RU2789303C1

RU2789303C1 - Measuring complex for aircraft engine flight tests

Info

Publication number: RU2789303C1
Application number: RU2022123366A
Authority: RU
Inventors: Генрик Иванович Буранов; Владимир Александрович Котляров; Виктор Антонович Лисовский; Евгений Александрович Степанов; Виталий Сергеевич Чижов; Борис Иванович Гвоздев; Юлия Валерьевна Лаврова
Original assignee: Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2023-02-01

Abstract

FIELD: flight testing.

SUBSTANCE: invention relates to the field of flight testing of aircraft gas turbine engines, and can also be used in the practice of measuring deformations, temperatures, vibrations, etc. in the aviation industry, mechanical engineering, construction in the study of the strength of nodes of rotating structures under conditions of a high level of interfering factors. Digital non-contact multi-channel measuring complex for flight testing of aircraft gas turbine engines consists of a measuring unit, receiving and power units, recording and visualization tools. On the rotor part of the measuring unit there are 16 measuring channels with a data converter of all channels into a single digital stream with encoding according to the Manchester protocol, a transmitting antenna of the digital data stream, as well as a supply voltage driver with an inductive power receiving antenna. On the stator part of the measuring unit, there is a transmitting antenna for inductive power and a receiving antenna for a digital data stream. The transmission channel of the digital data stream is made in the form of a non-contact rotating differentiating circuit, data transmission occurs only at the moments of rise and fall of the fronts of rectangular pulses, data transmission does not occur in stationary sections of the digital stream, which significantly increases the noise immunity of the transmission channel. A receiving unit is located on the stator part of the aircraft engine, in which the sequence of digital data is restored, frames are formed and they are transferred to the memory of a personal computer via the Ethernet protocol. In addition, the unit generates and inductively transmits electricity to the rotor part of the measuring unit to power the electronic components located on the rotor part.

EFFECT: creation of digital non-contact multi-channel measuring complex for flight testing of aircraft gas turbine engines.

1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of flight testing of aircraft gas turbine engines, and can also be used in the practice of measuring deformations, temperatures, vibrations, etc. on rotating elements of other units with contactless data transmission to the stationary part in conditions of a high level of interfering factors.

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).Known non-contact devices and methods for transmitting measurement information from rotating objects with inductive, capacitive, radiotelemetric and optoelectronic communication channels of the mobile and fixed structures of the device and an inductive energy transmission channel for powering electronic components located on the rotating part of the device. (Devices for transmitting measurement information from rotating objects. Review based on open foreign press materials for 1975 - 1988, No. 720, TsAGI, 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).Measuring devices for testing technologies on rotating components of Kraus Messtechnic GmbH products are known, providing contactless data transmission in an inductive way. Data transmission from a moving inductor to a fixed one is carried out on a carrier frequency with frequency or pulse modulation (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).Measuring devices are known that provide contactless data transmission in an inductive way, where data transmission from a moving coil to a fixed coil is carried out by short rectangular or acute-angled pulses without using a carrier frequency (Russian patents No. October 20, 2015; No. 2566949 "A method for generating bipolar signals for data transmission through an air gap and a device for its implementation", published on October 27, 2015; No. 2674923 "A method for transmitting data through an air gap using inductively coupled circuits excited by an acute-angled pulse, and device for its implementation", published on December 26, 2017; No. 2719557 "Method for transmitting and receiving data through an air gap based on inductively coupled circuits excited by rectangular pulses of different polarity, and a device for its implementation", published on April 21, 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.The disadvantage of an inductive data transmission channel is the low protection of the channel from a high level of electromagnetic interference arising from the operation of nearby airborne radio stations and other electrical equipment.

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».Known multi-channel measuring devices for testing technologies on rotating components of products that provide contactless data transmission over an optoelectronic channel: R-16 from Kraus Messtechnic; ROTATEL 124 and ROTATEL 356 from ROTADATA Limited; KIS 1.1 control and measuring system of COMELPRO LLC (State Register of Measuring Instruments No. 32248-06); of Russia No. 94025045 "Device for transmitting information from a rotating object, publ. 10/05/1996, AOO "Omsk Engine Design Bureau".

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).The disadvantages of an optoelectronic data transmission channel include the complexity of organizing a radial transmission channel and the gradual contamination of the working surfaces of the emitting and receiving diodes with high-temperature oil vapors and, as a result, disruption of the normal operation of the transmission channel. (Optical system for contactless output of information signals from rotating shafts. KIT No. 11, 1990, pp. 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.Known multi-channel measuring devices that provide contactless data transmission from rotating shafts radiotelemetric communication channel: ROTATEL RF company ROTADATA Limited (www.rotadata.com) and Russian patent No. 12/06/2021

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).The disadvantage of the radio telemetric data transmission channel is the low protection against a high level of electromagnetic interference (Devices for transmitting measurement information from rotating objects. Review based on open foreign press materials for 1975 - 1988 No. 720, TsAGI, 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.Also known is the "Digital non-contact multi-channel telemetry complex" selected for the prototype, Russian patent No. 2688629, publ. 05/21/2019, consisting of a measuring unit, a stator unit, a receiving and recording unit, power supply and visualization tools, while the measuring unit is made in the form of compact modules based on 8-layer flexible boards, filled with a high-strength compound, operating in the temperature range from minus 50 to +125 degrees and withstanding centripetal acceleration up to 40000g and vibration up to 150g, moreover, each measuring module has duplicated high-frequency data transmission channels, and the antenna system allows simultaneous connection of 16 transmitting devices with a total throughput per complex of at least Mbps, with with a dynamic range of strain gauge channels up to 60 kHz and with an uneven amplitude-frequency characteristic of no more than 0.5 dB, it is additionally equipped with a built-in system for self-diagnosis of the state of sensors and cable lines, as well as the ability to switch to redundant groups of sensors, while the measuring and stator units are equipped with special e shielded antenna systems for the use of low-power high-frequency transmitters and induction power systems while ensuring the electromagnetic compatibility of the complex.

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.This technical solution is the closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention. However, the radiotelemetric data transmission channel of the measuring complex has an insufficient level of noise immunity when exposed to a high level of external electromagnetic interference from electrical equipment and airborne radio stations operating nearby and cannot fully provide the specified measurement accuracy during flight tests of an aircraft engine.

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.The technical result of the invention is aimed at reducing the influence of external electromagnetic interference on the channel of non-contact transmission of measuring information from the rotating part of the device to its fixed part, increasing the accuracy of measuring the parameters of rotating engine components, increasing the information content of tests and reducing costs by reducing the number of tests.

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.This technical result is achieved due to the fact that in a digital non-contact multi-channel measuring complex for flight testing of an aircraft engine, containing a measuring unit, units for receiving and recording, power supply and visualization equipment, equipped with special shielded antenna systems for the use of low-power high-frequency transmitters and induction power supply systems when ensuring the electromagnetic compatibility of the complex, in order to increase the noise immunity and reliability of measurements, the transmission channel of the digital data stream is made in the form of a non-contact rotating differentiating circuit, while the input of the differentiating circuit is connected to the digital output of the measuring unit of the rotor part, and the output is connected to the input of the receiving unit of the stator part.

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.Thus, a digital non-contact multichannel measuring complex for flight testing of aircraft gas turbine engines consists of a measuring unit, receiving and power units, recording and visualization tools. On the rotor part of the measuring unit there are 16 measuring channels with a transmission frequency of each channel of at least 50 kHz, a data converter of all channels into a single digital stream with encoding according to the Manchester protocol, a transmitting antenna of the digital data stream, as well as a power supply voltage shaper with an inductive power receiving antenna . On the stator part of the measuring unit, there is a transmitting antenna for inductive power and a receiving antenna for a digital data stream. A receiving unit is located on the stator part of the aircraft engine, in which the sequence of digital data is restored, frames are formed and they are transferred to the memory of a personal computer via the Ethernet protocol. In addition, the block generates and inductively transmits electricity to the rotor part of the block to power the electronic components located on the rotor part.

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.The measuring complex for flight testing of an aircraft engine is shown in figure 1, where it is indicated: 1 - measuring unit containing the rotor part 2 and the stator 3. On the rotor part of the measuring unit there are measuring channels 4.1-4.16, a digital data converter 5, a data stream transmitting antenna 6, supply voltage generator 7 and inductive power receiving antenna 8. On the stator part of the telemetry unit there is a receiving antenna of the digital data stream 9 and a transmitting inductive power antenna 10. On the stator part of the engine there is a demodulator and a data packet shaper 11 and an inductive power generator with a power amplifier 12. In the cabin of the flying laboratory there is an operator's workplace with a personal computer 14, which is connected to the data packet generator 11 by a communication line 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.The complex works as follows. The signal c1-c32 from the strain gauge (not shown) is fed to the input of the measuring channel, filtered and converted into digital form. The data converter performs digital filtering, decimation and combination of 16-channel data into a single digital stream and its encoding according to the Manchester protocol. The encoded sequence of digital data is transmitted to the stator part by means of a rotating differentiating circuit formed by the transmitting and receiving antennas of the data stream.

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.).The transmitting and receiving antennas of the data transmission channel act as a rotating mutual inductance coil without steel, which is a differentiating link for the transmitted data stream. In this case, the signal value at the input of the receiving antenna is proportional to the first time derivative of the signal in the transmitting antenna, with a constant signal value in time, there is no voltage in the receiving antenna. Thus, the transmission of a digital data stream occurs only at the moments of rise and fall of the rectangular pulses of the stream; in the static mode, the transmission of measuring information does not occur, which significantly increases the noise immunity of the information transmission channel (N. G. Vostroknutov, N. N. Evtikhiev. Information and measuring equipment , high school 1977).

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.In the stator part, the sequence of digital data is restored, frames are formed and transferred to the memory of a personal computer via the Ethernet protocol. The software ensures continuous recording of data and their operational processing at the pace of the flight experiment. Also, in the stator part, electricity is generated and transmitted inductively to the rotor part to power the electronic components located on the rotating part of the complex.

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.Diagrams illustrating the transmission of a digital data stream encoded according to the Manchester protocol through a differentiating circuit and restoring the original stream are shown in Fig. 2, where: a is the input digital data stream; b - signal at the output of the differentiating circuit; c - distinguished leading edge of the pulse; d - selected trailing edge of the pulse; e - restored digital data stream.

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.Restoration of the digital data stream, as an option, is possible by a trigger with a forced installation on the inputs S and R, while the signal of the leading edge of the pulse is applied to the input S, and the trailing edge is fed to the input R. The digital data stream restored on the stator part, encoded according to the Manchester protocol, undergoes further transformations by well-known procedures.

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.Thus, the use of a differentiating circuit as a channel for transmitting a digital data stream provided a high level of noise immunity of the measuring complex in difficult operating conditions and a high level of external electromagnetic interference, increased the accuracy of measuring the parameters of the rotating elements of an aircraft engine.

Claims

Digital non-contact multi-channel measuring complex for aircraft engine flight tests, containing a measuring unit, receiving and recording units, power supply and visualization equipment, equipped with special shielded antenna systems for using low-power high-frequency transmitters and induction power systems while ensuring the electromagnetic compatibility of the complex, characterized in that for to increase noise immunity and measurement reliability, the digital data stream transmission channel is made in the form of a non-contact rotating differentiating circuit, while the input of the differentiating circuit is connected to the digital output of the measuring unit of the rotor part, and the output is connected to the input of the receiving unit of the stator part.