CN112470162A - 使用射频识别验证涡轮喷气发动机零件的包含集成天线的系统 - Google Patents

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赫夫·吉恩·艾伯特·穆顿
菲利普·罗杰·雅克·坎特乌
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Abstract

本发明涉及飞行器维护领域，更具体地，涉及对安装在涡轮喷气发动机中的零件进行追踪的领域，该涡轮喷气发动机被容纳在由发动机舱壁界定出的发动机舱室内。本发明涉及一种零件验证系统(11)，每个零件配备有RFID标签(13)。该验证系统包括：‑被容纳在发动机舱(1)内的内部天线(112)，该内部天线被设计成使得能够与每个RFID标签(13)交换RF信号；‑接口设备(111)，包括位于发动机舱室外部的接入点(1114，1115)，该接口设备被设计成能够连接到被设计成与RFID标签通信的询问设备(12)；以及‑将接口设备(111)连接到内部天线(112)的传输线(113)。

Description

使用射频识别验证涡轮喷气发动机零件的包含集成天线的 系统
技术领域
本发明涉及飞行器维护领域，更具体地，涉及对安装在涡轮喷气发动机中的零件进行监测的领域。本发明涉及一种验证涡轮喷气发动机零件的系统，其中，该验证通过被布置成能够与该零件关联的RFID标签通信的询问设备进行。本发明还涉及一种验证组件，该验证组件包括这种验证系统、至少一个RFID标签以及询问设备。最后，本发明涉及一种包括该验证系统、至少一个RFID标签以及询问设备的飞行器涡轮喷气发动机。
背景技术
在某些情况下，对飞行器的维护涉及对装备涡轮喷气发动机的零件进行识别。基于与零件有关的信息进行该识别，该信息诸如为制造商的名称、序列号、零件号或零件的安装日期等。通常，通过在装备涡轮喷气发动机的零件上进行雕刻或将标识牌固定在这些零件上来使得这些信息伴随零件。在将零件集成到涡轮喷气发动机中之后，在不拆卸这些零件或其周围零件的情况下，可能很难甚至无法读取到这些信息。此外，涡轮喷气发动机零件被容纳在发动机舱内，并且仅在打开整流罩之后才可接近该零件。针对涡轮喷气发动机的干预措施，尤其是对于打开这些发动机舱整流罩具有严格规定。尤其有必要遵循对干预持续时间有负面作用的特定协议。此外，强风会阻碍打开发动机舱整流罩，从而使得无法识别零件。
使得能够在不必开启任何发动机舱整流罩的情况下访问与装备涡轮喷气发动机的零件有关的信息的解决方案包括使零件配备有包含该信息的RFID标签。读取询问器在RFID标签的附近通过时能够收集信息。通过其频率介于大约100kHz(千赫兹)到几千兆赫兹之间的范围内的电磁波来实现数据交换。首先由读取询问器将射频询问信号发射到RFID标签中的每一个。位置离读取询问器足够近而能够接收射频询问信号的每个RFID标签向读取询问器再发送射频响应信号，该射频响应信号包括被包含在RFID标签的芯片中的信息。基于无线识别的该解决方案使得即使当涡轮喷气发动机的多个零件在密集环境中被其他零件包围时，也能够容易且快速地访问与这些零件有关的信息。尤其是在专利申请EP3196425A1中描述了一种解决方案，该解决方案用于与飞行器外部的移动设备通信有关涡轮喷气发动机中的油位的信息。然而，涡轮喷气发动机零件与其外部之间的电磁信号交换会被包围涡轮喷气发动机的发动机舱的壁严重干扰。该壁通常由至少部分导电的多层结构组成。该壁例如由第一复合碳层、第二蜂巢层、第三复合碳层以及第四青铜网格层形成。因此，发动机舱的壁形成衰减约为40至80dB的法拉第笼(Faraday cage)。可以通过极大地增加读取询问器与RFID芯片之间交换的信号的强度来克服此电磁屏障。但是，由于存在干扰飞行器的其他设备甚至其他飞行器的设备的风险，不得不对强度进行限制。
基于上述内容，本发明的目的是提供一种解决方案，该解决方案使得能够在不必拆卸涡轮喷气发动机的零件甚至不必打开发动机舱整流罩的情况下，易于识别涡轮喷气发动机零件，并且能够获得与这些零件有关的额外信息。本发明的另一个目的是提供一种系统，该系统的设计成本、制造成本和维护成本与工业规模的应用相兼容。
发明内容
为此，本发明基于无线识别技术，也被称为RFID(射频识别)技术来实现。本发明提出将射频链接元件集成到容纳涡轮喷气发动机的发动机舱中，从而使得在不必打开发动机舱整流罩的情况下射频信号能够在发动机舱的内部与发动机舱的外部环境之间进行中继传输。
更具体地，本发明的目的是一种用于验证涡轮喷气发动机零件的系统，该涡轮喷气发动机被容纳在由发动机舱壁界定出的发动机舱室中，并且该涡轮喷气发动机包括配备有RFID标签的至少一个零件。该验证系统包括：
■被容纳在发动机舱室内的内部天线，该内部天线被布置成使得能够与RFID标签交换射频信号，
■包括位于发动机舱室外部的接入点的接口设备，该接口设备被布置成能够连接至询问设备，该询问设备被布置成与RFID标签进行通信，以及
■将接口设备连接到内部天线的传输线。
询问设备(也称为“RFID阅读器”)与RFID标签之间的通信通常涉及：从询问设备向RFID标签传输射频询问信号，以及从RFID标签向询问设备传输射频响应信号，该射频响应信号对RFID标签的电子芯片中包含的信息进行编码。射频信号的频率范围例如在860MHz(兆赫兹)到960MHz之间。RFID技术可以是无源的、有源的或半有源的。无源技术的RFID标签仅由询问设备发射的电磁信号供电。该信号使得能够在为RFID标签供电的同时向该RFID标签发送请求，用以请求发送RFID标签的电子芯片中所包含的信息。有源技术的RFID标签装备有电池或与电池关联，从而使该RFID标签能够提供用于发送包含电子芯片中的信息的信号所需的电能。半有源技术的RFID标签也装备有电池或与电池关联，然而，由该电池提供的电能仅用于在电子芯片中存储信息，而不用于发射包含该信息的信号。
值得注意的是，用于验证零件的系统适于对各自装有RFID标签的多个零件进行同时验证。为了限制由多个RFID标签发射的射频响应信号之间发生冲突的风险，验证系统可以集成冲突管理机制。该机制例如包括被集成在询问设备内的冲突管理算法。
内部天线例如安装在发动机舱壁的内表面上。该内部天线还可以安装在涡轮喷气发动机的壳体上。内部天线可以是任何类型，只要其适用于与RFID技术兼容的射频信号即可。该内部天线例如包括全向天线、四分之一波天线、偶极天线、接地面天线、抛物线天线或四象限天线。在特定实施例中，内部天线被布置成发射和接收其频率范围介于860MHz到960MHz之间的射频信号。
根据第一替选实施例，接口设备的接入点包括同轴连接器。该同轴连接器可从发动机舱室的外部触及。该同轴连接器例如安装在发动机舱壁的外表面上或安装在发动机舱壁的厚度中。该同轴连接器例如是BNC连接器。
根据第二替选实施例，接口设备的接入点包括外部天线。外部天线位于发动机舱室的外部。该外部天线例如安装在发动机舱壁的外表面上。外部天线可以是任何类型，只要其适用于与RFID技术兼容的射频信号即可。该外部天线例如包括全向天线、四分之一波天线、偶极天线、接地面天线、抛物线天线或四象限天线。在特定实施例中，该外部天线被布置成发射和接收其UHF频率范围介于860MHz到960MHz之间的射频信号。为了限制飞行器飞行期间的空气动力学损坏，可以将外部天线集成在被安装在发动机舱壁的外表面上并具有空气动力学形式的壳体中。该壳体例如具有鲨鱼鳍的形式。
值得注意的是，接口设备可以包括多个接入点。此外，第一和第二替选实施例是完全兼容的。接口设备可以同时包括一个或多个同轴连接器以及一个或多个外部天线。在特定实施例中，接口设备包括同轴连接器和外部天线。因此，可以通过有线连接或无线连接来实现询问设备与内部天线之间的连接。
接口设备还可以包括连接在外部天线和内部天线之间的转换单元，该转换单元被布置成将根据第一通信协议的信号转换为根据第二通信协议的信号，反之亦然，第一通信协议与询问设备兼容，第二通信协议与RFID标签兼容。具体地，转换单元可以被布置成：一方面，将由询问设备发射的根据第一通信协议的射频询问信号转换为根据第二通信协议的射频询问信号；另一方面，将由RFID标签发射的根据第二通信协议的射频响应信号转换为根据第一询问协议的射频响应信号。一般而言，第二通信协议是RFID通信协议。第一通信协议可以具体是Wi-Fi协议、蓝牙协议、Zigbee协议或专有协议。
验证系统还可以包括安装在地面上的中继天线，该中继天线被布置成将源自询问设备的射频信号传输到接口设备的外部天线，以及将来自接口设备的外部天线的射频信号传输到询问设备。验证系统可以包括多个中继天线，每个中继天线有利地位于飞行器的停泊区域附近、飞行器机库附近或者该机库内部。因此，同一询问设备可用于从唯一位置或从有限数量的位置询问装备不同飞行器的多个涡轮喷气发动机。
根据特定实施例，接口设备还包括连接在外部天线和内部天线之间的双向中继放大器。在多个内部天线的情况下，可以将中继放大器连接在传输线的公共支路处，以放大通过所有传输线的信号。有利地，中继放大器被布置成：一方面，接收由询问设备发射的射频询问信号以及将该射频询问信号放大并发送到内部天线；另一方面，接收由RFID标签发射的射频响应信号，以将该射频响应信号放大并发送到外部天线。
根据另一特定实施例，接口设备还包括授权模块，该授权模块被布置成接收与涡轮喷气发动机的开启或关闭状态有关的发动机状态信息，并根据该发动机状态信息防止或授权由内部天线发射射频询问信号。该实施例尤其适用于第二替选实施例，其中，接入点包括外部天线，该外部天线易于在涡轮喷气发动机运行时接收射频询问信号。在发动机舱室内传输此射频信号有对在涡轮喷气发动机内部传播并参与调节该涡轮喷气发动机的某些信号造成干扰的风险。对于第一替选实施例，其中，接入点包括同轴连接器，已经通过禁止操作者接近运行中的涡轮喷气发动机的措施限制了射频询问信号的发射风险。然而，可以提供授权模块以确保附加的安全性。涡轮喷气发动机的开启或关闭状态例如对应于涡轮喷气发动机的转速：当涡轮喷气发动机的转速为零时，涡轮喷气发动机被认为处于关闭，而当涡轮喷气发动机转速非零时，涡轮喷气发动机被认为处于开启。可以由飞行器的控制系统发射发动机状态信息，该控制系统例如是中央控制系统或全权数字发动机控制(FADEC)。
RFID标签可以包含与装备该RFID标签的零件的标识有关的信息、与该零件的寿命有关的信息和/或与该零件中存在预定物质有关的信息。特别地，RFID标签可以包含零件的序列号、产品号、与制造商有关的指示、估计寿命、零件的指定更换日期和/或与其中存在危险或有毒物质有关的信息。
发动机舱壁通常包括风扇罩和核心罩。因此，接口设备的接入点可以安装在该风扇罩或核心罩上。更具体地，该接入点可以安装在风扇罩或核心罩的外表面上。
验证系统可以包括多条传输线和被容纳在发动机舱室中的多个内部天线，这些传输线将接口设备连接到每个内部天线。内部天线优选地位于发动机舱室内部的不同位置。每个内部天线通过传输线连接到至少一个接入点。优选地，每个内部天线被连接到接入点的组件。因此，可以从同一接入点询问位于涡轮喷气发动机的不同位置的RFID标签。
每条传输线确保接入点和内部天线之间的电连接。多条传输线可以包括公共部分，以限制这些传输线的总长度，从而限制验证系统的重量。具体地，可以提供穿过发动机舱壁的公共部分。在特定实施例中，每条传输线包括同轴电缆。优选地，同轴电缆是被加固的。
本发明还涉及一种用于验证涡轮喷气发动机零件的组件，该组件包括：如上所述的用于验证零件的系统；一个或多个RFID标签，其中每个RFID标签能够装备涡轮喷气发动机的零件；以及询问设备，该询问设备被布置成通过验证系统与RFID标签通信。
本发明还涉及一种飞行器涡轮喷气发动机，该飞行器涡轮喷气发动机被布置成被容纳在由发动机舱壁界定出的发动机舱室中，并且该飞行器涡轮喷气发动机包括如上所述的用于验证零件的系统以及各自装备涡轮喷气发动机零件的一个或多个RFID标签。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例并参考附图给出的描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得明显：
-图1示意性地示出了根据本发明的用于验证涡轮喷气发动机零件的组件的第一示例；
-图2以剖视图示意性地示出了根据本发明的配备有用于验证零件的组件的第二示例的飞行器涡轮喷气发动机。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的用于验证涡轮喷气发动机零件的组件的第一示例。涡轮喷气发动机(未示出)包括位于发动机舱室1中的一组零件和/或部件。该室由通常由复合多层结构形成的发动机舱壁2界定出。验证组件10包括验证系统11、询问设备12和三个RFID标签。每个RFID标签13旨在与涡轮喷气发动机的零件或部件相关联。例如，该RFID标签被胶合、焊接或附接至该零件或部件。该RFID标签包括电子芯片131和天线132，该电子芯片包含与之关联的零件或部件有关的信息。与零件或部件有关的信息包括例如零件的标识、零件的使用寿命或零件包含一种或几种危险或有毒物质的事实。
验证系统11包括接口设备111、内部天线112和将接口设备111连接到内部天线112的同轴电缆113。接口设备111包括授权模块1111、转换单元1112、中继放大器1113、BNC连接器1114、外部天线1115以及环行器1116。授权模块1111、转换单元1112、中继放大器1113和环行器1116被容纳在壳体1117中，该壳体至少部分地位于发动机舱室1中。转换单元1112一方面连接在BNC连接器1114和外部天线1115之间，另一方面连接在该BNC连接器和中继放大器1113之间。该转换单元被布置成将根据第一通信协议的信号转换为根据第二通信协议的信号，以及将根据第二通信协议的信号转换为根据第一通信协议的信号。第一通信协议与询问设备12兼容。该第一通信协议例如包括Wi-Fi协议。第二通信协议是与RFID标签13兼容的RFID通信协议。因此，转换单元1112被布置成将Wi-Fi询问信号转换成RFID询问信号以及将RFID响应信号转换成Wi-Fi响应信号。中继放大器1113连接在转换单元1112和环行器1116之间。该中继放大器使得询问信号能够在转换单元的输出端处被放大，从而使得内部天线112发射其强度足以到达一组RFID标签13的RFID信号。环行器1116连接在中继放大器1113和内部天线112之间。该环行器使得源自内部天线112的所有响应信号能够绕过中继放大器1113，并直接进入到转换单元1112中。授权模块1111被布置成接收发动机状态信息并根据该信息防止或授权RF询问信号的发射。发动机状态信息与涡轮喷气发动机的开启或关闭状态有关。该发动机状态信息例如源自全权数字发动机控制(FADEC)。在该实施例中，授权模块1111对中继放大器1113进行引导，以在涡轮喷气发动机开启时防止由内部天线112发射任何RF询问信号，以及在涡轮喷气发动机关闭时放大RF询问信号。BNC连接器1114和外部天线1115被安装在壳体1117上，以通向发动机舱室1的外部。该BNC连接器和外部天线形成接口设备111的接入点，即分别形成有线接入点和无线接入点。内部天线112位于发动机舱室1中，以能够在不必穿过发动机舱壁2的情况下与RFID标签13通信。该内部天线例如安装在发动机舱壁2的内表面上。在图1的示例中，内部天线112是偶极天线。然而，可以使用能够发射和接收与RFID通信协议兼容的射频信号(RF)的任何类型的天线。
也被称作“RFID读取器”的询问设备12包括无线通信模块，该无线通信模块配备有天线121且被布置成通过验证系统11的外部天线1115与该验证系统进行通信。通信模块被布置成根据第一通信协议(即本实施例中的Wi-Fi协议)与验证系统11进行通信。询问设备12还可以包括BNC连接器，该BNC连接器能够例如通过同轴电缆连接到接口设备111的BNC连接器1114。询问设备12被布置成向RFID标签13发射询问信号，以便由接收到该信号的每个RFID标签13启动发射被包含在该RFID标签的电子芯片131中的响应信号编码信息。询问设备12还包括显示器122、控制按钮123和电池(未示出)。显示器122使得能够显示被收集在RFID标签13中的信息。控制按钮123使得能够控制询问设备12。具体地，按钮使得能够通过天线121启动对询问信号的发射。电池被布置成能够对询问设备12的不同元件进行供电并且使得询问设备能够自律。
值得注意的是，接口设备111可以包括多个内部天线，这些内部天线位于发动机舱室1内部的不同位置，以到达分布在涡轮喷气发动机中的不同RFID标签13。此外，在图1的实施例中，已经考虑了询问设备12以除了RFID通信协议之外的通信协议运作。然而，询问设备12也可以以该协议运作，这使得无需存在转换单元1112。也可以移除中继放大器1113和环行器1116，尤其是当询问信号通过BNC连接器1114进入接口设备111时。在这种情况下，该信号的强度足以到达所有RFID标签13。也可以移除授权模块1111，尤其是当询问信号通过BNC连接器1114进入接口设备111时，这是因为只有操作员才有权在涡轮喷气发动机关闭时接近该涡轮喷气发动机。
图2以剖视图示意性地示出了根据本发明的配备有用于验证零件的组件的第二示例的飞行器涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机3包括由位于发动机舱室1中的零件和/或部件的组合件形成的核心31，该发动机舱室由发动机舱壁2界定出。验证组件20包括验证系统21、询问设备12和四个RFID标签13。询问设备12和RFID标签13与图1中的询问设备和RFID标签相同。验证系统21包括接口设备211、三个内部天线212和将内部天线212连接到接口设备211的同轴电缆213。接口设备211与参考图1描述的接口设备111相同。其与图1的接口设备的区别在于，该接口设备包括被容纳在发动机舱壁2的厚度中的BNC连接器2114以及远离壳体2117并通过(优选地是加固的)同轴电缆2118连接到该壳体上的外部天线2115。
根据本发明的用于验证涡轮喷气发动机零件的组件的示例可以以下方式运作。第一步，用户致动询问设备12的控制按钮，以发出询问信号。该询问信号由外部天线1115、2115接收、由接口设备111、211处理并由每个内部天线112、212再发射。接收该询问信号的每个RFID标签13发送回响应信号，该响应信号包含与涡轮喷气发动机所配备的零件有关的信息。该响应信号由至少一个内部天线112、211接收、可由接口设备111、211的转换单元1112转换并由外部天线1115、2115再发射。然后，该询问设备12接收该响应信号，以从该响应信号中提取来自RFID标签13的信息。

Claims (12)

1.一种用于验证涡轮喷气发动机零件的系统，所述涡轮喷气发动机(3)被容纳在由发动机舱壁(2)界定出的发动机舱室(1)中，所述涡轮喷气发动机包括配备有RFID标签(13)的至少一个零件，验证系统(11，12)包括：
■被容纳在所述发动机舱室(1)中的内部天线(112，212)，所述内部天线被布置成使得能够与所述RFID标签(13)交换射频信号，
■接口设备(111，211)，包括位于所述发动机舱室外部的接入点(1114，1115，2114，2115)，所述接口设备被布置成能够连接到询问设备(12)，所述询问设备被布置成与所述RFID标签通信，以及
■传输线(113、213)，所述传输线将所述接口设备(111，211)连接到内部天线(112，212)。
2.根据权利要求1所述的验证系统，其中，所述接口设备的所述接入点包括同轴连接器(1114，2114)。
3.根据权利要求1或2所述的验证系统，其中，所述接口设备的所述接入点包括外部天线(1115，2115)。
4.根据权利要求3所述的验证系统，其中，所述接口设备(111，211)还包括转换单元(1112)，所述转换单元连接在所述外部天线(1115，2115)与所述内部天线(112，212)之间，并且所述转换单元被布置成将根据第一通信协议的信号转换成根据第二通信协议的信号以及将根据第二通信协议的信号转换成根据第一通信协议的信号，所述第一通信协议与所述询问设备(12)兼容，所述第二通信协议与所述RFID标签(13)兼容。
5.根据权利要求3或4所述的验证系统，还包括安装在地面上的中继天线，所述中继天线被布置成将源自所述询问设备(12)的射频信号发送到所述接口设备的所述外部天线(1115，2115)，以及将源自所述接口设备的所述外部天线的射频信号发送到所述询问设备。
6.根据前述权利要求中任一项所述的验证系统，其中，所述接口设备(111，211)还包括连接在所述外部天线(1115，2115)与所述内部天线(112，212)之间的双向中继放大器(1113)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的验证系统，其中，所述接口设备(111，211)还包括授权模块(1111)，所述授权模块被布置成接收与所述涡轮喷气发动机的开启状态或关闭状态有关的发动机状态信息，以及根据所述发动机状态信息防止或授权由所述内部天线(112，212)发射射频询问信号。
8.根据前述权利要求中任一项所述的验证系统，其中，所述RFID标签(13)包含与配备其的零件的标识有关的信息、与所述零件的寿命有关的信息和/或与所述零件中的预定物质的存在有关的信息。
9.根据前述权利要求中任一项所述的验证系统，其中，所述发动机舱壁(2)包括风扇罩和核心罩，所述接口设备的所述接入点(1114，1115，2114，2115)安装在所述风扇罩或所述核心罩上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的验证系统，包括多个传输线(213)和被容纳在所述发动机舱室(1)内的多个内部天线(212)，所述传输线将所述接口设备(211)连接到每个内部天线(212)。
11.一种验证涡轮喷气发动机零件的组件，包括根据权利要求1至10中任一项所述的验证系统(11，21)、能够装备涡轮喷气发动机(3)的零件的RFID标签(13)以及被布置成通过所述验证系统与所述RFID标签进行通信的询问设备(12)。
12.一种飞行器涡轮喷气发动机，所述飞行器涡轮喷气发动机被布置成被容纳在由发动机舱壁(2)界定出的发动机舱室(1)中并且包括根据权利要求1至10中任一项所述的验证系统(11，21)和装备涡轮喷气发动机零件的RFID标签(13)。
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