Цифровой бесконтактный многоканальный телеметрический комплекс
DIGITAL NON-CONTACT MULTICHANNEL TELEMETRIC SYSTEM

Изобретение относится к обеспечению испытаний газотурбинных двигателей, в частности, отладки лопаточного аппарата компрессоров и турбин, а также может быть использовано в практике измерений деформаций, температур, вибраций на любых вращающихся и подвижных частях агрегатов.
Известен телеметрический передатчик для испытательных технологий на вращающихся узлах изделий, обеспечивающий бесконтактную передачу данных и индукционное питание со встроенной диагностикой ротора (Системы телеметрии Эл-Скада).
Известна также контрольно-измерительная система КИС 1.1, предназначенная для измерения сигналов с тензорезисторных датчиков, установленных на вращающихся лопатках в роторной части авиационного турбореактивного двигателя, их преобразования и передачи на автоматизированное место оператора (Госреестр средств измерений №32248-06) и включающая:
- Роторную часть: тензорезисторы, блок УСП 1.1 (инструментальный усилитель, фильтр низкой частоты, многоканальные аналого-цифровые преобразователи, устройства управления), инфракрасный передатчик;
- Статорную часть: блок ПУ 1.1 (прием данных, формирование кадров, интерфейс RS-485, индукционная накачка питания), измерительные модули;
- Автоматизированное рабочее место.
Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом). Однако данная система имеет ограниченное число каналов регистрации, недостаточный набор подключаемых датчиков, узкую полосу измеряемых сигналов и не может обеспечить всю совокупность измерений при проведении испытаний.
Технический результат изобретения направлен на повышение точности измерения параметров вращающихся узлов изделий, увеличение информативности испытаний, снижение влияния помех и сокращение затрат за счет уменьшения количества проводимых испытаний.
Цифровой бесконтактный многоканальный телеметрический комплекс состоит из измерительного блока, статорного блока, блока приема и регистрации, питания и средств визуализации. Причём, измерительный блок выполнен в виде компактных модулей, на основе 8-ми слойных гибких плат, залитых высокопрочными компаундами, работающих в диапазоне температур от минус 50 до +125 градусов и выдерживающих центростремительное ускорение до 40000 g и вибрации до 150 g. В свою очередь, каждый измерительный модуль имеет дублированные высокочастотные каналы передачи данных, а антенная система позволяет одновременное подключение 16 передающих устройств с суммарной пропускной способностью на комплекс не менее 200 МБит/сек., с динамическим диапазоном каналов тензометрирования до 60 кГц и с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики не более 0,5 дБ. Дополнительно измерительный блок снабжен встроенной системой самодиагностики состояния датчиков и кабельных линий, а также возможностью переключения на резервные группы датчиков, при этом измерительный и статорный блоки оборудованы специальными экранированными антенными системами для использования маломощных высокочастотных передатчиков и систем индукционного питания при обеспечении электромагнитной совместимости комплекса.
Технический результат достигается использованием компактных (малогабаритных) измерительных модулей для работы в ограниченном пространстве испытываемого изделия, что упрощает их размещение внутри объема работающего двигателя, исключает дисбаланс на высоких оборотах и позволяет использовать большее число измерительных преобразователей, а также применением дополнительных измерительных трактов, обеспечивающих возможность подключения других видов датчиков (температуры, давления), что значительно расширяет функциональные и диагностические возможности комплекса. Конструкция телеметрического комплекса имеет модульную структуру, позволяющую комбинировать количеством и типами подключаемых преобразователей. Измерительные тензометрические тракты оснащены 24-битными аналого-цифровыми преобразователями, возможностью переключения диапазонов измерений и высокой полосой пропускания (до 60 кГц с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики не более 0,5 дБ), что позволяет увеличить точность получаемых данных и зарегистрировать значительно более быстрые процессы. Высокоскоростные каналы передачи данных (не менее 200 МБит/сек) позволяют передать полный объем информации, полученный в ходе испытаний.
Новизна изобретения заключается в расширении функциональных возможностей комплекса посредством: увеличения числа измерительных каналов без увеличения занимаемого объема, более высокой полосы пропускания каналов, подключения дополнительных типов датчиков и резервных групп датчиков, изменения режимов работы измерительных модулей по ходу испытаний, дублирования каналов связи. Впервые предложено использование компактных полнофункциональных измерительных модулей со встроенной диагностикой и высокоскоростным резервированным каналом передачи данных и стабилизаторов питания, расположенных непосредственно на вращающихся узлах и предназначенных для работы в экстремальных условиях эксплуатации (внутри авиационного двигателя в режиме полета, роторная часть вращается с высокой скоростью, при которой центростремительное ускорение, действующее на устройства может достигать 40 000g, вибрации 150 g, а температура в месте расположения устройств меняется в диапазоне от -50 до +125 градусов).
Цифровой бесконтактный многоканальный телеметрический комплекс представлен на рис. 1, где обозначено: 1 - роторный блок, содержащий ротор антенной системы, в котором конструктивно закреплены высоко-частотные антенны передачи данных и приемные антенны индукционного питания. С ротором антенной системы жестко закреплен держатель модулей. В держателе модулей размещены контактные колодки антенн и до 8 измерительных модулей и стабилизаторов питания. Соединение модулей, стабилизаторов и антенн выполняется объединительной платой, также содержащей разъем для подключения датчиков. Все части блока жестко закрепляются на валу испытываемого изделия; 2 - статорный блок с антенной системой, содержащий держатель, в котором конструктивно закреплены принимающая высокочастотная антенна и передающая антенна для индукционной накачки питания. Статор антенной системы закрепляется на неподвижной части корпуса испытываемого изделия; 3 - блок приема, питания и средств визуализации, в который входят: шасси для установки модулей управления и демодуляции, усилители мощности сигналов, согласователь, рабочее место оператора.
Комплекс работает следующим образом. Измерительные модули получают данные с датчиков, обрабатывают их, фильтруют и передают в цифровом виде по высокочастотному каналу на передающие антенны ротора, при этом канал передачи данных каждого измерительного модуля имеет резервирование. Данные от каждого измерительного модуля принимаются отдельным модулем-приемником, также имеющим резервирование канала связи. Программное обеспечение управляет работой измерительных модулей, обеспечивает непрерывную запись данных с возможностью обработки информации в темпе проведения испытаний. Специальный протокол обеспечивает избыточность для восстановления данных при работе в условиях помех и гарантирует их достоверность.
Для достижения необходимой компактности и прочности применены специальные технологии монтажа на 8-ми слойных гибких платах и заливки высокопрочными компаундами, что упрощает размещение измерительной системы внутри работающего изделия, а минимальное расстояние от датчиков до измерительной системы снижает влияние помех и наводок, что позволяет получить более точные данные. Каждый измерительный модуль имеет дублированные высокочастотные каналы передачи данных, что в совокупности с антенной системой позволяет подключить одновременно до 16 передающих устройств с суммарной пропускной способностью на комплекс не менее 200 МБит/сек., что позволяет значительно увеличить поток передаваемых данных и использовать более 150 различных измерительных каналов с широким динамическим диапазоном каналов тензометрирования (до 60 кГц, с неравномерностью амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) не более 0,5 дБ). Это позволяет получить все необходимые данные при минимальном количестве испытаний (уменьшается число сборок/разборок изделия для перемонтажа датчиков), а также зарегистрировать высоко динамические процессы во всем необходимом диапазоне частот.
Измерительный блок снабжен встроенной системой самодиагностики и диагностики состояния датчиков и кабельных линий, а также возможностью переключения на резервные группы датчиков при обнаружении повреждений, что позволяет значительно снизить затраты на повторные испытания, вызванные обрывами и замыканиями датчиков, неизбежно возникающими в процессе испытаний в экстремальных условиях.
Устройство значительно расширило возможности регистрации параметров на труднодоступных вращающихся и подвижных узлах в сложных условиях эксплуатации. Заявляемое устройство может быть базовым при оснащении испытательных стендов газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, бортовых систем измерений.