JP2012132916A - 高温電子監視システム用ハブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのエンジン性能パラメータを監視する監視システムを提供する。
【解決手段】ハブユニット１４は、ハウジングと、ハウジング内でセンサ２０からアナログセンサ出力を受ける信号調整回路ボード２４と、ハウジング内で信号調整ボード２４に接続され且つアナログセンサ出力に対応するデジタルデータを生成する制御ボード２２とを含む。制御ボード及び信号調整ボードは各々、アナログ信号処理経路を定め且つ精度及び精密特性を有する電気回路構成要素を含み、該精度及び精密特性は、構成要素の経年変化並びにハブユニットが受ける温度変化に応答してドリフトする。ハブユニットは、電気回路構成要素のドリフトにより生じるアナログ信号処理経路における誤差を決定及び除去する連続較正方式を実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全体的に、電子装置に関し、より詳細には、ガスタービンエンジン上又は隣接した環境のような、高温環境内で動作可能な電子機器に関する。

航空機ガスタービンエンジンは、これらの開発中、並びに製造及びその後の保守整備中に試験を受ける。エンジン性能を評価するために、通常は、種々の温度、圧力、流量、力、回転速度、その他などを含む、多数のエンジン性能パラメータが監視される。非限定的な実施例として、典型的には、エンジン入口、圧縮機、及び排出ガスの温度、ファン、圧縮機、及びタービンセクション内の圧力、燃料及び空気流量、圧縮機及びファンロータ速度、ブレード先端クリアランス、機械的応力、並びに部品振動を監視することが望ましい。開発及び飛行試験の航空機エンジンは、対象の種々のパラメータを監視するために何千ものセンサを有することが必要となる場合がある。

エンジン試験は通常、屋外に置かれることが多い固定の試験台上で行われる。このような試験台１００の非限定的な実施例が図１に概略的に示されている。試験台１００は、地中の支持基盤１０４に装着された垂直支柱１０２と、支柱１０２上に装着され且つ試験のため航空機エンジン１０８が装着されるヘッド（スラスト）フレーム１０６とを含むように表されている。ヘッドフレーム１０６は、パイロン１１２と共にエンジン１０８が取り付けられる取り付け部材１１０を含み、該パイロンは、特定のエンジン１０８に合わせて適切に構成される。

エンジン試験中、エンジン１８０及びその直ぐ周囲の環境は極めて高温に達する可能性がある。例えば、温度は、エンジンカウル（ナセル）１１４の直ぐ下のエンジンコア周り、並びにヘッドフレーム１０６及びその取り付け部材１１０上で２６０℃近く又はこれを超える可能性がある。エンジン１０８を監視するのに使用されるセンサは、これらの温度に耐えるように開発されているが、センサデータを処理するのに使用される電子機器ははるかに低い温度に制限されている。例えば、典型的な民生用電子構成部品は、多くの場合、約８５℃に制限され、軍用規格の構成部品でさえ通常は１２５℃を超えない定格である。このため、各センサは通常、その出力信号を遠隔のデータ収集システムに搬送するために別個の連続した配線又は管体を必要とし、遠隔データ収集システムは、制御環境を備えた密閉施設内に配置されることが多い。この施設は、例えば、５０メートルから３００メートルを超えるなど、エンジン試験台から相当な距離にある可能性がある。多数（場合によっては数千）のデータ配線及び管体を配線、管理、及び維持するには、相当な作業が必要とされる。そのため、配線又は管体の長さ及び数を低減できることが有用であり有利となる。

米国特許第７，７３９，２１６号明細書

本発明は、固定試験台上での作動中、又は機体搭載状態の飛行試験中並びに通常の航空機運転中のガスタービンエンジンのエンジン性能パラメータを監視するよう適応された監視システムで、特に、エンジン性能パラメータを検知してデジタルセンサ出力を生成するためエンジン上に装着されたセンサを含む監視システムで使用するよう適応されたハブユニットを提供する。

本発明の第１の態様によれば、ハブユニットは、ハウジングと、該ハウジング内でセンサからアナログセンサ出力を受けるように適応された少なくとも１つの信号調整回路ボードと、ハウジング内で信号調整回路ボードに接続され且つアナログセンサ出力に対応するデジタルデータを生成するよう適応された制御回路ボードとを含む。制御回路ボード及び信号調整回路ボードは各々、アナログ信号処理経路を定め且つ精度及び精密特性を有する電気回路構成要素を含み、該精度及び精密特性は、構成要素の経年変化並びにハブユニットが受ける温度変化に応答してドリフトする。ハブユニットは更に、標準電圧及びゼロ電圧を信号調整回路ボードに周期的に印加して、制御回路ボード及び信号調整回路ボードの電気回路構成要素のドリフトにより生じるアナログ信号処理経路における誤差を決定及び除去することによる連続較正方式を実施する手段を含む。

本発明の第２の態様によれば、上記の特定の態様に加えて、ハブユニットは更に、信号調整回路ボード上で、センサによって発生する複数のアナログセンサ出力を多重化して、個々の多重アナログ出力を生成する手段と、個々の多重アナログ出力のアナログセンサ出力をスケール調整し、対応するデジタルデータが生成される個々の調整済み多重アナログ出力を生成するための調整可能ゲインを備えた少なくとも１つの増幅器と、を含むことができる。増幅器及び調整可能ゲインは、制御回路ボードにより制御される。

本発明の技術的作用は、例えば、デジタルデータを処理するのに従来使用されているタイプのより温度に敏感なハードウェアで実施可能な温度よりも高い温度である、高温でハブユニットが動作できることである。従って、データ処理は、監視されている高温環境から遠隔の位置にて実施することができる。他方、ハブユニット及び特にその制御ボード及び信号調整回路ボードは、好ましくは能動冷却を使用することなく、高温作動に特に適応させることができる。更に、連続較正方式は、制御回路ボード及び信号調整回路ボードの電気回路構成要素の精度及び精密特性がハブユニットの構成要素経年変化及び高温環境に起因してドリフトする傾向がある結果として、他の場合にはアナログ信号処理経路内に存在していた誤差を除去する。本発明の第２の態様によれば、多重化機能が、データを遠隔に位置するディストリビュータユニットに伝送するのに必要な配線又はケーブルの数を低減することができる。

本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの試験第の概略図。 図１に示されるタイプのような試験台上に装着される間に作動するガスタービンエンジンの性能パラメータを監視するよう適応された監視システムの段階的ユニットを表すブロック図。 監視システムのプロセッサ制御ボードの詳細を含めた、図２の監視システムの特定の構成要素を表すブロック図。 図２の監視システムのアナログ信号調整ボードを表すブロック図。 図２の監視システムのコレクタコンピュータと共に使用する電圧標準装置の概略図。

図２は、エンジンが固定試験台（例えば、図１に示す試験台１００）上に装着されて作動している間、ガスタービンエンジンの性能パラメータを監視するよう適応された監視システム１０の種々のユニットを表すブロック図である。システム１０はまた、機体搭載状態の飛行試験中並びに通常の航空機運転中にエンジンを監視するのに用いることができる。監視システム１０は、ガスタービンエンジンの監視に特に好適であり、便宜上、図１に示されるエンジン１０８及びその試験台を参照して説明するが、システム１０の利用はこのような用途に限定されない。むしろ、システム１０は、高温に曝される環境において動作する装置の性能パラメータを監視する要求又は必要性がある多様な状況に広く適用することができる。

図２において表されるように、システム１０は、全体的に、ガスタービンエンジン１０８に関する４つの環境３４、３６、３８、及び４０に配置されるユニット１２、１４、１６、及び１８として識別される。第１のユニット１２は、エンジン性能を評価する目的でエンジン１０８の性能パラメータを監視するためにエンジン１０８内又はその周りに適切に配置されたセンサ２０のアレイを含む。あらゆる数のセンサ２０がシステム１０により利用することができ、センサ２０は、図１に関して上記で検討したように、例えば、エンジン１０８の温度、圧力、流量、力、回転速度、その他を監視する種々のタイプのものとすることができる。特定のタイプのセンサ２０は、通常、熱電対、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、及び圧力トランスデューサを含む、エンジン運転の監視中に複数で利用される。センサ２０は、対象のパラメータを直接検出するよう配置されるので、センサ２０のユニット（アレイ）１２は、「高温エンジン環境」３４内に配置されるように図２に示されており、この高温エンジン環境では、２００℃を超える最大温度にシステム１０が遭遇することが多く、２６０℃又はそれ以上に達する場合もある。システム１０において使用するのに好適なセンサ２０は、一般に入手可能であり、ガスタービンエンジンパラメータを監視するために一般的に使用されており、従って、ここでは詳細には検討しないことにする。センサ２０により生成される特定の出力信号は、使用されるセンサ２０のタイプによって決まるが、ほとんどの場合ではこの信号はアナログ信号であり、コンピュータ処理装置によりデータを使用してエンジン性能を評価するためにはデジタル化しなくてはならない
システム１０の残りの主要なユニット１４、１６、及び１８は、図２において、相対的に低温になる可能性が高い環境３６、３８、及び４０内に配置されることが分かる。これらのユニットのうちの最初のユニットはハブユニット１４と呼ばれ、センサ２０は、使用される特定のタイプのセンサ２０と共に一般的に利用されるあらゆる好適な配線、管体、又は他の適切なコネクタを通じてこのハブユニットと直接通信する。図２に示されるハブユニット１４は、通常、センサ２０の数並びに各ハブユニット１４が管理できるセンサ２０の数に応じてシステム１０において使用できる幾つかのハブユニット１４のうちの１つである。ハブユニット１４は、例えば、エンジンカウル１１４の真下のエンジンコア環境のような、エンジン１０８の約３メートル内でエンジン１０８に近接して配置されるよう適応されるので、センサ２０の環境３４と同様に、ハブユニット１４の環境３６は「高温エンジン環境」３４として識別される。エンジン１０８の真上及びカウル１１４の真下の位置に加え、他の位置は、試験台１００のヘッドフレーム１０６又は取り付け部材１１０上の隣接位置を含むことができ、ここでは極めて高い温度にシステム１０が遭遇する可能性が高い。例えば、カウル１１４の真下及びヘッドフレーム１０６又は取り付け部材１１０上の位置に隣接する温度は１２５℃を超えることが多く、例えば、２００℃よりも高く、場合によっては２６０℃又はそれ以上のような、はるかに高い温度に達する可能性がある。そのため、ハブユニット１４の電子構成部品は、従来の電子構成部品及び軍用規格の構成部品で可能であった温度よりも有意に高い温度に耐えることができなければならない。

対照的に、コレクタユニット１６及びディストリビュータユニット１８と呼ばれる、システム１０の残りの２つのユニット１６及び１８の環境３８及び４０は、「エンジン近傍環境」３８及び「低温環境」４０として識別される。前者は、コレクタユニット１６がエンジン１０８に近接して配置されるよう適応されるが、ハブユニット１４と同程度にはエンジンコアに近接していないのでこのように表される。例えば、コレクタユニット１６は、エンジン１０８のコアから約３〜１０メートルの距離にあるエンジンファンケース環境内又は試験台１００上（ヘッド（スラスト）フレーム１０６など）に配置することができる。これらの位置では、温度は通常５５℃を上回るが、２６０℃よりも有意に低く、通常は１２５℃未満である。そのため、コレクタユニット１６の電子構成要素は、通常、高温に耐えることができなくてはならないが、ハブユニット１４ほど高温ではない。ある場合には、最大定格１２５℃の軍用規格構成要素を用いることができ、場合によっては、最大定格８５℃の従来の電子構成要素を用いることができる。

他方、ディストリビュータユニット１８の低温環境４０は、８５℃を超えない定格の従来の電子構成要素の使用が認められる。低温環境４０は、ディストリビュータユニット１８が、例えば試験台１００付近にある密閉施設のような制御温度環境内に配置可能であり、またそのように配置することが好ましく、５５℃未満の温度に維持するよう空気調整して安定化される点で「低温」として表される。機体搭載状態のエンジン運転では、環境４０は航空機の内部とすることができる。ディストリビュータユニット１８は、システム１０のうちで最大の処理能力を有するのが好ましく、従って、典型的には１つ又はそれ以上のコンピュータサーバ、パーソナルコンピュータ、及び／又はデータ処理に適応された他の処理装置を備えており、総称して図２においてディストリビュータコンピュータ４２で表される。以下で検討するリアルタイム較正機能に加えて、ディストリビュータコンピュータ４２はまた、エンジニアリング単位換算の機能、システム構成、及びデータベース機能を提供することができる。ディストリビュータコンピュータ４２に好適な機器は、比較的温度に敏感である可能性があり、従って、ほぼ室温で収容されるのが有利である。低温環境４０は通常、例えば、１５メートルを超えてエンジン試験台１００から遠隔に配置される。

図２は、プロセッサ制御ボード２２及び１つ又はそれ以上のアナログ信号調整回路ボード２４を含むものとしてハブユニット１４を概略的に示している。これらのボード２２及び２４は、図２に概略的に示されるように、ボード２２及び２４を完全に囲んで密閉するように、ハウジング４４内に密閉されるのが好ましい。プロセッサ制御ボード２２及びアナログ信号調整回路ボード２４は、共に協働し、センサ２０のアナログ出力信号をディストリビュータユニット１８が処理できるデジタルデータに変換する。本発明の特定の好ましい態様によれば、プロセッサ制御ボード２２及びアナログ信号調整回路ボード２４はまた、アナログ−デジタル変換の前にセンサ２０から受け取ったアナログ出力信号の完全性を確保する追加のプロセスを実施するよう組み合わされる。以下でより詳細に説明するように、１つのこのような追加のプロセスは、構成要素の経年変化及び温度変動（ハブユニット１４が受ける過酷な温度変化など）から生じる可能性がある、アナログ信号調整回路ボード２４及びプロセッサ制御ボード２２の電子構成要素の精度及び精密特性のあらゆるドリフトを検出する連続較正機能を提供することである。較正機能は、較正データを生成し、ディストリビュータコンピュータ４２がこれを使用して、コレクタユニット１６及びより詳細にはユニット１６のコレクタコンピュータ２６を介してハブユニット１４から収集されるデジタルデータのリアルタイム補正を実施する。別の好ましいプロセスは、複数のセンサ２０のアナログ出力信号を多重化して多重アナログ出力にし、これにより、例えば、ＲＳ−４８５シリアル通信ケーブルのようなシリアルデータコネクタ上でデジタルデータをコレクタユニット１６に伝送するのに必要な接続数が低減される。更に別の好ましいプロセスは、センサ２０の１つのグループ（バンク）の多重アナログ出力をセンサ２０の他のバンクの多重アナログ出力と交互配置（インターリーブ）し、多重アナログ出力の個々のアナログ出力信号が出力セットの間でより迅速に「整定」されるようにすることである。ハブユニット１４のこれら及び他の態様は、以下でより詳細に検討する。

コレクタユニット１６は、コレクタコンピュータ２６、電源２８、及び以下でより詳細に説明されるように、システム電圧標準装置３２を含む温度制御環境３０を備えるものとして図２に概略的に示される。電源２８の主要機能は、センサ２０（必要であれば）及びハブユニット１４に収容される電子構成要素を含む、システム１０の電子構成要素に電力を供給することである。好ましい電源２８は、スイッチングレギュレータフロントエンドと線形レギュレータバックエンドとを備えた二重トポロジー設計である。電源２８は、システム耐障害性を高め、ノイズ結合を低減するために、各ハブユニット１４に対して独立して調整される複数の電圧を生成するよう構成することができる。コレクタコンピュータ２６は、ハブユニット１４並びにシステム１０に含まれるあらゆる追加のハブユニット１４からデジタルデータを受け取った後、このデジタルデータをディストリビュータユニット１８のディストリビュータコンピュータ４２に転送する。コレクタコンピュータ２６は、例えば、インターレンジインスツルメントグループ（ＩＲＩＧ）タイムコード又はネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）を利用して、ディストリビュータコンピュータ４２へのデジタルデータの流れを同期させるためにロギング能力を有するよう構成される。より詳細には、コレクタコンピュータ２６は、ハブユニット１４から入来するデジタルデータの複数のストリームを正確にタイムスタンプし、データをフレームに圧縮し、次いで、例えば光ファイバーベースのＥｔｈｅｒｎｅｔ（商標）接続によりデータをディストリビュータコンピュータ４２に送信することにより、複数のハブユニット１４からの入来するデジタルデータに対してインテリジェントスイッチとして動作するのが好ましい。複数データストリームをタイムスタンプして該データをフレームに圧縮するのに好適な構成要素は、当該技術分野で公知であり、従って、ここでは詳細には検討しない。コレクタコンピュータ２６とディストリビュータコンピュータ４２との間のデータ接続に光ファイバーケーブルを使用することは、軽量化に対する伝送の脆弱性を軽減する目的で好ましく、これは、伝送ケーブルが通常、試験台１００と、ディストリビュータユニット１８を収容する遠隔施設との間で配線される結果として戸外環境に曝されるので好ましいことである。コレクタコンピュータ２６、電源２８、及び制御環境３０は全て、これらの構成要素が素子に直接曝されるのを防ぐ好適な保護ハウジング（図示せず）内に密閉することができる。

特に、ハブユニット１４のレベルでの多重化及びコレクタユニット１６のレベルでの同期に起因して、デジタルデータは、単一のＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）接続上でディストリビュータユニット１８に供給することができ、これは、従来技術の遠隔データ収集システムにセンサ出力を送信するのにこれまで通常は必要とされた数千のケーブル及び管体とは著しく相違している点に留意されたい。

図３は、プロセッサ制御ボード２２、その接続部の一部、並びにアナログ信号調整ボード２４及びコレクタユニット１６への接続部を表したブロック図である。プロセッサ制御ボード２２は、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能ＲＯＭ）などのＲＯＭ４８（ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）内に記憶されたプログラムから実行するよう適応されたマイクロプロセッサ４６を備えるように表され、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５０を用いて、センサ２０から生成されたデジタルデータ、並びに制御ボード２２によって実行される計算において使用するあらゆる変数を記憶する。マイクロプロセッサ４６は、好ましくは、アナログ信号調整ボード２４に付随するゲイン設定機能（以下で検討する）を実施し、センサ２０の個々の信号チャンネル又は信号チャンネルのブロックのどれが読み出されるか、データ収集のタイミング、エラー検知、アナログ−デジタル変換、あらゆる組み込み試験（ＢＩＴ）モードの実行、センサ配置（センサ２０のタイプに基づく）、並びにデジタルデータの収集、フォーマット、及びコレクタコンピュータ２６への転送を制御／選択する。図３に示すように、ボード２２の入力／出力（Ｉ／Ｏ）機能は、好ましくは、メモリマップトＩ／Ｏ操作の形態で指示される。また、図３で分かるように、プロセッサ制御ボード２２はまた、ゼロ及びフルスケール制御出力をアナログ信号調整ボード２４に送信し、並びにコレクタコンピュータ２６と直接通信する。アナログ信号調整ボード２４及び図４を参照しながら検討するように、プロセッサ制御ボード２２により送信されるゼロ及びフルスケール制御出力は、連続較正方式の一部であり、該較正方式は、ゼロ電圧及び基準電圧を周期的に印加して、温度変動及び構成要素の経年変化により生じる、アナログ信号調整ボード２４の電子構成要素の精度及び精密特性のあらゆるドリフトを検出し補正する。

上述のように、ハブユニット１４は、１２５℃よりも高く、好ましくは少なくとも２００℃程度の温度で動作することを意図している。好ましい実施形態では、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０、及びプロセッサ制御ボード２２に取り付けられる受動的構成要素は、２００℃を上回る温度で動作することができる。この能力を達成するために、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基材及び処理技術を用いて実施されるのが好ましい。当該技術分野で公知のように、ＳＯＩ基材は通常、絶縁体上に薄いエピタキシャル層を含む。基材は通常、ウェーハをボンディングする前に、半導体（例えば、シリコン）ウェーハのペアのボンディング面の片面又は両面を酸化することによって形成される。ほとんどの場合、単一の二酸化ケイ素の層は、シリコンウェーハ上に形成されたエピタキシャル層上に成長する。ウェーハをボンディングした後、絶縁体及びエピタキシャル層（及び任意選択的に、第２のウェーハのシリコン層）以外は全てエッチング除去され、二酸化ケイ素の層がエピタキシャル層を電気的に絶縁する絶縁体を形成する。ＳＯＩ処理技術を用いてＳＯＩ基材上に実装される固体マイクロプロセッサの商業的実施例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌから商業的に入手可能なＨＴ８３Ｃ５１マイクロプロセッサである。ＳＯＩ基材上に実装されるＲＡＭ構成要素の商業的実施例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌから入手可能なＨＴ６２５６ ２５６Ｋビット ＳＲＡＭ構成要素であり、ＳＯＩ基材上に実装されるＲＯＭ構成要素の商業的実施例は、Ｔｗｉｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．によるＲＯＭ構成要素を含む。

プロセッサ制御ボード２２の電子構成要素が取り付けられる基材はまた、少なくとも２６０℃の温度に耐えることができるのが好ましい。好ましい高温基材材料は、ガラス強化炭化水素／セラミック積層体であり、商品名ＲＯ４００３ＣでＲｏｇｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。更に、電子構成要素は、高融点はんだを用いて取り付けられるのが好ましく、その注目すべき非限定的な実施例は、９２．５Ｐｂ−５Ｓｎ−２．５Ａｇであり、約２８７℃から約２９６℃の溶融範囲を有する。ボードの熱膨張及び収縮により生じる熱応力を低減するために、ボード２２上のマイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０、及び他の構成要素は、１つ又はそれ以上の金属鉛（スティック）を有するスルーホール構成要素であるのが好ましく、これらは、基材内のスルーホール（通常はめっき済みスルーホール）に挿入され、次いで基材にはんだ付けされる。熱応力を低減する他の手法は、熱勾配を最小限にし、熱時定数を大きくし、振動を減衰させるために高温の熱伝導性の充填材料を用いること、並びにボードの層間剥離及び膨張／収縮に起因する破断を生じやすい金属バイアの数を制限することを含む。特に、スルーホール構成要素の金属鉛は、これらが配置されるバイアの構造的完全性を促進すると考えられる点に留意されたい。

上述の高温能力に関しては、制御ボード２２は、ハブユニットハウジング４４内に含めることができ、ボード２２の温度を従来の電子機器により要求されるような１２５℃未満に維持するために設けられる能動冷却システムを必要としないことが好ましい。本明細書で使用される用語「能動冷却」は、熱伝導、対流、及び／又は放熱によってボード２２からの熱をハブユニットハウジング４４の外に伝達するように特別に設計された冷却システムを意味する。

図４は、２つのアナログ信号調整ボード２４と、図３のプロセッサ制御ボード２２への接続部とを表すブロック図である。アナログ信号調整ボード２４は、ハブユニット１４のハウジング４４内でアナログ信号調整ボード２４と組み合わされ、従って、同様に、エンジン１０８の過酷な環境の高温で作動する必要がある。ハブユニット１４及びその調整ボード２４の高温作動により、熱電対、ＲＴＤ、及び圧力トランスデューサを含むセンサ２０をエンジン１０８上に直接終端させ、プロセッサ制御ボード２２により実施されるＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換の前にこれらセンサの出力を調整できるようになる。更に、調整ボード２４のハードウェアは、上述の連続較正、多重化、及びインターリーブ機能を組み込むのが好ましい。

上述のように、調整ボード２４上で実施される連続較正方式は、ハブユニット１４から収集されたデジタルデータのリアルタイム補正を実施するためディストリビュータコンピュータ４２が用いることができる較正データを生成する。連続較正方式は、調整ボード２４及びプロセッサ制御ボード２２上の全ての受動的及び能動的構成要素について補正するのが好ましく、信号精度に大きな影響を及ぼす可能性がある。システムレベルでは、例えば約−５５℃から約２００℃など、ハブユニット１４の予測可能な動作範囲にわたってドリフトを示さないディスクリートの構成要素は現在利用可能ではないので、この連続較正機能が必要となっている。本発明の好ましい実施形態では、連続較正方式は、連続的に収集されることになるゼロ及びフルスケールデータを提供すると共に、時間及び温度にわたり収集されたデータのあらゆるドリフトが自動的に補正される。

連続較正機能は、ハブユニット１４から遠隔のコレクタユニット１６の制御環境３０内に配置されるように図２に示された、システム電圧標準装置３２に部分的には依存する。コレクタユニット１６を有する位置が好ましいと考えられるが、他の位置もまたシステム電圧標準装置３２にとって好適と考えられることは予期される。制御環境３０は、ハウジング５２内に密閉された電圧標準装置３２を備えるように図５においてより詳細に概略図で示されており、該ハウジング５２は更に、加熱素子５４、銅プレート５６、及び熱ＲＴＶ充填材料５８を含み、これらにより電圧標準装置３２の均一な加熱が達成される。標準装置３２の温度は、例えば、約５５℃から約１２５℃など、あらゆる好適なレベルに調整することができる。標準装置３２は、高精度のゼロ及びフルスケール標準電圧を生成し、次いで、専用の異なるリンクを介して調整ボード２４に伝送される。

調整ボード２４の電気回路構成要素の精度及び精密度の温度誘起によるドリフトは、Ａ／Ｄ変換中にセンサ２０のアナログ出力信号と共に取り込まれて記録される。アナログ出力信号がセンサ２０から読み込まれる各サイクル中、プロセッサ制御ボード２２は、標準装置３２の高精度のゼロ電圧及び標準電圧信号を各調整ボード２４の電子構成要素によって定められる全てのアナログ信号処理経路（チャンネル）を通じて伝送させる。次いで、ゼロ電圧及び標準電圧信号は、以前の較正読み取り値からの出力信号のあらゆる変化がボードレベルの構成要素ドリフトに起因しており、ディストリビュータコンピュータ４２に較正データとして伝送されて、更にデータが使用される前にデジタルセンサデータをデジタル補正するという点で、デジタルセンサデータを補正するのに使用される。実際には、ゼロ及びフルスケール標準信号は、１秒あたりに複数回適用することができる。約∀２０ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ：１００万分の１）及びそれ未満の程度の精度に匹敵する時間、温度、及び距離に関する精度が、上述の連続較正機能を用いてアナログ信号処理経路にて達成される。

較正方式の一部として、調整ボード２４はまた、センサ２０からの複数の信号チャンネルの多重化を可能にし、これにより各調整ボード２４は、より少数の回路経路（例えば、図４に示すように２つ）を通じて複数のセンサ信号を調整できるようになる。複数のセンサ２０からの信号は、図４において、マルチプレクサ６０を通過して多重アナログ出力を生成し、これによりシリアルデータコネクタを介してデジタルデータをコレクタユニット１６に伝送するのに必要な接続数が低減されるように示されている。各回路経路内では、多重アナログ出力は、計測用演算増幅器６２を用いて調整される。各増幅器６２は、図４において、プロセッサ制御ボード２２により制御されるアクティブゲイン変更部６４を組み込むように示されており、これにより各調整ボード２４を用いて、Ａ／Ｄ変換の前に、異なる電圧出力を有する多くの異なるセンサタイプを設定出力電圧にスケール調整することができる。

図４から更に明らかにされるように、スイッチ６８を用いて、ボード２４上の１つの回路経路に沿ったセンサ２０の１つのバンク（グループ）の多重アナログ出力を、同じボード２４の別の回路経路上のセンサ２０の別のバンクの多重アナログ出力とインターリーブし、システムスループットを高めることができる。センサ２０の１つのバンクからの一連の多重アナログ出力が、プロセッサ制御ボード２２のＡ／Ｄコンバータに出力されると、センサ２０の他のバンク上のセンサ出力は種々の整定段階にある。センサ２０の第１のバンクからの一連の多重アナログ出力がＡ／Ｄコンバータにより読み込まれると、第１のバンクの信号が異なるセンサ２０上で整定されている間に次のバンクを選定することができる。この機能により、プロセッサ制御ボード２２及び調整ボード２４の比較的低速であるが高温で動作可能な回路構成要素を用いてより高いシステムレベルのスループットを実施することができる。

図４に示す調整ボード２４は更に、各演算増幅器６２の増幅器出力に対して動的な二重時間定数フィルタ処理部６６を組み込むように示され、プロセッサ制御ボード２２により制御される。この機能により、エンジン試験環境に存在するセンサ出力信号の電気的ノイズを低減するために高レベルのローパスフィルタ処理を依然として提供しながら、多重アナログ出力が伝送される回路経路をスイッチングする際に迅速な整定が更に可能となる。動的フィルタ処理は、例えば、ＲＣ回路から抵抗を外して、１つのチャンネル電圧から別のチャンネル電圧への迅速な出力変更を可能にし、次いで、抵抗を回路に戻すよう切替えてセンサノイズ及びリップルを最小限にし、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）に提示されるアナログデータ品質を改善することにより達成することができる。

特に、各調整ボード２４は、例えば、センサ２０が負電圧を出力することができる熱電対及び圧力トランスデューサを含む場合には、正負両方の入力電圧に対応できることが好ましい。加えて、調整ボード２４は、ハブユニット１４の高温環境内に配置される理由から、センサ２０間の熱電対は、調整ボード２４によって測定される熱電対のワイヤ−基準接点よりも低温になる可能性があるので、熱電対ボード上で従来実施されていた「冷接点」補償は、「高温接点」補償となる場合がある。この理由から、計測用演算増幅器６２は、差動電圧を可能にし、これらの∀電圧をＡ／Ｄ変換に必要な正のみの電圧範囲にスケール調整するのが好ましい。

プロセッサ制御ボード２２と同様に、アナログ信号調整ボード２４の回路構成要素の少なくとも一部は、ＳＯＩ技術を用いて実装されて、少なくとも２００℃の温度でのボード２４の作動を可能にし、これによりハブユニット１１４全体がこのような高温で作動可能になるのが好ましい。結果として、ハブユニット１４並びにその制御及び調整ボード２２及び２４は、各個々のセンサ出力が試験中のエンジンからかなりの距離がある遠隔位置まで配線又は管体により伝送される必要があったデータ収集システムの従来の制限を解消している。このような制約は、エンジンからデータ収集システムまで配線される長い配線及び管体をもたらし、追加費用の発生、付加的な誤差原因の取り込み、及び設置及びデバッグに必要となる相当な工数をもたらす結果となる。対照的に、ハブユニット１４は、ヘッドフレーム１０６又は取り付け部材１１０上に直接配置され、或いは、エンジン１０８の上、例えばカウル１１４の下にでも直接配置することができ、センサ２０とハブユニット１４上のその終端部との間が比較的短い距離（例えば、３メートル未満）となる。

種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、当業者であれば他の形態を適合させることができる点は理解される。例えば、ユニット１２、１４、１６、及び１８並びに構成要素の物理的な構成は、図示されたものとは異なることができ、記載されたもの以外の材料及びプロセスを用いることができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

１００ 試験台
１０２ 支柱
１０４ 支持基盤
１０６ フレーム
１１０ 取り付け部材
１１２ パイロン
１１４ ナセル

Claims (10)

1. 運転中のガスタービンエンジン（１０８）のエンジン性能パラメータを監視するため監視システム（１０）において使用するよう適応されたハブユニット（１４）であって、前記監視システム（１０）が、前記エンジン性能パラメータを検知してアナログセンサ出力を生成するため前記エンジン（１０８）上に装着されるセンサ（２０）を含むハブユニット（１４）において、
   ハウジング（４４）と、
   前記ハウジング（４４）内の制御回路ボード（２２）及び少なくとも１つの信号調整回路ボード（２４）と、
   を備え、前記信号調整回路ボード（２４）が前記センサ（２０）からアナログセンサ出力を受けるように適応され、前記制御回路ボード（２２）が、前記信号調整回路ボード（２４）に接続され且つ前記アナログセンサ出力に対応するデジタルデータを生成するよう適応されており、前記制御回路ボード（２２）及び前記信号調整回路ボード（２４）が、アナログ信号処理経路を定め且つ精度及び精密特性を有する電気回路構成要素（４６、４８、５０）を備え、前記精度及び精密特性は、前記構成要素の経年変化並びに前記ハブユニット（１４）が受ける温度変化に応答してドリフトし、
   前記ハブユニット（１４）が更に、
   標準電圧及びゼロ電圧を前記信号調整回路ボード（２４）に周期的に印加して、前記制御回路ボード（２２）及び前記信号調整回路ボード（２４）の電気回路構成要素（４６、４８、５０）のドリフトにより生じる前記アナログ信号処理経路における誤差を決定及び除去することによる連続較正方式を実施する手段（２２）を備える、ハブユニット（１４）。
2. 前記ハブユニット（１４）が、前記エンジン（１８）上又は該エンジン（１８）を支持する試験第（１００）上に装着される、ことを特徴とする請求項１に記載のハブユニット（１４）。
3. 前記ハブユニット（１４）が、１２５℃を超えて最大で少なくとも２００℃までの範囲の温度に曝される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のハブユニット（１４）。
4. 前記制御回路ボード（２２）及び前記信号調整回路ボード（２４）の電気回路構成要素（４６、４８、５０）の少なくとも一部が、シリコンオンインシュレータ基材上に実装される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のハブユニット（１４）。
5. 前記ハブユニット（１４）は、前記ハブユニット（１４）を能動冷却する手段が無い、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のハブユニット（１４）。
6. 前記連続較正方式を実施する手段（２２）は、前記標準電圧及びゼロ電圧を印加することによって発生した出力を前記標準電圧及びゼロ電圧の値と比較し、次いで当該比較に基づいて後続のデジタルデータを補正することにより前記アナログ信号処理経路における誤差を決定する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のハブユニット（１４）。
7. 前記連続較正方式を実施する手段（２２）は、アナログセンサ出力が収集される毎に前記連続較正方式を完了する、ことを特徴とする請求項６に記載のハブユニット（１４）。
8. 前記信号調整回路ボード（２４）上で、前記センサ（２０）によって発生する複数の前記アナログセンサ出力を多重化して、個々の多重アナログ出力を生成する手段（６０、６２、６４）と、
   前記個々の多重アナログ出力のアナログセンサ出力をスケール調整し、対応するデジタルデータが生成される個々の調整済み多重アナログ出力を生成するため、調整可能ゲイン（６４）を備えた少なくとも１つの増幅器（６２）と、
   を更に備え、前記増幅器（６２）及び調整可能ゲイン（６４）が、前記制御回路ボード（２２）により制御される、請求項１から７のいずれかに記載のハブユニット（１４）。
9. 前記多重化手段（６０、６２、６４）により生成される個々の多重アナログ出力が、前記多重化手段（６０、６２、６４）により生成され且つ前記少なくとも１つの増幅器（６２）によりスケール調整されて複数の個々の調整済み多重アナログ出力を生成することにより生成される複数の個々の多重アナログ出力の１つであり、前記個々の多重アナログ出力の各々が、前記センサ（２０）が発生する前記アナログセンサ出力の対応するセットから生成され、前記信号調整回路ボード（２４）が更に、前記個々の調整済み多重アナログ出力をインターリーブする手段（６６、６８）を更に含み、して前記アナログセンサ出力のセット間の整定時間を短縮し前記制御回路ボード（２２）に対するスループットを改善する、ことを特徴とする請求項８に記載のハブユニット（１４）。
10. 前記インターリーブ手段（６６、６８）が、受動的ＲＣ構成要素を前記多重化手段（６０、６２、６４）を含む回路経路の内外に切替える動的フィルタ（６６）を含む、ことを特徴とする請求項９に記載のハブユニット（１４）。

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