Fogale CAPABLADE Fusion 叶尖间隙测量系统

电容式叶尖间隙测量系统CAPABLADE Fusion
1. 公司介绍
FOGALE Nanotech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： 1m m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
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：
Roll Royce 英国和德国: 50通道Trent发动机叶尖间隙测量850 和 1400℃ Roll Royce加拿大 尾喷口振动测量，2通道
Smith Aerospace : 850℃叶尖间隙测量和燃烧颗粒监测
Siemens Sweden: GT50MW 5通道叶尖间隙测量系统
NPO saturn Russia: 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
Italia: 10通道叶尖间隙测量系统
AVIO
Ansaldo Energy Italia : 850℃用于叶尖间隙测量
Roll Royce 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
: 直升机涡轮，叶尖间隙
Eurocopter
Ansaldo Energy Italia: 叶尖间隙测量系统
Dassault：机载叶尖间隙测量系统
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
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.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
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。

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0.3 PF（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：2－10 pF）。

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。

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MC92 5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 10－50 V/PF 典型30 V/PF
带宽 5Hz-230kHz
输出-3dB截止低频 典型5 Hz
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70kHz
NC模式传感器电容漂移补偿 -5.5－5.5 PF
NC模式传感器电导漂移补偿 -12.5-12.5μSiemens
EC模式传感器电容漂移补偿 -11－11 pF
EC模式传感器电导漂移补偿 -50－50μSiemens
静态电容补偿 最小50 pF
静态电导补偿 -300－300 mSiemens
电源电压V + 典型15 V
电源电压V- 典型－15V
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 -10〜10 V
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0.35 pFrms/Hz1/2
护套电极间电容>1.5nF时NC模式噪声性能 最大1.4 10-6 pFrms/Hz1/2护套电极间电容<1.5nF时EC模式噪声性能 最大0.8 pFrms/Hz1/2
护套电极间电容>1.5nF时EC模式噪声性能 最大1.5 10-6 pFrms/Hz1/2下图给出了所有值下最大噪音值。

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。

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。

8.电容传感器
8.1 电容传感器三种技术
8.2 三种技术的比较
三同轴 Triaxial
类三同轴
Pseudo Triaxial
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。

8.3 CP800-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1m
LEMO 00接头
y柔性电缆：
耐温200℃
长度5m
LEMO接头
9.CAPABLADE Fusion 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，RAID 1）位于前面板
-17”平板LCD显示器
-鼠标键盘
10.CAPABLADE VIEW 软件
FOGALE专门开发的数据处理和分析软件充分考虑了电容的物理特性。

基于windows平台的图形化用户界面（GUI），既可以实时采集叶间间隙和叶尖到达时刻，也可以离线对原始数据进行处理。

程序功能包括原始数据存储，实时显示叶片位置，RPM和间隙幅值。

软件采用多线程编程技术，可以实时处理50MB/s的数据流量，这是依靠选用的双核处理器完成的。

多线程编程技术可以使多个处理过程并行进行，例如，数据线程可以连续地将数据写入存储器中，同时，显示线程可以利用缓存实时处理和显示一些数据。

软件参数：
测试级名称：压气机、风扇、涡轮……
所选激活的采集通道
所选通道的采样率
通道标签
设置标定参数
测试级的叶片数
Tip timing 采集，叶片谐振分析（可选）
用户可点击“硬件配置”菜单来存储或调用硬件设置。

数采条件：
可以通过以下方式开始采集数据到硬盘：
手动按“开始”按钮
或者设置当RPM处于所设范围内时（在输入的最大最小值之间）
叶尖间隙计算：
对每个叶片信号，从MC902 D-T模块采集的模拟信号被处理后，通过多项式方程计算距离，并给出最终的叶尖间隙值。

相应的数字处理技术，用于降低噪声，给出稳定可靠的动态信息。

实时可视化：
RPM变化过程
所选传感器的间隙信号变化图
逐个叶片的间隙值
离线处理软件：
离线处理能力：
打开某个测量，显示和分析
选择所有的数据或一个“窗口”，快进、快退、缩放命令
数据压缩、显示、转换成标准格式（Excel ,ASCII…）。