Измерительный комплекс для лётных испытаний авиационного двигателя
MEASURING COMPLEX FOR AIRCRAFT ENGINE FLIGHT TESTS

Изобретение относится к области обеспечения летных испытаний авиационных газотурбинных двигателей, а также может быть использовано в практике измерений деформаций, температур, вибраций и т.п. на вращающихся элементах других агрегатов с бесконтактной передачей данных на стационарную часть в условиях высокого уровня мешающих факторов.
Известны бесконтактные устройства и способы передачи измерительной информации с вращающихся объектов с индуктивным, емкостным, радиотелеметрическим и оптоэлектронным каналами связи подвижной и неподвижной конструкций устройства и индуктивным каналом передачи энергии для питания электронных узлов, расположенных на вращающейся части устройства. (Устройства для передачи измерительной информации с вращающихся объектов. Обзор по материалам открытой зарубежной печати за 1975 - 1988 г., №720, ЦАГИ, 1991).
Известны измерительные устройства для испытательных технологий на вращающихся узлах изделий фирмы Kraus Messtechnic GmbH, обеспечивающие бесконтактную передачу данных индуктивным способом. Передача данных с подвижной катушки индуктивности на неподвижную осуществляется на несущей частоте с частотной или импульсной модуляцией (www.prom-tex.org/about/kmt.php).
Известны измерительные устройства, обеспечивающие бесконтактную передачу данных индуктивным способом, где передача данных с подвижной катушки на неподвижную осуществляется короткими прямоугольными или остроугольными импульсами без использования несущей частоты (патенты России №2565527 «Способ передачи данных через воздушный зазор и устройство для его осуществления», опубл. 20.10.2015; №2566949 «Способ формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор и устройство для его осуществления», опубл. 27.10.2015; №2674923 «Способ передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров, возбуждаемых остроугольным импульсом, и устройство для его осуществления», опубл. 26.12.2017; №2719557 «Способ передачи и приема данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых прямоугольными импульсами разной полярности, и устройство для его осуществления», опубл. 21.04.2020).
Недостатком индуктивного канала передачи данных является низкая защищенность канала от высокого уровня электромагнитных помех, возникающих при работе расположенных поблизости бортовых радиостанций и другого электрооборудования.
Известны многоканальные измерительные устройства для испытательных технологий на вращающихся узлах изделий, обеспечивающие бесконтактную передачу данных по оптоэлектронному каналу: R-16 компании Kraus Messtechnic; ROTATEL 124 и ROTATEL 356 компании ROTADATA Limited; контрольно-измерительная система КИС 1.1 ООО «COMELPRO» (Госреестр средств измерений №32248-06); России №94025045 «Устройство передачи информации с вращающегося объекта, опубл. 05.10.1996 г., АОО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».
К недостаткам оптоэлектронного канала передачи данных следует отнести сложность организации радиального канала передачи и постепенное загрязнение рабочих поверхностей излучающего и приемного диодов парами масел высокой температуры и, как следствие, нарушение нормальной работы канала передачи. (Оптическая система бесконтактного вывода информационных сигналов с вращающихся валов. КИТ №11, 1990 г., стр. 12-13).
Известны многоканальные измерительные устройства, обеспечивающие бесконтактную передачу данных с вращающихся валов радиотелеметрическим каналом связи: ROTATEL RF компании ROTADATA Limited (www.rotadata.com) и патент России №2761142 «Телеметрический комплекс технического диагностирования судового валопровода», опубл. 06.12.2021 г.
Недостатком радиотелеметрического канала передачи данных является низкая защищенность от высокого уровня электромагнитных помех (Устройства для передачи измерительной информации с вращающихся объектов. Обзор по материалам открытой зарубежной печати за 1975 - 1988 гг.№720, ЦАГИ, 1991).
Известен также выбранный за прототип «Цифровой бесконтактный многоканальный телеметрический комплекс», патент России №2688629, опубл. 21.05.2019 г., состоящий из измерительного блока, статорного блока, блока приема и регистрации, питания и средств визуализации, при этом измерительный блок выполнен в виде компактных модулей на основе 8-слойных гибких плат, залитых высокопрочным компаундом, работающих в диапазоне температур от минус 50 до +125 градусов и выдерживающих центростремительное ускорение до 40000g и вибрации до 150g, причем 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 Мбит/сек, с динамическим диапазоном каналов тензометрирования до 60 кГц и с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики не более 0,5дБ, дополнительно 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.
Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению. Однако радиотелеметрический канал передачи данных измерительного комплекса имеет недостаточный уровень помехозащищенности при воздействии высокого уровня внешних электромагнитных помех от работающих вблизи электрооборудования и бортовых радиостанций и не может в полной мере обеспечить заданную точность измерений при проведении летных испытаний авиационного двигателя.
Технический результат изобретения направлен на снижение влияния внешних электромагнитных помех на канал бесконтактной передачи измерительной информации с вращающейся части устройства на его неподвижную часть, повышение точности измерения параметров вращающихся узлов двигателя, увеличение информативности испытаний и сокращение затрат за счет уменьшения количества проводимых испытаний.
Этот технический результат достигается за счет того, что в цифровом бесконтактном многоканальном измерительном комплексе для летных испытаний авиационного двигателя, содержащем измерительный блок, блоки приема и регистрации, питания и средств визуализации, оборудованном специальными экранированными антенными системами для использования маломощных высокочастотных передатчиков и систем индукционного питания при обеспечении электромагнитной совместимости комплекса, с целью повышения помехоустойчивости и надежности измерений канал передачи цифрового потока данных выполнен в виде бесконтактной вращающейся дифференцирующей цепи, при этом вход дифференцирующей цепи соединен с цифровым выходом измерительного блока роторной части, а выход - со входом блока приема статорной части.
Таким образом, цифровой бесконтактный многоканальный измерительный комплекс для летных испытаний авиационных газотурбинных двигателей состоит из измерительного блока, блоков приема и питания, средств регистрации и визуализации. На роторной части измерительного блока расположены 16 измерительных каналов с частотой пропускания каждого канала не менее 50кГц, преобразователь данных всех каналов в единый цифровой поток с кодированием по протоколу «Манчестер», передающая антенна цифрового потока данных, а также формирователь напряжений питания с приемной антенной индукционного питания. На статорной части измерительного блока расположены передающая антенна индукционного питания и приемная антенна цифрового потока данных. На статорной части авиационного двигателя расположен приемный блок, в котором происходит восстановление последовательности цифровых данных, формирование кадров и их передача в память персонального компьютера по протоколу Ethernet. Кроме того, в блоке формируется и передается индуктивным способом на роторную часть блока электроэнергия для питания электронных компонент, расположенных на роторной части.
Измерительный комплекс для летных испытаний авиационного двигателя представлен на фиг.1, где обозначено: 1- измерительный блок, содержащий роторную часть 2 и статорную 3. На роторной части измерительного блока расположены измерительные каналы 4.1-4.16, цифровой преобразователь данных 5, передающая антенна потока данных 6, формирователь напряжений питания 7 и приемная антенна индукционного питания 8. На статорной части телеметрического блока расположены приемная антенна цифрового потока данных 9 и передающая антенна индукционного питания 10. На статорной части двигателя расположены демодулятор и формирователь пакетов данных 11 и генератор индукционного питания с усилителем мощности 12. В салоне летающей лаборатории расположено рабочее место оператора с персональным компьютером 14, который соединен с формирователем пакетов данных 11 линией связи 13.
Комплекс работает следующим образом. Сигнал c1-c32 от тензорезистора (не показан) поступает на вход измерительного канала, фильтруется и переводится в цифровой вид. Преобразователь данных осуществляет цифровую фильтрацию, прореживание и объединение данных 16-каналов в единый цифровой поток и его кодирование по протоколу «Манчестер». Закодированная последовательность цифровых данных передается на статорную часть посредством вращающейся дифференцирующей цепи, образованной передающей и приемной антеннами потока данных.
Передающая и приемная антенны канала передачи данных выполняют роль вращающейся катушки взаимоиндуктивности без стали, которая для передаваемого потока данных является дифференцирующим звеном. При этом величина сигнала на входе приемной антенны пропорциональна первой производной по времени сигнала в передающей антенне, при постоянной по времени величине сигнала напряжение в приемной антенне отсутствует. Таким образом, передача цифрового потока данных происходит только в моменты нарастания и спада прямоугольных импульсов потока, в статическом режиме передачи измерительной информации не происходит, что значительно повышает помехоустойчивость канала передачи информации (Вострокнутов Н.Г., Евтихиев Н.Н. Информационно-измерительная техника, высшая школа 1977 г.).
В статорной части происходит восстановление последовательности цифровых данных, формирование кадров и их передача в память персонального компьютера по протоколу Ethernet. Программное обеспечение обеспечивает непрерывную запись данных и их оперативную обработку в темпе проведения летного эксперимента. Также в статорной части формируется и передается индуктивным способом на роторную часть электроэнергия для питания электронных компонент, расположенных на вращающейся части комплекса.
Эпюры, иллюстрирующие передачу цифрового потока данных, кодированных по протоколу «Манчестер», через дифференцирующую цепь и восстановление исходного потока приведены на фиг.2, где: а - входной поток цифровых данных; б - сигнал на выходе дифференцирующей цепи; в - выделенный передний фронт импульса; г - выделенный задний фронт импульса; д - восстановленный цифровой поток данных.
Восстановление потока цифровых данных, как вариант, возможно триггером с принудительной установкой по входам S и R, при этом на вход S подается сигнал переднего фронта импульса, а на вход R - заднего фронта. Восстановленный на статорной части поток цифровых данных, кодированный по протоколу «Манчестер», проходит дальнейшие преобразования общеизвестными процедурами.
Таким образом, применение дифференцирующей цепи в качестве канала передачи цифрового потока данных обеспечило высокий уровень помехоустойчивости измерительного комплекса в сложных условиях эксплуатации и высоком уровне внешних электромагнитных помех, повысило точность измерения параметров вращающихся элементов авиационного двигателя.