, обозначают идентичные элементы элементов с идентичными функциями.

Подробное описание изобретения

Согласно фиг. 1, емкостный датчик 100 топлива в соответствии с изобретением содержит, в качестве примера, 9 конденсаторных сегментов. Со ссылкой на обозначения, используемые в общей части описания изобретения: N = 9. Конденсаторные сегменты расположены вдоль оси X-X датчика и обозначены ссылочными позициями от 1 до 9, начиная с самого нижнего на одном конце датчика 100, считающегося нижним. Эти ссылочные позиции для конденсаторных сегментов соответствуют индексу n, применяемому в общей части этого описания. Все конденсаторные сегменты 1-9 могут быть цилиндрическими, относительно оси X-X датчика, с одной и той же площадью основания, перпендикулярной оси X-X. Любые два соседних из конденсаторных сегментов 1-9 предпочтительно расположены максимально близко друг к другу, при этом они электрически изолированы друг от друга. Верхнее значение высоты конденсаторного сегмента n, измеренное параллельно оси XX от нижнего края конденсаторного сегмента 1, обозначено как h_n, где n лежит в диапазоне от 1 до N. Предполагается, что нижнее значение высоты (n + 1)-го конденсаторного сегмента почти равно верхнему значению h_n высоты.

Цилиндр с номером 10 является внутренним непрерывным электродом, общим для всех конденсаторных сегментов 1-9. Каждый из конденсаторных сегментов 1-9, имеющий номер n, вместе с общим электродом 10 образует соответствующий конденсатор, тем самым создавая емкость C_n, которая зависит от того, заполнен ли частично или полностью топливом зазор между этим конденсаторным сегментом n и общим электродом 10. В альтернативных конфигурациях, возможных для датчика 100, непрерывный общий электрод 10 может быть расположен снаружи вокруг последовательности конденсаторных сегментов 1-9.

Конденсаторные сегменты 1, 4 и 7 образуют первый набор, обозначенный буквой A. Они электрически соединены параллельно, а первый блок MU_A измерения емкости предназначен для измерения значения C_A емкости набора A. Это значение емкости равно C_A = C₁ + C₄ + C₇.

Конденсаторные сегменты 2, 5 и 8 образуют второй набор, обозначенный буквой B. Они также электрически соединены параллельно, и второй блок MU_B измерения емкости предназначен для измерения значения C_B емкости набора B: С_В = С₂ + С₅ + С₈.

Конденсаторные сегменты 3, 6 и 9 образуют третий набор, обозначенный буквой С. Они также электрически соединены параллельно, и третий блок MU_С измерения емкости предназначен для измерения значения C_С емкости набора С: С_С = С₃ + С₆ + С₉.

Заглавная буква, которая указана на фиг. 1 на каждом конденсаторным сегменте 1-9, относится к набору, который содержит этот конденсаторный сегмент.

Варианты осуществления для каждого блока измерения емкости хорошо известны в данной области техники и широко распространены, поэтому описывать их здесь нет необходимости. Три отдельных блока MU_A, MU_B и MU_C измерения могут быть заменены одним. Затем его объединяют с устройством переменного электрического соединения, которым можно управлять для альтернативного соединения блока измерения с каждым из наборов A, B и C, чтобы последовательно измерять значения C_A, C_B и C_C емкости.

Общее значение емкости для всего емкостного датчика 100 топлива составляет C = C_A + C_B + C_C. Это соответствует всем конденсаторным сегментам 1-9, соединенным по существу параллельно. В отсутствие топлива, то есть когда между каждым из конденсаторных сегментов 1-9 и общим электродом 10 имеется только воздух, C_A = C_eA, C_B = C_eB, C_C = C_eC и C = C_e = C_eA + C_eB + C_eC. Индекс e в этих обозначениях обозначает, что соответствующий конденсаторный сегмент пуст, то есть без топлива.

H обозначает высоту уровня топлива, находящегося между верхним краем конденсаторного сегмента 9 и нижним краем конденсаторного сегмента 1. Таким образом, H измеряют вдоль оси X-X датчика от нижнего края нижнего конденсаторного сегмента, соответствующего n = 1. Поэтому, H = 0 относится к уровню топлива, расположенному на нижнем крае конденсаторного сегмента 1, а H = h₉ относится к уровню топлива, расположенному на верхнем крае конденсаторного сегмента 9.

Измерение емкости C, называемой первым значением емкости в общей части этого описания, дает следующую грубую оценку уровня топлива: H = (C – C_e)/(α·(K–1)), где α уже было определено ранее, а K – приблизительное значение диэлектрической постоянной топлива, которое может представлять собой любое значение между предварительно заданным минимальным граничным значением K_min и предварительно заданным максимальным граничным значением K_max. Это значение H расположено в одном из конденсаторных сегментов 1-9, а именно, оно содержится между верхними значениями высоты некоторых двух соседних конденсаторных сегментов. В примере, представленном на фиг. 1, уровень H топлива расположен в конденсаторном сегменте 8, что соответствует тому, что H лежит между h₇ и h₈.

Принцип конструкции датчика топлива в соответствии с изобретением состоит в гарантировании того, что конденсаторный сегмент n-2 полностью погружен в топливо, если уровень H топлива расположен в конденсаторном сегменте n, при n больше 3. Для примера, представленного на фиг. 1, конденсаторный сегмент 6 должен быть полностью погружен в топливо.

При одном и том же значении C емкости, которое получено в результате измерения, максимальный уровень H_max топлива соответствует диэлектрической постоянной топлива K_min, а минимальный уровень H_min топлива соответствует диэлектрической постоянной топлива K_max. Это выражается следующим образом:

C = C_e + α·(K_min–1)·H_max = C_e + α·(K_max–1)·H_min.

В соответствии с изобретением, если H_max = h_n, то H_min > h_n-1, что выражается следующим соотношением: h_n-1 < h_n·(K_min–1)/(K_max–1).

Сначала фиксируют общую длину датчика 100. Она соответствует верхнему значению h₉ высоты. Тогда, предыдущее неравенство дает максимальную величину для верхнего значения h₈ высоты конденсаторного сегмента 8, исходя из значения h₉, и то же самое применяют для получения максимальной величины для верхнего значения h₇ высоты для конденсаторного сегмента 7, исходя из значения h₈, и т.д. до максимальной величины для верхнего значения h₁ высоты конденсаторного сегмента 1, исходя из значения h₂.

В частности, верхние значения h₁-h₉ высоты, которые определяют таким способом, могут образовывать геометрическую прогрессию со знаменателем r и индексом n, такую как h_n = h₁·r^(n-1), где знаменатель r больше, чем значение отношения (K_max–1)/(K_min–1). В таких вариантах, с геометрической прогрессией, отдельные значения длины (h_n–h_n-1) конденсаторных сегментов увеличиваются с увеличением n.

Например, K_min может быть равно 2,03, а K_max может быть равно 2,23. Это соответствует топливу JET-A1 при значениях температуры в диапазоне от -30°C до 50°C, как сказано в стандарте ARINC 611-1. Тогда, отношение (K_max–1)/(K_min–1) равно 1,194. Так что соседние значения h_n удовлетворяют условию h_n/h_n-1 > 1,194. В таблице на фиг. 3 показаны значения h_n для двух вариантов осуществления изобретения, каждый из которых соответствует этим значениями для K_min и K_max, N=9, общая длина h₉ датчика 100 равна 561 мм (миллиметр), α может быть равно 0,185 пФ/мм (пикофарад на миллиметр), что дает C = 106,9 пФ (пикофарад), если K = K_min.

После определения соответствующих верхних значений высоты всех конденсаторных сегментов, как было объяснено, можно изготовить датчик 100. Например, можно взять полые цилиндры из электрически изоляционного материала и покрыть электропроводящей краской внешнюю поверхность цилиндра меньшего диаметра и внутреннюю поверхность цилиндра большего диаметра. Цилиндр с меньшим диаметром может быть предназначен для формирования общего электрода 10, а цилиндр с большим диаметром может быть предназначен для формирования всех конденсаторных сегментов 1-9. Тогда конденсаторные сегменты 1-9 могут быть разделены посредством межсегментных зазоров, на которых отсутствует электропроводящая краска. Зазоры расположены вдоль оси X-X датчика так, чтобы разделять конденсаторные сегменты, обеспечивая при этом требуемые значения верхней высоты конденсаторных сегментов. Затем, выполняют электрические соединения с конденсаторными сегментами 1-9 в соответствии с наборами А, В и С, как показано на фиг. 1.

Полученный таким образом емкостный датчик 100 топлива жестко устанавливают в топливном баке, например, в топливном баке 200 летательного аппарата, как показано на фиг. 2. Варианты осуществления жестких опор для удерживания датчика 100 на фиксированном месте и в фиксированной ориентации в баке 200 известны в этой области техники, так что нет необходимости их здесь описывать. В баке 200 может быть расположено несколько датчиков в соответствии с изобретением в соответствующих местах отдельно друг от друга и в соответствующей ориентации, которая может меняться от датчика к датчику. Ссылочные позиции 100' и 100'' обозначают такие дополнительные датчики топлива, которые могут иметь ориентацию и длину, отличные от датчика 100.

Теперь будет описан способ использования такого датчика 100 для более точного определения уровня H топлива.

На первом этапе с использованием измерительных блоков MU_A, MU_B и MU_C одновременно или почти одновременно измеряют значения C_A, C_B и C_C емкости, при этом действительный уровень топлива расположен между нижней и верхней частью датчика 100. Затем, вычисляют общее значение емкости, используя следующую формулу: C = C_A + C_B + C_C.

На втором этапе из общего значения C емкости вычисляют минимальное значение высоты, которое может быть определено для уровня H топлива, используя формулу: H_min = (C – C_e)/(α·(K_max – 1)). Это значение H_min может находиться либо в том же конденсаторном сегменте, что и действительный уровень H топлива, либо может находиться в соседнем конденсаторном сегменте непосредственно под тем, в котором находится действительный уровень H топлива.

На третьем этапе определяют конденсаторный сегмент, который перекрывает минимальное значение H_min высоты, вычисленное на втором этапе, и его называют первым выбранным конденсаторным сегментом. Затем, в свою очередь, определяют конденсаторный сегмент, который расположен непосредственно под первым выбранным конденсаторным сегментом и его называют вторым выбранным конденсаторным сегментом. Если предположить, что действительный уровень H топлива расположен в n-м конденсаторном сегменте, то первый выбранный конденсаторный сегмент представляет собой либо тот же n-й конденсаторный сегмент, в результате чего вторым выбранным конденсаторным сегментом будет (n–1)-й конденсаторный сегмент, либо (n–1)-й конденсаторный сегмент, в результате чего вторым выбранным конденсаторным сегментом будет (n–2)-й конденсаторный сегмент. В таблице на фиг. 3 четвертый столбец "Емкостный набор" указывает один из наборов A-C, который содержит первый выбранный конденсаторный сегмент, если этим сегментом является сегмент, указанный в первом столбце в той же строке таблицы. Пятый столбец "Компенсаторный набор" указывает набор, который содержит второй выбранный конденсаторный сегмент.

Например, если действительный уровень H топлива находится в восьмом конденсаторном сегменте (n = 8), как показано на фиг. 1, то измеренное значение C для общей емкости может дать H_min = 370 мм. Для обоих емкостных датчиков топлива на фиг. 3 это значение H_min находится в седьмом конденсаторном сегменте (n = 7). Тогда, первый выбранный сегмент – это седьмой, соответствующий емкостному набору A, а второй выбранный сегмент – это шестой, соответствующий компенсаторному набору C.

На четвертом этапе измеренное значение емкости для компенсаторного набора используют для вычисления значения диэлектрической постоянной K топлива, которое является средним значением между нижней частью датчика 100 и уровнем H топлива. Это вычисленное значение диэлектрической постоянной K обозначают через K_fine. Его можно вычислить точно, так как конструкция датчика в соответствии с изобретением гарантирует, что второй выбранный конденсаторный сегмент полностью погружен в топливо, а также любой другой конденсаторный сегмент, принадлежащий компенсаторному набору, который расположен ниже второго выбранного конденсаторного сегмента, если таковой имеется, в то время как любой конденсаторный сегмент, который также принадлежит компенсаторному набору, но расположен выше второго выбранного конденсаторного сегмента, если такой также имеется, целиком находится вне топлива. Поэтому, длина погружения компенсаторного набора известна достоверно. Эта общая длина конденсаторных сегментов компенсаторного набора, которая погружена в топливо, увеличивается с ростом индекса n первого выбранного конденсаторного сегмента, что подтверждает, что возможно имеющий место градиент диэлектрической постоянной K топлива учтен в большей степени. Снова для примера H_min = 370 мм, третий (n = 3) и шестой (n = 6) конденсаторные сегменты образуют погруженную часть набора C. Тогда, значение K_fine диэлектрической постоянной можно вычислить с использованием следующей формулы:

K_fine = 1 + (C_C – C_eC)/[α·(h₃ – h₂ + h₆ – h₅)]

Из вышеприведенного объяснения специалист в этой области техники сможет вывести корректную формулу для вычисления значения K_fine диэлектрической постоянной для каждой строки таблицы, показанной на фиг. 3.

Наконец, на пятом этапе можно определить уровень топлива с использованием формулы:

H = (C – C_e)/(α·(K_fine – 1)), где C = C_A + C_B + C_C, как и на первом этапе.

На диаграмме на фиг. 4 показана погрешность между уровнем топлива, определенным таким способом, для первого варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 3, и действительным уровнем топлива. Значения действительного уровня топлива указаны по горизонтальной оси в миллиметрах, а значения погрешности показаны по вертикальной оси на левой части диаграммы также в миллиметрах. Кривая погрешности, относящаяся к реализации изобретения, изображена сплошной линией для определенного случая диэлектрической постоянной K топлива, линейно уменьшающейся от 2,20 у нижней части датчика 100 до 2,00 у верхней части датчика 100. Такое изменение диэлектрической постоянной K соответствует пунктирной линии относительно той же горизонтальной оси для высоты в баке, но для вертикальной оси, расположенной на диаграмме для значений K справа. Максимальная погрешность для уровня топлива, определенная при реализации изобретения, составляет около 10 мм в абсолютном значении. Для сравнения на диаграмме также показана погрешность, полученная с использованием датчика существующего уровня техники, который состоит из одного 40 мм нижнего конденсаторного сегмента, предназначенного для вычисления диэлектрической постоянной, и одного единственного непрерывного верхнего сегмента, который предназначен только для определения уровня топлива. Для такого датчика существующего уровня техники погрешность увеличивается до 43 мм в абсолютном значении, если уровень топлива находится у верхней части датчика.

Диаграмма на фиг. 5 соответствует диаграмме, приведенной на фиг. 4, для ситуации, когда диэлектрическая постоянная K топлива имеет первое значение 2,13 ниже отметки 110 мм, и второе значение 2,06 выше отметки 110 мм. Такая ситуация может возникнуть после дозаправки, если топливо, используемое для дозаправки, легче, чем топливо, оставшееся в баке до дозаправки. Погрешность при реализации датчика в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 3, всегда меньше 2,5 мм в абсолютном значении, в то время как при использовании того же датчика существующего уровня техники, что и на фиг. 4, она возрастает до 27 мм в абсолютном значении.

Также можно разработать емкостный датчик 100 топлива, чтобы учитывать другие возможные погрешности в дополнение к тем, которые получают в результате незнания точного значения или распределения значения диэлектрической постоянной K топлива. Такие дополнительные погрешности могут представлять собой погрешности изготовления, которые относятся к длинам сегментов 1-9 конденсатора, и/или погрешности позиционирования, которые относятся к этапу сборки емкостного датчика 100 топлива, и которые могут повлиять на константу α, и/или погрешности измерения, которые относятся к измерению значений емкости. Для этого необходимо предварительно задать соответствующие минимальное и максимальное граничные значения для каждой из погрешностей, которые надо учесть. Тогда, можно вычислить минимальный возможный уровень H_min топлива и максимальный возможный уровень H_max топлива для одного и того же суммарного значения С емкости, чтобы охватить любой сдвиг высоты уровня топлива вследствие каждой погрешности, когда она меняется в предварительно заданных для этой погрешности пределах, и любого сочетания значений этих погрешностей. Затем конструирование датчика может быть продолжено аналогичным образом, как было описано ранее, путем выбора h_n-1 < H_min, если H_max = h_n, для n от 2 до 9. При определении уровня топлива с использованием датчика, сконструированного таким образом, минимальная высота H_min для уровня H топлива может быть вычислена с использованием минимального или максимального граничных значений для всех рассматриваемых погрешностей. После этого остальная часть способа определения уровня топлива остается неизменной.

Следует понимать, что изобретение не ограничено подробным описанием, приведенным выше, и можно приспособить вторичные аспекты описанных вариантов осуществления. В частности, все приведенные числовые значения можно изменить.

Как было описано, конденсаторные сегменты могут быть изготовлены с использованием внешнего электрода в виде трубки, которая разделена на сегменты, и внутреннего электрода в виде трубки, который является непрерывным от верхнего края датчика до нижнего края датчика. Но также можно использовать внешний электрод в виде трубки, который является непрерывным от верхнего края датчика до нижнего края датчика, и сегментированный внутренний электрод в виде трубки. Также сегментированными могут быть оба электрода в виде трубки - и внутренний, и внешний.

Изобретение относится к емкостному датчику топлива, в частности, для летательного аппарата, и к способу изготовления такого емкостного датчика топлива. Емкостный датчик (100) топлива содержит несколько конденсаторных сегментов (1-9), которые наложены один на другой вдоль оси (X) датчика. Конденсаторные сегменты распределены по меньшей мере по трем наборам и электрически соединены параллельно в каждом наборе. Измерение емкости, которое выполняют для всех трех наборов, позволяет определить уровень (H) топлива, учитывая возможное изменение диэлектрической постоянной топлива в направлении, параллельном оси датчика. Верхние значения высоты h_n для конденсаторных сегментов выбирают так, что h_n-1 < h_n⋅(K_min–1)/(K_max–1) для любого целого n от 2 до N, где N - число конденсаторных сегментов, n изменяется в соответствии с порядком наложения конденсаторных сегментов конденсатора, а K_min и K_max - минимальное и максимальное значения диэлектрической постоянной топлива, которые заданы для емкостного датчика топлива. Техническим результатом является повышение точности определения уровня топлива. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Емкостный датчик (100) топлива для измерения уровня (H) топлива вдоль оси (X) датчика, когда значение диэлектрической постоянной (K) топлива находится между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max, причем минимальное и максимальное граничные значения являются заданными для емкостного датчика топлива, содержащий последовательность из N разделенных конденсаторных сегментов (1-9), которые расположены один над другим вдоль оси (X) датчика, при этом N - целое число больше 5, причем каждый конденсаторный сегмент проходит от нижнего значения высоты до верхнего значения высоты вдоль оси датчика, а верхнее значение высоты любого из конденсаторных сегментов соответствует нижнему значению высоты следующего конденсаторного сегмента, при переходе от самого нижнего конденсаторного сегмента к самому верхнему из указанных конденсаторных сегментов,

при этом емкостный датчик (100) топлива спроектирован таким образом, что любые три последовательных конденсаторных сегмента (1-9) электрически изолированы друг от друга и каждый конденсаторный сегмент относится к одному из по меньшей мере трех наборов (А-С) путем повторения одной и той же упорядоченной последовательности указанных наборов, при переходе от самого нижнего конденсаторного сегмента к самому верхнему в соответствии с порядком их наложения вдоль оси (X) датчика, при этом все конденсаторные сегменты в каждом наборе электрически соединены по схеме параллельного соединения, отдельно от других наборов,

отличающийся тем, что при последовательной нумерации всех конденсаторных сегментов (1-9) целочисленным индексом n от самого нижнего конденсаторного сегмента до самого верхнего конденсаторного сегмента вдоль оси (X) датчика и при обозначении h_n верхнего значения высоты n-го конденсаторного сегмента, выполняется следующее условие:

h_n-1 < h_n⋅(K_min-1)/(K_max-1) для любого n от 2 до N,

так что измерение первого значения (С) емкости, которое соответствует всем параллельно соединенным конденсаторным сегментам, указывает на то, что по меньшей мере один из указанных наборов (А-С), называемый компенсаторным набором, не содержит конденсаторного сегмента, пересекаемого уровнем (H) топлива, независимо от значения диэлектрической постоянной топлива между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max,

и так что второе значение (C_A-C_C) емкости, которое измерено для указанного компенсаторного набора, позволяет рассчитать оценку диэлектрической постоянной (K) топлива,

при этом указанная оценка диэлектрической постоянной топлива в сочетании с указанным первым значением емкости позволяет рассчитать уточненное значение для уровня топлива.

2. Емкостный датчик (100) топлива по п. 1, в котором N больше 8, более предпочтительно, равно 9 или меньше 16.

3. Емкостный датчик (100) топлива по п. 1 или 2, в котором число наборов (A-C), в которых конденсаторные сегменты (1-9) соединены параллельно, в каждом наборе, отдельно от других наборов, равно 3.

4. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, в котором минимальное граничное значение K_min для диэлектрической постоянной (K) топлива находится в диапазоне между 1,90 и 2,06.

5. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, в котором максимальное граничное значение K_max для диэлектрической постоянной (K) топлива находится в диапазоне между 2,19 и 2,35.

6. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, в котором соответствующие значения длины всех конденсаторных сегментов (1-9) увеличиваются с ростом значения n вдоль емкостного датчика топлива.

7. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, в котором верхние значения (h₁-h₉) высоты конденсаторных сегментов (1-9) равны h₁⋅r^(n-1), где h₁ - верхнее значение высоты самого нижнего конденсаторного сегмента (1), соответствующего n=1, а r - знаменатель геометрической прогрессии, больший, чем (K_max-1)/(K_min-1), и предпочтительно меньше 2.

8. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, также содержащий по меньшей мере один блок (MU_A, MU_B, MU_C) измерения емкости и соединение, пригодное для электрического подключения блока измерения емкости к любому из наборов (A-C) конденсаторных сегментов (1-9), так что указанный блок измерения емкости выполнен с возможностью получения измеренного значения (C_A-C_C) емкости для любого из указанных наборов конденсаторных сегментов.

9. Емкостный датчик (100) топлива по любому из предыдущих пунктов, который приспособлен для работы в топливном баке летательного аппарата.

10. Способ изготовления емкостного датчика (100) топлива, предназначенного для измерения уровня (H) топлива вдоль оси (X) датчика, включающий этапы, на которых:

/1/ предполагают, что значение диэлектрической постоянной топлива находится между минимальным граничным значением K_min и максимальным граничным значением K_max, которые предварительно заданы для емкостного датчика (100) топлива;

/2/ определяют соответствующие верхние значения (h₁-h₉) высоты для последовательности из N конденсаторных сегментов (1-9), где N является целым числом больше 5;

/3/ изготавливают емкостный датчик (100) топлива таким образом, чтобы N конденсаторных сегментов (1-9) накладывались один на другой вдоль оси (X) датчика; и

/4/ распределяют указанные N конденсаторных сегментов (1-9) по меньшей мере по трем наборам (A-C) путем повторения одной и той же упорядоченной последовательности наборов при переходе от самого нижнего конденсаторного сегмента к самому верхнему конденсаторному сегменту вдоль оси (X) датчика и электрически соединяют все конденсаторные сегменты в пределах каждого набора по схеме параллельного соединения, отдельно от других наборов,

причем этапы /2/-/4/ выполняют таким образом, чтобы емкостный датчик (100) топлива соответствовал любому из пп. 1-9, при этом минимальное граничное значение K_min и максимальное граничное значение K_max для значения диэлектрической постоянной (K) топлива соответствуют значениям, указанным на этапе /1/.

11. Оборудование топливного бака летательного аппарата, содержащее топливный бак (200) и по меньшей мере один емкостный датчик (100, 100', 100'') топлива по п. 9, причем указанный емкостный датчик топлива закреплен внутри указанного топливного бака.