CN100390508C - 超声燃料测量***和测量方法及燃料箱的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为飞机提供了一种具有超声燃料测量***的燃料箱***。所述燃料箱***包括：燃料箱；换能器载带，用分离屏障覆盖，且耦合到所述燃料箱的表面；和至少一个超声换能器，贴附于所述换能器载带。来自至少一个超声换能器的声发射从燃料-空气表面反射，且反射的信号由至少一个超声换能器接收来判定所述燃料箱中的燃料水平高度。

Description

超声燃料测量***和测量方法及燃料箱的制造方法

技术领域

本发明总地涉及流体水平高度(fluid level)测量***和这些***的集成。尤其，本发明更具体地涉及一种用于判定燃料箱中的燃料量的超声燃料箱测量***(ultrasonic fuel-tank gauging system)。

背景技术

用于飞机的燃料监测***一般使用电容性燃料测量传感器。这些传感器通过相对于在燃料-空气界面上方的压力测量来测量接近燃料箱的底部的压力并从压力差测定流体的高度，从而测定燃料箱中的燃料量。从流体的高度和燃料箱几何形状的信息，可以确定燃料箱中的燃料的量。电容性燃料测量传感器通过使膜片或其它可变形的元件偏转且用电容性拾取机构测量该偏转从而测定压力差。如此的传感机构通常需要在燃料箱中的一个或更多点的入口和相关的管道来接通用于压力测量的压力端口，以及可能在燃料箱内或沿燃料管线的引线或电缆。具有这些比较大和大体积的传感器的燃料量测量***是重的且需要几个与罐体的连接点。

用于飞机的改进的燃料监视***将消除对压力传感器和它们相关的压力端口的需要，且会具有最小的或没有与燃料的接触。其将更不受电磁干扰，且还可以探测对燃料箱或对燃料测量***的损伤。燃料箱测量***可以会得益于小、紧密和轻的燃料高度或燃料水平高度测量***，导致显著的重量和空间的节省。

期望提供一种集成的燃料箱***，其克服了用于监测燃料箱中的燃料水平高度的电容性燃料测量传感器的不足和限制。

发明内容

本发明的一方面提供了一种燃料箱***。该***包括燃料箱；换能器载带(transducer carrier tape)，嵌入燃料箱结构；和至少一个超声换能器，贴附于换能器载带。从至少一个超声换能器传输的超声信号从燃料-空气表面反射，且反射的信号由至少一个超声换能器接收来测定燃料箱中的燃料水平高度。

换能器载带可以是柔性电路或柔性带。换能器载带可以嵌入燃料箱的基底中。诸如一堆或多堆复合材料的分离屏障可以覆盖换能器带来隔离换能器载带和燃料箱中的燃料。控制器可以连接到换能器载带和至少一个超声换能器。通过测量从至少一个超声换能器传输的超声信号和反射信号之间的传输时间且使用燃料中的声速来测定燃料箱中的燃料水平高度。

本发明的另一方面是一种测定燃料箱中的燃料水平高度的方法。通过从燃料箱的内部表面送出超声信号，接收从燃料箱中的燃料-空气表面的反射的信号，且基于超声发射和反射信号测定燃料水平，从而可以测定燃料箱中的燃料水平。可以从嵌入燃料箱的基底的多个超声换能器之一送出该超声发射。通过测量超声信号和反射信号之间的传输时间可以测定燃料水平高度。可以在嵌入的超声换能器的一个或更多处接收反射信号。可以测量燃料温度且用于补偿燃料水平高度的测定值。

本发明的另一方面是具有超声燃料水平高度探测***的的燃料箱的制造方法。具有至少一个超声换能器的换能器载带靠着燃料箱壳的内表面设置，且用分离屏障包封(encase)换能器载带。

通过各种实施例的附图和以下给出的详细描述示出了本发明。附图不应理解为限定本发明为具体的实施例，而是用于说明和理解。详细的描述和附图仅是本发明的举例说明而不是限定，本发明的范围通过权利要求和其等同物来界定。本发明的以上方面和其它存在的优点将通过结合附图的详细描述变得更加容易理解。

附图说明

通过各实施例的附图示出本发明的各实施例，其中：

图1是依据本发明的一实施例用于飞机的燃料箱***的图示；

图2是依据本发明的一实施例具有超声换能器的换能器载带的图示；

图3是依据本发明的一实施例测定飞机的燃料箱中的燃料水平高度的方法的方块图；和

图4是依据本发明的一实施例具有超声燃料水平高度测量***的燃料箱的制造方法的方块图。

具体实施方式

图1示出依据本发明的一实施例仪表化(instrumented)燃料箱***100。燃料箱***100包括包含燃料120的燃料箱110、具有一个或更多超声换能器140的换能器载带130和分隔屏障(separation barrier)150。

燃料箱110是燃料120的容器，燃料120可以包括例如汽油、燃料油或喷气燃料。在用于喷气式飞机的一实施例中，燃料箱110可以例如在较小的螺旋桨驱动的一般飞机中保存50加仑或更少的燃料，或对于较大的商业和军用飞机中保存超过10000加仑的燃料。燃料箱110可以位于飞机内的机翼、机身或任何适当的位置。燃料箱110可以注满或部分注满燃料。部分注满的燃料箱110在燃料120和空气或任何其它包含于燃料箱110的未注满部分的气体材料之间的界面处可以具有燃料-空气表面122。

可以使用各种材料来构建燃料箱110，诸如包括玻璃纤维或石墨环氧树脂的复合材料。燃料箱110可以包括复合材料。复合材料通常包括两种组分：纤维和基体(matrix)。高拉伸强度纤维分散于整个基体来提供附加的强度，增大基体材料的韧性和化学惰性。典型的基体***和纤维材料可以包括以下之一：

复合物基体(树脂)***的典型类型

热固性基体树脂：

·双马来酰亚胺

·氰酸盐

·环氧树脂，250硬化(250cure)

·环氧树脂，350硬化(350cure)

·增韧环氧树脂(toughened epoxy)

·酚醛

·聚酯

·聚酰亚胺

·乙烯基酯

热塑性基体树脂

·液晶

·聚酰胺

·聚酰胺-酰亚胺

·聚芳烯酮，硫化物

·聚醚酮族(PEK、PEKK、PEEK)

·聚醚酰亚胺

·聚醚砜

·聚酰亚胺

·聚苯硫醚

复合物纤维的典型类型

来自前体的碳纤维：

·来自PAN的碳纤维

·来自Pitch的碳纤维

·来自Rayon的碳纤维

有机纤维：

·芳族聚酸胺(Kevlar)

·PAN基碳

·Pitch基碳

·Rayon基碳

·聚苯并咪唑

·聚乙烯

无机纤维：

·结构性高强度玻璃纤维

·E玻璃纤维

·铝

·硼

·石英

·碳化硅

·其它陶瓷

箱体可以是单一件和整体结构，或从几个小件组装。

换能器载带130耦合到燃料箱110的表面。换能器载带130可以贴附或嵌入燃料箱110的壁之一，诸如基底或顶部。换能器载带130可以贴附到箱壁且用箱材料覆盖以将其嵌入箱壁。换能器载带130包含安装或贴附到带的一个或更多超声换能器140。

换能器载带130可以包括柔性电路或柔性带。换能器载带130一般是柔性带或电路，带内包含超声换能器140和一层或多层电气迹线(electricaltrace)。换能器载带130可以是柔性电路或柔性带，包括超声换能器和一个或更多诸如铜、铝或金的金属层上的互连，所述金属层通过一个或更多例如聚酰亚胺的钝化层分开。柔性带或柔性电路通常是薄的多层柔性电路板，其包含一个或更多有源或无源电子器件、金属层之间的通孔和用于贴附任何有源或无源电子器件的焊垫。柔性带或柔性电路可以以各种形状形成，诸如短条、长条、互连条、矩形区、圆形区或其任何组合。传感器、互连、迹线、连接器和任何其它电路元件可以如所需定位于换能器载带130上来提供燃料高度或燃料水平高度的指示。

超声换能器140沿换能器载带130定位于一个或多个换能器垫(transducer pads)处。一个或更多换能器可以位于每个换能器垫处。换能器140的位置由箱体几何形状和箱体在飞机中的取向决定。超声换能器140可以位于箱中的一个或多个位置，诸如顶和底，或沿底部的各种位置。多个超声换能器140提供附加的信号，用于更准确的燃料水平高度测定，且增加了可靠性和冗余度。超声换能器140可以沿燃料箱110的宽度或长度设置来提供多个燃料水平高度测试值使得可以测定平均燃料水平高度。

至少一个超声换能器140发射并送出超声信号142进入燃料120。在燃料-空气界面122处，声波部分地反射且反射的超声信号或反射的信号144通过燃料传输回超声换能器140。通过至少一个超声换能器140接收反射的信号144来测定燃料箱中的燃料水平高度。超声换能器140在因反射信号144而变形时通常产生电压或电荷。产生的电压或电荷可以通过超声燃料测量控制器来用于测定燃料的水平高度。

分离屏障150可以设置于换能器载带130上来覆盖或包封它，且来绝缘或隔离换能器载带130和燃料箱中的燃料。分离屏障150还分离燃料120和换能器载带130内的连接迹线(connective trace)。分离屏障150可以在该带贴附于燃料箱的内侧或外侧之后设置于换能器载带130的顶上。分离屏障150可以包括复合材料。分离屏障150可以由用于形成箱的相同材料形成，由此将换能器载带嵌入箱壁。来自超声换能器140的超声发射可以在通过燃料120传播之前穿过箱壁。当测定燃料的水平高度时可以减去穿过箱壁所需的时间。

图2显示了依据本发明的一个实施例的超声燃料测量***200的具有超声换能器的换能器载带的图示。超声燃料测量***200包括换能器载带230和至少一个超声换能器240。如图示，超声燃料测量***控制器260连接到超声燃料测量***200。

换能器载带230包括至少一层互连线路或迹线232，和贴附于带的至少一个超声换能器240。迹线232沿带提供了到超声换能器240的电连接。迹线232可以位于换能器载带230的一个或更多金属层上，其通过例如如本领域公知的构图和蚀刻步骤来形成。迹线可以包括铜、铍铜、镍、锡、不锈钢、铝或金的薄窄条，夹在聚酰亚胺、聚酯、聚脂薄膜(mylar)或其它适当的聚合材料的薄绝缘层之间。一个或更多迹线可以连接到每个超声换能器240。迹线232可以连接到换能器载带230上的每个传感器。或者，诸如一个共有驱动信号或共有接地的一个或更多迹线可以沿带共同地连接到所有的传感器。可以包括用于返回信号(return signal)的另一组迹线，或者，返回信号可以沿用于驱动传感器的同一组迹线送回。诸如端接电阻器和去耦电容器的其它有源和无源元件也可以安装到换能器载带230上。使用标准或定制的集成电路设置的驱动电路和信号调节电路可以安装于换能器载带230上，诸如在紧密靠近每个超声换能器240的传感器垫上。迹线232可以用于将超声换能器240连接到控制器260。

超声换能器240可以包括任何适当的超声驱动器、接收器、或驱动器/接收器对，例如压电盘(piezoelectric disk)。压电盘包括压电材料的盘状按钮。超声换能器240包括一种压电材料，诸如镐钛酸铅(PZT)、无铅压电陶瓷、石英、氧化锌或诸如聚偏二氟乙烯的压电聚合物。做出到盘的顶和底的电接触。至少一个超声换能器240贴附于换能器载带230。超声换能器240可以利用本领域公知的各种焊料、导电环氧树脂和粘合剂贴附于换能器载带230和迹线232。

横跨压电材料施加的电压产生内部电场且导致压电材料变形。压电材料的快速膨胀和收缩产生声波。产生的声波或声发射从超声换能器通过任何隔离屏障或箱壁且进入箱。声波可以穿过箱中燃料或空气直到到达燃料-空气表面。声波的传输部分在相同的方向继续，而反射部分返回超声换能器。当反射部分到达超声换能器时，由换能器的机械变形产生电荷或电压。信号可以直接通过迹线232送到控制器260，或另一适当的信号处理***。诸如铠装线或多芯电缆的电连接器或其它电耦合装置(未显示)可以用于将换能器载带230连接到控制器260。

控制器260可操作地连接到至少一个超声换能器240。控制器260包括电子电路和计时电路来测量来自至少一个超声换能器的声发射和反射信号之间的传输时间。声信号通过燃料箱中的燃料或空气的传输时间或渡越时间用于测定燃料的水平高度。将诸如介质中的声速的燃料参数应用到传输时间数据来测定燃料箱中燃料的高度或燃料的水平高度。随流体温度或压力的声速的微小变化可以用控制器260来补偿。一个或多个温度传感器可以包括在换能器载带230上，诸如接近每个超声换能器来提供燃料温度准确的局部测量值。例如，在装备有集成燃料箱***的商业或军用飞机的驾驶舱中，控制器260提供任何适当的数字或模拟形式的输出用于显示和记录。

图3显示了依据本发明的一实施例的一种测定燃料箱中的燃料高度或燃料水平高度的方法300的方块图。燃料水平高度测定方法300包括测定超声燃料箱***内的燃料水平高度的步骤。

如方块310所示，从燃料箱的内表面送出超声发射。超声发射穿过燃料箱壁的一部分且然后传播入燃料箱中的燃料或空气。安装于或嵌入燃料箱壁的一个或多个超声换能器可以产生超声发射。超声换能器贴附于诸如柔性电路或柔性带的换能器载带。诸如压电盘的超声换能器电连接到柔性电路或柔性带。多个超声换能器可以沿柔性电路或柔性带定位。柔性电路或柔性带包括一层或多层金属互连。换能器载带可以贴附于或嵌入箱壁的内部表面或外部表面。例如，换能器载带可以贴附于燃料箱的底且用分离屏障覆盖。超声信号可以从嵌入燃料箱的基底部分中的多个超声换能器之一送出。或者，具有多个超声换能器的换能器载带可以贴附于或嵌入燃料箱的顶表面中，超声发射通过传感器前面的燃料箱壁的一部分传播且进入燃料箱中的空气。

来自至少一个超声换能器的超声发射从燃料-空气表面反射，且从燃料-空气表面反射的信号由至少一个超声换能器接收来判定燃料箱中的燃料水平高度。反射的信号可以在换能器载带上的一个或多个超声换能器接收。超声发射可以通过燃料传播到燃料-空气表面且传播回产生的传感器或沿换能器载带的其它传感器。或者，超声发射可以通过箱中的空气传播，从燃料-空气表面反射，且传播回到产生的传感器或换能器载带上的另一传感器。超声发射可以从换能器载带上的一个或多个超声换能器产生且送出。控制器或其它适当的电子接口可以用于产生驱动电压来发动从超声换能器的超声发射。

如方块320所示，接收来自燃料箱中的燃料-空气表面的反射的信号。可以在沿换能器载带的一个或多个超声换能器接收反射的信号。当超声换能器被超声波压缩或拉长时产生电荷或电压，该电荷或电压用于判定何时接收的反射信号。

如方块330所示，测量送出超声发射和接收反射信号之间的传输时间。传输时间，也称为渡越时间，是超声波从传感器被送出、传播通过燃料并接收回一个或多个传感器流逝的时间。可以对于从多个超声换能器之一到沿换能器载带的多个超声换能器之一的声传播测量传输时间。或者，可以对于一个传感器和其自身之间，或者在一个或多个超声换能器接收器对之间的声传播测量传输时间。可以对于从一个超声换能器到多个超声换能器的声波传播测量传输时间。通过任何中间燃料箱壁材料的声波传播的传输时间可以从渡越时间或传输时间测定值中减去或校正。

如方块340所示，基于传送的超声发射和接收的反射信号来测定燃料箱内的燃料的水平高度。通过测量送出的超声发射和接收的反射信号之间的传输时间可以判定燃料的水平高度。通过测量送出的超声发射和来自嵌入燃料箱的基底部分中的一个或多个超声换能器的多个接收的反射信号之间的一个或多个传输时间可以判定燃料的水平高度。在一实施例中，由通过燃料的声波的声速乘以传输时间，且除以二将声波通过介质两次考虑进来，从而测定燃料的水平高度。燃料水平高度测定的其它方法可以从传输时间作出，诸如使用查表或其它适当的算法。可以通过求传输时间测量值的平均，从多次连续的传输时间测量值进行平均燃料高度的测量。平均传输时间然后可以乘以声速且除以2来判定燃料水平高度。或者，可以使用查表或其它算法来判定燃料高度。或者，可以通过对来自多于一个传感器的传输时间取平均且从该平均传输时间判定燃料的水平高度来判定燃料的水平高度。来自换能器载带上多于一个的超声换能器的测量可以提供更大的准确度，补偿随飞机的转弯、高度调整和速度变化而引起的燃料箱的摇晃和横倾斜(banking)。

燃料高度或燃料水平高度判定可以在控制器内作出，该控制器包含中央处理单元、用于运行算法的存有微码(microcode)的存储器和其它用于判定燃料水平高度的软件和硬件。控制器和其相关的硬件和软件可以将来自燃料水平高度测定的信息处理成适当的形式，用于显示和记录。当已经判定出燃料的水平高度时可以输出或更新燃料水平高度的指示。通过从控制器提供数字或模拟信号可以做出燃料水平高度的指示，该信号以与任何可使用的燃料***标准相容的形式指示燃料的水平高度。

通过相应地重复方块310、320、330和340，可以采用控制器和超声换能器连续地、在预定时间、按外部请求或其某些组合进行燃料水平高度的测量。

流体中的声速随着温度的变化发生微小改变。温度的变化可以影响燃料水平高度测量的准确度。通过如方块350所示、测量燃料箱中的燃料温度且如方块360所示基于燃料温度补偿燃料水平高度的测量值从而可以对燃料水平高度进行补偿。可以采用燃料箱中诸如热耦或电阻温度器件(RTD)的温度传感器直接测量燃料温度，或从燃料箱的外部或接近燃料箱的外部的温度测量推断出。在具有超声换能器的换能器载带上可以包括RTD或其它适当的温度传感器件。因此可以输出或更新得到温度补偿的燃料水平高度指示。通过重复方块310到方块360可以进行附加的燃料水平高度的测量。可以连续地、在预定时间、按照外部请求或其某些组合输出得到温度补偿的燃料水平高度的指示。

如方块370所示，当燃料箱充满燃料时，基于从一个或多个超声换能器送出的超声发射和接收的反射信号可以判断燃料箱的大致形状。判定的形状可以与燃料箱存储的形状进行比较，如方块380所示。如方块390所示，基于燃料箱的判定形状和存储形状可以判定诸如凹痕和凸出之类的燃料箱的结构变化。例如，当燃料箱充满燃料时，可以针对每个传感器进行表现箱形状的传输时间的测量并加以存储。在随后的时间当箱再次充满燃料时，可以测量一组附加的传输时间且与存储值比较。可以进行检查，来判定是否附加组的某些传输时间与存储值之间发生了明显改变。

当测定的形状和存储的形状显著不同时，可以输出结构变化的指示。或者，当由外部***或查询请求结构变化指示时可以输出结构变化指示。可以连续地、在预定时间、按照外部请求或其某些组合判定和输出结构变化的附加指示。

图4显示依据本发明的一实施例制造具有超声燃料水平高度测量***的燃料箱的方法400的方块图。燃料箱制造方法400包括制造用于具有集成燃料水平高度测量***的飞机的燃料箱的步骤。

如方块410所示，提供燃料箱壳。燃料箱壳可以作为整体件提供，或以组装在一起的部件或部分提供。燃料箱壳可以包括坚固、坚韧、非金属且对飞机或喷气燃料耐化学性的材料。燃料箱壳可以包括复合材料。通常使用诸如石墨环氧、玻璃纤维的材料和其它适当的在韧性基体中具有高强纤维的复合材料。可以将具有嵌入纤维的复合材料的层压片粘合在一起且成形(shaped)来形成箱壁。可以向燃料箱的模壳(form)或模具涂覆或涂布未硬化的复合材料或具有挥发溶剂的复合材料，且干燥或硬化来提供具有期望的形状和强度的燃料箱。

将具有一个或多个超声换能器的换能器载带靠着燃料箱壳的表面定位，如方块420所示。换能器载带包括柔性电路、柔性带或任何适当的柔性电路板或带。超声换能器可以按所需定位于箱的内部或外部，箱的底或箱的顶，或靠着燃料箱壳的任何适当表面。

如方块430所示，可以用分离屏障来包封换能器载带。分离屏障可以部分地或完全地包封载带。超声换能器可以用分离屏障覆盖或使其暴露。分离屏障可以由一个或多个复合材料的堆或层形成。每层可以加到换能器载带的顶部，适当地粘接且干燥或硬化。或者，未硬化的复合材料可以用任何适当的涂布方法，诸如刷(brushing)、涂(painting)、喷(spraying)、分配(dispensing)或滚(rolling)来涂布。可以提供电连接器、换能器载带的狭槽或任何适当的结构来将电信号传入超声换能器或从中取出电信号。

虽然优选这里公开的本发明的实施例，然而在不脱离本发明的精神和范围内可以做出各种改变和修饰。权利要求指示了本发明的范围，且落在等同意思和范围中的所有改变旨在包括于此。

Claims (20)

1.一种燃料箱***，包括：

燃料箱；

换能器载带，嵌入到所述燃料箱的壁之一；和

至少一个超声换能器，贴附于所述换能器载带，其中，来自至少一个超声换能器的声发射从燃料-空气表面反射，且反射的信号由至少一个超声换能器接收来判定所述燃料箱中的燃料的水平高度。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述燃料箱包括复合材料。

3.如权利要求1所述的***，其中，所述换能器载带包括柔性电路或柔性带之一。

4.如权利要求3所述的***，其中，所述换能器载带包括至少一层金属互连。

5.如权利要求1所述的***，其中，所述换能器载带嵌入所述燃料箱的基底。

6.如权利要求1所述的***，其中，所述超声换能器包括压电盘。

7.如权利要求1所述的***，还包括：

分离屏障，设置于所述换能器载带上，其中所述分离屏障隔离所述换能器载带和所述燃料箱中的燃料。

8.如权利要求7所述的***，其中，所述隔离屏障包括复合材料。

9.如权利要求1所述的***，还包括：

控制器，可操作地连接到所述至少一个超声换能器，其中，通过测量来自至少一个所述超声换能器的声发射和反射信号之间的传输时间来判定所述燃料箱中的燃料的水平高度。

10.一种判定燃料箱中的燃料水平高度的方法，所述方法包括：

从所述燃料箱的内部表面送出超声发射；

接收来自所述燃料箱中的燃料-空气表面的反射信号；和

基于所述送出的超声发射和所述接收的反射信号判定所述燃料的水平高度，

其中，从嵌入所述燃料箱的内部表面的多个超声换能器之一送出所述超声发射。

11.如权利要求10所述的方法，其中，从嵌入所述燃料箱的基底部分的多个超声换能器之一送出所述超声发射。

12.如权利要求11所述的方法，其中，嵌入到所述燃料箱的内部表面的换能器载带包括柔性电路或柔性带之一，沿所述柔性电路或柔性带之一设置多个超声换能器。

13.如权利要求10所述的方法，其中，判定所述燃料水平高度包括测量所述送出的超声发射和所述接收的反射信号之间的传输时间。

14.如权利要求10所述的方法，其中，判定所述燃料水平高度包括测量来自嵌入所述燃料箱的基底部分中的多个超声换能器的所述送出的超声发射和多个接收的反射信号之间的多个传输时间。

15.如权利要求10所述的方法，还包括：

测量所述燃料箱中的所述燃料的温度；和

基于所述燃料的温度，补偿所述燃料水平判定。

16.如权利要求10所述的方法，还包括：

依据所述送出的超声发射和所述接收的反射信号判定燃料箱的形状，所述燃料箱充满燃料；

比较所述燃料箱的判定的形状和所述燃料箱的存储的形状；和

基于所述燃料箱的所述判定的形状和所述存储的形状来判定所述燃料箱的结构改变。

17.一种具有超声燃料水平高度测量***的燃料箱的制造方法，包括：

提供燃料箱壳；

靠着所述燃料箱壳的内表面定位具有至少一个超声换能器的换能器载带；和

用分离屏障包封所述换能器载带。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述燃料箱壳包括复合材料。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述换能器载带包括柔性电路或柔性带之一。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述分离屏障包括至少一层复合材料。

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