(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上昇した温度で動作する装置（１０８）の性能パラメータを監視するための監視システム（１０）であって、
前記装置（１０８）に取付けられ、該装置の性能パラメータを検知し、アナログセンサ出力を生成するセンサ（２０）と、
１２５℃を超える第１の温度に曝されるように前記装置（１０８）に十分に近接して取付けられる少なくとも１つのハブユニット（１４）であって、前記センサ（２０）からのアナログセンサ出力を受ける手段と、制御回路基板（２２）と、少なくとも１つの信号調節回路基板（２４）とを備え、前記制御回路基板（２２）と前記信号調節回路基板（２４）とが協働して動作し、前記アナログセンサ出力を調整し、対応するデジタルデータを生成する構成のハブユニット（１４）と
を備え、
前記制御回路基板（２２）と前記信号調節回路基板（２４）とが、アナログ信号処理経路を画成し、コンポーネントの老化、及び前記ハブユニット（１４）が曝される前記第１の温度の変化に応じて変動する精度及び正確度特性を有する電気回路コンポーネント（４６、４８、５０）を備え、
前記監視システム（１０）は、前記第１の温度未満の第２の温度に曝されるように前記装置（１０８）に十分に近接して取付けられるコレクタユニット（１６）を更に備え、
前記コレクタユニット（１６）は、
電源（２８）と、前記ハブユニット（１４）からデジタルデータを受ける手段とを備え、
前記電源（２８）が前記ハブユニット（１４）の前記コレクタユニット（１６）と、前記制御回路基板（２２）と、前記信号調節回路基板（２４）、及び前記センサ（２０）に電力を供給し、
システム電圧基準デバイス（３２）と該システム電圧基準デバイス（３２）を調整された温度に保つ手段（５４、５６、５８）とを格納する筐体（３０）と、基準電圧を生成する前記システム電圧基準デバイス（３２）とを備え、
前記監視システム（１０）が、基準電圧とゼロ電圧とを前記信号調節回路基板（２４）に周期的に印加することによって連続的な較正法を実行して、前記制御回路基板（２２）と前記信号調節回路基板（２４）との電気回路コンポーネント（４６、４８，５０）の変動に起因する前記アナログ信号処理経路内のエラーを判定し、除去する手段を更に備え、
前記監視システム（１０）は、前記第２の温度未満の第３の温度に曝されるように前記装置（１０８）から十分に離れた位置にあるディストリビュータコンピュータユニット（１８）であって、前記コレクタユニット（１６）からデジタルデータを受ける手段と、前記デジタルデータを処理して前記装置（１０８）の前記性能パラメータを評価する手段とを備える構成のディストリビュータコンピュータユニット（１８）をさらに備える、
監視システム（１０）。
【請求項２】
前記ハブユニット（１４）が前記装置（１０８）上に直接取付けられることを特徴とする、請求項１に記載の監視システム（１０）。
【請求項３】
前記コレクタユニット（１６）が、前記装置（１０８）、又は該装置（１０８）を支持する試験スタンド（１００）に直接取付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の監視システム（１０）。
【請求項４】
前記ディストリビュータコンピュータユニット（１８）が、制御された環境を有する筐体（４２）内に格納されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の監視システム（１０）。
【請求項５】
前記第２の温度が、５５℃以上、１２５℃未満であり、前記第３の温度が５５℃未満であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の監視システム（１０）。
【請求項６】
前記制御回路基板（２２）及び前記信号調節回路基板（２４）の少なくとも幾つかの電気回路コンポーネント（４６、４８、５０）が、シリコンオンインシュレータ基板上に実装されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の監視システム（１０）。
【請求項７】
前記センサ（２０）が発生する複数の前記アナログセンサ出力を多重化して、個々の多重化アナログ出力を生成するための前記信号調節回路基板（２４）上の手段（６０、６２、６４）と、
前記個々の多重化アナログ出力の前記アナログセンサ出力をスケーリングし、対応する前記デジタルデータがそれをもとに生成される個々の調節された多重化アナログ出力を生成するための、利得（６４）を調整可能な少なくとも１つの増幅器（６２）とを更に備え、前記増幅器（６２）及び前記調整可能な利得（６４）は、前記制御回路基板（２２）に制御される、請求項１から６のいずれか一項に記載の監視システム（１０）。
【請求項８】
前記多重化手段（６０、６２、６４）によって生成される前記個々の多重化アナログ出力が、前記多重化手段（６０、６２、６４）によって生成され、複数の個々の調節された多重化アナログ出力を生成するために前記増幅器（６２）によってスケーリングされる複数の個々の多重化アナログ出力の１つであり、各々の個々の多重化アナログ出力が、前記センサ（２０）が発生する前記アナログセンサ出力の対応するセットから生成され、前記信号調節回路基板（２４）が、前記アナログセンサ出力のセット間の整定時間を短縮し、前記制御回路基板（２２）の処理能力を高めるために、前記個々の調節された多重化アナログ出力をインターリーブする手段（６６、６８）を更に備えることを特徴とする、請求項７に記載の監視システム（１０）。
【請求項９】
前記装置（１０８）がガスタービンエンジン（１０８）であり、前記ハブユニット（１４）が前記エンジン（１０８）のカウルの下に取付けられ、前記コレクタユニット（１６）が、前記エンジン（１０８）を支持する試験スタンド（１００）、又は前記エンジン（１０８）のファンケース上に取付けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の監視システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電子機器に関し、特に、ガスタービンエンジン又はその近傍の高温環境で動作可能な電子ハードウエアを含む積層構造ユニットを有する監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のガスタービンエンジンは、開発中並びに製造及びその後の整備中に試験を受ける。様々な温度、圧力、流量、力、回転速度などを含むエンジン性能を評価するため、通常は多くのエンジン性能パラメータが監視される。非限定的な例として、通常はエンジン吸気口、圧縮機及び排ガスの温度、ファン、圧縮機及びタービン部内の圧力、燃料及び空気流の流量、圧縮機及びファンのロータ速度、ブレードの先端隙間、機械的応力及び部品振動を監視することが望ましい。開発及び飛行試験中の航空機エンジンは、関連する様々なパラメータを監視する数千ものセンサを必要とすることがある。
【０００３】
エンジン試験は、通常は屋外にあることが多い定置試験スタンドで行われる。このような試験スタンド１００の非限定的実施例が図１に概略的に示されている。スタンド１００は、地面の土台１０４に取付けた縦の支柱１０２と、試験用に航空機エンジン１０８がそこから取付けられる柱１０２上に取付けたヘッド（スラスト）フレーム１０６とを含むものとして示されている。ヘッドフレーム１０６は、特定のエンジン１０８のために適宜構成されたパイロン１１２でエンジン１０８が装着されるアダプタ１１０を含む。
【０００４】
エンジン試験中、エンジン１０８及びその隣接周囲が極めて高温に達することがある。例えば、エンジンカウル（ナセル）１１４の下のエンジンコアの周囲、並びにヘッドフレーム１０６及びそのアダプタ１１０では、温度が２６０℃又はそれ以上に近付くことがある。これらの温度に耐えるように、エンジン１０８を監視するために使用されるセンサが開発されてきたが、センサのデータを処理する電子機器は大幅に低い温度に制限されていた。例えば、代表的な市販の電子コンポーネントは約８５℃に制限されることが多く、軍事用の標準コンポーネントでさえ通常は１２５℃以下を定格としている。従って、各センサは通常、制御された環境を備えた密閉施設内に位置することが多い遠隔データ取得システムに出力信号を搬送する別個の連続ワイヤ又はチューブを必要とする。施設は、エンジン試験スタンドから、例えば５０メートルから３００メートル以上のかなりの距離だけ離れていることが多い。膨大な（何千本である可能性がある）データワイヤ及びデータチューブの経路指定、管理及び保守にはかなりの努力が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７７３９２１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ワイヤ及びチューブの長さと本数とを減少させることができれば有用且つ有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上昇した温度で動作する、例えばガスタービンエンジンなどの性能パラメータを監視するシステムを提供する。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、システムは、装置に取付けられ、装置の性能パラメータを検知し、アナログセンサ出力を生成するセンサと、１２５℃を超える第１の温度に曝されるように装置に十分に近接して取付けられる少なくとも１つのハブユニットと、第１の温度未満の第２の温度に曝されるように装置に十分に近接して取付けられるコレクタユニットと、第２の温度未満の第３の温度に曝されるように装置から十分に離れた位置にあるディストリビュータコンピュータユニットとを含む。ハブユニットは、センサからのアナログセンサ出力を受ける手段と、制御回路基板と、センサのアナログセンサ出力を調節し、対応するデジタルデータを生成する少なくとも１つの信号調節回路基板とを備える。コレクタユニットは、ハブユニットからのデジタルデータを受ける手段と、コレクタユニット、ハブユニットの制御回路基板及び信号調節回路基板に電力を供給する電源と、センサとを備える。ディストリビュータコンピュータユニットは、コレクタユニットからのデジタルデータを受ける手段と、デジタルデータを処理して装置の性能パラメータを評価する手段とを備える。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、監視システムは、定置試験スタンド上で動作するガスタービンエンジンのエンジン性能パラメータを監視するように構成され、設置される。上記のある態様に加えて、制御回路基板及び信号調節回路基板は各々、アナログ信号処理経路を画成し、コンポーネントの老化、及びハブユニットが曝される温度の変化に応じて変動する精度及び正確度特性を有する電気回路コンポーネントを備える。該システムは更に、基準電圧とゼロ電圧とを信号調節回路基板に周期的に印加することによって連続的な較正法を実行して、制御回路基板と信号調節回路基板との電気回路コンポーネントの変動に起因するアナログ信号処理経路内のエラーを判定し、除去する手段を含んでもよい。該システムは又、センサが発生する複数のアナログセンサ出力を多重化して、個々の多重化アナログ出力を生成するための信号調節回路基板上の手段と、個々の多重化アナログ出力のアナログセンサ出力をスケーリングし、対応するデジタルデータがそれをもとに生成される個々の調節された多重化アナログ出力を生成するための、利得調整可能な少なくとも１つの増幅器とを含んでもよい。増幅器、及びその調整可能な利得は制御回路基板によって制御される。
【００１０】
本発明の技術的効果は、ディストリビュータユニットよりも大幅に高温で動作可能なハブ及びコレクタユニットを含むようにシステムを階層化することによって、監視される装置の極めて近傍のハブ及びコレクタユニットにより、監視システムのあるタスクを実行可能であり、一方、デジタルデータを処理するために従来使用されている温度感受性がより高いハードウエアを使用して、装置から遠隔位置にあるディストリビュータユニットによって、デジタルデータ処理などの別のタスクを実行可能にすることである。好適な実施形態では、ハブ及びコレクタユニットとその電子ハードウエア、具体的にはハブユニットの制御回路基板と信号調節回路基板は、好ましくは能動冷却を使用せずに、特に高温動作に適応するように構成される。本発明の第２の態様によれば、ハブユニットの多重化能力によって、遠隔位置にあるディストリビュータユニットにデータを伝送するために必要なワイヤ又はケーブルの数が減少し、連続的な較正法によって、そうしないとハブユニットのコンポーネントの老化、及び高温環境に起因する変動を生じ易い制御回路基板及び信号調節回路基板の電気回路コンポーネントの精度及び正確度特性の結果としてアナログ信号処理経路内に生じるかもしれないエラーが除去される。
【００１１】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより明確に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガスタービンエンジンの試験スタンドの概略図である。
【図２】図１に示すタイプのような試験スタンドに取付けられる間に、ガスタービンエンジン動作の性能パラメータを監視するように構成された監視システムの階層化されたユニットを示すブロック図である。
【図３】監視システムのプロセッサ制御回路基板の詳細を含む、図２の監視システムのあるコンポーネントを示すブロック図である。
【図４】図２の監視システムのアナログ信号調節回路基板を示すブロック図である。
【図５】図２の監視システムのコレクタコンピュータと共に使用する電圧基準デバイスを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２は、例えば図１に示す試験スタンド１００などの定置試験スタンド上にガスタービンエンジンが取付けられ、動作する間のエンジンの性能パラメータを監視するように構成された、監視システム１０の様々なユニットを示すブロック図である。システム１０は、オンウイング飛行試験中、並びに航空機の通常の運航中にエンジンを監視するためにも使用できる。監視システム１０は特にガスタービンエンジンの監視に適し、便宜上図１のエンジン１０８及びそのスタンド１００を参照して記載するが、システム１０の使用はこのような用途に限定されない。むしろ、システム１０は、上昇した温度に曝される環境で動作する装置の性能パラメータを監視することが望まれ、又は必要とされる広範な状況により広く利用できる。
【００１４】
図２に示すように、システム１０は一般に、ガスタービンエンジン１０８に対する４つの環境３４、３６、３８及び４０にあるユニット１２、１４、１６及び１８を有するものとして特定されている。第１ユニット１２は、エンジンの性能を評価する目的で、エンジン１０８の性能パラメータを監視するために、エンジン１０８内及びその周囲に適宜配置されたセンサ２０のアレイを備える。システム１０は任意の数のセンサ２０を使用してもよく、センサ２０は、図１を参照して前述したように、例えばエンジン１０８の温度、圧力、流量、力、回転速度などを監視するための様々なタイプのセンサでよい。あるタイプのセンサ２０は通常、熱電対、抵抗温度検知器（ＲＴＤ）、及び圧力変換器を含め、エンジン動作の監視中に大量に使用される。センサ２０は対象のパラメータを直に検知するように配置されるので、図２において、センサ２０のユニット（アレイ）１２は、システム１０が２００℃を超える最高温度に曝されることが多く、２６０℃以上にも達することがある「高温エンジン環境」３４に置かれるものとして示されている。システム１０で使用するのに適するセンサ２０は市販され、ガスタービンエンジンのパラメータを監視するために一般に使用されており、従って、本明細書では詳細には記載しない。センサ２０が発生する特定の出力信号はセンサ２０のタイプによって決まるが、ほとんどの場合、信号はアナログ信号であり、そのデータがエンジンの性能を評価するコンピュータ処理装置によって使用されるようにデジタル化されなければならない。
【００１５】
システム１０の残りの主要ユニット１４、１６、及び１８は、図２において、より低い温度の発生が見込まれる環境３６、３８、及び４０にある。これらのユニットの第１ユニットはハブユニット１４と呼ばれ、センサ２０は、使用される特定のタイプのセンサと共に一般に使用される任意の適当なワイヤ、チューブ、又はその他の適当なコネクタを介してハブユニットと直接通信する。図２に示すハブユニット１４は通常、センサ２０の数及び各ハブユニット１４が対応できるセンサ２０の数に応じて、システム１０内で使用し得る幾つかのハブユニット１４の１つである。センサ２０の環境３４と同様に、ハブユニット１４の環境３６は、ハブユニット１４がエンジン１０８の極めて近傍、例えばエンジンカウル１１４の下のエンジンコアの環境など、エンジン１０８の約３メートル以内に位置するようにされているので「高温エンジン環境」３４と呼ばれる。エンジン１０８の真上及びそのカウル１１４の真下の位置の他に、別の位置には、システム１０が依然として極めて高温に曝されるスタンド１００のヘッドフレーム１０６又はアダプタ１１０上の隣接位置が含まれる。例えば、カウル１１４の下、又はヘッドフレーム１０６、又はアダプタ１１０の隣接位置の温度は１２５℃を超えることが多く、例えば２００℃以上、及び可能性としては２６０℃以上にも上る極めて高温に達することがある。その結果、ハブユニット１４の電子コンポーネントは、従来の電子コンポーネント、更には軍事用標準部品で可能な温度よりも大幅に高い温度に耐えることができなければならない。
【００１６】
これに対して、コレクタユニット１６及びディストリビュータユニット１８と呼ばれるシステム１０の残りの２つのユニット１６及び１８の環境３８及び４０は、「エンジン近傍環境」３８、及び「低温環境」４０として特定される。前者がそう呼ばれるのは、コレクタユニット１６はエンジン１０８の近傍に位置するが、ハブユニット１４程にはエンジンコアに近くないように配置されているからである。例えば、コレクタユニット１６を、エンジン１８のコアから約３〜１０メートルの距離でエンジンファンケース環境内に、又はヘッド（スラスト）フレーム１０６などのスタンド１００上に配置してもよい。これらの位置では、温度は通常５５℃を超えるが、２６０℃よりは大幅に低く、通常は１２５℃未満である。その結果、コレクタユニット１６の電子コンポーネントは通常、ハブユニット１４ほど高くはないが高温に耐えることができなければならない。ある状況では、定格が１２５℃までの軍用標準部品を使用してもよく、場合によっては定格が８５℃までの従来の電子コンポーネントを使用してもよい。
【００１７】
一方、ディストリビュータユニット１８の低温環境４０では、定格が８５℃未満の従来の電子コンポーネントを使用できる。環境４０は、ディストリビュータユニット１８が、例えば試験スタンド１００の近傍にあり、温度を５５℃未満に保つ空調で安定化された密閉施設などの制御された温度環境にあることができ、好ましくは配置されるため「低温」と呼ばれる。オンウイングのエンジン運転では、環境４０は航空機内でもよい。ディストリビュータユニット１８は好ましくはシステム１０の最大の処理力を有しており、従って、一般的に、図２のディストリビュータコンピュータ４２によって集合的に示される、データ処理用に構成された１つ又は複数のコンピュータサーバ、パーソナルコンピュータ、及び／又はその他の処理装置を備える。以下に記載するリアルタイムの較正機能に加えて、ディストリビュータコンピュータ４２は更に、エンジニアリングユニット変換、システム構成、及びデータベース機能の能力を備えてもよい。ディストリビュータコンピュータ４２に適した装置は温度感受性が比較的高いことが多く、従って、概ね室温で格納されることが有利である。低温環境４０は通常は、エンジン試験スタンド１００から、例えば５０メートルを超える遠隔位置にある。
【００１８】
図２は、プロセッサ制御回路基板２２と、１つまたは複数のアナログ信号調節回路基板２４とを備えるものとしてハブユニット１４を概略的に示す。これらの回路基板２２及び２４は好ましくは、図２に基板２２と２４とを完全に囲むものとして概略的に示すハウジング４４内に封入される。プロセッサ制御回路基板２２とアナログ信号調節回路基板２４とは協働してセンサ２０のアナログ出力信号を、ディストリビュータユニット１８による処理が可能なデジタル信号に変換する。本発明の好ましい態様によれば、プロセッサ制御回路基板２２及びアナログ信号調節回路基板２４は更に連係して、アナログ−デジタル変換の前にセンサ２０から受信したアナログ出力信号の完全性を保証するため、追加の処理プロセスを行う。以下により詳細に説明するように、このような追加処理プロセスの１つは、コンポーネントの老化、及びハブユニット１４が曝される極端な温度変化などの温度変化の結果生ずることがあるアナログ信号調節回路基板２４及びプロセッサ制御回路基板２２の電子コンポーネントの精度及び正確度特性の何らかの変動を検知する連続較正機能を備えることである。較正機能は、コレクタユニット１６、より具体的にはユニット１６のコレクタコンピュータ２６を介してハブユニット１４から取得したデジタルデータのリアルタイム補正を行うために、ディストリビュータコンピュータ４２が使用できる較正データを作成する。別の好ましい処理は、複数のセンサ２０のアナログ出力信号を多重化アナログ出力へと多重化して、例えばＲＳ−４８５シリアル通信ケーブルなどのシリアルデータコネクタを介してデジタルデータをコレクタユニット１６に伝送するために必要な接続部品の数を減らす。更に別の好ましい処理プロセスは、多重化されたアナログ出力の個々のアナログ出力信号が出力間でより迅速に「整定」するように、１つのグループ（バンク）のセンサ２０の多重化されたアナログ出力に、別のバンクのセンサ２０の多重化されたアナログ出力をインターリーブすることである。ハブユニット１４の上記及びその他の態様は以下に更に詳細に記載する。
【００１９】
コレクタハブ１６は、コレクタコンピュータ２６、電源２８、及び以下により詳細に説明するように、システム電圧基準デバイス３２を含む温度制御環境３０を備えるものとして図２に概略的に示されている。電源２８の主機能は、（必要に応じた）センサ２０と、ハブユニット１４内に格納された電子コンポーネントとを含むシステム１０の電子コンポーネントに電力を供給することである。好ましい電源２８は、スイッチング調整器前端とリニア調整器後端とを有する二重配置設計の電源である。各ハブユニット１４に複数の別個に調整される電圧を生成して、システムの故障耐性を高め、ノイズ結合を低減するように、電源２８を構成してもよい。コレクタコンピュータ２６は、デジタルデータをディストリビュータユニット１８のディストリビュータコンピュータ４２に転送する前に、ハブユニット１４、並びにシステム１０に含まれるいずれかの追加のハブユニット１４からデジタルデータを受信する。コレクタコンピュータ２６は好ましくは、例えば射程間計装グループ（ＩＲＩＧ）のタイムコード、又はネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）を使用して、ディストリビュータコンピュータ４２へのデジタルデータストリームを同期化するロギング機能を有するように構成される。より具体的には、コレクタコンピュータ２６は好ましくは、ハブユニット１４から来る複数のデジタルデータストリームを正確にタイムスタンプし、データをフレーム内にパッキングし、次いで、例えばファイバベースのイーサーネット接続を経てデータをディストリビュータコンピュータ４２に送信することによって、複数のハブユニット１４から受信したデジタルデータ用のインテリジェントスイッチとして動作する。複数のデータストリームをタイムスタンプし、データをフレーム内にパッキングするのに適するコンポーネントは当技術分野ではよく知られているため、本明細書では詳細に記載しない。送信が落雷に影響されることを軽減するために、コレクタコンピュータ２６とディストリビュータコンピュータ４２との間のデータ接続用の光ファイバケーブルを使用することが好ましく、これは、送信ケーブルは通常、試験スタンド１００とディストリビュータユニット１８を格納する遠隔位置の施設のハウジングとの間を通される結果、屋外環境に曝されるために望ましい。コレクタコンピュータ２６、電源２８、及び制御された環境３０を全て適当な保護ハウジング（図示せず）内に封入して、これらのコンポーネントが風雨に直に曝されることから保護してもよい。
【００２０】
特に、ハブユニット１４のレベルでの多重化と、コレクタユニット１６のレベルでの同期化によって、単一のイーサーネット接続を経てデジタルデータをディストリビュータユニット１８に供給することができ、これは、従来センサ出力を先行技術の遠隔データ取得システムに送信するために必要であった通常何千本ものケーブルやチューブとは著しく対照的である。
【００２１】
図３は、プロセッサ制御回路基板２２、そのコンポーネントの幾つか、及びアナログ信号調節回路基板２４とコレクタユニット１６への接続部品を示すブロック図である。プロセッサ制御回路基板２２は、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能な読出し専用メモリ）などのＲＯＭ（読出し専用メモリ）４８に記憶されたプログラムによって実行し、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５０を使用してセンサ２０から生成されたデジタルデータ、並びに制御回路基板２２によって行われる計算に使用される任意の変数を記憶するように構成されたマイクロプロセッサ４６を備えるものとして示されている。マイクロプロセッサ４６は好ましくは、（以下に記載する）信号調節回路基板２４に関連する利得設定機能を実行し、センサ２０の個々の信号チャネル、又は信号チャネルのブロックのどれが読出されるか、及びデータ取得、エラー検知、アナログ−デジタル変換、いずれかの組込み試験（ＢＩＴ）モードの実行、（センサ２０のタイプに基づく）センサの適合化、及びデジタルデータの収集、フォーマット化、及びコレクタコンピュータ２６への伝送のタイミングを制御／選択する。図３に示すように、回路基板２２の入力／出力（Ｉ／Ｏ）機能は、好ましくはメモリマップＩ／Ｏ動作の形態で実行される。図３に更に示すように、プロセッサ制御回路基板２２はゼロ及びフルスケール制御出力をもアナログ信号調節回路基板２４に送信し、且つコレクタコンピュータ２６と直接通信する。調節回路基板２４及び図４を参照して記載するように、制御回路基板２２によって送信されるゼロ及びフルスケール制御出力は、温度変化及びコンポーネントの老化に起因する調節回路基板２４の電子コンポーネントの精度及び正確度特性の何らかの変動を検知し、補償するためにゼロ電圧と基準電圧とを周期的に印加する連続較正法の一部である。
【００２２】
前述のように、ハブユニット１４は、１２５℃以上の温度、好ましくは少なくとも２００℃の温度で動作することを意図している。好適な実施形態では、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０、及び制御回路基板２２に取付けられる受動コンポーネントは２００℃以上の温度で動作することができる。この能力を達成するため、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、及びＲＡＭ５０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板及び処理技術で実装される。当技術分野で知られているように、ＳＯＩ基板は通常、絶縁体上の薄いエピタキシャル層を備える。基板は通常、ウエーハを結合する前に一対の半導体（例えばシリコン）の一方又は両方の結合面を酸化処理することによって形成される。もっとも一般的には、シリコンウエーハ上に形成されたエピタキシャル層上に単一の二酸化シリコン層が成長する。ウエーハを結合した後、二酸化シリコン層が、エピタキシャル層を電気的に絶縁する絶縁体を形成するように、絶縁体とエピタキシャル層（及びオプションとして第２のウエーハのシリコン層）以外の全てがエッチングで除去される。ＳＯＩ処理技術を利用してＳＯＩ基板上に実装されるソリッドステートマイクロプロセッサの商用事例は、ハネウェル社から市販されているＨＴ８３Ｃ５１マイクロプロセッサである。ＳＯＩ基板上に実装されるＲＡＭの商用事例には、ハネウェル社から市販されているＨＴ６２５６  ２５６キロビットのＳＲＡＭコンポーネントが挙げられ、ＳＯＩ基板上に実装されるＲＯＭの商用事例には、トワイライトテクノロジー社から市販されているＲＯＭコンポーネントが挙げられる。
【００２３】
プロセッサ制御回路基板２２の電子コンポーネントが取付けられる基板は、好ましくは、少なくとも２６０℃の温度にも耐えることができる。好ましい高温基板材料は、ガラス強化された炭化水素／セラミック積層体であるＲＯ４００３Ｃの名称でロジャースコーポレーションから市販されている。更に、コンポーネントは好ましくは高融点のはんだで固着され、その非限定的な代表例は、融点範囲が約２８７〜約２９６℃である９２．５Ｐｂ−５Ｓｎ−２．５Ａｇである。基板の熱膨張及び収縮に起因する熱応力を低減するため、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０、及び基板２２上のその他のコンポーネントは好ましくは、基板内のスルーホール（通常はめっきスルーホール）に挿入され、次いで基板にはんだ付けされる１つ又は複数の金属リード（スティック）を有するスルーホールコンポーネントである。熱応力を低減する別の方法には、熱勾配を最小限にし、熱時間定数と制振性とを高くし、基板の層間剥離及び膨張／収縮により破壊し易い金属化バイアの数を制限するために高温、熱伝導性のポッティング材を使用することが含まれる。特に、スルーホールコンポーネントの金属リードは、これらが内部に配置されるバイアの構造的完全性を促進するものと考えられる。
【００２４】
上記の高温性能によって、好ましくは、従来の電子素子に必要であるように制御回路基板２２の温度を１２５℃未満に保つための専用の能動冷却システムを必要とせずに、制御回路基板２２をハブユニットハウジング４４内に格納することができる。「能動冷却」という用語は、本明細書では伝導、対流、及び／又は放射によって熱を回路基板２２からハブユニットハウジング４４へと伝達して逃がすために特に設計された冷却システムを意味するために用いられる。
【００２５】
図４は、２つのアナログ信号調節回路基板２４、及び図３のプロセッサ制御回路基板２２へのその接続を示すブロック図である。アナログ信号調節回路基板２４は、ハブユニット１４のハウジング４４内でプロセッサ制御回路基板２２と組み合わされ、従ってこれもエンジン１０８の過酷な環境での高温で動作する必要がある。ハブユニット１４、及びその調節回路基板２４の高温動作によって、熱電対、ＲＴＤ、及び圧力変換器を含むセンサ２０がエンジン１０８上で直接終端し、プロセッサ制御回路基板２２によって実行されるＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換の前にそれらの出力が調節されることが可能になる。更に、調節回路基板２４のハードウエアは好ましくは、前述の連続較正、多重化、及びインターリーブ機能を組み込んでいる。
【００２６】
前述のように、調節回路基板２４上で実行される連続較正法は較正データを作成し、ディストリビュータコンピュータ４２はこのデータを使用して、ハブユニット１４から取得したデジタルデータのリアルタイムの修正を行う。連続較正法は好ましくは、信号の精度を大幅に損なうことがある調節回路基板２４及びプロセッサ制御回路基板２２の全ての受動及び能動コンポーネントを補償する。連続較正機能が必要であるのは、システムレベルで、例えば約−５５℃から２００℃以上までのハブユニット１４の予測動作範囲にわたって変動を呈することのない個別コンポーネントを現在は入手できないからである。本発明の好適な実施形態では、連続較正法はゼロ及びフルスケールデータを連続的に収集する一方で、時間及び温度に関する取得データの変動があればこれを自動的に補償する。
【００２７】
連続較正機能の一部は、ハブユニット１４から離隔したコレクタユニット１６の制御された環境３０に配置されるものとして図２に示すシステム電圧基準デバイス３２に依拠する。コレクタユニット１６内の位置が好ましいと考えられるが、システム電圧基準デバイス３２を別の位置に配置しても適切であることが予測される。制御された環境３０は、加熱素子５４、銅板５６、及び電圧基準デバイス３２の均一な加熱を達成する熱ＲＴＶポッティング材５８を更に含むハウジング５２内に格納された電圧基準デバイス３２を備えるものとして図５により詳細に概略的に示されている。基準デバイス３２の温度は、例えば約５５℃から約１２５℃などの任意の適当なレベルに調整できる。基準デバイス３２は、高精度のゼロ及びフルスケール基準電圧を生成し、次いで専用の差動リンクを経て調節回路基板２４に送られる。
【００２８】
温度に誘発される調節回路基板２４の電気回路コンポーネントの精度及び正確度の変動は、Ａ／Ｄ変換中にセンサ２０のアナログ出力信号と共に取り込まれ、記録される。アナログ出力信号がセンサ２０から読み取られる各サイクル中に、プロセッサ制御回路基板２２によって基準デバイス３２の高精度のゼロボルト及び基準電圧信号が、各調節回路基板２４の電子コンポーネントによって画成される全てのアナログ信号処理経路（チャネル）を経て送信される。次いで、以前の較正読取り値からの出力電圧の変化が基板レベルのコンポーネント変動に起因し、データが更に使用される前にデジタル化されたセンサデータをデジタル修正するディストリビュータコンピュータ４２に前記変化が較正データとして送信されることによって、デジタル化されたセンサデータを修正するためにゼロボルト及び基準電圧信号が使用される。実際には、ゼロ及びフルスケール基準信号は毎秒数回印加されてもよい。前述の連続較正機能によって、約∀２０ｐｐｍ（百万分率）未満程度の精度を有する時間、温度、及び距離にわたる精度がアナログ信号処理経路内で達成された。
【００２９】
較正法の一部として、調節回路基板２４は更に、センサ２０からの複数の信号チャネルの多重化を行い、それによって各調節回路基板２４は、例えば図４に示す２つなどのより少ない数の回路経路を経て複数のセンサ信号を調節することが可能になる。複数のセンサ２０からの信号は、マルチプレキサ６０を通過して多重化されたアナログ出力を生成するのもとして図４に示され、それによってシリアルデータコネクタを経てデジタルデータをコレクタユニット１６に送信するために必要な接続部品の数が減少する。各回路経路内で、多重化されたアナログ出力は計装用演算増幅器６２で調節される。図４に、各増幅器６２は、各調節回路基板２４を使用して異なる電圧出力の様々なタイプのセンサをＡ／Ｄ変換の前に設定された出力電圧にスケーリングすることを可能にするプロセッサ制御回路基板２２によって制御可能な能動利得変化６４を組み込むものとして示されている。
【００３０】
図４から更に明らかなように、スイッチ６８を使用して、回路基板２４上の１つの回路経路に沿ったセンサ２０の１つのバンク（グループ）の多重化されたアナログ出力に、同じ回路基板２４の別の回路経路上の別のバンクのセンサ２０の多重化されたアナログ出力をインターリーブして、システムスループットを向上させることができる。１つのバンクのセンサ２０からの多重化された一連のアナログ出力がプロセッサ制御回路基板２２のＡ／Ｄ変換に出力される際に、別のバンクのセンサ２０上のセンサ出力は様々な整定段階にある。第１のバンクのセンサ２０からの一連の多重化されたアナログ出力がＡ／Ｄ変換器によって読取られた後、第１のバンクの信号が別のセンサ２０上で整定され始める間に次のバンクを選択することができる。この機能によって、プロセッサ制御回路基板２２及び調節回路基板２４のより緩速であるがより高温に耐える回路コンポーネントでより高いシステムレベルの処理能力が可能になる。
【００３１】
図４に示す調節回路基板２４は更に、各演算増幅器６２の増幅器出力上の動的な双時定数フィルタリング６６を組み込み、プロセッサ制御回路基板２２によって制御されるものとして示されている。この機能によって更に、多重化されたアナログ出力がそれを経て送信される回路経路間の切換え時の迅速な整定が可能になり、しかも依然としてエンジン試験環境にあるセンサ出力信号の電気的ノイズを低減する高レベルの低域フィルタリングがなされる。動的フィルタリングは、例えばＲＣ回路からの抵抗を除去することによって達成可能であり、１つのチャネル電圧から別のチャネル電圧への迅速な出力変更が可能になり、次いで抵抗を再度回路内に切換えて、センサのノイズとリップルとを最小限にし、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）に提供されるアナログデータの品質を高めることができる。
【００３２】
特に、各調節回路基板２４は好ましくは、例えばセンサ２０が、熱電対及び負の電圧を出力可能な圧力変換器を含む場合、正と負の両方の入力電圧を受け入れることが可能である。加えて、調節回路基板２４はハブユニット１４の高温環境に位置しているので、従来は熱電対基板上で行われた「冷接点」補償を「熱接点」補償にすることができる。なぜなら、センサ２０間の熱電対は、調節回路基板２４によって測定されるワイヤと基準電圧との接点よりも低温にあってもよいからである。このため、計装用演算増幅器６２は好ましくは、差動電圧での動作に耐えることができ、Ａ／Ｄ変換のためにこれらの∀電圧を正だけの電圧範囲にスケーリングする。
【００３３】
プロセッサ制御回路基板２２の場合と同様に、アナログ信号調節回路基板２４の回路コンポーネントは好ましくは、少なくとも２００℃の温度での基板２４の動作を可能にするＳＯＩ技術で実装され、ハブユニット１４全体がこのような上昇した温度で動作することを可能にする。その結果、ハブユニット１４及びその制御回路基板２２及び調整回路基板２４は、それぞれ個々のセンサ出力がワイヤ又はチューブによって試験中のエンジンからかなりの距離を隔てた遠隔位置に送信されなければならない先行技術の限界を克服する。このような制約の結果、エンジンからデータ取得システムに通されるワイヤやチューブが長くなり、更なる費用がかかり、追加のエラー源が生じ、インストールとデバッグのために相当量の労働時間が必要となる。これに対して、ハブユニット１４をヘッドフレーム１０６、そのアダプタ１１０上に直接、又はエンジン１０８上に、例えばカウル１１４の下に直接配置することができ、その結果、センサ２０とハブユニット１４上のその終端との間の距離が比較的短縮される（例えば３メートル未満）。
【００３４】
本発明を好適な実施形態によって記載したが、当業者によって別の形態を採用できることは明らかである。例えば、ユニット１２、１４、１６及び１８とコンポーネントの物理的構成は図示したものと異なっていてもよく、材料及び処理工程は記載のものと異なるものも使用できよう。従って、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３５】
１００  スタンド
１０２  支柱
１０４  土台
１０６  フレーム
１０８  エンジン
１１０  アダプタ
１１２  パイロン
１１４  ナセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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