航天推进器研发的综合信号调理器

2022-07-15浏览次数:111

航天推进器研发的综合信号调理器

ISRO Propulsion Complex, India
By Tirin Varghese, Manager, Dewesoft India Pvt Ltd. 

什么是Dewesoft Sirius 数采?对于测试工程师来说,这仅仅是一个通用的数据采集系统。
经过8年左右的多重评估和性能测试,印度航空航天工业机构已接受 SIRIUS DAQ 系列产品作为更好选择,因为它能真实测量。

SIRIUS R4数据采集系统简介

SIRIUS R4是一个紧凑的高通道数据采集系统,最多有64个模拟输入,32个计数器输入,32个模拟输出,内置高性能计算机和 SSD 数据记录器。
Dewesoft R4 DAQ system
Dewesoft R4 DAQ 系统各配置32台 STG 模拟信号调理器

传统的测量系统是根据其功能来设计和操作的。分布式系统,模拟信号和数字总线相互连接。这往往是一种选择,而不是一种解决方案。因此,即使测量链中的单个子系统提供了最佳性能,最终结果也是模棱两可的。
SIRIUS DAQ 系统的独特特点消除了多年来许多客户一直存在的歧义。它是集成的总体解决方案,具有更多编程特性的功能。
内置通道间隔离,传感器信号调理, 2x24位 ADC双核转换技术,160分贝的动态分辨率。它将宝贵数据存储在冗余的网络驱动器中,并以多功能应用特有的图形和数字来显示数据。
内置的后处理技术使用户能够快速分析测量数据。此外,生成报告使得科学界内部的数据共享和交流变得容易。SIRIUS DAQ 系统采用 DewesoftX 数据采集软件,为用户提供完整的数据。
SIRIUS DAQ 模块通道(STG,STGm,ACC,LV,HD STGs)与模拟输出(AO),超过400个模拟通道,在印度空间研究组织(ISRO)的各个子部门运行。这些信号调理器可以连接任何东西,从压力传感器,电荷传感器,应变仪,负载传感器,温度传感器 到测量其他所需的现代先进推进系统。

ISRO 推进综合工厂

ISRO 是印度航空航天研究活动的主要支柱。它在航天运载火箭的设计和开发中起着关键作用。它致力于多学科技术,如卫星和空间技术,用于地球观测、通信、导航、气象学和空间科学。
ISRO 推进综合设施

印度空间研究组织推进综合工厂是从事研究和开发项目的主要中心之一。该公司专注于为卫星和运载火箭提供液体推进系统。该综合体的任务是开发、鉴定和验收子系统、运载火箭的集成和航天器项目。该中心拥有内部设备,可在真空环境中测试/模拟卫星上级火箭发动机和推进器/液压电动机。
ISRO 目前正在研制一种以液氧和火箭级煤油混合物为基础的大推力半低温发动机,Dewesoft在这些研发项目中扮演着合作伙伴的角色。
目前正在装配、集成和推进剂储存,Dewesoft 数采设备和软件是这些任务所依赖的其中一部分主要工具。


无付出,无收获-挑战

由于缺乏真正的测量系统,印度空间研究组织的研究能力受到限制。测量的不确定性往往降低了它们的置信度。印度空间研究组织的团队正在努力寻找一种用于关键任务应用的精密测量系统,来取代他们过时的测量系统。这里是一些最近的主要挑战。

质量检测分布式系统

传感器布置在距离测量站几百米远的地方。信号隔离电缆连接独立设备,信号输出到模拟信号调理器,抑制带宽。
模拟输出通过冗余网络进行数字化和传输并进行监控。模拟数据也可通过可编程序控制系统(PLC)采集和监控。大多数这些子系统都需要手动调优。
这种常规测量系统如图1所示。科学家们已经采用这种方法,并且已经适应了它们的缺陷。但是,关键任务的应用系统是一个劳力密集的过程,而且往往会得出错误的结果。
图1. 常规测量系统的框图。

数百个传感器集成和自动测量

客户希望在实验中用不同类型的传感器测量200多个关键参数。传感器也需要经常更换。在实验过程中很难手动更新传感器的标定细节。

内置两点描线法和非线性传递函数

传感器布置在距离测量站大约一百米的地方。在分布式数据采集系统中,长电缆上的模拟信号损耗是不可避免的。接口电缆的损耗需要通过两点标定法进行补偿。
此外,该系统必须通过使用一个标定参数对非线性传递函数进行编程来转换物理量。大多数现代数据采集系统只有一组刻度。因此,满足这一要求是一个挑战。

模拟输出滤波器

传统的信号调理器在模拟输出端内置低通滤波器。所以,AO 是宽带低通滤波器。尽管 SIRIUS 仪器配备了具有尖锐截止频率特性的低通滤波器,但是对于 SIRIUS 信号调理器来说,制作低截止频率的 AO 低通滤波器仍然是一个挑战。
输出延迟是 SIRIUS 仪器中采样率的函数。很难达到相互矛盾的要求。PLC 经常给出一个错误的触发与未经滤波的输入信号。因此,客户必须在PLC之前使用一个额外的外部滤波器。

Sirius 信号调理解决方案

2012年 ISRO 引入 SIRIUS DAQ 模块,改变了他们的项目方案。这个完整的综合解决方案,解答了多年来没有答案的问题。团队的实践经验丰富的工程师向 ISRO 科学家演示了 Sirius 模块的先进特性。研究小组将Sirius的潜力与现有的测量系统进行了可视化比较。
我们多次参观了印度空间研究组织的工厂,并与科学家们联合展示了一些量身定做的测量解决方案。我们也在他们的实验中进行系统演示。
简而言之,我们在顾客饥饿的时候提供了美味的食物。现在,我们的努力得到了回报。今天Dewesoft软件作为合作伙伴,在数百万关键任务的项目中,提供了领先的测量解决方案。
经过8年的艰苦努力,我们已经成功地在印度航空航天工业建立了自己的足迹。当然,这给了我们新的挑战和期望。

质量检测过程自动化集成系统

最初,说服 ISRO 团队并改变他们解决问题的方式是一个挑战。Dewesoft 解决方案内置了大部分的特性功能。它消除了一些互连电缆和测量过程中潜在的人为误差。
Dewesoft 解决方案,凭借其创新的数字技术,改变了传统的测试程序。更是凭借双核ADC 和 SIRIUS DAQ的电气隔离,始终领先于任何其他技术。
SIRIUS 模拟输出(AO)和强大的 DewesoftX 数采软件的结合,已经取代测试系统中的一些旧设备。SIRIUS 模拟输出是一个独立的信号调理器,其功能不受软件、计算机或任何其他硬件的影响。

我们的解决方案有几个特性:
▶  隔离可编程式传感器激励,
▶  输入通道间隔离,
▶  独立信调与模拟输出数字化, 
▶  通过 DewesoftX NET 选项进行主网络存储和冗余网络存储,
▶  原始数据和缩放数据的图形和数字表示,
▶  后处理
▶  报告

图4是重要应用程序的设备设置框图,在远程布置了数百个传感器。该系统采用的是集单一数字技术和现代体系结构于一体的技术。通过这种设置和方法,我们提高了测量系统的整体性能,减少了人工干预。代替传统系统的 Dewesoft 测量系统如图2所示。
图2: 集成信号调理器的现代架构。

传感器和自动化集成

客户在一次测试中,有200多个不同类型物理量的输入参数。手动更新传感器的非线性标定细节是一项繁琐的任务。
我们能想到的唯一解决方案是将他们的传感器数据库导入 Dewesoft 软件。但是传感器数据库是以非标准的文本格式创建的,所以我们必须将这些数据转换成 XML 文档(XML)以便导入。
Excel 的小应用程序支持将文本文件转换为 XML。该文件可导入 Dewesoft 模拟传感器数据库。现在,我们已经成功地与 Dewesoft 的一个非标准客户数据库进行了连接。这是一个非常有用的解决方案,可以避免不同传感器的人为输入错误。

原始数据的两点刻度及其非线性标度的应用
图3: 非线性缩放。

一些现代数采系统只有一组输入信号缩放选项,但是他们没有选项可以使用标定参数将测量信号转换成物理量。因此,这样的系统不能满足客户的基本需求。DewesoftX 软件具有内置的创新特性,可以对输入模拟信号进行两点缩放,并可以选择从传感器数据库中输入传感器的非线性传递函数(图3)。
客户更喜欢原始电压的两点校准作为标准程序。它可以校正在长电缆上衰落的信号。校正电压在Dewesoft 上通过传感器的校准系数进一步缩放,将电压转换为物理量。
首先,在模拟通道设置中使用两点缩放,对原始数据进行缩放(图4)。然后,从模拟传感器数据库中加载非线性校准系数到同一通道。这种原始电压两点标定,可以在高级硬件设置的放大器中启用。
图4: 原始两点缩放的模拟通道设置

原始数据和数学缩放选项对于解决这个问题非常有用。设置 RAW 偏移量后,客户可对原始数据进行两点缩放,工程师从数学缩放模块获得缩放值(图5)。
图5: 数学缩放设置(左)和测量原始电压和缩放值(右)。

SIRIUS 模拟输出的硬件滤波器

输出信号最小延迟和带宽限制的矛盾要求具有挑战性。SIRIUS 模拟输出滤波器是输入采样率的函数,因此也是带宽的函数。更高采样率提供更宽输出带宽。
虽然降低采样频率,会导致低通滤波输出,但也增加了输出延迟,对于控制信号是不满意的。因此,客户在 plc 的输入端使用一个额外的模拟滤波器。
图6: 建议通过 EtherCAT 进行数字通信。

Dewesoft对这个重要需求上提出解决方案,我们高兴地说,SIRIUS 模拟输出最近升级了可编程硬件数字滤波器,从30赫兹开始。新模拟输出是一个独立集成的带硬件可编程数字滤波的信号调理器。因此,在 plc 之前不再需要额外的过滤器。顾客非常满意这个解决方案。

总结

SIRIUS 作为一个独立的信号调理器,可提供最小延迟的放大器AO。它是传统分布式测量系统的综合解决方案。使用 Dewesoft x NET 存储数据到远程计算机大约一公里处的控制室中。
客户可使用我们通用软件包,在自定义采样率下,分析和导出数据到不同的文件格式包。因此,用户可在测试完成后立刻解释和报告测试数据。
与传统方法相比,这种数据采集系统结构的总体优点是:
▶  所有应用都有丰富的可视化用户界面
▶  快速设置测量和快速报告
▶  总准确度提高
▶  Sirius-AO 是独立于软件和计算机的
▶  简单的传感器设置更新通过 XML 导入
▶  可编程激励
▶  减少控制器的延迟
▶  完全同步,放大器无匹配时间
▶  更少工作量和更多实验室空间
▶  附加的数学参考曲线可用于研究参数行为

复盘这个案例,还有许多工作要做,还有许多应用需要探索。我们相信一个满意的客户会给我们更多的机会。我们进一步提出将模拟输出改为 PLC 电缆,通过 EtherCAT 协议进行数字通信。
这是一个伟大的解决方案,以避免铺设大量和长电缆。此外,通过更换额外的滤波器和模拟前端放大器,将减少到 PLC间的延迟。有关计划详情载于图6。
Dewesoft的一个客户,使用Sirius 数采系统的EtherCAT数字总线来替代标准的模拟信调,替换了数千公里电缆。

ISRO 推进综合设施的工程师和经理们信任我们。项目的成功始于安装传感器的领域,并以满足客户的预期结果报告结束。在这两者之间,Dewesoft 赋予了它生命。






来源

印度空间研究组织(ISRO)官方网站