Revision: Smart Wireless Transducer Dedicated for Use in Aviation Laboratories

 

Problema que plantea: La calidad de las pruebas aeronáuticas depende de la funcionalidad y fiabilidad de los sistemas de medición. Los sistemas convencionales son laboriosos, requieren muchos cables y tienen limitaciones en la flexibilidad de la configuración de los bancos de pruebas.

Aplicaciones: El sistema propuesto es aplicable en laboratorios de pruebas de componentes aeronáuticos, especialmente en pruebas de rendimiento y resistencia de componentes, como termopares, RTD, sensores de deformación y celdas de carga.

Dificultades/Limitaciones: Los sistemas convencionales de medición utilizan cables, lo que limita la flexibilidad en la configuración de los bancos de prueba. Además, la mayoría de los sistemas de telemetría inalámbrica existentes son costosos y no utilizan protocolos de red estándar.

Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a la WPT y EH que se mencionan):

• WPT (Wireless Power Transfer): Utilización de ondas electromagnéticas para transferir energía de forma inalámbrica a distancias más largas que los sistemas inductivos tradicionales.

• EH (Energy Harvesting): Aprovechamiento de fuentes de energía ambiental, como energía solar o vibraciones, para alimentar dispositivos de bajo consumo.

Estructura del sistema: El sistema se compone de un transductor inteligente inalámbrico con un módulo de comunicación, un ADC (Convertidor Analógico a Digital) y una unidad de gestión de energía (PMU). La energía se transmite de forma inalámbrica o mediante una batería como respaldo.

Funcionamiento del sistema: Cuando el sistema utiliza el módulo WPT, todos los circuitos del sistema de medición se alimentan mediante un transmisor de potencia de 3 W y 915 MHz (1), que interactúa con una antena reemplazable de 3,3 dBi (ganancia de pico máxima) (2). La red de adaptación de impedancias (3) aumenta la eficacia de la transferencia de potencia. La tensión alterna se transforma a CC en el rectificador (4). A continuación, la PMU (5) gestiona las fuentes de alimentación disponibles. En caso de no tener acceso a una fuente de alimentación inalámbrica, la PMU utiliza la batería (6), que puede instalarse en el portapilas o fuera del transductor. 

El sistema realiza mediciones con sensores comunes en pruebas aeronáuticas, como RTD, termopares y celdas de carga, y transmite los datos de forma inalámbrica usando comunicación Bluetooth de baja energía (BLE). El sistema se alimenta mediante WPT o batería. 

Parámetros obtenidos: Medición de temperatura, deformación, y otros parámetros físicos según el tipo de sensor utilizado. Los datos son procesados y enviados a un sistema de adquisición.

Potencia y distancia de la transferencia de energía inalámbrica (WPT):

• La potencia transmitida disminuye conforme aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor.

• El alcance de la transferencia de energía inalámbrica para una frecuencia de 0.1 Hz es de 115 cm y disminuye a 62 cm a medida que la frecuencia aumenta a 2 Hz .

• El sistema tiene un alcance inalámbrico de 0.35 m para módulos rotatorios alimentados de forma inalámbrica .

Consumo de corriente y tiempo estimado de operación:

• Corriente promedio y tiempo de operación para el transductor con batería CR2032:

  • A 0.1 Hz, 18 µA de corriente, lo que permite 453 días de operación.

  • A 2 Hz, 114 µA de corriente, permitiendo 71 días de operación .

Resultados de pruebas de comunicación y medición:

• Se alcanzaron valores de RSSI entre −54 dBi y −73 dBi, lo que indica una buena calidad de señal.

• La comunicación entre dispositivos BLE fue posible incluso a través de paredes de vidrio blindado doble .

Componentes:

• Rectificador: El sistema utiliza un rectificador para convertir la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC) .

• Antena: Se utiliza una antena reemplazable con 3.3 dBi de ganancia máxima .

• Adaptador de impedancia: Se menciona una red de adaptación de impedancia para mejorar la transferencia de potencia .

Software que usa: El software implementado se basa en el stack de BLE para la comunicación y control de dispositivos. Se utilizan herramientas como el kit de desarrollo nRF52840 y el software de visualización de datos "nRF Connect for Desktop".

Resultados: El transductor inteligente mostró una alta precisión de medición (menos de 1°C de error) y bajo consumo energético, lo que permite su operación durante varios meses con una batería pequeña. 

Aporte: La propuesta ofrece una solución de telemetría inalámbrica de bajo consumo, fácil de implementar y con flexibilidad en la configuración de los sistemas de prueba, lo que mejora la eficiencia de los laboratorios de pruebas aeronáuticas.

Investigaciones futuras: Las futuras investigaciones se enfocarán en la expansión de las capacidades de la red de sensores inalámbricos y en mejorar el diseño de bajo consumo para actuar sobre dispositivos adicionales en las pruebas de componentes aeronáuticos, como las válvulas de control de aceite y flujo de aire.