JP6001850B2

JP6001850B2 - 高温電子監視システムのためのハブユニット

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Publication number: JP6001850B2
Application number: JP2011279314A
Authority: JP
Inventors: エリック・ジョン・ベアー; ジョン・デイビッド・ワイッカート; グレゴリー・キーレン・グリフィン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: EP2469260A2; EP2469260A3; US20120166061A1; US8600642B2; CA2762334A1; JP2012140936A

Description

本発明は概して、電子機器に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの上や隣など、高温環境において動作することが可能な電子ハードウェアに関する。

航空機のガスタービンエンジンは、その開発の間に、ならびに製造およびそれ以降の修理の間に試験を受ける。様々な温度、圧力、流量、力、回転速度などを含む、多数のエンジン性能パラメータが一般に、エンジンの性能を評価するために監視される。非限定的例として、一般に、エンジン入口、圧縮装置および排気ガスの温度、ファン、圧縮装置およびタービンセクション内部の圧力、燃料および空気流量、圧縮装置およびファンのローター速度、翼端間隙、機械的応力ならびに部品振動を監視することが望ましい。開発および機内試験用の航空機エンジンは、対象となる様々なパラメータを監視するために数千個のセンサをもつことが必要とされ得る。

エンジン試験は一般に、しばしば屋外に置かれる固定試験台の上で執り行われる。このような試験台１００の非限定的例を、図１に概略的に表す。台１００は、地面にある土台１０４に取り付けられた垂直支柱１０２と、試験のために航空機エンジン１０８がそこから載せられる柱１０２の上に載せられたヘッド（推力）フレーム１０６とを含むものとして表してある。ヘッドフレーム１０６は、特定のエンジン１０８向けに適切に構成されたパイロン１１２でエンジン１０８が取り付けられるアダプタ１１０を含む。

エンジン試験中、エンジン１０８およびその直近の周辺は、非常に高温に達し得る。たとえば、温度は、エンジンカウリング（ナセル）１１４の下のエンジンコア周辺、ならびにヘッドフレーム１０６およびそのアダプタ１１０の上で２６０°Ｃに近づき、または超える場合がある。エンジン１０８を監視するのに使われるセンサは、こうした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われる電子機器は、はるかに低い温度に制限されている。たとえば、典型的な商用電子部品はしばしば、約８５°Ｃに制限され、軍用規格の部品でさえも、通常は１２５°Ｃ以下を定格とする。したがって、各センサは一般に、その出力信号を遠隔データ獲得システムに搬送するための個別の連続ワイヤーまたはチューブを必要とし、こうしたワイヤーまたはチューブはしばしば、制御された環境をもつ密閉設備内部に置かれる。この設備は、エンジン試験台から大幅に、たとえば５０メートルから３００メートル超まで離れていてよい。多数（場合によっては数千）のデータワイヤーおよびチューブを経路設定し、管理し、維持するには、かなりの作業を要する。したがって、ワイヤーおよびチューブの長さおよび数を削減できることが、有用であり有益であろう。

米国特許第７７３９２１６号公報

本発明は、固定された試験台の上で、または飛行中の機内試験中、もしくは通常の航空機操縦中に動作する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に適合された監視システム、および詳細には、エンジン性能パラメータを検知し、アナログセンサ出力を生成する、エンジンに搭載されたセンサを備える監視システムでの使用に適合したハブユニットを提供する。

本発明の好ましい態様によると、ハブユニットは、ハウジングと、センサからアナログセンサ出力を受信するように適合された、ハウジング内部の少なくとも１つの信号調節回路基板と、信号調節回路基板に接続され、アナログセンサ出力に対応するデジタルデータを作成するように適合された、ハウジング内部の制御回路基板とを含む。信号調節回路基板は、センサによって生成された複数のアナログセンサ出力を多重化して、個別多重化アナログ出力を作成する手段と、個別多重化アナログ出力のアナログセンサ出力をスケーリングして、調節された個別多重化アナログ出力を作成する調整可能ゲインをもつ少なくとも１つの増幅器とを含み、調節された多重化アナログ出力から、対応するデジタルデータが作成される。増幅器およびその調整可能ゲインは、制御回路基板によって制御される。

本発明の第２の態様によると、上述したいくつかの態様に加え、制御回路基板および信号調節回路基板はそれぞれ、アナログ信号処理経路を定義し、部品のエージングとハブユニットがさらされる温度の変化とに応じてドリフトする確度および精度特性をもつ電気回路部品を備える。ハブユニットは、信号調節回路基板に基準電圧およびゼロ電圧を定期的に印加して、制御回路基板および信号調節回路基板の電気回路部品のドリフトから結果的に生じたアナログ信号処理経路におけるエラーを判定し削除することによって、連続較正方式を実施する手段をさらに含み得る。

本発明の技術的効果は、ハブユニットが高温で、たとえば、デジタルデータを処理するために従来使われてきたタイプの、温度に比較的敏感なハードウェアの場合に可能であるよりも高い温度で動作できることである。したがって、監視されている高温環境から離れた場所で、データ処理を実施することができる。一方、ハブユニットおよび特にその制御ならびに信号調節回路基板は、好ましくは強制冷却を用いることなく、高温動作に特に適合され得る。さらに、多重化能力は、離れて置かれた配信ユニットにデータを送信するのに必要なワイヤーまたはケーブルの数を削減することができる。本発明の第２の態様によると、連続較正方式により、それ以外の方法では、ハブユニットの部品のエージングおよび高温環境に起因してドリフトする傾向にある制御回路基板および信号調節回路基板の電気回路部品の確度および精度特性の結果としてアナログ信号処理経路に存在するはずのエラーを削除することができる。

本発明の他の態様および利点が、以下の詳細な説明からよりよく理解されよう。

ガスタービンエンジン用の試験台を示す概略図である。図１に表すタイプなどの、試験台に載せられている間に動作するガスタービンエンジンの性能パラメータの監視に適合された監視システムの階層ユニットを示すブロック図である。監視システムのプロセッサ制御基板の詳細を含む、図２の監視システムのいくつかの部品を示すブロック図である。図２の監視システムのアナログ信号調節基板を示すブロック図である。図２の監視システムの収集コンピュータとともに使用するための電圧基準装置を概略的に示す図である。

図２は、エンジンが固定された試験台、たとえば、図１に表す試験台１００に載せられ、動作している間の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に適合された監視システム１０の様々なユニットを表すブロック図である。システム１０は、飛行中の機内試験の間、ならびに通常の航空機操縦の間にエンジンを監視するのに使うこともできる。監視システム１０は、ガスタービンエンジンの監視に特に適しており、便宜上、図１に表すエンジン１０８およびその台１００に関して記載するが、システム１０の使用は、このような用途に限定されない。そうではなく、システム１０は、温度上昇にさらされる環境で動作する機器の性能パラメータを監視するという要望または必要がある非常に様々な状況に、より広く適用可能である。

図２に表すように、システム１０は概して、ガスタービンエンジン１０８に対する４つの環境３４、３６、３８、４０に置かれたユニット１２、１４、１６、１８を有するものとして識別される。第１のユニット１２は、エンジンの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ように、エンジン１０８内およびその付近に適切に配置されたセンサ２０のアレイを備える。任意の数のセンサ２０がシステム１０によって利用されてよく、センサ２０は、図１を参照して前述したように、エンジン１０８の、たとえば、温度、圧力、流量、力、回転速度などを監視するための様々なタイプでよい。熱電対、電気抵抗温度検出装置（ＲＴＤ）、および圧力トランスデューサを含む、ある特定のタイプのセンサ２０が、エンジン動作の監視中に、一般に数多く利用される。センサ２０は、対象となるパラメータを直接検出するように配置されるので、センサ２０のユニット（アレイ）１２は、図２では、「高温エンジン環境」３４に置かれるものとして示してあり、この環境では、システム１０は、２００°Ｃを超える最大温度にしばしば遭遇し、温度は２６０°Ｃ以上の高さにも達し得る。システム１０において使用するための適切なセンサ２０は、市販されており、ガスタービンエンジンパラメータの監視に一般的に使われるので、ここでは詳細については論じない。センサ２０によって生成される特定の出力信号は、使用されるセンサ２０のタイプに依存するが、ほとんどの場合、信号は、センサのデータがコンピュータ処理機器によってエンジンの性能を評価するのに使われるためにデジタル化されなければならないアナログ信号である。

システム１０の残りの主要ユニット１４、１６、１８は、図２では、比較的低い温度が発生する可能性がある環境３６、３８、４０に置かれるものとして識別される。こうしたユニットの第１のものは、ハブユニット１４と呼ばれ、これを使って、センサ２０は、使用される特定のタイプのセンサ２０とともに一般的に利用される、適切な任意のワイヤー、チューブ、または他の適切なコネクタを介して直接通信する。図２に表すハブユニット１４は一般に、センサ２０の数および各ハブユニット１４が管理し得るセンサ２０の数に依存して、システム１０内で使われ得るいくつかのハブユニット１４の１つである。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」３６と識別され、この環境において、ハブユニット１４は、エンジン１０８の極近傍、たとえば、エンジンカウリング１１４の下のエンジンコア環境など、エンジン１０８の約３メートル以内に置かれるように適合される。エンジン１０８のすぐ上およびエンジンのカウリング１１４の下の場所に加え、他の場所は、台１００のヘッドフレーム１０６またはアダプタ１１０の上の近隣の場所を含んでよく、こうした場所では、システム１０は、非常に高温に遭遇する可能性が依然としてある。たとえば、カウリング１１４の下およびヘッドフレーム１０６またはアダプタ１１０の上の近隣の場所の温度はしばしば、１２５°Ｃを超え、はるかに高い温度、たとえば、２００°Ｃより高い温度に、および場合によっては２６０°Ｃ以上もの温度に達し得る。したがって、ハブユニット１４の電子部品は、従来の電子部品および軍用規格部品で可能であったよりも大幅に高い温度に耐えることが可能でなければならない。

対照的に、収集ユニット１６および配信ユニット１８と呼ばれる、システム１０の残りの２つのユニット１６、１８の環境３８、４０は、「エンジン付近環境」３８および「低温環境」４０と識別される。前者の環境は、収集ユニット１６が、エンジン１０８に近接して、ただしハブユニット１４ほどエンジンコアに近くはなく置かれるように適合されるので、エンジン付近環境として指定される。たとえば、収集ユニット１６は、エンジンファンケース環境内にも、ヘッド（推力）フレーム１０６の上など、台１００の上にも、エンジン１０８のコアから約３〜１０メートルの距離に置くことができる。こうした場所では、温度は通常、５５°Ｃを超えるが、２６０°Ｃよりは大幅に低く、一般に１２５°Ｃ未満である。したがって、収集ユニット１６の電子部品は一般に、ハブユニット１４ほど高温ではないが、高温に耐えることが可能でなければならない。いくつかの状況では、最大で１２５°Ｃを定格とする軍用規格部品を、また、可能性としては最大で８５°Ｃを定格とする従来の電子部品を使うことができる。

一方、配信ユニット１８の低温環境４０では、わずか８５°Ｃを定格とする従来の電子部品の使用が可能である。環境４０は、配信ユニット１８が温度制御環境、たとえば、試験台１００の近くにあり、５５°Ｃ未満の温度を維持するように空調で安定化される密閉設備でよく、また、好ましくは温度制御環境に置かれる「低温」と指定される。飛行中のエンジン動作の場合、環境４０は、航空機内でよい。配信ユニット１８は好ましくは、システム１０のほとんどの処理能力をもち、したがって、一般に、１つもしくは複数のコンピュータサーバ、パーソナルコンピュータ、および／またはデータ処理に適合した他の処理機器を備え、これらはまとめて、図２では配信コンピュータ４２で表してある。後で論じるリアルタイムの較正機能性に加え、配信コンピュータ４２は、工学ユニット変換の能力、システム構成、およびデータベース機能性も提供し得る。配信コンピュータ４２用の適切な機器は、温度に比較的敏感である可能性があり、したがって、ほぼ室温に収容されることで恩恵を被る。低温環境４０は一般に、エンジン試験台１００から離れて、たとえば、５０メートルを超えて配置される。

図２は、ハブユニット１４を概略的に、プロセッサ制御基板２２および１つまたは複数のアナログ信号調節基板２４を備えるものとして表す。こうした基板２２、２４は好ましくは、基板２２、２４を完全に囲み、密閉するものとして概略的に図２に表すハウジング４４内に密閉される。プロセッサ制御基板２２およびアナログ信号調節基板２４は、連動して、センサ２０のアナログ出力信号を、配信ユニット１８によって処理することができるデジタルデータに変換する。本発明の好ましいいくつかの態様によると、プロセッサ制御基板２２およびアナログ信号調節基板２４はまた、結合して、センサ２０から受信されたアナログ出力信号の完全性を、信号のアナログデジタル変換に先立って確実にするための追加プロセスを実施する。後でより詳しく説明するように、このような追加プロセスの１つは、部品のエージングと、ハブユニット１４がさらされる極度の温度変化などの温度変動との結果として生じ得る、アナログ信号調節基板２４およびプロセッサ制御基板２２の電子部品の確度および精度特性におけるどのドリフトも検出する連続較正機構を提供するものである。較正機構は、配信コンピュータ４２によって、収集ユニット１６、より具体的にはユニット１６の収集コンピュータ２６を介してハブユニット１４から獲得されたデジタルデータのリアルタイム訂正を実施するのに使うことができる較正データを作成する。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アナログ出力に多重化し、そうすることによって、たとえば、ＲＳ−４８５シリアル通信ケーブルなどのシリアルデータコネクタを介して、収集ユニット１６にデジタルデータを送信するのに必要とされる接続の数を削減するものである。さらに別の好ましいプロセスは、センサ２０のあるグループ（バンク）の多重化アナログ出力の間に、センサ２０の他のバンクの多重化アナログ出力をインターリーブするものであり、こうすることによって多重化アナログ出力の個別アナログ出力信号は、出力セットの間により素早く「整定される」。ハブユニット１４のこうしたおよび他の態様については、後でさらに詳しく論じる。

収集ハブ１６は、収集コンピュータ２６と、電源２８と、後でより詳しく説明するように、システム電圧基準装置３２を含む温度制御環境３０とを備えるものとして、概略的に図２に表してある。電源２８の主要機能は、センサ２０（必要に応じて）と、ハブユニット１４に収容される電子部品とを含む、システム１０の電子部品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およびリニアレギュレータバックエンドを有するデュアルトポロジ設計である。電源２８は、各ハブユニット１４に対する複数の独立安定化電圧を生じて、システム障害耐性を増大させ、ノイズ結合を低下させるように構成され得る。収集コンピュータ２６は、配信ユニット１８の配信コンピュータ４２にデジタルデータをフォワードするのに先立って、ハブユニット１４、ならびにシステム１０に含まれる任意の追加ハブユニット１４からデジタルデータを受信する。収集コンピュータ２６は好ましくは、たとえば、射程間計装グループ（ＩＲＩＧ）タイムコードやネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）を使用して、デジタルデータの流れを配信コンピュータ４２に同期させるロギング能力をもつように構成される。より具体的には、収集コンピュータ２６は好ましくは、ハブユニット１４から発したデジタルデータの多重ストリームに正確にタイムスタンプを付け、データをフレームにパックし、次いで、データを配信コンピュータ４２に、たとえば、ファイバ系のイーサネット（商標）接続を介して送信することによって、多重ハブユニット１４からの着信デジタルデータ用のインテリジェントスイッチとして動作する。多重データストリームにタイムスタンプを付け、データをフレームにパックする適切な部品は、当該分野において公知であり、したがって、ここでは詳しくは論じない。収集コンピュータ２６と配信コンピュータ４２との間のデータ接続に光ファイバケーブルを使用することが、電光に対する送信の感受性を削減するためには好まれ、これは、送信ケーブルが一般には、試験台１００と、配信ユニット１８を収容する遠隔設備との間で経路設定される結果として屋外環境に出されるので望ましい。収集コンピュータ２６、電源２８および制御環境３０はすべて、こうした部品を、風雨に直接さらすことから保護する適切な保護ハウジング（図示せず）内に密閉され得る。

特に、ハブユニット１４のレベルで多重化し、収集ユニット１６のレベルで同期をとるので、デジタルデータは、シングルイーサネット（商標）接続を介して配信ユニット１８に供給することができるが、この接続は、従来技術の遠隔データ獲得システムにセンサ出力を送信するのに予め必要とされる典型的な数千のケーブルおよびチューブとは著しく異なる。

図３は、プロセッサ制御基板２２、基板２２の部品の一部、ならびにアナログ信号調節基板２４および収集ユニット１６との基板２２の接続を表すブロック図である。プロセッサ制御基板２２は、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラム可能読出し専用メモリ）などのＲＯＭ（読出し専用メモリ）４８に格納されたプログラムから稼働するように適合されたマイクロプロセッサ４６を装備するものとして表してあり、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５０を使って、センサ２０から生成されるデジタルデータ、ならびに制御基板２２によって実施される計算において使われるどの変数も格納する。マイクロプロセッサ４６は好ましくは、信号調節基板２４に関連づけられたゲイン設定機能（後で論じる）を実施し、センサ２０のどの個別信号チャネルまたは信号チャネルブロックが読み取られるか、データ獲得、エラー検知、アナログ−デジタル変換、あらゆる内蔵型試験（ＢＩＴ）モードの実行、センサ適合（センサ２０のタイプに基づく）、ならびにデジタルデータの収集、フォーマット化および収集コンピュータ２６への転送のタイミングを制御／選択する。図３に示すように、基板２２の入出力（Ｉ／Ｏ）機能は好ましくは、メモリマップドＩ／Ｏ動作の形で示される。やはり図３に見られるように、プロセッサ制御基板２２はまた、アナログ信号調節基板２４にゼロおよびフルスケール制御出力を送信し、かつ収集コンピュータ２６と直接通信する。調節基板２４および図４を参照して論じるように、制御基板２２によって送信されるゼロおよびフルスケール制御出力は、ゼロ電圧および基準電圧を定期的に印加して、温度変動および部品のエージングの結果として生じた、調節基板２４の電子部品の確度および精度特性におけるどのドリフトも検出し補償する連続較正方式の一部である。

前述したように、ハブユニット１４は、１２５°Ｃより上の、好ましくは少なくとも２００°Ｃの高さの温度で動作することを意図している。好ましい実施形態において、制御基板２２に搭載されるマイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０および受動部品は、２００°Ｃを上回る温度で動作することが可能である。この能力を達成するために、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８およびＲＡＭ５０は好ましくは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板および処理技術を用いて実装される。当該分野において公知であるように、ＳＯＩ基板は一般に、インシュレータ上に薄いエピタキシャル層を備える。この基板は一般に、ウェーハの結合に先立って、１対の半導体（たとえば、シリコン）ウェーハの一方または両方の付着面を酸化させることによって形成される。最も一般的には、単一の二酸化ケイ素層が、シリコンウェーハの上に形成されるエピタキシャル層の上で成長する。ウェーハを結合させた後、インシュレータならびにエピタキシャル層（および任意選択で、第２のウェーハのシリコン層）を除くすべてが、エピタキシャル層を電気的に絶縁するインシュレータを二酸化ケイ素層が形成するように、エッチングにより除去される。ＳＯＩ処理技術を用いてＳＯＩ基板上に実装される固体状態マイクロプロセッサの商用例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌから市販されているＨＴ８３Ｃ５１マイクロプロセッサである。ＳＯＩ基板上で実装されるＲＡＭ部品の商用例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌから入手可能なＨＴ６２５６２５６ＫｂｉｔのＳＲＡＭ部品を含み、ＳＯＩ基板上で実装されるＲＯＭ部品の商用例は、ＴｗｉｌｉｇｈｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ製のＲＯＭ部品を含む。

プロセッサ制御基板２２の電子部品が搭載された基板は好ましくは、少なくとも２６０°Ｃの温度に耐えることがやはり可能である。好ましい高温基板材料が、ＲｏｇｅｒｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＲＯ４００３Ｃという名称で市販されており、これは、ガラス強化炭化水素／セラミックラミネートである。さらに、こうした部品は好ましくは、高融点はんだで取り付けられ、はんだの顕著だが非限定的な例は、９２．５Ｐｂ−５Ｓｎ−２．５Ａｇであり、その融解範囲は約２８７〜約２９６°Ｃである。基板の熱膨張および収縮から結果的に生じる熱応力を削減するために、マイクロプロセッサ４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０および基板２２上の他の部品は好ましくは、基板中のスルーホール（一般に、めっきスルーホール）に挿入され、次いで、基板にはんだづけされる１つまたは複数の金属リード（スティック）を有するスルーホール部品である。熱応力を削減する他の手法は、高温性の熱伝導性注封材料を使用して、温度勾配を最小限にし、熱時定数および減衰振動を増大させ、また、基板層間剥離および拡張／収縮により割れやすい金属化バイアの数を制限することを含む。特に、スルーホール部品の金属リードは、金属リードがその中に置かれるバイアの構造上の完全性を促進すると思われる。

上記の高温能力を有するので、好ましくは基板２２の温度を、従来の電子機器によって要求されるであろう１２５°Ｃ未満に維持するのに専用の強制冷却システムを必要とせずに、制御基板２２はハブユニットハウジング４４内に含まれ得る。「強制冷却」という用語は、本明細書において、基板２２からの、また、ハブユニットハウジング４４からの熱を、伝導、対流、および／または放射によって伝えるように特殊設計された冷却システムを意味するのに使われる。

図４は、２つのアナログ信号調節基板２４および図３のプロセッサ制御基板２２との基板２４の接続を表すブロック図である。アナログ信号調節基板２４は、ハブユニット１４のハウジング４４内部のプロセッサ制御基板２２と結合され、したがって、エンジン１０８の過酷な環境における高温で動作することも要求される。ハブユニット１４およびその調節基板２４の高温動作により、熱電対、ＲＴＤ、および圧力トランスデューサを含むセンサ２０は、エンジン１０８上で直接終端され、センサ２０の出力は、プロセッサ制御基板２２によって実施されるＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換に先立って調節されることが可能になる。さらに、調節基板２４のハードウェアは好ましくは、前述の連続較正、多重化およびインターリーブ機構を組み込む。

上記のように、調節基板２４上で実施される連続較正方式により、配信コンピュータ４２によって、ハブユニット１４から獲得されたデジタルデータのリアルタイム訂正を実施するのに使うことができる較正データが作成される。連続較正方式は好ましくは、信号確度に大幅に影響し得る、調節基板２４およびプロセッサ制御基板２２上のすべての受動および能動部品の補償を行う。システムレベルで、ハブユニット１４の予見可能な動作範囲、たとえば、約−５５°Ｃから、２００°Ｃを上回るまでのドリフトを呈さない個別部品が現時点では入手可能でないので、連続較正機構が必要とされる。本発明の好ましい実施形態では、連続較正方式により、ゼロおよびフルスケールデータが絶えず収集されるようになり、同時に時間および温度における獲得データのどのドリフトも、自動的に補償される。

連続較正機構は、ハブユニット１４から離れた収集ユニット１６の制御環境３０に置かれるものとして図２に表すシステム電圧基準装置３２に部分的に依拠する。収集ユニット１６と一緒に配置することが好ましいと思われるが、他の置き方も、システム電圧基準装置３２にとって適切と見なされ得ることが予見可能である。制御環境３０は、ハウジング５２内部に密閉された電圧基準装置３２を備えるものとして、図５により詳細を概略的に表してあり、ハウジング５２は、電圧基準装置３２を均一に加熱する加熱要素５４、銅板５６およびサーマルＲＴＶ注封材料５８をさらに含む。基準装置３２の温度は、適切な任意のレベル、たとえば、約５５°Ｃ〜約１２５°Ｃに安定化され得る。基準装置３２は、高精密なゼロおよびフルスケール基準電圧を生じ、こうした電圧は次いで、専用の差動リンクを介して調節基板２４に伝えられる。

調節基板２４の電気回路部品の確度および精度における温度誘導ドリフトは、Ａ／Ｄ変換中に、センサ２０のアナログ出力信号とともに取り込まれ記録される。センサ２０からアナログ出力信号が読み取られる各周期の間、プロセッサ制御基板２２は、基準装置３２の高精密ゼロボルト信号および基準電圧信号を、各調節基板２４の電子部品によって定義されるすべてのアナログ信号処理経路（チャネル）を通して送信させる。ゼロボルトおよび基準電圧信号は次いで、デジタル化センサデータを訂正するのに使われ、ここで、以前の較正読取りからの出力電圧におけるどの変化も、基板レベルの部品ドリフトに起因し、較正データとして配信コンピュータ４２に送信され、コンピュータ４２は、デジタル化センサデータを、さらに使用する前にデジタルに訂正する。実際には、ゼロおよびフルスケール基準信号は、毎秒数回印加され得る。約∀２０ｐｐｍ（１００万分の１）以下のオーダーの確度を有するのとほぼ同じである、時間、温度および距離に伴う確度が、上述した連続較正機構を有するアナログ信号処理経路において達成された。

較正方式の一部として、調節基板２４は、センサ２０からの多重信号チャネルの多重化も可能にし、各調節基板２４が、より少ない数の回路経路、たとえば、図４に表す２つの経路を通して多重センサ信号を調節することを可能にする。多重センサ２０からの信号は、マルチプレクサ６０を通過して多重化アナログ出力を生成し、そうすることによって、シリアルデータコネクタを介して収集ユニット１６にデジタルデータを送信するのに必要とされる接続の数を削減するものとして、図４に表してある。各回路経路内部で、多重化アナログ出力は、計装演算増幅器６２を用いて調節される。各増幅器６２は、プロセッサ制御基板２２によって制御される能動ゲイン変化６４を組み込むものとして、図４に表してあり、こうすることにより、各調節基板２４は、Ａ／Ｄ変換に先立って、異なる電圧出力をもつ異なる多くのセンサタイプを、設定出力電圧にスケーリングするのに使われることが可能になる。

図４からさらに明らかであるように、スイッチ６８を使って、基板２４上のある回路経路に沿ったセンサ２０のあるバンク（グループ）の多重化アナログ出力に、同じ基板２４の別の回路経路上のセンサ２０の別のバンクの多重化アナログ出力をインターリーブして、システムスループットを増大させることができる。センサ２０のあるバンクからの一連の多重化アナログ出力は、プロセッサ制御基板２２のＡ／Ｄコンバータへの出力なので、センサ２０の他のバンク上でのセンサ出力は、様々な整定段階にある。センサ２０からの第１のバンクからの一連の多重化アナログ出力がＡ／Ｄコンバータによって読み取られると、第１のバンクの信号が異なるセンサ２０上で整定し始める間に、次のバンクを選ぶことができる。この特徴により、プロセッサ制御基板２２および調節基板２４の、比較的遅いが、より高い温度が可能な回路部品で、より高いシステムレベルスループットが実現されるようになる。

図４に示す調節基板２４はさらに、各演算増幅器６２の増幅器出力に対する動的なデュアルタイム定数フィルタリング６６を組み込み、プロセッサ制御基板２２によって制御されるものとして表されている。この機構により、多重化アナログ出力が送信される回路経路の間をスイッチするときに素早く整定するとともに、依然として高レベルの低域通過フィルタリングを行って、エンジン試験環境において存在するセンサ出力信号の電気ノイズを削減することがさらに可能になる。動的フィルタリングは、たとえば、ＲＣ回路から抵抗器を取り除くことによって達成することができ、あるチャネル電圧から別の電圧に出力を素早く変化させ、次いで、抵抗器を、センサノイズおよびリップルを最小限にするような回路にスイッチバックさせ、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）に提示されるアナログデータ品質を向上させる。

特に、各調節基板２４は好ましくは、たとえば、負の電圧を出力し得る熱電対および圧力トランスデューサをセンサ２０が含む場合、正および負の入力電圧両方を受け入れることができる。さらに、調節基板２４は、ハブユニット１４の高温環境に置かれるので、熱電対基板上で従来実施される「冷接点」補償は、調節基板２４によって測定される熱電対ワイヤー対基準接点より低い温度にセンサ２０の間の熱電対がなり得るので、「温接点」補償でもよい。この理由により、計装演算増幅器６２は好ましくは、差動電圧が可能であり、こうした∀電圧を、Ａ／Ｄ変換に必要な正のみの電圧範囲にスケーリングする。

プロセッサ制御基板２２と同様に、アナログ信号調節基板２４の回路部品の少なくともいくつかは好ましくは、少なくとも２００°Ｃの温度での基板２４の動作を可能にするように、ＳＯＩ技術を用いて実装され、ハブユニット１４全体がこのような上昇温度で動作することを可能にする。その結果、ハブユニット１４ならびにその制御および調節基板２２、２４は、試験の際に各個別センサ出力がワイヤーまたはチューブによって離れた場所まで、エンジンからかなりの距離を送信されなければならないことを必要としていたデータ獲得システムの従来の制限事項を克服する。このような制約の結果、長いワイヤーおよびチューブが、エンジンからデータ獲得システムまで経路設定されており、費用がかさみ、誤差原因が増え、設置およびデバッグのためにかなりの量の工数が必要とされていた。対照的に、ハブユニット１４は、ヘッドフレーム１０６、そのアダプタ１１０の上に直接、さらにはエンジン１０８の上に直接、たとえばカウリング１１４の下にも置くことができ、その結果、ハブユニット１４上のセンサ２０とその終端との間の距離が比較的短くなる（たとえば、３メートル未満）。

本発明を、好ましい実施形態に関して記載したが、当業者は他の形を採り入れてもよいことが明らかである。たとえば、ユニット１２、１４、１６、１８および部品の物理構成は、図示したものとは異なってもよく、明記したもの以外の材料およびプロセスを使ってもよい。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきである。

１００台
１０２柱
１０４土台
１０６フレーム
１０８エンジン
１１０アダプタ
１１２パイロン
１１４ナセル

Claims

動作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監視システム（１０）において前記エンジン（１０８）の上または前記エンジン（１０８）を支える試験台（１００）の上に載せられて１２５°Ｃ超の温度にさらされる使用に適合したハブユニット（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するとともにアナログセンサ出力を生成する、前記エンジン（１０８）に搭載されたセンサ（２０）を備え、
前記ハブユニット（１４）が、
ハウジング（４４）と、
前記ハウジング（４４）内部の、前記センサ（２０）から前記アナログセンサ出力を受信するように適合された少なくとも１つの信号調節回路基板（２４）と、
前記信号調節回路基板（２４）に接続され、前記アナログセンサ出力に対応するデジタルデータを作成するように適合された、前記ハウジング（４４）内部の制御回路基板（２２）と
を更に備え、
前記制御回路基板（２２）および前記信号調節回路基板（２４）が、アナログ信号処理経路を定義し、部品のエージングおよび前記ハブユニット（１４）がさらされる前記温度の変化に応じてドリフトする確度および精度特性をもつ電気回路部品（４６、４８、５０）を備え、
前記ハブユニット（１４）が、前記センサ（２０）によって生成された複数の前記アナログセンサ出力を多重化して、複数の個別多重化アナログ出力を作成する、前記信号調節回路基板（２４）上の手段（６０、６２、６４）を更に備え、
前記個別多重化アナログ出力の少なくとも第１及び第２のセットがそれぞれ、前記センサ（２０）の対応する第１及び第２のバンクによって生成された対応する前記アナログセンサ出力の第１及び第２のセットから作成され、
前記ハブユニット（１４）が、少なくとも２つの増幅器（６２）を更に備え、
前記増幅器（６２）のそれぞれは、調整可能ゲイン（６４）を有し、前記個別多重化アナログ出力の前記対応する第１及び第２のセットの前記アナログセンサ出力の前記第１及び第２のセットのうちの１つをスケーリングして、前記対応するデジタルデータがそこから作成される、調節された個別多重化アナログ出力の対応する第１及び第２のセットを作成し、
前記増幅器（６２）およびその前記調整可能ゲインが前記制御回路基板（２２）によって制御され、
前記ハブユニット（１４）は、
前記信号調節回路基板（２４）に基準電圧およびゼロ電圧を定期的に印加して、前記制御回路基板（２２）および前記信号調節回路基板（２４）の前記電気回路部品（４６、４８、５０）の前記ドリフトから結果的に生じた、前記アナログ信号処理経路中のエラーを判定し削除することによって、連続較正方式を実施する手段（２２）と、
前記アナログセンサ出力の前記第１及び第２のセットの間での整定時間を削減し、前記制御回路基板（２２）へのスループットを改善する、前記調節された個別多重化アナログ出力の前記少なくとも第１及び第２のセットをインターリーブする、前記信号調節回路基板（２４）上の手段（６６、６８）と
をさらに備える
ハブユニット（１４）。
前記インターリーブ手段（６６、６８）が、前記整定時間を削減することによって、スループットを増大させるように、前記複数の個別多重化アナログ出力を作成する前記手段（６０、６２、６４）、前記増幅器（６２）、および前記インターリーブ手段（６６、６８）を含む受動ＲＣ部品を、回路経路の中または外に切り換える動的フィルタ（６６）を備えることを特徴とする、請求項１記載のハブユニット（１４）。
前記ハブユニット（１４）が、前記ハブユニット（１４）を強制的に冷却する手段をもたないことを特徴とする、請求項１又は２記載のハブユニット（１４）。
前記連続較正方式を実施する前記手段（２２）が、毎秒１回を超える頻度で、前記信号調節回路基板（２４）に前記基準電圧および前記ゼロ電圧を定期的に印加することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハブユニット（１４）。
前記連続較正方式を実施する前記手段（２２）が、前記基準電圧および前記ゼロ電圧を印加することによって生成された出力を、前記基準電圧および前記ゼロ電圧の値と比較し、次いで、前記比較に基づいて後続デジタルデータを訂正することによって、前記アナログ信号処理経路中の前記エラーを判定することを特徴とする、請求項４記載のハブユニット（１４）。