Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники
ONBOARD DISTRIBUTED CONTROL AND LEAKS DIAGNOSTICS SYSTEM BASED ON TECHNOLOGIES OF PHOTONICS

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля и диагностики общесамолетных систем воздушных судов, а именно к системам мониторинга технического состояния авиационных трубопроводов в процессе эксплуатации. Хорошо известны устройства, в которых оптические волокна используются в качестве датчиков для обнаружения изменения и измерения различных физических параметров, таких как, температура, деформация и механическая вибрация. Это достигается путем передачи света по оптоволокну и последующего анализа обратного рассеяния в оптоволокне, а именно определения характеристик прошедшего света таких как, частота, амплитуда (например, стоксовых и антистоксовых сдвигов комбинационного рассеяния и рассеяния Рэлея) и фазовых сдвигов позволяющих в дальнейшем определять причины, приведшие к изменению характеристик световых пучков.
К настоящему времени неизвестны системы, использующие технологии фотоники при выполнении функций мониторинга технического состояния различных пневматических систем. Однако, данная область исследований является достаточно разработанной и потенциально востребованной.
Из известных системы наиболее близкой по технической сути к предполагаемой системе, является система контроля технического состояния конструкции летательного аппарата (аналог), содержащая датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту. (Патент на изобретение №2544028, Львов Н.Л., Хабаров С.С, Носов А.А., Сиваков Д.В.). Система содержит датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту воздушного судна. На каждой лопасти винта вертолета и каждой консоли крыла самолета установлены не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки и не менее двух виброакустических датчиков. Система включает волоконно-оптические магистральные кабели, оптические разъемы, электрические шины управления, оптические свитчи, волоконно-оптические измерительные линии.
Общим признаком аналога является использования технологий фотоники при диагностировании технического состояния элементов (систем) воздушных судов.
Предлагаемая бортовая распределенная система контроля и диагностирования утечек обеспечивает основной технический результат: повышение безопасности полетов за счет расширения функциональных возможностей бортовых систем контроля и диагностирования. Кроме того, можно отметить дополнительные технические результаты: возможность перевода эксплуатации таких систем на эксплуатацию по состоянию, сведению к минимуму количество периодических проверок технического состояния воздушных судов, и как следствие, снижение времени технического обслуживания воздушного судна.
Технический результат достигается за счет того, что бортовая распределенная система контроля и диагностики утечек содержит по меньшей мере один волоконно-оптический датчик, блок преобразователь, который содержит перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер, блок коммуникации, блок термостабилизации, блок питания и плату обработки, которая состоит из по меньшей мере одного оптического разветвителя, фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, центрального сигнального процессора, при этом вход каждого оптического разветвителя платы обработки оптически связан с источником излучения и каждым волоконно-оптическим датчиком, а каждый выход оптического разветвителя последовательно соединен с фотоприемником, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, поступающий на вход усилителя, при этом выход усилителя связан с входом аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого сигнал, преобразованный в цифровой, последовательно поступает на программируемую логическую интегральную схему и центральный сигнальный процессор, который соединен с блоком коммуникации, при этом блок коммуникации связан с перестраиваемым источником излучения и блоком термостабилизации.
Система обеспечивает сигнализацию, контроль и диагностирование утечек из горячих трубопроводов общесамолетных системы, в частности -системы кондиционирования воздуха и пневматической противообледенительной системы, путем неразрушающего контроля их технического состояния.
Экспериментальные исследования бортовой распределенной системы контроля и диагностики утечек (БРСКДУ), подтвердили работоспособность предлагаемой системы и целесообразность ее широкого промышленного использования.
Информационные потоки БРСКДУ можно условно разделить на три части: первая - оптические сигналы, которые содержат полезную информацию в виде спектральных зависимостей; вторая часть - электрические сигналы внутри блоков обработки и третья часть -цифровые внешние интерфейсы.
Первый уровень определяется физическими принципами, на основе которых функционирует система.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 представлена структурная схема БРСКДУ, где:
1 - волоконно-оптический датчик;
2 - блок преобразователь;
3 - внешние интерфейсы.
На фиг. 2 представлен принцип работы волоконно-оптических датчиков.
На фиг. 3 представлена установка волоконно-оптических датчиков на поверхность, где:
4 - волоконная брэгговская решетка;
5 - клеевое соединение;
6 - основание.
На фиг. 4 представлена структурная схема бока преобразователя, где изображены:
7 - перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер;
8 - плата обработки;
9 - блок коммуникации;
10 - блок питания;
11 - блок термостабилизации.
На фиг. 5 представлена структурная схема платы обработки (ПО), где изображены:
12 - оптический разветвитель;
13 - фотоприемник;
14 - усилитель;
15 - аналогово-цифровой преобразователь;
16 - программируемая логическая интегральная схема;
17 - цифровой сигнальный процессор;
На фиг. 6 приведена структурная схема блока коммуникации, где изображен:
18 - блок памяти.
На фиг. 7 приведена обобщенная структурная схема подачи, преобразования и приема сигнала.
Чувствительным элементом всех волоконно-оптических датчиков (ВОД) (1) системы являются волоконные брэгговские решетки (ВБР). ВБР - это структура с периодическим по длине изменением показателя преломления, сформированная в сердцевине оптического волокна. ВБР обладает узким спектром отражения, резонансная длина волны (λ0) которой зависит от показателя преломления материала (n) и периода его изменения (d). Принцип работы ВБР изображен на фиг. 2. При внешнем температурном воздействии на ВБР происходит изменение показателя преломления (Δn) и его периода (Δd), что приводит к изменению резонансной длины волны ВБР (Δλ). Однако, для увеличения чувствительности датчиков можно устанавливать ВБР на поверхность с коэффициентом линейного теплового расширения большим, чем у кварцевого волокна фиг. 3.
Основной задачей блоков преобразователей является измерение сдвига резонансной длины волны ВБР каждого датчика и расчет температуры по этим данным.
Блок преобразователь состоит из источника излучения - перестраиваемого эрбиевого волоконного лазера (ПЭВЛ) (7), платы обработки (ПО) (8), блока коммуникации (БК) (9), блока питания (БП) (10) и блока термостабилизации (БТС) (11) фиг. 4. БП обеспечивает электрическое питание основных модулей блока (БК, ПО, ПЭВЛ) напряжением в 5 В. БТС поддерживает заданный температурный режим основных модулей блока за счет управления нагревателями и элементами Пельтье, расположенными на этих модулях, а также управляет блоком питания, включая основные модули после установления на этих модулях необходимого температурного режима. ПЭВЛ является источником оптического излучения и осуществляет сканирование линий ВОД. ПО обеспечивает прием отраженных от ВБР оптических сигналов, БК обеспечивает взаимодействие и синхронизацию модуля ПЭВЛ с ПО, а также обеспечивает передачу данных во внешние интерфейсы.
Общая структурная схема ПО представлена на фиг. 5. ПО имеет в своем составе:
- оптические разветвители (12), которые обеспечивают разделение входного оптического излучения ПЭВЛ по каналам и обеспечивают вывод из линии на фотоприемник (13) отраженного от волоконных датчиков сигнала. Оптический сигнал из каждого канала попадает на фотоприемник, где преобразовывается в электрический сигнал, после чего проходит усилитель (14) и поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (15).
- двухканальные АЦП. Каждый канал АЦП поступает в параллельном виде в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (16) с тактированием с заданной частотой. Данные с этих каналов передаются для обработки в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) (17). В ПЛИС реализованы следующие функции:
1. Порт управления АЦП с интерфейсом типа SPI.
2. Порты приема данных от АЦП.
3. Преобразование входной тактовой частоты в тактовую частоту необходимую АЦП.
5. Управление преобразователями питания, сигналами начальной загрузки и сброса ЦСП.
6. Прочие функции (зажигание светодиодов, сброс и трансляция прерывания и т.д.).
Структурная схема БК (9) приведена на фиг. 6.
Блок коммуникации включает: блок памяти (18), ЦСП (17) и ПЛИС (16).
БК обеспечивает:
- синхронизацию модуля ПЭВЛ с модулями ПО;
- обмен данными с ПО (по технологии Ethernet);
- хранение калибровочных и конфигурационных данных;
- расчет положения пиков центральных длин волн и значений температуры;
- определение наличия утечки по рассчитанным значениям температуры;
- обмен данными с внешними интерфейсами (3);
- передачу данных о температуре внутри блока и работе всех модулей блоку термостабилизации (БТС) (11);
- формирование управляющих сигналов для ПО. Обобщенная структурная схема подачи, преобразования и приема сигнала представлена на фиг. 7.
БРСКДУ работает следующим образом. ПЭВЛ (7) посылает оптический сигнал по оптической линии волоконно-оптических датчиков (1) через оптические разветвители (12). Сигнал, отраженный от брэгговской решетки волоконно-оптических датчиков попадает в блок преобразователь (2).
В блоке преобразователе (2) отраженный оптический сигнал поступает в плату обработки (8) на вход фотоприемника (13), где преобразуется в электрический аналоговый сигнал малой амплитуды, далее этот сигнал усиливается в усилителе (14) и подается на АЦП (15). В АЦП (15) электрический аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с каждого канала АЦП (15) поступает в параллельном виде в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (16) с тактированием с заданной частотой. Данные с этих каналов передаются для обработки в ЦСП (17).
В ЦСП (17) производится определение центральной длины волны каждого датчика и вычисление температуры. С выхода ЦСП (17) сигнал поступает на вход БК (9).
Если резонансная длина волны ВБР в определенный момент времени совпадает с длиной волны, излучаемой ПЭВЛ (7), то основная часть излучения отражается от ВБР обратно в блок преобразователь (2), где фиксируется скачок оптической мощности фотоприемниками (13) на ПО (8). Зная текущую излучаемую модулем ПЭВЛ (7) длину волны, за счет синхронизации ПО (8) и ПЭВЛ (7) с помощью БК (9), система может точно определить текущую резонансную длину волны ВБР.
Если же резонансная длина волны ВБР не совпадает с длиной волны излучаемой лазером в текущий момент времени, то излучение проходит сквозь ВБР с минимальными потерями, обеспечивая возможность засвечивания следующего датчика в линии. Отраженный сигнал от этого датчика также возвращается в ПО, где происходит расчет температуры аналогичным образом.