燃油质量流量传感器的制作方法

本发明涉及测量领域，具体涉及一种燃油质量流量传感器。

背景技术：

在飞机的所有飞行阶段，燃油系统都应能够持续不断地可靠地向动力装置输送燃油。在实际工作中，需要对发动机的燃油质量流量进行精确测量，准确计量是为了使发动机运转有效而稳定，是提高飞机性能的重要措施。为了能够准确地进行燃油质量流量的测量，对燃油质量流量信号进行精确转化是上述工作的基础。因其工作期间在不同发动机转速下，发动机燃油供给不稳定，波动程度剧烈，现有的燃油质量流量测量不精确。

综上所述，现有技术中存在以下问题：飞机的燃油系统，燃油质量流量测量不精确。

技术实现要素：

本发明提供一种燃油质量流量传感器，以解决飞机的燃油系统，燃油质量流量测量不精确的问题。

为此，本发明提出一种燃油质量流量传感器，所述燃油质量流量传感器包括：

管体，所述管体包括：管壁和由管壁围成的空腔，所述空腔具有入口端和出口端；

所述燃油质量流量传感器还包括：设置在所述空腔内，并沿着入口端到出口端的顺序依次布置的导流器、旋流器、涡轮、整流器和测量齿轮；

导流器，固定连接在管壁的内壁上；所述导流器为半球形，所述导流器的外表面为导流器半球面和连接在导流器半球面边缘的导流器底面；导流器的轴线垂直导流器底面，导流器的轴线平行管体的轴向；所述导流器具有多个轴向贯通孔，各轴向贯通孔的长度方向与管体的轴向平行；各轴向贯通孔贯穿导流器半球面和导流器底面；所述轴向贯通孔将经过导流器的流体的速度方向变成管体的轴向方向；

旋流器，设置在导流器与出口端之间；所述旋流器的外表面包括：旋流器曲面和连接在旋流器曲面边缘的旋流器底面，旋流器的轴线与导流器的轴线一致；旋流器的轴线垂直旋流器底面；所述旋流器为由旋流器曲面和旋流器底面形成的立体结构；旋流器曲面上设有多条离心流道，各所述离心流道将进入到旋流器的曲面上的流体的速度变成旋流速度，所述旋流速度方向能够分解为管体的切向方向和管体的轴向方向；

所述燃油质量流量传感器还包括：连接轴，贯穿所述导流器的轴向和旋流器的轴向；所述导流器和旋流器都设置在所述连接轴上；

涡轮，设置在旋流器与出口端之间，涡轮受从旋流器曲面出来的流体的冲击而转动；

整流器，设置在涡轮与出口端之间，整流器将从涡轮流出的流体的速度方向变为管体的轴向方向；所述整流器包括：多个沿管体的径向设置的叶片，各叶片所在的平面平行管体的轴向；

测量齿轮，设置在整流器与出口端之间；

所述燃油质量流量传感器还包括：测量齿轮转数(转速)的磁电感应器，设置在管壁的内壁上，例如，磁电感应器通过导线连接到发动机控制系统；

所述燃油质量流量传感器还包括：旋转轴，沿管体的轴向设置在连接轴与出口端之间；所述涡轮、所述整流器和测量齿轮套设在所述旋转轴上；所述涡轮和测量齿轮与所述旋转轴固定连接；所述叶片固定在所述管体上并通过轴承能转动的连接在所述旋转轴上。

进一步的，所述连接轴具有两端，分别为连接轴的前端和连接轴的后端，连接轴的前端靠近入口端，连接轴的后端远离入口端，连接轴的前端伸出导流器半球面，并且连接轴的前端为第一尖形或第一锥形或第一笔尖形。

进一步的，所述旋转轴具有两端，分别为旋转轴的前端和旋转轴的后端，旋转轴的前端靠近连接轴的后端，旋转轴的后端远离连接轴的后端，旋转轴的前端为第二尖形或第二锥形或第二笔尖形。

进一步的，所述入口端的口径小于出口端的口径。

进一步的，所述旋流器为锥形或半球体，所述离心流道为曲线，各所述离心流道或各所述离心流道的延长线会交于管体的轴线上。

进一步的，所述导流器通过螺纹连接在管壁的内壁上。

进一步的，所述连接轴和所述旋转轴分隔设置。

进一步的，旋流器底面与整流器的距离为30-35mm。

进一步的，各叶片固定连接在管壁的内壁上，所述测量齿轮为直齿轮。

进一步的，测量齿轮外径15-20cm,涡轮外径24-30cm

本发明的传感器安装于发动机风扇机匣左侧，转换齿轮箱的上部，与飞机燃油系统相连。本发明将燃油的流量转化为转速信号进而通过公式推导转化为电信号传递到显示仪表或信号采集装置上。

燃油从管体的入口端11，通过导流器上的轴向贯通孔21进入旋流器3，所述的旋流器使得燃油通过其上的流道将速度变成切向方向，将燃油流向变为射流，切向速度的燃油将带动微型动力涡轮快速旋转，如果切向速度增大，动力涡轮角速度也随之增大；反之，亦然，因此，即使燃油供给不稳定，波动程度剧烈，测量齿轮都会按燃油供给量实现比例上的变化，不会因按燃油供给量变大而出现失灵的问题。从动力涡轮流出的燃油为旋流，整流器将从涡轮流出的燃油速度扭直，以尽量减少对测量齿轮进行切向做功。测量齿轮上设有脉冲发生器，测量齿轮转动，利用旋转轴上的测量齿轮(脉冲发生器)转速测量进而转化为燃油的质量流量。

例如，随着测量齿轮的转动，会因磁通量变化从而发出电脉冲产生一个起始脉冲信号，当第二个齿通过线圈时产生一个终止脉冲信号。起始脉冲和终止脉冲的时间间隔大小与燃油质量流量成正比，时间间隔信号被转换成燃油质量流量信号传递到主发动机计算机系统，通过换算，从而指示燃油质量流量。传统的测量方式是将燃油的流量转换为压力，采用法条进行计算，发条为弹性的材料，有一定的记忆能力，这样就存在误差，而且设计时它还有个最高限，燃油流量过大，就有可能超过这个最高限，因而，燃油流量测量有可能失灵。但本发明采用转速就不会有这么多问题了，没有最高限，又比较灵敏。

附图说明

图1为本发明的燃油质量流量传感器的主视结构示意图；

图2为本发明的燃油质量流量传感器的内部的立体结构示意图，其中去除了部分管壁；

图3为本发明的燃油质量流量传感器的内部的主视结构示意图；其中去除了部分管壁；

图4为本发明的导流器的第一个角度的立体结构示意图；

图5为本发明的导流器的第二个角度的立体结构示意图；

图6为图4的俯视结构示意图；

图7为本发明的旋流器的立体结构示意图；

图8为本发明的旋流器的主视结构示意图；

图9为本发明的旋流器的左视结构示意图；

图10为本发明的旋流器的右视结构示意图；

图11为本发明的涡轮的立体结构示意图；

图12为本发明的涡轮的侧视结构示意图；

图13为本发明的涡轮的俯视结构示意图；

图14为本发明的整流器的叶片与管壁连接的立体结构示意图；

图15为本发明的整流器的叶片与管壁连接的侧视结构示意图；

图16为本发明的旋转轴与测量齿轮连接的立体结构示意图；

图17为本发明的旋转轴与测量齿轮连接的主视结构示意图；

图18为本发明的电磁感应器的立体结构示意图。

附图标号说明：

1、管体；2、导流器；3、旋流器；4、整流器；5、测量齿轮；6、磁电感应器；7、连接轴；8、旋转轴；9、涡轮；

11、入口端；12、出口端；21、轴向贯通孔；23、导流器半球面；25、导流器底面；31、离心流道；33、旋流器曲面；35、旋流器底面；41、叶片；71、连接轴的前端；81、旋转轴的前端。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明提出一种燃油质量流量传感器，所述燃油质量流量传感器包括：

管体1，所述管体1为周向封闭的，包括：管壁和由管壁围成的空腔，所述空腔具有入口端11和出口端12；入口端11可以设有用于连接的外螺纹；

所述燃油质量流量传感器还包括：设置在所述空腔内，并沿着入口端到出口端的顺序依次布置的导流器2、旋流器3、涡轮9、整流器4和测量齿轮5；

如图2、图3、图4、图5和图6所示，导流器2，固定连接在管壁的内壁上；所述导流器2为半球形，所述导流器的外表面为导流器半球面23和连接在导流器半球面边缘的导流器底面25；导流器底面25封闭导流器半球面23边缘，导流器的轴线垂直导流器底面25，导流器的轴线平行管体的轴向；所述导流器2具有多个轴向贯通孔21，各轴向贯通孔21的长度方向与管体的轴向平行；各轴向贯通孔21贯穿导流器半球面23和导流器底面25；所述轴向贯通孔21将经过导流器的流体(燃油)的速度方向变成管体的轴向方向；

如图7、图8、图9和图10所示，旋流器3，设置在导流器与出口端之间，即设置在导流器2的下游；旋流器不与管壁连接，与之存在微量间隙；所述旋流器的外表面包括：旋流器曲面33和连接在旋流器曲面边缘的旋流器底面35，旋流器的轴线与导流器的轴线一致；旋流器的轴线垂直旋流器底面；旋流器底面35封闭旋流器曲面33的边缘，所述旋流器为由旋流器曲面和旋流器底面形成的立体结构；旋流器曲面33上设有多条离心流道31，各所述离心流道31将进入到旋流器的曲面上的流体(燃油)的速度变成旋流速度，所述旋流速度方向能够分解为管体的切向方向和管体的轴向方向；即旋流器3使燃油的速度变为具有沿管体的切向方向的速度和沿管体的轴向方向的速度，以便能够冲击涡轮，对涡轮施加切向方向的力，并做功；

如图2、图3、图4、图5所示，所述燃油质量流量传感器还包括：连接轴7，贯穿所述导流器2的轴向和旋流器3的轴向；所述导流器2和旋流器3都设置在所述连接轴7上；连接轴7起支撑和连接作用；

如图11、12和图13所示，涡轮9(也称微型动力涡轮)，设置在旋流器与出口端之间，即设置在旋流器3的下游，涡轮9的叶片为曲面，该曲面与涡轮的轴线不平行，涡轮9受从旋流器曲面33出来的流体的冲击而转动；旋流器3使燃油的速度变为具有沿管体的切向方向的速度和沿管体的轴向方向的速度，沿管体的切向方向的速度对涡轮9做功，从而使涡轮转动；

整流器4，设置在涡轮与出口端之间，即设置在涡轮9的下游，所述整流器包括：多个沿管体的径向设置的叶片41，各叶片41所在的平面平行管体的轴向；整流器4或叶片41将从涡轮9流出的流体的速度方向变为管体的轴向方向，消除管体切向方向的速度；叶片41安装在轴孔上，叶片41通过轴孔套设在旋转轴上；

测量齿轮5，设置在整流器4与出口端之间，即设置在整流器4的下游，测量齿轮5上设有脉冲发生器；旋转轴与测量齿轮可以为一体化制造，为一个整体；

如图1所示，所述燃油质量流量传感器还包括：测量齿轮转数的磁电感应器6；磁电感应器6设置在管壁的内壁上正对着测量齿轮5，或者磁电感应器6与测量齿轮5位于管壁的同一径向截面上，以便准确地感应测量齿轮5的转动，在测量齿轮5的转动过程中，轮齿与齿槽之间的凸凹转换致使磁电感应器磁感线圈中磁通量的变化，继而产生磁感应电流，然后通过导线连接到发动机控制系统，即测量齿轮的转动相当于脉冲发生器。飞控系统将此电信号转换成燃油质量流量信号，管壁上设有安装孔，磁电感应器6贯穿管壁，导线连接在磁电感应器6位于管壁的外壁之外的部分，连接到发动机控制系统；磁电感应器由磁极块(永久磁铁)和线圈等组成，利用旋转轴上的测量齿轮(测量齿轮的转动相当于脉冲发生器)转速测量进而转化为燃油的质量流量；本发明的磁电感应器，使得磁通周期性地变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，其频率与被测转速的关系是f＝n*z/60；

如图1、图2、图16和图17所示，所述燃油质量流量传感器还包括：旋转轴8，沿管体的轴向设置在连接轴与出口端之间；即旋转轴8设置在连接轴7的下游，与连接轴7不接触或间隔设置，所述涡轮9和测量齿轮5套设在所述旋转轴8上；所述涡轮9和测量齿轮5与所述旋转轴8固定连接，与旋转轴8同步转动；所述叶片41固定在所述管体上并通过轴承能转动的连接在所述旋转轴上，轴承为微型滚锥轴承，内圈与旋转轴配合不发生错动，外圈与叶片配合也不发生错动。滚锥轴承里的锥体滚珠锥体向前，即整个旋转轴不会向后窜动。

燃油从管体的入口端11，通过导流器上的轴向贯通孔21进入旋流器3，所述的旋流器使得燃油通过其上的流道将速度变成切向方向，将燃油流向变为射流，切向速度的燃油将带动微型动力涡轮快速旋转，如果切向速度增大，动力涡轮角速度也随之增大；反之，亦然，因此，即使燃油供给不稳定，波动程度剧烈，测量齿轮都会按燃油供给量实现比例上的变化，不会因按燃油供给量变大而出现失灵的问题。从动力涡轮流出的燃油为旋流，整流器将从涡轮流出的燃油速度扭直，以尽量减少对测量齿轮进行切向做功。测量齿轮上设有脉冲发生器，测量齿轮转动，利用旋转轴上的测量齿轮(相当于脉冲发生器)转速测量进而转化为燃油的质量流量。

例如，随着测量齿轮的转动，会因磁通量变化从而发出电脉冲产生一个起始脉冲信号，当第二个齿通过线圈时产生一个终止脉冲信号。起始脉冲和终止脉冲的时间间隔大小与燃油质量流量成正比，时间间隔信号被转换成燃油质量流量信号传递到主发动机计算机系统，通过换算，从而指示燃油质量流量。传统的测量方式是将燃油的流量转换为压力，采用法条进行计算，发条为弹性的材料，有一定的记忆能力，这样就存在误差，而且设计时它还有个最高限，燃油流量过大，就有可能超过这个最高限，因而，燃油流量测量有可能失灵。但本发明采用转速就不会有这么多问题了，没有最高限，又比较灵敏。

进而，燃油对微型动力涡轮做功后通过测量齿轮时，测量齿轮对其做一定的(少量)功，并且测量齿轮所做的功要小于涡轮的动能，对燃油整体会产生一定的阻力，使得旋转轴速度不至于过大。这样一来整个系统保持了动态平衡，使之能够在燃油流量波动的情况下，依然能保持较高的灵敏度，而且测量齿轮对燃油做功，提高了其温度，有利于燃油进入燃烧室更好的燃烧。

进一步的，如图4和图5所示，所述连接轴7具有两端，分别为连接轴的前端71和连接轴的后端，连接轴的前端71靠近入口端，连接轴的后端远离入口端，连接轴的前端71伸出导流器半球面，并且连接轴的前端71为第一尖形或第一锥形或第一笔尖形，以减少对燃油的阻力。

进一步的，如图16和图17所示，所述旋转轴8具有两端，分别为旋转轴的前端81和旋转轴的后端，旋转轴的前端81靠近连接轴的后端，旋转轴的后端远离连接轴的后端，旋转轴的前端为第二尖形或第二锥形或第二笔尖形。旋流器与涡轮不能太远不然不能形成流体动力学关系，又要保证装配时存在人为因素，设置旋转轴的前端81为顶尖为最佳方案，防止前后段相互干扰。由于旋转轴8靠近连接轴7设置，旋转轴的前端81设计为锥形或尖形，以避免旋转轴8靠近连接轴7时，二者接触面较大而产生摩擦做功。优选的，旋转轴的前端81为锥尖形，锥尖的顶点位于旋转轴8或连接轴7的轴线上，以进一步减小摩擦做功。

进一步的，如图1、图2和图3所示，所述入口端11的口径小于出口端12的口径。根据连续性方程pva＝常数知，其中p为流体密度，v为流体速度，a为管体截面积，为了使得流体以较大速度进入传感器，通过减小管体截面积，使得流体进入传感器的速度较快，以便实时快速测量。

进一步的，如图7、图8、图9和图10，所述旋流器3为锥形或半球体，所述离心流道31为曲线，例如为渐开线，或抛物线，以实现较好的离心的效果，各所述离心流道的顶部或各所述离心流道的顶部的延长线会交于管体的轴线上。离心流道31的底部均与旋流器底面35相交。

进一步的，所述导流器2通过螺纹连接在管壁的内壁上。导流器2的导流器底面25可以加厚设置，形成圆台，圆台的边缘设有外螺纹，管壁上设有内螺纹，这样，导流器2可以方便的安装在管体1中。

进一步的，旋流器底面35与涡轮9的最近距离(如图3中，旋流器底面35与涡轮9的叶片的下缘)为6-10mm。旋流器与涡轮不能太远，不然不能形成流体动力学关系，又要保证装配时存在人为因素。旋流器底面与整流器的最近距离为30-35mm，以使旋流器、涡轮、整流器之间对速度的旋流、整流有合理的匹配。申请人通过有限元计算(例如通过液体的有限元计算)和试验，得到了上述数据。

进一步的，各叶片41固定连接在管壁的内壁上，以为旋转轴8提供支撑。所述测量齿轮5为直齿轮，以使得燃油从叶片41整流后，对测量齿轮5做功较少。

进一步的，管体长度为200-240cm，入口半径10-15cm，出口半径24-30cm，测量齿轮外径15-20cm,涡轮外径24-30cm。测量齿轮的外径与涡轮的比例为0.625-0.67。这些数值也是通过有限元计算(例如通过流体有限元计算，得知，例如可以通过软件ansysfluent计算得知)和试验，得到的较好的空间配置。

本发明的装配技术方案：

将管体分为前半段和后半段，

步骤01:首先将导流器旋进前半段中，并安装锁紧螺母，施予一定的力矩；

步骤02：安装旋流器并配上锁紧螺母，施予一定的力矩，前半段完成装配；

步骤03:加热后半段管体的连接叶片的轴孔处到一定温度后，取出微型滚锥轴承，安装到相应位置上；

步骤04：加热步骤03装配件微型滚锥轴承处到一定温度后，取出旋转轴从后半段后方插入轴承内圈中，待冷却后用锁紧螺母锁紧，并施予一定力矩；

步骤05：取出微型整体动力涡轮，加热其轴孔处到一定温度后，装于旋转轴前端，待冷却后用锁紧螺母锁紧，并施予一定力矩；

步骤06：安装磁电感应器，并施予一定力矩，即完成后半段装配；

步骤07：最后进行总装，将前后段装配件连接(例如焊接)在一起，并最终施予一定的力矩。

本发明的燃油质量流量计算公式为：(这个公式是本次产品采用的经验公式，例如可以通过实验得到)，δp＝λf，f＝n*z/60，f为测量齿轮转动的频率，单位为次/秒，其中，qm为燃油质量流量，采用国际单位kg/m³。μ为流量系数，此参数由厂家给出，(取值范围为1-5，这个具体值是由实验数据线性拟合出来的)。a为管体出口端的流通面积，单位为平方米。ρ为燃油密度，单位(kg/m³)此参数查表可得。δp为传感器前后压力差，即入口端和出口端的压力差，单位为国际单位制pa，此参数可由实验测量求得，例如可以采用在管体内或管体的两端设置压力表进行测量。λ为压力差与脉冲间隔时间之间的比例系数，为无量纲量，此参数由厂家给出。n为涡轮或测量齿轮的转速，单位为国际单位制，转/每秒，此参数由磁电感应器测得。z为测量齿轮的齿数,齿数要根据测控系统逻辑程序来定,例如本实施例采用齿数为15，以保证一定的精度。

本发明采用了测量齿轮转速测量燃油的质量流量，解决了以往的传感器在小流量时精度很高，而到了大流量时精度下降的问题；并且它不需要外部的动力，不管是流量稳定还是流量波动时，都能准确地转化成对应的齿轮转速，从而被磁电感应器识别，并通过换算转化成流量参数显示出来。

本发明的各个部件均可通过3d打印制造，工艺简单，时间周期短，性能有保障，其中导流器、单轴与测量齿轮为一体件，整流器框架与管件为一体件，结构简单，装配方便。

本发明具有结构简单、可靠性高、实用性强、测量精度高等优点。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。