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电容式叶尖间隙测量系统CAPABLADEFusion－2－1.公司介绍FOGALENanotech成立于1983年，现在已经成为非接触式测量领域的领导者通过与pretigious实验室及ONERA,SNECMA,TURBOMECA等行业领导者的合作，FOGALE开发出了新的特种测试技术，专门用于航空发动机健康状态监测，叶尖间隙测量和转子叶片振动控制。其中几项技术已获得国际专利FOGALE公司的丰富经验与多学科的人员队伍的结合，为用户带来了标准的或定制的解决方案和高性能测量系统2.系统优点：1)静态标定，无需动态模拟2)线损自动补偿，三种补偿模式3)自动匹配电缆长度4)高测量精度5)高频响3.系统主要性能指标：测量范围：0－4mm分辨率：1微米测量精度：1mm宽叶片，在1mm间隙处，测量精度优于±15微米设备通道数:单个机箱最多12通道系统频响：230KHz探头耐温：1400°C－3－4.用户名单及项目说明：国内：沈阳606所涡轮叶尖间隙测量系统4通道，1400℃株洲608所涡轮叶尖间隙测量系统20通道，1100/1400℃哈尔滨703所涡轮叶尖间隙测量系统3通道，1400℃工程热物理所涡轮叶尖间隙测量系统6通道，1400℃江油624所/东方汽轮机涡轮叶尖间隙测量系统28通道，1000℃国际：RollRoyce英国和德国:50通道Trent发动机叶尖间隙测量850和1400℃RollRoyce加拿大尾喷口振动测量，2通道SmithAerospace:850℃叶尖间隙测量和燃烧颗粒监测SiemensSweden:GT50MW5通道叶尖间隙测量系统NPOsaturnRussia:SAM146发动机，用于Sukkoy飞机压气机部分，15通道叶尖间隙测量系统AVIOItalia:10通道叶尖间隙测量系统AnsaldoEnergyItalia:850℃用于叶尖间隙测量RollRoyce加拿大:排气管壁振动检测Snecma法国:SAM146发动机，涡轮部分，1400℃，30通道叶尖间隙测量系统和叶片到达时刻（Tip-timing，非接触式叶片振动测量）测量GTRE印度燃气涡轮研究院850和1400℃，40通道叶尖间隙测量MTU德国:叶尖间隙测量，用于测试台及机载Eurocopter:直升机涡轮，叶尖间隙AnsaldoEnergyItalia:叶尖间隙测量系统Dassault：机载叶尖间隙测量系统－4－5.系统工作原理：传感器的电极与叶片尖部构成一个电容，电容值公式为：C－电子电容ε0－真空介电常数εr－介质介电常数S－平板表面积D－平板之间的距离－5－在平板电极的情况下，距离（对应于叶尖间隙）可以由1/C直接测量出来，电容模块测量电容值C。在传感器面对叶片的情况下，距离的依赖因素比较复杂，需要专门的信号分析和静态标定。下图为软件中一个传感器的典型的模拟信号的显示每个叶片的叶尖间隙由软件通过数据中的电压峰值和谷值进行计算－6－6.MC925模块6.1MC925前面板6.2MC925主要特性：y自动补偿寄生的线电容和平行电阻y静态标定无需标定叶轮y动态测量传感器和旋转叶片之间的电容y自我诊断6.3MC925的内部信号处理过程－7－6.4MC925的功能逻辑这里短按是小于2秒。“自动设定”按钮操作在适应阶段是没有影响的。按这个按钮超过2秒的效果是进入静态校准模式，提供了传感器校准的访问。正常运行期间，一些诊断是作为后台任务运行的。前放线损补偿放大器信号处理RMS到DC转换器Vout=KCReset/ModesVoutrmsMC925叶片三同轴电缆Diagnostic(RS485)双同轴或三同轴传感器－8－第一个检测是检测模块是否主模块。如果模块是主模块，黄色LED常亮。当使用不同批次的模块并使用不同配置时此功能非常有用，它能让人总是知道哪个是主模块和主机箱。主模块冲突：当一个机箱的或连接的机箱中有两个主模块时，主模块的黄灯会闪。其它从模块的黄灯也可能会闪，但闪烁的黄灯（加上可能的橙色灯）总体格局不会造成分辨不清。第二诊断是功耗的永久检查。更高的功耗可能表明电缆长度的变化（连接新电缆），电缆中的短路或传感器的电极和地面（叶片接触传感器）之间的短路。这个状态是可逆的，意思是短路的原因消失时，指示消失并且不记忆。第三个诊断静态漂移补偿是否饱和。它发生在补偿达到最大静态漂移（例如NC模式下+/-5.5pF或+/-12.5μS）。重新适应可能解决这一问题。这种诊断一般是由电缆长度的变化和功耗诊断引发的。6.5线损补偿6.5.1静态电容补偿传感器和目标之间的有用的电容数量级是0.1pF。出厂默认增益下，常见的电容范围是0.3PF（叶尖间隙最小）到0.03pF（叶尖间隙最大）之间。当然，确切值取决于传感器和叶片的几何形状。这个电容是一个动态值，因此可以从不同的静态寄生电容和固有的电导来设置：传感器头部的电极和地面之间的寄生电容取决于传感器的电容泄漏（静态值范围：2－10pF）。线（电缆）本身贡献的寄生电容和电导（复数阻抗）。复数阻抗取决于测量信号的频率和电缆长度和电缆的性质。对于MC925，在最大长度为28m的软电缆加上2米的矿石电缆组成的电缆并联3kΩ情况下，最大值是40pF。MC925可以弥补所有这些静态值构成的静态阻抗，只测量动态电容变化。这个完整的静态电容（和电导）是在适应的过程进行补偿（橙色LED闪烁时）的。6.5.2静态电容漂移补偿（NC，EC，TC模式）取决于环境条件（电缆的温度，压力等），传感器的电容和电导可能以一个非常缓慢的的速度变化，所以它表现更像一个静态电容（或电导）。例如，由于同轴传感器内介质的变化，传感器的静态电容可能会有几pF的区别（通常类三同轴传感器从室温到1000℃会产生+/-3pF变化）。MC925有能力跟踪和取消这个静态电容的变化，使用了3种不同的补偿模式：NC模式：正常补偿（+/-5.5pF//+/-12.5μSm）这对所有标准传感器是足够的。－9－EC模式：额外补偿（+/-11pF//+/-50μSm），专用传感器具有较高的静电电容值，或恶劣的环境条件，或很长的电缆。补偿范围增加会增加短线缆的噪音影响，应预留较长线缆。TC模式：跟踪补偿（+/-5.5pF//+/-12.5μSm+跟踪窗口）。这是高补偿和低噪音的一个妥协。如果补偿达到最大值，全静态电容所用的粗机制中的会产生一个小的变化和补偿窗口跟踪这个值。此模式允许跟踪完整的MC925静态补偿能力（见参数：“静态电容补偿”和“静态电导补偿”）内的漂移。应该认识到，在TC模式的补偿窗口切换会停止几百毫秒的测量，所以这种机制可能不适合某些应用。然而，信息的窗口切换是在MC925主板（以数字事件标志的形式）同时Capablade系统可以使用此信息来记录事件和读取MC925的内部状态。在交换时，橙色LED灯点亮。电路保证了温度和机械环境压力的低频变化不会影响测量。一个5Hz的带宽适应于大多数情况。动态输出的零是非常稳定的，即使当传感器受到高温所有寄生现象都进行补偿。6.6MC925的主要技术规格工作温度范围5－60℃存储温度范围5－90℃转换增益10－50V/PF典型30V/PF带宽5Hz-230kHz输出-3dB截止低频典型5Hz输出+/-1%截止低频最大100Hz输出-3dB截止高频220-240kHz典型230kHz输出+/-1%截止高频最小70kHzNC模式传感器电容漂移补偿-5.5－5.5PFNC模式传感器电导漂移补偿-12.5-12.5μSiemensEC模式传感器电容漂移补偿-11－11pFEC模式传感器电导漂移补偿-50－50μSiemens静态电容补偿最小50pF静态电导补偿-300－300mSiemens电源电压V+典型15V电源电压V-典型－15V－10－电源电流I+最大200毫安典型180毫安电源电流I-最小-150毫安典型130毫安主模式风扇出口温度最大50F电压输出-10〜10V电压RMS输出0-10V失调电压（无信号）最大10mV失调电压RMS（无信号）最大10mV电缆接地护套间电容最大4nF电缆护套电极间电容最大4nF护套电极间电容1.5nF时NC模式噪声性能最大0.35pFrms/Hz1/2护套电极间电容1.5nF时NC模式噪声性能最大1.410-6pFrms/Hz1/2护套电极间电容1.5nF时EC模式噪声性能最大0.8pFrms/Hz1/2护套电极间电容1.5nF时EC模式噪声性能最大1.510-6pFrms/Hz1/2下图给出了所有值下最大噪音值。－11－7.静态标定标定是定义叶尖间隙和电容值之间关系的过程。一旦测试台测量不同叶尖间隙的电容值（MC925转换电容到电压），它是简单的反向关系。问题是标定台的代表性和精度，动态标定台不仅模拟叶尖还有叶片旋转速度（实际上是叶片通过频率），因为叶尖间隙电容传感器本质是交流而不是直流。此外，叶尖间隙必须保证微米精度并确保旋转平滑。但动态标定台制造和标定过程相对比较复杂，为了解决这一问题，Fogale开发静态标定将高精度旋转台转变成标准精度转换台，只需要使用具有代表性的叶尖。静态标定的关键是系统能够补偿所有静态电容，并测量传感器电容静态值。这样就不必再采用动态标定，无需制作标定叶轮。。静态标定台结构如下图所示。主要包括一个手动或电动控制的平移台（位移精度应达到微米），模块叶片（主要模拟叶尖形状），传感器+电缆+电容模块和电压表。－12－另一个关键是要确保静态测量值和作为动态测量下对移动目标的测量值完全一样，这由在结构上MC925测量交流和直流值使用完全相同的测量链来保证。唯一的区别就象一个滤波器，对于5Hz以下的信号是关断还是打开。在正常响应的平坦部分，绿色曲线和红色曲线严格的相等。在零频率（静态值），正常模式的增益为零，标定模式则保持与正常测量模式相同的增益。以0。1%的精度测量一个量程300fF的静态电容值，但要一个50pF电容并联，就像（比喻）一个大象和一个鸡蛋在天平两侧一样。Fogale的电子模块是目前世界上唯一可以执行这项任务的电容模块，在开机预热1小时后稳定性可达0.1%。但是，整体的稳定取决于电缆的长度和传感器电容，由于传感器的静态电容的漂移可以影响测量，所以几乎所有的测量应在很短的时间内，并在控制湿度的房间完成。此外，测量链必须在一个稳定的温度环境而且没有振动。采用这样精心的方法（也可以采用漂移补偿的计算方法），一个很好的静态标定结果可以达到微米精度。目标应是导电的（甚至略微导电），或者当目标绝缘但具有高介电常数时，特殊的标定可以将介电值考虑进支。这咱情况下标定对每个目标都是不同的。－13－－14－8.电容传感器8.1电容传感器三种技术三同轴类三同轴双同轴目标电极地－15－8.2三种技术的比较三同轴Triaxial类三同轴PseudoTriaxial双同轴Coaxial静态测量优在短时间内好差动态测量优优中等抗振性优优中等耐温性高高中等电缆长度影响高中高Fogale公司现在主要采用三同轴和类三同轴技术的传感器，基本不采用双同轴技术的传感器。8.3CP800-A-Cx-8.2-E12-1传感器-类三同轴传感器-陶瓷－金属技术-电极直径：4.5mm-传感器头部直径：8.2mm-安装突台直径：12mm-最高工作温度：1000℃-耐压：1MPa-抗振：20g-传感器电缆：6m,包括：y三同轴矿绝缘铠装电缆：耐温：1000℃直径2.5mm长度1mLEMO00接头y柔性电缆：耐温200℃长度5mLEMO接头－16－9.CAPABLADEFusion数据系统6/7U-19机箱-最多安装12个MC925模块-稳定的可调节电源-增强的通风-ON/OFF开关，保险，230V/2A-把手，底脚,模块指南-后面板接口：电源-前面板接口：1个显示器接口、2个键盘鼠标接口，2个USB接口，1个OPR输入，以太网接口采集模块-个同步模拟输入-14bit分辨率-2.5MS/s每通道数据处理硬件：-1个SSD磁盘（128G）-1个可插拔式硬盘（1TB，RAID1）