Главная → Примеры внедрения → Регистратор динамических параметров авиационных газотурбинных двигателей

Регистратор динамических параметров авиационных газотурбинных двигателей

Шатохин А.Г. (ЦИАМ), Потапов И.А., Каринский В.И., Кузнецов Е.А. (НПП "Мера")

 

Настоящая статья посвящена цифровому регистратору динамических сигналов (рис.1).

Техническое задание на разработку данного прибора, в большей степени, было сформировано на основе технических требований, полученных от предприятий авиационного двигателестроения. Прибор должен быть удовлетворить современные потребности отрасли авиационного двигателестроения в измерительных цифровых регистраторах динамических сигналов, отображающих динамические параметры ГТД. 

Рис. 1. Цифровой регистратор динамических сигналов MIC-300M

Из истории развития регистраторов.
Эксплуатация аналоговых магнитных регистраторов, пришедших в 1970-1975 г.г. на смену светолучевым осциллографам, показала их большие преимущества: широкий диапазон частот сигналов (0 - 40 кГц) ЧМ, (>100 кГц) АМ; большой запас магнитной ленты, позволяющий вести непрерывную запись динамических параметров, 1 часа по 7 - 14 каналам; возможность перезаписи и многократного воспроизведения зарегистрированной информации. Оснащение двигательных ОКБ магнитографами отечественного производства НО-67 и НО-68 позволило существенно повысить качество экспериментальных исследований при создании и доводке авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

В начале 1990 г.г. появились первые промышленные цифровые магнитографы зарубежного производства, в том числе PC208A (SONY, Япония), RSR512 (METRUM, США) и др. По ряду показателей они существенно превосходят аналоговые магнитографы: точность записи/воспроизведения; удобство в работе. Препятствием их широкому внедрению являются высокие цены (в 2-3 раза выше аналоговых).

В это же время получают дальнейшее развитие микроэлектронные и процессорные технологии, повсеместно распространяются открытые и стандартизированные протоколы передачи и хранения цифровой информации, совершенствуются операционные системы (в том числе реального времени), более широко внедряются методики цифровой обработки сигналов. Это ведет к тому, что на основе электронных программируемых аппаратных модулей (ESAM - Electronic Signal Acquisition Module) включающих аналого-цифровые преобразователи (АЦП), фильтры, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и работающих под управлением прикладного программного обеспечения создаются первые виртуальные приборы: регистраторы, осциллоскопы, анализаторы сигналов, генераторы и другие. Кроме выигрыша в цене данный класс приборов обладает существенной гибкостью, что позволяет, используя одни и те же ресурсы, построить целый ряд необходимых измерительных приборов, причем каждый прибор может быть настроен на решение конкретных задач конкретного пользователя. Благодаря цифровому представлению сигналов расширяются возможности контроля качества обработки измеренных динамических параметров и их зависимостей с помощью альтернативных методик ЦОС или альтернативных программных реализаций этих методик. Цифровое представление повышает скорость передачи измерительной информации в центры обработки и анализа, повышает технологичность ее обработки, и в конечном итоге, позволяет принимать решения на основании более достоверной и систематизированной информации.

В информационно-измерительной системе (ИИС), используемой при стендовых испытаниях авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), осуществляется съем экспериментальных данных, их регистрация, обработка, анализ, графическое представление, тиражирование и хранение. В состав стендовой ИИС входит система сбора данных (ССД) и система сбора динамических данных (ССДД).

Регистратор динамических параметров ГТД (вибрации, пульсации давления, динамические деформации, обороты роторов, акустика и др.) является важным устройством ССДД, особенно при выполнении экспериментальных работ с удаленными труднодоступными объектами. Регистратор должен обеспечивать ряд основных технических характеристик и, прежде всего:

• число независимых каналов записи/воспроизведения аналоговых сигналов: 8, 16, 24, 32;
• рабочий диапазон частот: 0 30 кГц, 0 100 кГц, 0 150 кГц;
• динамический диапазон входных сигналов 70 дБ;
• возможность непрерывной записи высокочастотных (30 КГц) сигналов по всем каналам в течение 1 часа без потери информации;
• наличие дополнительного канала записи/воспроизведения речевого сопровождения эксперимента;
• портативность, помехоустойчивость, надежность в условиях стендовых испытаний.

К важнейшим характеристикам регистратора следует отнести:

• цифровой формат представления информации, обеспечивающий точность результатов исследования, технологичность хранения, передачи и обработки информации;
• наличие стандартных интерфейсов связи с внешними устройствами (Ethernet, USB, LPT, RS-232, IDE);
• наличие функций экспресс-мониторинга измеряемых параметров в различных представлениях (осциллгограммы, спектры, тренды и т.д.), позволяющие своевременно контролировать качество эксперимента.

ООО НПП "Мера" с 1992 г. выпускает информационно-измерительные комплексы с функциями цифрового регистратора типа MIC-200, MIC-400 и др. В 2001 г. на предприятии было начато производство современного цифрового регистратора динамических сигналов MIC-310, а в начале 2002 г. вышла в серию усовершенствованная модель регистратора — MIC-300M. 

Рис. 2. Цифровой регистратор динамических сигналов MIC-300M (вид сзади)

Данный прибор предназначен для измерения и анализа вибрации, акустики, пульсации давлений и т.п. параметров (прибор осуществляет прием аналоговых сигналов в полосе частот от 0 до 28 КГц и амплитудой ±9 В).

В указанном приборе сохранены функции предшествующих типов регистраторов сигналов и добавлены новые функции отображения и экспресс-анализа:

• отображение одновременно до 24 осциллограмм на встроенный 10,4" ЖК-дисплей;
• вычисление и отображение одновременно до 24 спектрограмм;
• вычисление СКЗ, ПИК, размаха, среднего значения регистрируемого/воспроизводимого сигнала на всех каналах с отображением в табличном виде и в виде графиков зависимости от времени (трендов);
• программное однократное и двукратное интегрирование сигнала с высокой точностью (одновременно до 24 каналов);
• расчет частоты сигнала (скорость вращения вала по сигналу с датчика оборотов) до 5 частотных каналов; построение графика зависимости от времени;
• расчет амплитудных и фазовых характеристик сигнала на частоте вращения вала и его гармониках для всех каналов; построение графиков зависимости от времени;
• построение графиков АФЧХ (произвольное количество);
• динамическое переключение между графическими страницами в темпе эксперимента;
• индикация перегрузки каналов, пиковых и мгновенных значений сигнала каждого канала;
• оформление протоколов результатов измерений на бумаге или магнитном носителе;
• взаимодействие с другими приборами MIC-300M для синхронной работы.

Кроме того, прибор выполняет расширенный набор алгоритмов цифровой обработки сигналов присущий современным анализаторам. 

Таблица 1.  Краткие характеристики MIC-300M

¹ Программно отключаемый аналоговый ФВЧ 1-го порядка с частотой среза 0,2 Гц;
² Максимальный режим - 16 каналов по 64 кГц или 24 канала по 42 кГц.

Каждый измерительный канал включает в себя: дифференциальный входной усилитель с защитой от перегрузки до 40 В, 16-разрядный сигма-дельта-АЦП с цифровым нерекурсивным ФНЧ 256 порядка с программно-перестраиваемой частотой среза, программируемый усилитель с высокой линейностью АХ (0,1 %) и низкой неравномерностью АЧХ (-0,04 дБ), схемы контроля уровня сигнала.

Каждый канал содержит программно-отключаемый аналоговый ФВЧ с частотой среза 0,2 Гц и аналоговый ФНЧ с частотой среза 14 кГц. Это позволяет при необходимости удалить постоянную составляющую входного сигнала и отстраниться от высокочастотных электромагнитных помех.

Перезапись данных с MIC-300M возможна:

• с аналоговых выходов,
• на МО-диск, используя встроенный дисковод,
• на лазерный диск, используя внешний привод CD-RW,
• по локальной сети Ethernet в PC,
• на переносной жесткий диск с интерфейсом USB (Шаттл).

Также возможна печать результатов через LPT и USB-порты.

Регистратор может использоваться как самостоятельно в простых системах типа "регистратор - объект", так и в сложных многоуровневых системах на нижнем уровне измерений. Используя интерфейс RS-232, а также входные и выходные цифровые линии, можно объединить несколько приборов в единый комплекс.

Типовая схема построения измерительного канала ИВК MIC-300M приведена на рисунке 3. 

Рис. 3. Типовая схема построения измерительного канала ИВК MIC-300M

РС-совместимый процессорный модуль не хуже Pentium III 800 МГц, объем оперативной памяти 256 МБ позволяют реализовывать ресурсоемкие вычисления во время регистрации (спектральная обработка, интегрирование, фильтрация, статистические оценки, гармонический анализ и др.) и использовать распространенные программы ЦОС для последующего анализа записанных измерительных данных (WinПОС, MathCAD, LabVIEW и т.д.). В качестве примера на рисунке 4 приведено рабочее окно программы регистрации и экспресс-обработки "Регистратор".

Рис. 4. Окно программы регистрации и экспресс-обработки "Регистратор"

Встроенный жесткий диск емкостью не менее 60 Gb обеспечивает общую длительность записи свыше 8 часов при максимальном информационном потоке. Для ведения более длительных экспериментов имеется прерывистый режим записи.

Цифровой регистратор сигналов MIC-300М также может быть использован для построения многоканальных измерительных систем, автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, учета и управления производственными и технологическими процессами.

В таблице 2 кратко представлены характеристики цифровых регистраторов динамических сигналов, в целом отвечающих требованиям отрасли авиационного двигателестроения. Среди указанных характеристик необходимо отметить высокочастотность RSR 512 (Metrum) и DR-M3B (TEAK), портативность PC208A и SIR1000 (Sony). 

Таблица 2.  Современные регистраторы сигналов

В конечном итоге предпочтение было отдано измерительно-вычислительному коплексу MIC-300М благодаря следующим характеристикам:

• функции экспресс-анализа сигналов во временной и частотной области;
• максимальная чувствительность по входу: ±20 мВ динамический диапазон;
• мощный инструмент обработки зарегистрированной информации;
• прибор сертифицирован, сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.28.004.A № 13406;
• гарантийный срок 3 года;
• минимальная цена измерительного канала аналоговый вход—аналоговый выход.

По результатам эксплуатации в условиях стендовых испытаний авиационных ГТД, энергетических ГТУ и их узлов получено подтверждение того, что MIC-300M является современным, мобильным, удобным в работе, многофункциональным цифровым регистратором динамических процессов с функциями постэкспериментальной обработки данных.

Предприятия двигателестроительной отрасли, обычно имеют ремонтно-испытательную базу, состоящую из нескольких испытательных стендов, каждый из которых предназначен для решения своего круга задач. Даже с учетом консервации части стендов из-за резкого сокращения государственного заказа и источников бюджетного финансирования, и как следствие объема выполняемых работ, тем не менее, предприятия обычно поддерживают ряд измерительных стендов в функционирующем состоянии.

За прошедшее десятилетие режима жесткой экономии средств измерительное оборудование предприятий успело основательно устареть. Это касается и датчиков и нормализаторов сигналов, но особенно, аппаратуры регистрации как динамических, так и медленноменяющихся сигналов. Проблема модернизации информационно-измерительных систем стоит остро, и руководство каждого предприятия решает ее по-своему. Стоит отметить, что не всегда это удается сделать наиболее эффективно по целому ряду причин. Поэтому представляют интерес результаты стратегии, проводимой руководством отдела измерений ГДП НИЦ ЦИАМ в этом направлении.

Во первых, принципиальная ставка сделана на переносные станции сбора данных (серия MIC НПП "Мера", один из представителей которой рассматривается в данной статье).

Системы, состоящие из подобных приборов, позволяют:

• строить оптимально масштабируемый информационно измерительный комплекс, позволяющий рационально распределять ограниченное количество измерительных станций между всеми стендами предприятия с учетом их загруженности;
• оперативно наращивать измерительные возможности или степень дублирования ИС. Одно из качеств измерительных приборов серии MIC - нормализация входного аналогового сигнала с помощью встроенных цифровых сигнальных процессоров, осуществляемой "на лету" (интерполяционная тарировка, цифровая фильтрация, цифровое интегрирование и др.). Например, прибор Mic-300М содержит три процессора DSP помимо ЦПУ. Это позволяет с одной стороны регистрировать и отображать измеряемые сигналы непосредственно в физических единицах, приближая таким образом исследователя к физическому процессу. С другой - обеспечить оперативную взаимозаменяемость приборов (переход с программных настроек одного стенда на настройки другого занимает не более 10 сек).
• в случае избыточности — часть регистраторов снимается со стенда и отправляется в оперативный резерв.

Такой подход позволяет более точно и прогнозируемо осуществлять планирование стендовых испытаний в рамках всего предприятия, избегать простоя информационно-измерительных средств. Его издержки в финансовом выражении несопоставимы с вариантами оборудования стендов стационарными, и, тем более, иностранными измерительными системами. Условия жесткого бюджетного лимита, в которых находятся пока еще все российские предприятия высокотехнологических областей (в частности авиационных технологий), требуют от их руководства взвешенных и эффективных решений, результаты которых напрямую отражаются на конкурентоспособности российской авиационной промышленности.

Приведенная технология с использованием приборов MIC-300M функционирует около двух лет и показала свою эффективность как внутри предприятия, так и в выездах на измерительные полигоны других предприятий.