CN110823579A - 发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于测控技术领域，涉及一种发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，解决传统的发动机试验缓变参数采集方法成本高、耗时长、效率低的问题。该装置包括开关量地址驱动分配模块、继电器切换功能模块及传感器信号转接及电源供给模块。开关量地址驱动分配模块将两路开关量信号转换为2x路控制信号；继电器切换功能模块包括m只双刀双掷的继电器，根据2x路控制信号实现各个传感器不同状态的切换；传感器信号转接及电源供给模块根据不同的电源需求，实现与采集通道相对应的各个传感器的前端供电。该装置完成传感器的信号采集、供电、采集通道外加电、校验等功能，集成度高、接线简单，降低了控制设备成本和布线工作量。

Description

发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置

技术领域

本发明属于测控技术领域，涉及一种发动机试验台缓变参数采集系统，具体涉及一种应用于该采集系统的多功能传感器信号切换装置，该装置满足吸气式动力试验缓变参数采集系统需求。

背景技术

目前的发动机试验台缓变参数采集系统，都是集中式采集模式，即将所有的传感器信号通过电缆连接至测控中心的采集设备，再通过电缆转接柜分配并完成传感器供电、信号采集、通道校正。这种模式下，某冲压发动机试验台缓变参数多达几百路，如果全部引入测控中心的话，电缆、转接柜、采集设备的数量巨大，造成实验成本大幅度提升。最重要的是采集设备，除完成传感器信号采集以外，还要定期对数量巨大的采集通道进行校验、加电标准等必要的计量和校正工作。由于采集通道具有唯一性，而传感器信号、外加电标准、电源供电等功能并不能同时进入一路采集通道，现在的发动机试验缓变参数采集系统普遍采用手动拨档开关进行切换选择，几百路的通道，手动操作需要大量的时间，工作效率极其低下。

发明内容

为了解决传统的发动机试验缓变参数采集方法成本高、耗时长、效率低的问题，本发明提供一种应用于发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置。根据某冲压发动机试验参数采集的特点，将采集系统设计为分布式的模式，即将采集系统中的各采集设备分布在试验现场，再通过自动化程度高、功能完善、工业现场级的多功能传感器信号切换装置，结合现场各采集设备，完成传感器的信号采集、供电、采集通道外加电、校验等功能。

本发明的技术方案是提供一种发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特殊之处在于：包括机箱及设置在机箱内的母板与子板；

上述母板上设有开关量地址驱动分配模块与继电器切换功能模块；上述子板上设有传感器信号转接及电源供给模块；

上述开关量地址驱动分配模块用于对采集设备输出的开关量信号进行整定、驱动放大及地址分配后，将两路开关量信号转换为2x路控制信号后输入至继电器切换功能模块；x为该采集设备的采集通道数量；

上述传感器信号转接及电源供给模块用于根据不同的电源需求，实现与采集通道相对应的各个传感器的前端供电，并将有效传感器信号转接至继电器切换功能模块；

上述继电器切换功能模块用于根据开关量地址驱动分配模块输出的2x路控制信号实现各个传感器信号采集、信号短接及外加电标准信号状态的切换。

进一步地，上述开关量地址驱动分配模块包括两级大功率集成芯片；

采集设备输出的两组开关量信号A1、A2通过第一级驱动芯片分别进行n路放大；经放大后的n路开关量信号A1分别输入至对应面板指示灯及n-1组第二级驱动芯片，n-1组第二级驱动芯片分别对n-1路开关量信号A1进行2n路放大并输出至继电器切换功能模块；经放大后的n路开关量信号A2分别输入至对应面板指示灯及n-1组第二级驱动芯片，n-1组第二级驱动芯片分别对n-1路开关量信号A2进行2n路放大并输出至继电器切换功能模块；其中n为大于等于1的正整数。

进一步地，上述大功率集成芯片为ULN2803，所述n＝4。

进一步地，上述继电器切换功能模块包括m只双刀双掷的继电器；每一个继电器的线圈一端接电源正端，另一端分别接开关量地址驱动分配模块的输出端；其中m＝12n；

与开关量信号A1对应的继电器公共端连接采集通道，常开触点互相连接，常闭触点悬空；

与开关量信号A2对应的继电器公共端连接采集通道，常开触点连接外加的标准信号，常闭触点连接传感器信号转接及电源供给模块的信号输出端。

进一步地，上述传感器信号转接及电源供给模块包括精密电阻R1、精密电阻R2、精密电阻R3、拨位开关、信号端及电源端；通过拨位开关的选通实现多种前端信号转接和电源供给模式。

进一步地，上述拨位开关为8档；

1号拨位开关的一端与电源正端连接，另一端与传感器信号输入正端及5号拨位开关的一端连接；

2号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及6号拨位开关的一端连接；2号拨位开关的另一端与信号输出正端连接；

3号拨位开关的一端通过电阻R1与4号拨位开关的一端、电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；3号拨位开关的另一端与2号拨位开关的另一端、5号拨位开关的另一端及7号拨位开关的另一端连接；

4号拨位开关的一端与电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；4号拨位开关的另一端与电源负端连接；

5号拨位开关的一端与8号拨位开关的一端、1号拨位开关的另一端及传感器信号输入正端连接；5号拨位开关的另一端与7号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端、2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接；

6号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及2号拨位开关的一端连接；6号拨位开关的另一端与信号输出负端连接；

7号拨位开关的一端通过电阻R2与信号输出负端、电阻R1及4号拨位开关的一端连接；7号拨位开关的另一端与5号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端及2号拨位开关的另一端连接；

8号拨位开关的一端与5号拨位开关的一端及传感器信号输入正端连接；8号拨位开关的另一端通过电阻R3与2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接。

进一步地，上述传感器信号转接及电源供给模块包括下述供给模式：

模式一、两线制电流输出变送器切换模式；

闭合拨位开关1、2、3、4，断开其他拨位开关；

模式二、四线制电流共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关3、4、5、6，断开其他拨位开关；

模式三、四线制电压/频率共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关4、5、6，其他为断开状态；

模式四、四线制电流不共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关3、5、6，断开其他拨位开关；

模式五、四线制电压/频率不共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关6、7、8，其他为断开状态。

进一步地，为了保证在试验现场振动环境下，电缆连接的紧固性，保证信号传递的可靠性，上述机箱上设有六个55芯航空插头，各个传感器信号通过55芯航空插头J1、55芯航空插头J2、55芯航空插头J3输入传感器信号转接及电源供给模块；

每个55芯航空插头包含8路传感器信号，每路传感器信号按照6芯的标准，再将8路信号的屏蔽线连接在一起接地。

采集设备的采集模块通过55芯航空插头J4、55芯航空插头J5、55芯航空插头J6与继电器切换功能模块连接，每个接插件为8路信号。

进一步地，子板通过矩形连接件垂直安装在母板上。

本发明的有益效果是：

1、本发明发动机试验台缓变参数采集系统的采集装置就近配置在测点旁边，减少了中间大量的转接电缆环节，提高系统的可靠性和可操作性，并根据通道数量配置相应的信号切换装置，该信号切换装置在使用中，统一了不同类型传感器接口，可以直接与压力、推力、真空压力，热电偶、热电阻、铂热电阻温度传感器、涡轮流量计、转速传感器等参数测量设备连接，实现了多路参数采集通道状态切换功能。这一自动化程度高的信号切换装置解决了现场采集设备的配套需求，很好的适用于分布式缓变参数采集系统，提高了测量系统工作效率；

2、本发明信号切换装置集成度高、自动化程度高、工作效率高、操作简便，且控制线路复杂度低，需要的控制端口数少，降低了控制设备成本和布线工作量，更适合用于高通道数测量系统和分布式系统应用。

附图说明

图1为多功能传感器信号装置在发动机试验台缓变参数采集系统中的应用框图；

图2为实施例开关量控制地址分配模块的核心电路；

图3为实施例单通道信号的继电器切换示意图；

图4为实施例传感器信号转接及电源供给模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本发明多功能传感器信号装置主要在发动机试验台缓变参数采集系统中应用，各采集设备分布在试验现场，一台采集设备需要根据通道数量配置相应的信号切换装置，信号切换装置的单台设备通道数量是固定的，此时采集设备需要一台或者多台信号切换装置可以随意配置，测控中心通过以太网控制分布式缓变参数采集设备的开关量输出信号，不同的信号地址对应不同的功能。多功能传感器信号切换装置包括机箱，位于机箱内的母板与子板，还包括三类功能模块，其中第一类功能模块与第二类功能模块位于母板上，第三类功能模块位于子板上，子板通过矩形连接件垂直安装在母板上，这三类功能模块之间通过具有一定逻辑关系的PCB线路和接插件连接，集成在电路板上完成试验要求的信号切换。

其中第一类功能模块为开关量控制地址分配模块，主要对来自分布式缓变参数采集设备的开关量信号进行驱动放大、地址分配。因缓变参数采集系统对测量通道的功能需求是两种，本实施例通过开关量控制地址分配模块对两路开关量控制同进行放大和分配，实现2个开关量端口分别控制24路采集通道同时进行功能切换。本实施例开关量控制地址分配模块的核心电路如图2所示，主要由两级大功率集成驱动芯片ULN2803组成，ULN2803可以完成8路信号驱动，通过这部分电路将单个采集设备输出的两路开关量信号A1、A2进行分配。A1、A2通过第一级驱动芯片U7分别接入4路放大，将放大后的两组4路开关量信号取一路连接对应的面板指示灯，剩余3路信号分别接入第二级驱动芯片放大，图中，A1开关量信号对应的3路第二级驱动芯片分别为U1、U2、U3，A2开关量信号对应的3路第二级驱动芯片分别为U4、U5、U6，分别产生3组8路开关量信号，总共为48路开关量信号，这48路开关量信号连接至模块二。通过这样的两级芯片放大保证A1、A2端口分别可以产生同时驱动24路继电器的控制端口。其他实施例中，可以选用不同的驱动芯片，实现多路开关量信号的输出，驱动多路继电器的控制端口。

当采集设备的采集通道数大于当前选取的信号切换装置的通道数量时，可选用多个信号切换装置，因此通过该开关量控制地址分配模块可以将一个开关量信号同时并接给不同的信号切换装置的相同功能的控制端，即实现控制中心操作在某位置的采集装置、信号切换装置完成所有通道进行同一功能的选择与实现。

第二类功能模块为继电器切换功能模块，属于整个装置的核心部分，主要根据第一类功能模块的输入，完成传感器信号采集、信号短接及外加电标准信号状态的切换。本实施例中继电器切换功能模块主要由48只双刀双掷的继电器组成。48只继电器的线圈一端全部连接机箱5VDC电源的正端，另一端分别连接从第一类功能模块输出的48路开关量信号。对应端口A1的24路继电器的公共端连接采集通道，继电器常开触点互相连接，常闭触点悬空，因此端口A1完成通道短接功能。对应端口A2的24路继电器的公共端连接一台采集设备的24路采集通道，常开触点连接外加的标准信号，常闭触点连接传感器信号，因此端口A2如果选中则完成通道外加标准功能。当所有开关量端口功能都不选择时，即控制中心没有对采集设备的开关量控制模块选择动作，采集设备完成传感器信号采集功能。单通道信号的继电器切换示意图如图3所示。本实施例单台信号切换装置包括48个继电器，共24个采集通道。其他实施例中，可以根据开关量控制地址分配模块的输出信号数量，更改继电器及采集通道数量。

第三类功能模块为传感器信号转接及电源供给模块，主要用于根据不同的电源需求，实现不同类型传感器的前端供电，并将有效传感器信号转接至继电器切换功能模块。本实施例传感器信号转接及电源供给模块采用如图4所示的电路，主要由精密电阻R1、R2、R3、拨位开关、信号端、电源端组成，在图中，IN代表连接传感器信号输入端，OUT代表连接采集设备通道的输出端，DC24电源为信号切换装置给传感器提供的电源电压，这些信号点全部连接在输入、输出的接插件上。

第三类功能模块的子板与主板是通过矩形电连接器实现垂直安装，该电路适用于传感器、变送器多种输出信号(4-20mA电流、0-10V电压、0-5V电压等)的切换。采用8位拨位开关接通不同内置精密元件和电路实现多种前端信号转接和电源供给方案。

其中1号拨位开关的一端与电源正端连接，1号拨位开关的另一端与传感器信号输入正端及5号拨位开关的一端连接；

2号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及6号拨位开关的一端连接；2号拨位开关的另一端与信号输出正端连接；

3号拨位开关的一端通过电阻R1与4号拨位开关的一端、电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；3号拨位开关的另一端与2号拨位开关的另一端、5号拨位开关的另一端及7号拨位开关的另一端连接；

4号拨位开关的一端与电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；4号拨位开关的另一端与电源负端连接；

5号拨位开关的一端与8号拨位开关的一端、1号拨位开关的另一端及传感器信号输入正端连接；5号拨位开关的另一端与7号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端、2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接；

6号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及2号拨位开关的一端连接；6号拨位开关的另一端与信号输出负端连接；

7号拨位开关的一端通过电阻R2与信号输出负端、电阻R1及4号拨位开关的一端连接；7号拨位开关的另一端与5号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端及2号拨位开关的另一端连接；

8号拨位开关的一端与5号拨位开关的一端及传感器信号输入正端连接；8号拨位开关的另一端通过电阻R3与2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接。

根据试验台使用的传感器参数情况，可以分别给出以下几种切换模式：

第一种是两线制电流输出变送器切换模式，此时拨位开关的1、2、3、4处于闭合状态，其他为断开状态。

第二种是四线制电流输出传感器切换电路(共地)，拨位开关3、4、5、6处于闭合状态，其他为断开状态。

第三种为四线制电压/频率输出传感器切换电路(共地)，拨位开关4、5、6处于闭合状态，其他为断开状态；

第四种为四线制电流输出传感器切换电路(不共地)，拨位开关3、5、6处于闭合状态，其他为断开状态。

第五种为四线制电压/频率输出传感器切换电路(不共地)，拨位开关6、7、8处于闭合状态，其他为断开状态。

本实施例多功能传感器信号切换装置采用标准的航空插头接口，传感器信号输入通过55芯航空插头J1、J2、J3，每个55芯航空插头包含8路传感器信号，每路传感器信号按照6芯的标准，再将8路信号的屏蔽线连接在一起接地。该装置同采集设备的采集模块之间连接使用55芯航空插座J4、J5、J6，每个接插件为8路信号。采集设备的开关量模块同该装置之间使用5芯的接插件连接。外加电标准信号、电源信号通过5芯接插件同该装置连接。

本发明的工作过程如下：

工作时，传感器信号进入传感器信号转接及电源供给模块，根据接入传感器不同的电源需求，选择拨位开关置位状态，完成对传感器前端进行供电、信号并电阻状态切换，之后有效的传感器信号进入继电器的触点。

测控中心通过以太网控制前端缓变参数采集设备的开关量模块，不同的地址对应不同的功能。需要采集传感器信号时，所有的开关量信号都为“0”，此时电路中的继电器线圈不需要吸合，多功能信号切换装置为采集状态。需要对采集设备的采集通道进行校验即信号短接、外加电标准信号时，控制开关量对应的地址置为“1”，该切换装置的继电器线圈吸合，触点切换从常闭触点切换到常开触点，此时触点对应的传感器信号、外加电标准、信号短接的功能互相完成切换。

在开关量A1地址置为“1”的状态下，对应的24组继电器吸合，完成信号短接状态测试，开关量A2地址置为“1”的状态下，对应的另外24组继电器吸合，完成外加电标准信号给测量通道，通过采集设备通道验证标准信号是否正常。在A1,A2都不选中，即全部为零时，信号切换装置中的继电器没有任何动作，此时传感器信号进入缓变参数采集设备。

Claims (10)

1.一种发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：包括机箱及设置在机箱内的母板与子板；

所述母板上设有开关量地址驱动分配模块与继电器切换功能模块；所述子板上设有传感器信号转接及电源供给模块；

所述开关量地址驱动分配模块用于对采集设备输出的开关量信号进行整定、驱动放大及地址分配后，将两路开关量信号转换为2x路控制信号后输入至继电器切换功能模块；x为该采集设备的采集通道数量；

所述传感器信号转接及电源供给模块用于根据不同的电源需求，实现与采集通道相对应的各个传感器的前端供电，并将有效传感器信号转接至继电器切换功能模块；

所述继电器切换功能模块用于根据开关量地址驱动分配模块输出的2x路控制信号实现各个传感器信号采集、信号短接及外加电标准信号状态的切换。

2.根据权利要求1所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：

所述开关量地址驱动分配模块包括两级大功率集成芯片；

采集设备输出的两组开关量信号A1、A2通过第一级驱动芯片分别进行n路放大；经放大后的n路开关量信号A1分别输入至对应面板指示灯及n-1组第二级驱动芯片，n-1组第二级驱动芯片分别对n-1路开关量信号A1进行2n路放大并输出至继电器切换功能模块；经放大后的n路开关量信号A2分别输入至对应面板指示灯及n-1组第二级驱动芯片，n-1组第二级驱动芯片分别对n-1路开关量信号A2进行2n路放大并输出至继电器切换功能模块；其中n为大于等于1的正整数。

3.根据权利要求2所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：所述大功率集成芯片为ULN2803，所述n＝4。

4.根据权利要求2所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：所述继电器切换功能模块包括m只双刀双掷的继电器；每一个继电器的线圈一端接电源正端，另一端分别接开关量地址驱动分配模块的输出端；其中m＝12n；

与开关量信号A1对应的继电器公共端连接采集通道，常开触点互相连接，常闭触点悬空；

与开关量信号A2对应的继电器公共端连接采集通道，常开触点连接外加的标准信号，常闭触点连接传感器信号转接及电源供给模块的信号输出端。

5.根据权利要求4所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：所述传感器信号转接及电源供给模块包括精密电阻R1、精密电阻R2、精密电阻R3、拨位开关、信号端及电源端；通过拨位开关的选通实现多种前端信号转接和电源供给模式。

6.根据权利要求5所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：所述拨位开关为8档；

1号拨位开关的一端与电源正端连接，另一端与传感器信号输入正端及5号拨位开关的一端连接；

2号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及6号拨位开关的一端连接；2号拨位开关的另一端与信号输出正端连接；

3号拨位开关的一端通过电阻R1与4号拨位开关的一端、电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；3号拨位开关的另一端与2号拨位开关的另一端、5号拨位开关的另一端及7号拨位开关的另一端连接；

4号拨位开关的一端与电阻R2的另一端、6号拨位开关的另一端及信号输出负端连接；4号拨位开关的另一端与电源负端连接；

5号拨位开关的一端与8号拨位开关的一端、1号拨位开关的另一端及传感器信号输入正端连接；5号拨位开关的另一端与7号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端、2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接；

6号拨位开关的一端与传感器信号输入负端及2号拨位开关的一端连接；6号拨位开关的另一端与信号输出负端连接；

7号拨位开关的一端通过电阻R2与信号输出负端、电阻R1及4号拨位开关的一端连接；7号拨位开关的另一端与5号拨位开关的另一端、3号拨位开关的另一端及2号拨位开关的另一端连接；

8号拨位开关的一端与5号拨位开关的一端及传感器信号输入正端连接；8号拨位开关的另一端通过电阻R3与2号拨位开关的另一端及信号输出正端连接。

7.根据权利要求6所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：

所述传感器信号转接及电源供给模块包括下述供给模式：

模式一、两线制电流输出变送器切换模式；

闭合拨位开关1、2、3、4，断开其他拨位开关；

模式二、四线制电流共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关3、4、5、6，断开其他拨位开关；

模式三、四线制电压/频率共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关4、5、6，其他为断开状态；

模式四、四线制电流不共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关3、5、6，断开其他拨位开关；

模式五、四线制电压/频率不共地输出传感器切换模式；

闭合拨位开关6、7、8，其他为断开状态。

8.根据权利要求6所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：所述机箱上设有六个55芯航空插头，各个传感器信号通过55芯航空插头J1、55芯航空插头J2、55芯航空插头J3输入传感器信号转接及电源供给模块；

每个55芯航空插头包含8路传感器信号，每路传感器信号按照6芯的标准，再将8路信号的屏蔽线连接在一起接地。

9.根据权利要求7所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：

采集设备的采集模块通过55芯航空插头J4、55芯航空插头J5、55芯航空插头J6与继电器切换功能模块连接，每个接插件为8路信号。

10.根据权利要求8所述的发动机试验台缓变参数采集系统的传感器信号切换装置，其特征在于：子板通过矩形连接件垂直安装在母板上。

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