面向旋轉(zhuǎn)部件傳熱試驗的無線遙測裝置設(shè)計

鄧麗君，黃 勇

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002)

航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)中,轉(zhuǎn)子的溫度分布具有瞬時多變性的特點,導(dǎo)致材料產(chǎn)生周期性彈性變化,直接影響著轉(zhuǎn)子部件的壽命和發(fā)動機的安全。因此,在中小航空發(fā)動機熱管理工作中實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子部件實時響應(yīng)溫度的精確測量十分必要。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)管溫度采集系統(tǒng)采用電刷傳遞傳感器信號,這種接觸式傳導(dǎo)方式不僅使用壽命短,而且存在不可避免干擾,從而難以獲得準(zhǔn)確的溫度值[1-9]。為了解決以上問題,開發(fā)了針對旋轉(zhuǎn)部件的溫度遙測裝置以實現(xiàn)對溫度信號的精確采集,以典型的旋轉(zhuǎn)管為對象開展了實驗研究,對其可行性進(jìn)行了驗證。

1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖包含3 大部分,分別為發(fā)射端、接收端以及上位機數(shù)據(jù)處理,如圖1 所示。發(fā)射端由主控板、熱電偶底板和無線信號發(fā)生器組成,包含熱電偶信號采集電路、基于TM4C 的串口電路、無線信號發(fā)生器及其驅(qū)動電路。接收端包含位于靜端的無線信號接收器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。上位機程序主要用于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存儲。系統(tǒng)中的無線傳輸通道,即無線通訊收發(fā)模塊屬于高速電路,其工作頻段為433 MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4 kbit/s,無線傳輸距離為1 000 m。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

無線遙測裝置電子系統(tǒng)原理如圖2 所示,旋轉(zhuǎn)熱管溫度采集系統(tǒng)采集的溫度通道數(shù)量較多,因此熱電偶底板需要多路數(shù)據(jù)采集模塊。通過底板與主控板之間的引腳,多個采集模塊采集到的參數(shù)被傳輸給主控板。主控板編碼后通過無線模塊將載有遙測參數(shù)信息以無線信號形式發(fā)射出去。接收端的無線信號接收器接收發(fā)射出來的無線信號并輸出相應(yīng)的TTL 電平信號,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊將TTL 電平轉(zhuǎn)化成USB 信號,通過USB 串口將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機數(shù)據(jù)處理。上位機程序?qū)⒉杉降臒犭娕紲囟刃畔⑦M(jìn)行解析,并以曲線顯示,同時該程序具備數(shù)據(jù)存儲導(dǎo)出功能。

圖2 無線遙測裝置電子系統(tǒng)原理圖

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

考慮到無線信號發(fā)生器和無線信號接收器等技術(shù)較為成熟,本設(shè)計著重介紹發(fā)射端熱電偶底板、發(fā)射端主控板和接收端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

2.1 發(fā)射端熱電偶底板設(shè)計

該模塊需完成對8 路熱電偶信號的采集,考慮到采集參數(shù)數(shù)量較多,不建議采用Max6675 冷端補償K 型熱電偶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,原因是Max6675 芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化周期過長,大約為250 ms,不利于實時溫度采集,且多個通道冷端補償不一致,導(dǎo)致多個芯片在同樣的環(huán)境溫度和熱端溫度下呈現(xiàn)不同的測量值,誤差較大,不適用于多通道實時溫度采集。因此采用AD623 集成單電源儀表放大器對熱電偶信號進(jìn)行采樣放大,通過主控板的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)熱電偶溫度讀取。AD623 可以在單電源(＋3 V～＋12 V)下提供滿電源幅值的輸出,允許通過使用增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程,其引腳排列如圖3(a)所示。AD623 可將差分電壓轉(zhuǎn)化成單端電壓,其輸出電壓為:VO=(1＋100 kΩ/RG)VI,其中Ra為1 腳和8 腳之間接入的調(diào)壓電阻,所設(shè)計的熱電偶信號采樣放大電路如圖3(b)所示。采用AD623 單電源對熱偶信號放大,因共模電壓在0 V 附近,AD623 輸出電壓只能放大到1 V 左右,所以考慮在輸入端增加共模鉗位電壓,鉗位電壓為1 V。此外,熱電偶底板上還設(shè)計了環(huán)境溫度傳感器,芯片采用LM61 精密集成電路溫度傳感器,其輸出電壓與溫度成線性比例(10 mV/℃),標(biāo)稱輸出電壓范圍為300 mV 至1 600 mV,適應(yīng)環(huán)境溫度為-30 ℃至100 ℃。

圖3 AD623 引腳圖及熱電偶信號采集放大電路圖

2.2 發(fā)射端主控板設(shè)計

主控板供電采用鋰電池供電,電源控制IC 采用RT8008-33 芯片,該芯片電壓輸入范圍為2.5 V～5.5 V,輸出電壓固定為3.3 V,支持最大1 A 的輸出電流。主控板與熱電偶底板之間通過2 個20pin 排插連接。熱電偶采樣放大后的信號與環(huán)境溫度信號通過排插傳遞到主控板,主控板3.3 V 供電通過排插支持熱電偶底板芯片供電。

主控板芯片采用80 MHz 的ARM Cortex-M4 系列TM4C 芯片,該芯片集成了8 個通用異步收發(fā)器(UART)和2 個12 位ADC 模塊。其設(shè)計框架如圖4 所示,原理圖如圖5 所示。芯片工作時,ADC模塊采集到底板采樣放大后的多路熱電偶信號,經(jīng)內(nèi)部計算將模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,通過UART按照一定的發(fā)送協(xié)議將熱電偶數(shù)字量信號發(fā)送到無線信號發(fā)生器。ARM 編碼流程圖如圖6 所示。

圖4 主控板設(shè)計框架

圖5 TM4C123G 原理圖

圖6 ARM 編碼流程圖

考慮到多路溫度采集信號數(shù)據(jù)量較多,主控板內(nèi)還設(shè)計了串行接口的閃存芯片AT45DB161D,該芯片采用2.5 V～3.6 V 單電源供電,兼容SPI 接口,包含1 個主存儲器和2 個SRAM 數(shù)據(jù)緩存區(qū),共17 301 504 個位,被組織為4 096 個頁,每個頁512或528 個字節(jié),其接口功能如表1 所示。

表1 AT45DB161D 接口功能

2.3 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊是基于Semtech 公司SX1278 射頻芯片設(shè)計的串口模塊,采用LoRa 擴頻技術(shù),工作頻段默認(rèn)433 MHz,默認(rèn)空中速率為2.4 kbit/s,發(fā)射功率為20 dBm,其電路實物圖如圖7 所示。

圖7 無線收發(fā)模塊電路實物圖

2.4 接收端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

考慮到無線接收端到上位機之間的數(shù)據(jù)通訊,故設(shè)計了信號轉(zhuǎn)換模塊,通過信號轉(zhuǎn)換模塊將無線接受端的串口信號轉(zhuǎn)換成USB 信號,經(jīng)計算機的USB 接口上傳至上位機軟件。其實現(xiàn)框圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)框圖

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊基于CP2102 芯片設(shè)計了一個簡單的UART-USB 轉(zhuǎn)換電路,通信速率可達(dá)1 Mbit/s,其原理圖如圖9(a)所示,為適應(yīng)不同的電壓場合,引出GND,TXD,RXD,RST,5 V,3.3 V 接口,外圍電路增加了電源指示燈,方便觀察數(shù)據(jù)模塊工作狀態(tài),其電路實物圖如圖9(b)所示。

圖9 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊原理圖及電路實物圖

3 上位機設(shè)計

上位機的基本界面,如圖10 所示,系統(tǒng)應(yīng)用程序主要分為5 個部分,分別為圖形顯示部分、通信設(shè)置部分、輸入設(shè)置部分、數(shù)值顯示部分、電池監(jiān)測部分和操作臺部分。

圖10 上位機接收程序界面

上位機工作流程圖如圖11 所示,上位機程序開始運行后打開串口,采集串口數(shù)據(jù),對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,并以曲線圖形顯示。

圖11 上位機工作流程圖

(1)圖形顯示:波形圖橫坐標(biāo)為時間,單位為s,縱坐標(biāo)為溫度,單位為℃。上方波形圖為局部時間范圍顯示,下方波形圖為全局時間范圍顯示。波形圖最左側(cè)有曲線的圖例,表示波形中各個曲線對應(yīng)的顏色與樣式。

(2)通信設(shè)置:其中波特率默認(rèn)值為9 600,串口默認(rèn)選擇為COM2。

(3)數(shù)據(jù)顯示:依次顯示10 個溫度值,精確到小數(shù)點后2 位。

(4)電池監(jiān)測:實時顯示電池電壓值,并設(shè)計了低壓報警燈,當(dāng)電壓低于3.75 V,鋰電池?zé)o法提供穩(wěn)定的主控板供電,會導(dǎo)致主板無法正常工作,熱電偶信號采集數(shù)據(jù)會出現(xiàn)誤差,此時報警燈變?yōu)榧t色,提醒更換電池或充電。

(5)操作臺部分:開始和退出按鍵負(fù)責(zé)軟件的運行和關(guān)閉,當(dāng)按下溫度采集鍵后,軟件開始采集溫度值并在界面上顯示,同時自動將文件進(jìn)行保存。按下停止后軟件暫停接收并保存溫度數(shù)據(jù),此時若再按下溫度采集,則重新進(jìn)行文件保存。點擊數(shù)據(jù)導(dǎo)出后,主控板上Flash 中存儲的數(shù)據(jù)會傳給PC機,在顯示溫度的同時也進(jìn)行了文件的保存。

4 試驗

試驗實物如圖12 所示。

圖12 基于無線的旋轉(zhuǎn)部件傳熱試驗參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)

4.1 誤碼率試驗

為檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性,以串口協(xié)議在兩臺計算機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸,測試數(shù)據(jù)包的丟失率來間接反映誤碼率。試驗連接示意圖如圖13 所示。

圖13 誤碼率試驗連接示意圖

計算機用于測試數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和比較。無線發(fā)射器完成串口與無線通信接口轉(zhuǎn)換的功能并以無線信號的形式發(fā)射出去,無線接收機完成對無線信號與串口的轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)上傳至計算機。

采用2 種試驗來觀測誤碼率:一是通過改變無線設(shè)備之間的通信距離來觀測對誤碼率的影響,二是通過一個恒定的無線通信距離,改變數(shù)據(jù)包的長度來觀測其對誤碼率的影響。試驗中重復(fù)傳輸特定序列的數(shù)據(jù),試驗結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 非接觸距離對誤碼率的影響試驗結(jié)果

表3 非接觸距離為20 m 條件下數(shù)據(jù)包長度對誤碼率的影響試驗結(jié)果

由表2 可知,當(dāng)非接觸距離在0～40 m 范圍內(nèi)時,數(shù)據(jù)丟失率都可以保持在0。當(dāng)非接觸距離繼續(xù)增大在60 m～80 m 范圍內(nèi)時,數(shù)據(jù)丟失率開始逐漸上升,保持在千分之五以內(nèi)。當(dāng)非接觸距離到達(dá)100 m 時,數(shù)據(jù)丟失率飆升至12.582%。因此建議將非接觸距離保持在40 m 以內(nèi),以保證極低的數(shù)據(jù)丟失率。

由表3 可知,當(dāng)非接觸距離在20 m,數(shù)據(jù)包長度在32 byte～512 byte 范圍內(nèi)增加時,數(shù)據(jù)丟失率都可以保持在0。當(dāng)數(shù)據(jù)包長度繼續(xù)增大到1 024 byte,數(shù)據(jù)丟失率飆升至35.721%。因此建議將數(shù)據(jù)包長度保持在512 byte 以內(nèi),以保證極低的數(shù)據(jù)丟失率。

綜上,建議將非接觸距離保持在40 m 以內(nèi),數(shù)據(jù)包長度保持在512 byte 以內(nèi),來保證較低的數(shù)據(jù)丟失率。

4.2 旋轉(zhuǎn)部件溫度無線遙測試驗

旋轉(zhuǎn)部件熱管理試驗臺如圖14(a)所示,將無線遙測裝置安裝在電機上,非接觸距離保持在10 m,數(shù)據(jù)包長度保持在256 byte 開展試驗,得到試驗結(jié)果如圖14(b)所示。

圖14 旋轉(zhuǎn)部件傳熱試驗臺及無線遙測試驗結(jié)果圖

由表4 可以看出,本文設(shè)計的基于無線的旋轉(zhuǎn)部件熱管理試驗參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)能夠在試驗過程中實時準(zhǔn)確無誤地將旋轉(zhuǎn)部件的溫度數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)送至上位機,證明了該系統(tǒng)能夠在實際科研和工程場景中發(fā)揮作用,是一種非接觸參數(shù)傳輸?shù)目煽糠桨浮?/p>

表4 試驗中數(shù)據(jù)發(fā)送與接收結(jié)果

5 結(jié)論

基于ARM,配合無線傳輸模塊設(shè)計了一套無線的旋轉(zhuǎn)部件傳熱試驗參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明:該參數(shù)傳輸系統(tǒng)在非接觸距離100 m 以內(nèi),數(shù)據(jù)包長度位512 byte 以內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)定可靠的工作特性,為航空發(fā)動機旋轉(zhuǎn)部件傳熱試驗的參數(shù)測量提供了一種方案。