专利名称：使用数字燃料测定探针的燃料测定系统的制作方法
使用数字燃料测定探针的燃料测定系统
背景技术：
为了安全和经济性原因，飞行器必须具有准确确定机载燃料量的能力。联邦规章确定了飞行器必须承载的最小燃料量，因为不预期的事件可能改变飞行器的路线和目的地。在这些情况下，重要的是具有为使飞行器能够安全飞到替代目的地保持的燃料的准确测量。飞行器承载的燃料量通过多种考虑来决定，例如有效载荷、路径、天气等。燃料负载越重，飞行器能够承载的有效载荷越�。郊拥娜剂洗⒘烤６匀剂喜舛ㄖ械奈蟛罡河性鹑�。因此，准确的机载燃料测定设备在商业上是受欢迎的，因为其允许对于给定的路径承载较少的燃料，带来更为经济的飞行运行。传统的燃料测定系统已经使用位于飞行器的罐(tank)中的电容性探针。通常，这种探针包括两个同轴的竖直布置的电极，其限定了燃料在填充过程中升高并在消耗过程中下降的空间。探针中的燃料水平改变探针的电容值。探针的电容随着探针内的燃料水平线性变化。因此，施加到探针的电气信号可用于确定处于给定燃料水平的探针电容值。这种电容值于是可用于确定罐中的燃料的量。在一种商业可用的燃料测定系统中，各个探针的电容被个别地测量。各个探针是线性的，也就是说，内外电极的直径在探针的整个长度上保持恒定。因此，探针制造相对较为便宜。各个个体探针的完整性受到监视，以便检测探针故障。然而，采用这样的系统，存在监视电子装置和布线的增大的复杂性。另外的布线增加了系统的重量和成本，并降低了系统的可靠性。电子装置更为复杂，因为各个探针必须分别驱动，以便实现合理地响应于燃料水平变化的系统。这种增加的复杂性使得这种系统相对较为昂贵，且可靠性相对较低。
将会明了，附图所示出的部件的边界仅仅代表边界的一种实例。本领域普通技术人员将会明了，一个部件可被设计为多个部件，或者，多个部件可被设计为一个部件。另外， 内部部件可被实现为外部部件，反之亦然。另外，在附图和下面的介绍中，贯穿附图和介绍，类似的部分分别用同样的参考标号表示。附图可能不是按比例绘制的，特定部件的比例已被放大，以便说明。图1示出了燃料测定系统的一实施例的框图；图2A示出了可用在燃料测定系统中的燃料测定探针的一实施例的透视图；图2B示出了可用在燃料测定系统中的燃料测定探针内的同轴板状电容器的一实施例的部分内透视图；图3A示出了用于燃料测定探针的端盖220的一实施例的透视图；图;3B示出了 PCB/配线(harness)组件300的实施例；图4示出了可用在燃料测定系统中的数字燃料测定探针的一实施例的框图；图5示出了数字燃料测定探针的一实施例的简化原理图；图6示出了可用在燃料测定系统中的补偿器探针的一实施例的局部内透视4
图7示出了具有数字燃料测定探针的燃料测定系统的简化总线多工 (multiplexing)方案。
具体实施例方式图1示出了用于飞行器的燃料测定系统10的一实施例的框图。尽管这里在飞行器燃料测定的背景下具体讨论了本实施例，这种讨论仅仅出于说明性的和阐释性目的，不应看作限制意义。将会明了，这种燃料测定系统将应用于任何液体调节应用，其中，希望确定容器内的液体的量。例如，燃料测定系统可应用于任何类型的电容水平检测，包括任何类型交通工具(例如飞行器、火箭、地面交通工具)内的任何类型的液体罐(例如燃料、油、液压液体、水等)或甚至任何类型的地面存储罐。如图1所示，示例性的燃料测定系统10包含多个可寻址的电容性燃料测定探针 1 和15b (这里也称为“探针15”)，其位于飞行器燃料罐75中，并被配置为提供燃料罐75 的燃料高度指示；远程燃料计算器单元20 ；密度计25，其位于燃料罐75中或燃料系统10中的其他地方，并被配置为测量燃料的密度；液体介电常数传感器或补偿器30，其位于燃料罐75中，并被配置为测量燃料的介电常数或电容率。具体而言，探针15竖直安装在燃料罐 75中的不同位置，使得它们至少部分地浸入燃料罐75中存在的任何燃料，同时，补偿器30 安装在燃料75中确保其将总是完全浸入燃料的位置。典型地，在设计特定系统的过程中进行液体高度-容积研究，以便选择用于各个罐中的最少数量的探针的最优的一组位置。在示例性的系统10中，示出了两个探针1 和15b，但是，将会明了，取决于设计，可使用一个探针或是三个以上的探针。在一个实施例中，各个燃料测定探针15包含电容到数字 (capacitance-to-digital) (CDC)电路35，其直接测量电容器C5的电容以及罐75中的燃料的温度和阻抗，并将信息转换为数字格式。示例性实施例中的各个燃料测定探针15还包含计算机可读的介质，其在示例性系统10中由EEPROM 55表示。燃料测定探针15可在工厂校准，以提供实际上为零的电容读数误差，EEPROM 55可包含用于燃料测定探针15的校准参数。在示例性实施例的多燃料测定探针15中，多工器60被包含在内，除其他信息以外， 其接收电容值、燃料罐温度、来自CDC电路35的燃料阻抗测量信息、来自EEPROM 55的校准参数。多工器60可以为多种现有技术中已知的一种，例如双向翻译多工器，其由数据总线70控制。数据总线70可以为现有技术中多种已知的一种(例如SPI、I2CU-Wire等)。 依赖于数据总线的类型，系统10可包含一个或多于一个的端接网络95。端接网络95可能是必需的，以便消除数据总线70上的信号反射，从而确�？煽康氖萃ㄐ�。燃料测定计算器20接收经由数据总线70来自多工器60的信息。解多工器——这里，多工器65作为解多工器——接收经由数据总线70来自多工器60的信息。除了多工器65以外，示例性的燃料计算器单元20可包含微控制器45 ；电源40， 其电气连接到探针15。视情况可选的是，燃料计算器单元20也可包含计算机可读的介质， 其在系统10中用存储器50示出，以便存储例如程序指令和燃料罐特征数据。在示例性实施例中，电源40经由电力总线72向探针15中的电子装置供电。微控制器45可接收来自各个探针15的测量信息和校准参数，基于例如测量得到的探针15的电容、测量得到的温度、校准参数、密度计25测量得到的燃料密度、补偿器 30测量的燃料介电常数或是此数据或其他数据的组合，计算燃料罐75中的燃料量(以容积和/或质量)。一旦计算出，微控制器45可经由应用需要的多种已知通信格式(例如 Arinc 429、MIL-STD-1553、RS232、RS485、CAN等)中的一种将燃料量传送到航空电子设备 (avionics)计算机(未示出)。最终，燃料量在例如飞行器座舱的设备面板中的燃料显示器或计量器(未示出)上指示。在具有一个探针15的实施例中，或具有多个探针但微控制器45具有多个通信端口的实施例中，多工器60和65可能不是必需的，在这种情况下，各个探针15可直接与微控制器45通信。微控制器45可以为多种商业上可获得的微控制器或处理器的一种。可用在燃料测定系统10中的微控制器的一种合适的实例为EZ-USB FX2LP USB微控制器(P/N CY7C68013A)，其由加利福尼亚州圣何塞市的Cypress Semiconductor Corp制造发布。另一种合适的实例可以为亚利桑那州钱德勒市的Microchip Technology Inc的PIC32MX系列微处理器。除其他的以外，微控制器45可电气连接到(i)电源40，以便控制供到各个探针15 和补偿器30的电力，(ii)探针15和补偿器30，以便接收代表各个探针15和补偿器30的电容和温度值的数字信号，(iii)视情况可选的密度计25，以便接收测量得到的燃料的密度。除其他的以外，基于测量得到的补偿器30的电容和温度，微控制器45计算燃料的介电常数，其将在下面详细介绍。除其他的以外，基于燃料的介电常数和探针15的测量得到的电容和温度，微控制器45于是计算燃料罐75中的燃料的量(以容积和/或质量)，其将在下面详细介绍。尽管上面介绍的燃料测定系统10的一实施例使用微控制器来控制电源40并对从探针15和补偿器30接收的数字信号进行处理，将会明了，燃料测定系统10能使用能够进行这些相同的功能的其他类型的微处理器、计算机或功能上类似的电子硬件和软件组合。在一实施例中，除了被电气连接(直接或间接)到燃料测定探针15和补偿器30 夕卜，电源40也被电气连接到微控制器45，用于控制供到各个探针45和补偿器30的电力的量。在一实施例中，数据总线70和电力总线72由罐隔离和保护电路74进行电气隔离和浪涌保护。罐隔离和保护电路74可隔离和保护燃料罐75中的电路，其包括电气隔离 (例如光绝缘体、变压器等)以及针对由于雷闪、静放电、系统操作或故障等引起的浪涌和瞬态。在一实施例中，电源40可将AC电力供到隔离与保护电路74中的隔离变压器(未示出)的原方绕组，同时，隔离变压器的副方绕组将电力经由电力总线72供到燃料罐75中的探针15。副方绕组AC电力到DC的整流可在各个探针15中、在中间位置——例如罐隔离与保护电路74和分配给各个探针15的DC电力的——等处发生。燃料测定探针图2A示出了可用在燃料测定系统之中的燃料测定探针的一实施例的透视图，其也被称为电容性检测探针。图2B示出了可用在燃料测定系统10中的燃料测定探针15中的同轴板状电容器C5的一实施例的局部内透视图，在示例性实施例中，探针15包含同轴板状电容器C5，其具有用作电容器电极的两个同轴管，外管205和内管210。外管和内管205、 210以恒定距离D彼此分开，恒定距离D构成外管205和内管210之间的间隙。间隙填充燃料到与燃料罐75中的燃料相同或者相等的高度。内外管205、210之间的电介质由露出燃料之上的管的部分中的空气以及浸入燃料的管的部分中的燃料组成。因此，随着燃料水平在燃料罐75中上升或下降，各个探针15的电容作为燃料罐75中的燃料的高度的函数以及作为燃料的介电常数的函数变化。在一实施例中，燃料罐75中的燃料的介电常数可借助补偿器30主动确定，使得计算得到的各个探针15的电容将主要作为燃料罐75中的燃料的高度的函数而变化。在预言性的实施例中，管205和210不是同轴的，而是简单的内相关，其中，管210 在管205的内部，但不与管205同轴。在这样的布置中，距离D不是恒定的，作为替代的是沿着管的圆周变化。在一个实施例中，一个或多于一个的管205、210不是管状的，作为替代的是可具有不同几何形状的截面(例如方形、矩形、椭圆形等等)。在另一实施例中，电容器电极不是管状的也不是内相关的。在这种示例性实施例中，电极可为平行板，电极间具有间隙，用于在电极插入罐时流体上升到特定的水平。在一个实施例中，内外管205、210用铝制成。在其他的实施例中，内外管205、210 可由其他合适的材料制成(例如复合物、碳纤维等)。在飞行器燃料测定应用中，探针15的一个实施例可具有大约3和15英寸之间的长度，大约0. 5和2. 0英寸之间的直径。在其他的实施例中，探针15可具有短于3英寸或长于15英寸的长度，小于0. 5英寸或大于2. 0英寸的直径。在一示例性实施例中，为了保持内外管205、210之间的同轴关系并将外管205从内管210电气隔离，端盖220a和220b设置在外内管205、210的末端。端盖220a和220b 也可用于保护外内管205、210，并防止它们接触燃料罐75的顶部和底部。为了确保迅速的燃料水平变化不会导致探针15内外的燃料水平之间的显著差异，端盖220具有足够的换气和排放能力。另外，端盖220a、220b被设计为使得存气弯和存水弯(air and water traps) 不能形成。端盖220a、220b由合适的隔离材料制成，其能够将外管205从内管210电气隔离。在一个实施例中，端盖220a和220b由聚合物材料制成，例如Nylon或Teflon ,在其他的实施例中，端盖220a、220b可由其他合适的材料制成(例如隔离的不引起电干扰的聚合物等)。在一个实施例中，为了将各个燃料测定探针15安装在燃料罐75内，可使用一个或多于一个的安装支架22fe、225b。各个安装支架225可包含C形部分230，其尺寸被设计为容纳并俘获外管205;法兰部分235，其具有一个或多于一个的孔M0，用于容纳合适的紧固器。类似于端盖220a和220b，安装支架225可用合适的隔离材料制成，其能够将安装支架225从外管205电气隔离。在一实施例中，所述一个或多于一个的安装支架22fe、225b 由聚合物材料制成，例如玻璃填充的Nylon或Teflon 。在另一实施例中，安装支架22fe、 225b可用其他合适的材料制造(例如隔离的不引起电干扰的聚合物，等等)。如上面所讨论的是，各个燃料测定探针15可包含电容到数字电路，该电路包含电容到数字集成或离散电路、多工器、存储器等，其能够直接测量燃料测定探针15中的同轴板状电容器C5的电容。电容到数字电路将电容测量转换为数字信号。电容到数字电路可被定位在燃料测定探针15之中、之上或与之邻近的任何地方。在一实施例中，端盖220b可容纳其上安装电子部件的印刷电路板(PCB)(未示出)，除其他的部件之外，电子部件可包括⑶C电路；35、多工器60、EEPROM 55、输入/输出连接器250。
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在一个实施例中，挠性配线215连接到安装到端盖220b的PCB或与之集成。挠性配线215可连接到探针15的电极——内外管，使得当端盖220b安装到探针15的管时建立 PCB上的电路与电极之间的连接。在替代性实施例(未示出)中，电子部件可安装在附着到相反的端盖220a的印刷电路板上。在其他的实施例(未示出)中，电子部件可安装在附着到安装支架22 或22 的印刷电路板上。在又一实施例(未示出)中，电子部件可安装在附着到没有安装凸耳(tab)的附加支架的印刷电路板上。图3A示出了用于燃料测定探针的端盖220的一实施例的透视图。图示出了 PCB/配线组件300的实施例，其中，挠性配线215具有从PCB310伸出(stemming from)的两个末端21fe、215b。在该示例性实施例中，当端盖220安装到燃料测定探针时，挠性配线 215的一端21 可操作地连接到燃料测定探针的内管，而第二端21 连接到外管，或者反之。挠性配线215可以被可操作地连接到燃料测定探针的电极管，因此通过端盖220 的弹性施加的压力，通过导电环氧树脂、铆钉、钎焊剂等，固定PCB 310上的电路和电极管之间的电气连接。在一个实施例中，PCB 310至少部分地装在端盖220中，将连接器250保留为暴露在外。在另一实施例中，端盖220可被模制在PCB 310和连接器250的一部分上。在又一实施例中，可使用终端块代替连接器250。图4示出了可在燃料测定系统10中使用的数字燃料测定探针15的一实施例的框图。图5示出了此实施例的简化的原理图。在示例性实施例中，CDC电路35连接到多工器 60。EEPROM 55也连接到多工器60。多工器60的串行接口时钟输入连接到连接器250。多工器60的双向数据串行接口也连接到连接器250。这两个线(即多工器60的串行接口时钟输入和双向数据串行接口)一起构成连接到数据总线的串行接口，数据总线在探针15和燃料计算器单元20的微控制器之间承载所有寻址、控制、测量信息(其包括各个燃料测定探针15的测量得到的电容和温度，罐中的燃料的阻抗，存储在EEPROM 55中的校准参数)。在示例性实施例中，经由连接器250到探针15的电源电压输入被连接到电压调节器80。由电压调节器80，电力被分配给⑶C 35、多工器60、EEPROM 55以及其他的电路。电力从电源40被供到连接器250，以及到燃料测定探针15中的电子装置(图1)。连接器250 也具有到系统地的连接。到系统地的连接也可用作从燃料测定探针15到电源40的电源返回(return)(图 1)。在示例性实施例中，⑶C电路35的电容到数字激励电压输出可经由低阻抗导体连接到同轴板状电容器C5的内管210，低阻抗导体用于向内管210传送激励信号。CDC电路 35的电容性输入可经由类似的低阻抗导体连接到同轴板状电容器C5的外管205，该低阻抗导体用于传送与同轴板状电容器C5的电容成比例的信号，以便由CDC电路35转换为数字信号。低阻抗导体可采用多种形式，包括屏蔽或未屏蔽的电缆、同轴电缆、挠性配线等等。在一个实施例中，探针15包含温度传感器85。在示例性实施例中，温度传感器85 可为板载⑶C 35。在其他的实施例中，温度传感器85不必需要为板载⑶C 35。温度传感器85可以为离散的温度传感器，其安装在这样的位置使得罐中的温度可以相对较高的准确度测量。无论传感器85安装在哪里，可在传感器周围使用导热封装(potting)，以便确保测量得到的温度准确反映周围的燃料或空气温度。在示例性实施例中，温度传感器85测量温度，⑶C 35以数字格式将测量得到的温度信息传送到多工器60。温度传感器85可在工厂校准，以便提供高准确度温度测量。校准参数可存储在板载CDC 35中、EEPROM 55中或其他的计算机可读介质中。使用温度传感器85测量的燃料温度可显示在飞机座舱中。测量得到的温度也可用于计算燃料高度、燃料密度、燃料介电常数等。在一个实施例中，探针15包含污染监视电路100。在示例性实施例中，最好参照图 4理解，污染监视电路100可包含由电阻Rl和R2形成的电阻分压器，电阻分压器的一端连接到VD，另一端连接到地，中间连接被连接到管205末端的探针电容C5。污染监视电路100 还可包含缓冲器Al，其输入连接到同一点，管205末端的探针电容C5。缓冲器Al的输出连接到CDC 35中的模拟到数字转换器的电压输入。在电容测量之间，CDC 35对其模拟到数字转换器的电压输入进行采样，有效测量由Rl和R2形成的分压器的中心连接上的电压。当罐中的燃料未被污染时，燃料阻抗非常高。燃料作为绝缘体，因此非常小的电流流经电容C5，在CDC 35的模拟到数字转换器的电压输入上测量的电压近似为VD/(Rl/ R2+R1)。然而，如果污染(最常见的是水)进入燃料罐，被污染的燃料混合物的阻抗可能低于单独燃料的阻抗，导致流经电容器C5的电流由于混合物表现为绝缘体的特性较差而增大。因此，在CDC 35中的模拟到数字转换器的电压输入上的测量的电压变得不同于VD/ (R1/R2+R1)。因此，CDC 35中的模拟到数字转换器有效地测量燃料阻抗，当其采样电容测量之间的其电压输入时。CDC 35于是可将测量到的阻抗信息以数字格式传送到多工器60。 CDC 35中的模拟到数字转换器可被校准为提供高准确度的测量。校准参数可被存储在板载 ⑶C 35中、EEPROM 55中或其他的计算机可读介质中。⑶C电路35将测量到的信息转换为数字的，多工器60接收测量信息。多工器60 也可接收来自EEPROM 55的校准参数以及来自地址选择跳线器90的探针地址。地址选择跳线器90可在工厂中或在安装过程中被配置，以便经由所设置的地址唯一地识别各个探针15。在示例性实施例中，地址选择跳线器90包含六个跳线器，其连接到多工器的三个脚；两个跳线器，其连接到所述三个脚中的每一个，以便提供八种不同的地址。多工器60中的不同数量的脚与不同数量的跳线器一起可提供不同数量的唯一的地址，用于不同数量的燃料测定探针15。燃料测定探针的寻址也可通过多种其他的方法来实现，包括例如在EEPROM 55中或其他的计算机可读介质中存储寻址信息。在一个示例性实施例中，CDC电路；35 为 Analog Devices he &ModelNo. AD7745M 位电容到数字转换器。CDC电路35可以为现有技术中已知的多种其他的CDC集成或离散电路中的一种。补偿器图6示出了可用于燃料测定系统的补偿器探针600的一实施例的局部内透视图。 如上面所讨论的，在一示例性实施例中，燃料测定系统10可包含液体电介质传感器或补偿器30，用于确定燃料罐75中的燃料的介电常数或电容率。将会明了，燃料测定系统10不必包含补偿器。示例性的补偿器30装有补偿器探针600，其位于燃料罐75中，使得补偿器探针 600完全浸入燃料。补偿器探针600可类似于上面讨论的并在图2A、2B中示出的燃料测定探针15。在一个实施例中，如果已经知道燃料探针15在飞行的所有时间或大部分时间中完全浸入燃料，该燃料探针15可用作补偿器30，至少一直到该燃料探针15不再完全浸入燃料
9> . 、r -在示例性实施例中，补偿器探针600包含三个同轴管，外管620，中管625，内管 630，其用作有效地形成两个电容器的电容器电极。在示例性实施例中，中管和内管625、 630，彼此以恒定的距离D’间隔开，距离D’形成中管625和内管630之间的间隙。外管和中管620和625以恒定的距离D”彼此间隔开，距离D”形成外管620和中管625之间的间隙。由于补偿器探针600位于燃料罐75中使得补偿器探针600在大多数运行条件下完全浸入燃料，间隙D’和D”应当在大多数运行条件下完全填充燃料。在示例性的补偿器探针 600中，三个同轴管620、625、630具有其相应的间隙D’和D”，其有效地形成以燃料作为电介质的两个电容器。当两个电容器并联连接时，补偿器探针600的电容高于例如单个燃料探针15。增大的电容可允许较短的长度的探针，其能帮助补偿器探针600在大多数运行条件下浸入燃料，即使燃料罐中具有非常少的燃料。在一个实施例中，内管630可长于另外的两个管，以便促进探针的安装。为了保持各个相应的外管/中管和中管/内管对的同轴关系和电气隔离，端盖 (未示出)可被设置在管的末端上。端盖可由合适的隔离材料形成，其类似于制成上面讨论的端盖220的隔离材料。为了在燃料罐75内安装补偿器探针600，可使用一个或多于一个的安装支架(未示出)。安装支架可用合适的隔离材料制成，其类似于制造上面讨论的安装支架225的隔离材料。在预言性的实施例中，除包含例如两个独立电容器探针等的同轴管以外，补偿器探针可用多种其它的配置形成。燃料的介电常数可随着温度和燃料类型变化。即使在同样的温度下，一种燃料类型的一批燃料可具有与同种燃料类型的第二批燃料不同的介电常数。通过测量补偿器探针 600中的电容器的并联电容，可计算燃料罐75中的燃料的介电常数。除补偿器探针600外， 补偿器30可包含电容到数字转换器(CDC)电路，其能够直接测量补偿器探针600的电容， 并将电容测量转换为数字信号。补偿器30的电路可位于补偿器探针600之上、之内或与之邻近的任何地方。例如， 用于将补偿器探针600安装到燃料罐75的一个安装支架(未示出)可容纳补偿器30的电路。在这一实例中，安装支架可包含印刷电路板(PCB)(未示出)，补偿器30的电路安装到该电路板；输入/输出连接器。在一替代性实施例(未示出)中，安装支架可在PCB和连接器的一部分上模制而成。在其他的实施例(未示出)中，补偿器30的电路可安装在附着到任何端盖中的一个的印刷电路板。在其他的实施例(未示出)中，补偿器30的电路可安装在附着到没有安装凸耳的附加支架的印刷电路板。探针/补偿器在一个实施例中，测定系统可包含探针/补偿器，其包含燃料探针部分，用于测量燃料高度；补偿器部分，其在探针/补偿器的底部，用于测量燃料介电常数。燃料探针和补偿器部分可分别由燃料计算器读�。圆饬客还尬恢玫慕榈绯Ｊ腿剂细叨龋虼思跣“沧暗愫土拥淖苁�。在一实施例中，探针/补偿器可装有两通道CDC集成电路，使得燃料高度和介电常数的同时分别测量成为可能。探针和补偿器到燃料计算器单元的连接
参照图7，在示例性实施例中，燃料测定探针15经由一个或多于一个的数据总线
70和70，连接到微控制器45。在一个实施例中，一组探针15aU5bU5c......15η可经由
数据总线70连接到多工器65。第二组探针15a'、15b'、15c，......15η，可经由数据总
线70’连接到多工器65。多工器65又将解多工后的数据传送到微控制器45。将会明了， 这种连接布置仅仅是多种可能的连接布置的一个实例。依赖于数据总线的类型，系统10还可包含一个或多于一个的端接网络95和95，。端接网络95和95，可能是必需的，以便消除数据总线70和70’上的信号反射，从而确保可靠的数据通信。燃料测定系统的运行在一个实施例中，在燃料测定系统10的运行期间，如上面所讨论的以及附图所示的，电源40将电力供到各个燃料测定探针15和补偿器30。各个探针15的CDC电路35直接测量各个探针15的电容，而补偿器30的CDC电路735直接测量补偿器探针600的电容。 对于燃料测定探针15和补偿器30的补偿器探针600的测量到的电容于是以数字格式经由数据总线70传送到微控制器45。测量到的探针的电容与浸湿的检测长度(WSL)或燃料浸湿的探针长度部分的变化以及燃料的介电常数成比例。因此，WSL可使用下面的公式计算WSL = L/ (Cm-Ce) / [Cvae (K-I)]公式 1其中，Cm为测量得到的浸湿的探针电容，CeS表征空的或干的探针电容的常数，Cvak 为通过将之用具有确切地为2的介电常数的理论燃料覆盖而加到探针或补偿器的电容，故 K-I = 1，Κ为测量温度下的燃料的介电常数，L典型地为探针管的长度，其可能变化，以调节探针的斜率WSL vs Q。首先，使用下面的公式，使用补偿器、探针/补偿器的补偿器部分或完全覆盖的燃料探针来计算罐中的燃料的基准介电常数Kref Kref = (Cm-Ce)/C職+1 公式 2于是，各个燃料探针上的K可使用下面的公式来确定K = Kref+Bk (T-Tref)公式 3其中，Kref为基准介电常数，Tref为基准温度常数， 为常数，表示K vs T的曲线的斜率。当燃料探针上的温度显著远离用于确定的位置(补偿器、探针/补偿器、或覆盖的燃料探针)的温度变化时，上面的计算用于对于特定的燃料罐或燃料探针位置将介电常数调节得更精确，并减小确定高度(WSL)的误差。下面，使用各个燃料测定探针15的测量得到的电容和计算得到的燃料的介电常数，微控制器45可使用公式1对于各个探针15计算WSL。各个探针15的WSL于是可由微控制器45基于燃料罐的几何形状转换为与各个探针15对应的局部燃料容积的测量。接着， 微控制器45可将对于各个探针15计算的局部燃料容积进行求和，以便获得对于各个燃料罐的总燃料容积。如果希望得到以重量或质量(例如磅)为单位的燃料量，与燃料容积(例如加仑) 相反，微控制器45可使用下面的公式计算燃料的重量或质量W W = V * ρ 公式 4其中，V为对于各个燃料罐的总燃料容积，P为在测量温度下在相应的燃料罐内的燃料的密度。飞行器上的总燃料量于是可由个体罐燃料量确定的总和来计算。燃料密度可由设置在燃料罐75内或燃料系统的其他地方的密度计25测量。或者，燃料密度可使用密度Vs燃料介电常数的传统公式通过测量得到的燃料介电常数来推断。由于燃料温度可在翼舱的不同的位置或隔间显著变化，还可能希望使用下面的公式对各个隔间或各个燃料探针上的燃料密度进行调节P = P ref+Bp (T-Tref)公式 5其中，ρ ref为基准燃料密度，Tref为基准密度被测量的位置上的燃料温度，Dp为表示P Vs. T的曲线的斜率的常数。当燃料探针上的温度显著远离用于确定的位置(密度计)上的温度变化时，上面的计算用于对于特定燃料罐或燃料探针位置将燃料密度调节得更为精确，并减小高度判断中的误差(WSL)。或者，在各个燃料探针或各个隔间的介电常数首先使用公式3计算的情况下，各个燃料探针或各个隔间的燃料密度可使用传统的密度 VS燃料介电常数公式推断。这里使用的“计算机可读介质”指的是参与直接或间接提供信号、指令和/或数据的介质。计算机可读的介质可采用这样的形式其包括但不限于非易失性介质、易失性介质、传输介质。非易失性介质可包括例如光或磁盘等等。易失性介质可包括例如光或磁盘， 动态存储器等。传输介质可包括同轴电缆，铜线，纤维光缆等。传输介质还可采用电磁辐射的形式，类似于无线电波和红外数据传输中产生的，或采用一个或多于一个的信号组的形式。计算机可读介质的一般形式包括但不限于软盘、柔性盘、硬盘、磁带、其它的磁介质， CD-ROM,其它的光介质，穿孔卡片，纸带，具有孔的图样的其他物理介质，RAM, ROM, EPR0M,闪速EPR0M，或其它的存储器片或卡，存储棒，载波/脉冲，以及计算机、微控制器、微处理器或其它电子装置能够读取的其他的介质。“可操作的连接”或实体通过其“被可操作地连接”的连接是这样的连接其中，信号、物理通信和/或逻辑通信可被发送/接收。典型地，可操作的连接包括物理接口、电气接口和/或数据接口，但是，将要注意，可操作的连接可包括这些或足够允许可操作的控制的其它类型连接的不同的组合。例如，两个实体可以通过能够直接或通过一个或多于一个的中间实体——例如处理器、操作系统、逻辑、软件或其它实体——彼此传送信号来可操作地连接。逻辑和/或物理通信通道可用于产生可操作的连接。可操作的连接也可包括压力接触连接以及通过导电环氧树脂、钎焊剂、铆钉等固定的连接。术语“包括”或“包含”用在说明书或权利要求书中，用于包括性目的，类似于术语 “具有”在权利要求中用作过渡词时。另外，使用术语“或” “例如A或B”表示“A或B或二者”。当申请人旨在表示“仅仅A或B但不是二者”时，将使用“仅A或B而不是二者”。因此，术语“或”在这里作为包括性，而不是排除性。参见Bryan A Garner的A Dictionary of
Modern Legal Usage 624(第二版 Ed 1995)。另外，术语“在......之中”、“到......之
中”用在说明书或权利要求书中时，旨在附加地表示“在......之上”、“到......之上”。
另外，术语“连接”用于说明书或权利要求书中时，旨在不仅仅表示直接连接到，还有“间接连接到”，例如通过另一部件或多个不见。尽管本申请示出了多个实施例，尽管这些实施例已经在某些细节上介绍，申请人并非旨在限制或以任何方式将权利要求的范围限制为这些细节。本领域技术人员将会想到另外的优点和修改。因此，本发明在其更为宽广的实施形态上不限于这里示出和介绍的特定细节和说明性实例。因此，在不脱离申请人要求的发明的精神或范围的情况下，可作出对这些细节的修改。另外，前面的实施例是说明性的，没有一个特征或元件是对于可能在此申请或后续申请中要求的所有可能的组合是必需的。
权利要求
1.一种燃料测定系统，其用在具有燃料罐的飞行器上，该系统包含燃料计算器单元；以及一个或多于一个的燃料探针，其被配置为安装在燃料罐中，并至少部分地浸入燃料，浸入的燃料探针构成以燃料为电介质的电容器，燃料探针具有电容到数字(CDC)电路，用于测量电容器的电容，将测量到的电容转换为测量到的电容的数字表示，将测量到的电容的数字表示编码为数字信号，并将数字信号传送到燃料计算器单元，用于使燃料计算器单元至少部分地基于测量到的电容计算燃料罐中的燃料量。
2.权利要求1的燃料测定系统，其中，所述一个或多于一个的燃料探针中的至少一个包含温度传感器，其用于测量温度，将测量到的温度转换为测量到的温度的数字表示，将测量到的温度的数字表示编码为数字信号。
3.权利要求2的燃料测定系统，其中，基准燃料介电常数基于测量到的温度受到调节。
4.权利要求3的燃料测定系统，其中，推知的燃料密度基于调节后的燃料介电常数受到调节。
5.权利要求2的燃料测定系统，其中，基准燃料密度基于测量到的温度受到调节。
6.权利要求1的燃料测定系统，其中，CDC电路布置在端盖内，且其中，CDC电路至少部分地经由挠性配线可操作地连接到电容器。
7.权利要求1的燃料测定系统，其还包含密度计，密度计可操作地连接到燃料计算器单元，用于确定燃料罐中的燃料的密度。
8.权利要求1的燃料测定系统，还包含补偿器，补偿器被配置为安装在燃料罐中并浸入燃料，构成以燃料为电介质的一个或多于一个的补偿器电容器，补偿器具有补偿器电容到数字(CDC)电路，用于测量所述一个或多于一个的补偿器电容器的电容，将测量到的所述一个或多于一个的补偿器电容器的电容转换为测量到的所述一个或多于一个的补偿器电容器的电容的数字表示，将测量到的所述一个或多于一个的补偿器电容器的电容的数字表示编码为补偿器数字信号，将补偿器数字信号传送到燃料计算器单元，用于使燃料计算器单元至少部分地基于测量到的所述一个或多于一个的补偿器电容器的电容计算燃料罐中的燃料的介电常数。
9.权利要求8的燃料测定系统，补偿器包含温度传感器，用于测量温度，将测量到的温度转换为测量到的温度的数字表示，将测量到的温度的数字表示编码为补偿器数字信号， 其中，燃料计算器单元至少部分地基于测量到的温度来计算燃料罐中的燃料的介电常数。
10.权利要求1的燃料测定系统，其还包含探针/补偿器，探针/补偿器包含燃料探针部分和补偿器部分，探针/补偿器被配置为安装在燃料罐中并至少部分地浸入燃料，探针/ 补偿器可操作地连接到燃料计算器单元，其中，探针/补偿器包含多通道电容到数字电路 (CDC)，其用于独立地测量补偿器部分和探针部分的电容，将测量到的电容转换为测量到的电容的数字表示，将测量到的电容的数字表示编码为数字信号，其中，燃料计算器单元至少部分地基于测量到的电容计算燃料罐中的一个竖直位置的燃料量和介电常数。
11.一种设备，用于容纳液体的罐，该设备包含探针，其被配置为安装在罐中，用于至少部分地浸入液体，探针包含同轴管，以及电容到数字(CDC)电路，其可操作地连接到同轴管，用于直接测量电容并将测量到的电容转换为数字信号输出。
12.权利要求11的设备，其中，⑶C电路被布置在探针的端盖内，配线可操作地将⑶C 电路连接到探针内的同轴管。
13.一种流体测量系统，包含一组可寻址电容性检测探针，其被配置为在用于浸入流体之中的位置上安装在流体罐中，各个电容性检测探针具有与之相关联的电路，用于确定与电容性检测探针的电容对应的值，并用于将该值转换为数字信号，其中，电容依赖于流体罐内的流体水平而变化；到所述一组可寻址电容性检测探针中的每一个的电气通信路径；以及计算器，其有选择地在电气通信路径上对可寻址电容性检测探针中的确定的第一个进行寻址，并由之获得第一数字信号，计算器基于第一数字信号确定流体的介电常数，其中， 计算器有选择地在电气通信路径上对所述一组可寻址电容性检测探针中的其他探针进行寻址，并由之获得对应的数字信号，其中，计算器基于包括所确定的流体介电常数和来自所述一组可寻址电容性检测探针的其他探针的对应数字信号在内的数据来确定流体测量。
14.权利要求13的流体测量系统，其还包含被配置为测量流体密度的密度计。
15.权利要求13的流体测量系统，其还包含被配置为检测流体温度的温度传感器。
16.权利要求13的流体测量系统，其还包含电源，电源被配置为经由电气通信路径或电源路径向所述一组可寻址电容性检测探针供给电力。
17.权利要求16的流体测量系统，电源可操作地连接到计算器，使得计算机至少部分地控制供到所述一组可寻址电容性检测探针的一个或多于一个的可寻址电容性检测探针的电力。
18.权利要求13的流体测量系统，各个可寻址电容性检测探针具有与之相关联的存储器，用于存储包括一个或多于一个的校准数据以及可寻址电容性检测探针地址的初始化数据，其中，计算器在电气通信路径上获得初始化数据，并至少部分地基于初始化数据确定流体测量。
19.权利要求13的流体测量系统，各个电容性检测探针包含两个或多于两个的处于同轴关系或内部关系的管，其中，所述两个或多于两个的管的相邻管以构成相邻管之间的间隙的距离分开，用于使流体进入间隙，达到与流体罐内的流体水平相等的高度，其中，相邻管之间的电介质由露出该高度之上的间隙的第一部分中的空气和浸入流体的间隙的第二部分中的流体构成，其中，同轴关系或内部关系由位于管的一个或多于一个的末端上或沿着管的一个或多于一个的盖子保持，各个电容性检测探针包含一个或多于一个的安装支架，所述一个或多于一个的安装支架中的每一个包含第一部分和第二部分，第一部分的形状被设计为容纳所述两个或多于两个的管中的外管，第二部分具有用于将电容性检测探针安装在流体罐中的装置，且其中，所述一个或多于一个的盖或所述一个或多于一个的安装支架容纳电路。
全文摘要
一种流体测量系统，其使用一个或多于一个的数字探针，数字探针在数字母线上与流体测定计算器通信。数字探针将电容加入数字电路，数字电路将探针电容转换为数字值。该数字值经由数字总线被传送到燃料测定计算器。
文档编号G01F23/26GK102472657SQ201080024284
公开日2012年5月23日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月3日
发明者J·纳林, M·A·赫斯林, P·A·巴霍里希, V·伊萨 申请人:伊顿公司
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