Датчики и системы, № 2, 2021

Sensors and Systems, N 2, 2021

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е  и  А Н Н О Т А Ц И И

C O N T E N T  &  A B S T R A C T S

 

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

 

MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS

 

 

 

Кычкин А. В., Черницин И. А.

МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ ДЛЯ ПЛАТФОРМЫ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ … 3

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.1

Аннотация: Предложена аналитическая модель для платформы Интернета вещей для последующего создания приборов и систем управления энергопотреблением на примере HVAC с динамической оптимизацией. Представлен анализ платформенных технологий для реализации решений по управлению энергопотреблением, выделены и охарактеризованы классы горизонтально-ориентированных и вертикально-ориентированных платформ. Анализ платформ позволил выделить требования к функциям и построить многослойную архитектуру целевой вертикально-ориентированной IoT платформы, наиболее подходящей для разработки системы динамической оптимизации процесса управления энергопотреблением HVAC. Приведена постановка задачи динамического управления процессом энергопотребления на примере проветривания и стратегия аппроксимации функции затрат на энергоресурсы с помощью прогнозных моделей. Работа предложенных аналитических моделей в контурах управления HVAC проиллюстрирована на временной диаграмме. Предложен вариант использования модели в виде сервиса, который позволяет динамически оптимизировать энергопотребление и, как следствие, затраты на энергоресурсы.

Ключевые слова: энергомониторинг, управление энергопотреблением, платформа Интернета вещей, динамическая оптимизация, отопление, вентиляция и кондиционирование.

 

Kychkin A. V., Chernitcin I. A.

DYNAMIC OPTIMIZATION MODEL OF THE ENERGY CONSUMPTION FOR THE INTERNET OF THINGS PLATFORM

Abstract: Research considers the task of developing analytical software for IoT platforms with the purpose of subsequent creation of energy consumption control devices and systems on their basis on the example of HVAC with dynamic optimization. The analysis of platform technologies used to create energy consumption control solutions is presented; classes of horizontally-oriented and vertically-oriented platforms are highlighted and characterized. Analysis of the platforms allowed to identify the requirements for the functions and to construct a multi-layered architecture of the target vertically-oriented IoT platform, most suitable for the development of the system of dynamic optimization of the energy management process of HVAC. The problem statement of dynamic energy consumption control on the example of ventilation and the strategy of approximation of energy cost function by means of predictive models is presented. The activity of the proposed analytical models in HVAC control loops is illustrated in a time diagram. The use of the model as a service is proposed to dynamically optimize energy consumption and consequently energy costs.

Keywords: energy monitoring, energy consumption control, Internet of Things Platform, dynamic optimization, HVAC.

 

 

Соленый С. В., Шишлаков В. Ф., Соленая О. Я.

КИБЕРФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ, МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ … 12

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.2

Аннотация: Описан механизм создания киберфизической системы управления гибридной электростанцией. Раскрыты механизмы и места подключения датчиков. Представлен алгоритм и аппаратная часть, которые позволяют управлять системой удаленно по средствам сети Интернет.

Ключевые слова: датчик напряжения, датчик тока, датчик температуры и влажности, датчик освещенности, киберфизическая система, гибридная электростанция.

 

Soleniy S. V., Shishlakov V. F., Solenaya O. Ya.

CYBER-PHYSICAL SYSTEM FOR DIAGNOSTICS, MONITORING AND CONTROL OF A HYBRID POWER PLANT

Abstract: The paper describes the mechanism for creating a cyber-physical control system for a hybrid power plant. The mechanisms and places for connecting the sensors are disclosed. An algorithm and hardware are presented that allow you to control the system remotely via the Internet.

Keywords: voltage sensor, current sensor, temperature and humidity sensor, light sensor, cyber-physical system, hybrid power plant.

 

 

Денисов М. В., Каперко А. Ф.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ … 22

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.3

Аннотация: Рассмотрены вопросы создания аппаратно-программного обеспечения беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Разработаны структурные схемы и макеты приемного и передающего блоков системы навигации, внутреннего программного обеспечения для микроконтроллеров, позволяющего считывать, обрабатывать и передавать данные с датчиков системы сбора и передачи телеметрической информации БПЛА.

Ключевые слова: аппаратное обеспечение, программное обеспечение, беспилотный летательный аппарат (БПЛА), телеметрические данные, спутниковая навигация.

 

Denisov M. V., Kaperko A. F.

HARDWARE - SOFTWARE FOR THE NAVIGATION SYSTEM OF AN UNMANNED AERIAL VEHICLE USING SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS

Abstract: The issues of creating hardware and software for an unmanned aerial vehicle (UAV) are considered. Structural diagrams and layouts of the receiving and transmitting units of the navigation system, internal software for microcontrollers, allowing to read, process and transmit data from sensors of the UAV telemetry data collection and transmission system were developed.

Keywords: hardware, complex, unmanned aerial vehicle (UAV), telemetry data, satellite navigation.

 

 

 

 

Представляет Нижегородский региональный редакционный совет

 

Nizhny Novgorod Regional Editorial Council presents

 

 

Савелькаев С. В., Литовченко В. А., Вихарева Н. А.

КОНСТРУКЦИИ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ-ДИАПАЗОНА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ИХ КАЛИБРОВКИ … 29

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.4

Аннотация: Представлен усовершенствованный способ калибровки коаксиально-полоскового контактного устройства, с помощью которого возможен перенос плоскостей измерения S-параметров активных компонентов сверхвысоких частот (корпусных транзисторов, микросхем и их кристаллов) из коаксиального тракта имитатора-анализатора в микрополосковый тракт. Рассмотрен способ калибровки зондового контактного устройства и усовершенствованная микрополосковая нагрузка, также обеспечивающие перенос плоскостей измерения S-параметров в различные типы микрополосковых линий. Перенос плоскостей измерения в микрополосковую линию актуален для проектирования микрополосковых устройств сверхвысоких частот различного назначения (например, усилителей, автогенераторов и умножителей частоты) на основе измеренных S-параметров.

Ключевые слова: полосковое, коаксиальное, коаксиально-полосковое и зондовое контактные устройства, имитатор-анализатор, калибровка, транзистор, S-параметры, плоскость измерения

 

Savel’kaev S. V., Litovchenko V. A., Vikhareva N. A.

TEST FIXTURES DESIGNS MICROWAVE RANGE AND IMPROVEMENT OF THEIR CALIBRATION METHODS

Abstract: The method of calibration of the coaxial-strip test fixtures is improved, the improvement provides the possibility of transferring the measurement planes of the S-parameters of the active components of ultrahigh frequencies (case transistors, microchips and their crystals) from the coaxial path of the simulator-analyzer to the microstrip path. In addition, a method for calibrating the probe contact device test fixtures and an improved microstrip load are considered, which also provide for the transfer of S-parameter measurement planes to various types of microstrip lines. The transfer of measurement planes to a microstrip line is relevant for the design of ultrahigh-frequency microstrip devices for various purposes (for example, amplifiers, auto-generators and frequency multipliers) based on the measured S-parameters.

Keywords: strip, coaxial, coaxial-strip and probe test fixtures, simulator-analyzer, calibration, transistor, S-parameters, measurement plane

 

 

Лупанова Е. А., Никулин С. М.

LTR-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ В КОАКСИАЛЬНОМ И P-ОБРАЗНОМ ВОЛНОВОДАХ … 35

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.5

Аннотация: Рассмотрен новый LTR-метод исключения влияния окружающих цепей. Метод опробован в качестве вторичной калибровки при измерениях объектов в коаксиальном волноводе. Выполнены исследования по применению метода в качестве основной калибровки в P-образном волноводе, где в качестве объекта был использован поляризационный аттенюатор. Предлагаемый метод является широкополосным, не требует наличия дорогих калибровочных наборов мер, позволяет определять параметры объектов с высокой точностью.

Ключевые слова: калибровка, коаксиальный волновод, P-образный волновод, поляризационный аттенюатор.

 

Lupanova Elena A., Nikulin Sergey M.

LTR METHOD FOR DETERMINING THE OWN PARAMETERS OF OBJECTS IN COAXIAL AND U-SHAPED WAVEGUIDES

Abstract: The paper proposes a new LTR method for eliminating the influence of surrounding circuits. The method has been tested as a secondary calibration when measuring objects in a coaxial waveguide. Also, studies were carried out on using the method as the main calibration in a V-shaped waveguide, where a polarization attenuator was used as an object. The proposed method is broadband, does not require expensive calibration sets of measures, and makes it possible to determine the parameters of objects with high accuracy.

Keywords: calibration, coaxialwaveguide, U-waveguide, attenuator.

 

 

***

 

 

Новикова Ю. А., Рыжиков М. Б.

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ЗЕРКАЛ ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ … 41

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.6

Аннотация: Предложена конструкция оптического датчика, в основе которого лежит эффект поглощения оптического излучения, проходящего через слой воздуха с наличием взвешенных частиц. Принципиально новым является применение белого светодиода с блоком питания, спектральная часть диапазона излучения которого, необходимая для измерения, образована структурой вспомогательных отражающих оптических интерференционных фильтров. Разработана методика, основанная на введенном критерии устойчивости синтезированного интерференционного покрытия, позволяющая исследовать преобразование спектров с реальными погрешностями в толщинах пленок.

Ключевые слова: оптический датчик, интерференционные покрытия, анализ устойчивости.

 

Novikova Yu. А., Ryzhikov M. B.

ANALYSIS OF THE STABILITY OF INTERFERENCE SIGNALS MIRRORS OF THE OPTICAL MEASUREMENT SENSOR SUSPENDED PARTICLE CONCENTRATIONS

Abstract: Increasing the reliability of the results of measurements of the concentration of suspended particles present in the air helps to improve the prediction of the occurrence of fires and explosions of dust-methane-air mixtures. The design of an optical sensor based on the effect of absorption of optical radiation passing through a layer of air with the presence of suspended particles is proposed. Fundamentally new is the use of a white LED with a power supply unit, the spectral part of the radiation range of which, necessary for measurement, is formed by the structure of auxiliary reflecting optical interference filters. A method is developed based on the introduced stability criterion of the synthesized interference coating, which makes it possible to study the transformation of spectra with real errors in the film thicknesses.

Keywords: optical sensor, interference coatings, stability analysis.

 

 

Любимов В. В.

КВАРЦЕВЫЙ МАГНИТОМЕТР … 45

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.7

Аннотация: Рассмотрена новая конструкция магнитометра, созданного на основе магнитоизмерительного преобразователя и кварцевого магнитного датчика. Прибор характеризуется высокой стабильностью во времени, низким уровнем собственных шумов (не более 3…5 пТл), малым потреблением энергии, а также возможностью его использования при измерении не только составляющих вектора магнитной индукции, но и вычислении и визуализации его модуля.

Ключевые слова: магнитное поле, кварцевая магнитовариационная станция, магнитоизмерительный преобразователь, фотоэлектрический преобразователь, кварцевый магнитометр.

 

Lyubimov V. V.

QUARTZ MAGNETOMETER

Abstract: A new design of a magnetometer based on a magnetic measuring transducer and a quartz magnetic sensor is considered. The device is characterized by high stability in time, low level of intrinsic noise (no more than 3...5 pT), low energy consumption, as well as the possibility of using it when measuring not only the components of the magnetic induction vector, but also calculating and visualizing its module.

Keywords: magnetic field, quartz variation station, magnetic measuring converter, photoelectric converter, quartz magnetometer.

 

 

Балабанов А. В., Касимов А. М., Попов А. И.

ПОКОМПОНЕНТНЫЙ КОНТРОЛЬ ДЕБИТА ГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СКВАЖИНЫ … 52

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.8

Аннотация: Разработан метод определения массового расхода компонентов газоконденсатной смеси на основе теплоемкости. Идентификация компонентов выполняется при помощи воздействия на смесь тепловыми импульсами одинаковой величины и последующего измерения полученных тепловых зарядов компонентов, величины которых отличаются в зависимости от их теплоемкости. Последующее преобразование тепловых зарядов компонентов в электрические импульсы обеспечивает возможность суммирования количества импульсов и определения на основе полученной суммы массы каждого компонента в заданном объеме смеси. Основными преимуществами разработанного метода являются относительно низкая стоимость, обусловленная отсутствием необходимости в сепарации смеси, и возможность покомпонентного контроля дебита непосредственно в потоке без отбора проб и их лабораторного анализа.

Ключевые слова: газоконденсатная скважина, контроль дебита, теплоемкость, покомпонентный анализ, датчик теплового потока.

 

Balabanov A. V., Kasimov A. M., Popov A. I.

COMPONENT-WISE MONITORING OF FLOW RATE OF GAS CONDENSATE WELL

Abstract: The method of determining the mass flow of the components of a gas-condensate mix, based on their heat capacities, is devised. The identification of the components is performed by means of warming them with equal heat pulses, and, then, measuring the received heat charges that are different, depending on the component heat capacities. The further transformation of the heat charges into the electric pulses provides a possibility of summarizing the number of the pulses detected from each of the components, and of calculating the mass of each component within a specified volume of the mix. The main advantages of the method are: 1) low costs due to no need to pre-separate, and 2) the possibility of monitoring the extracted product in the flow, without sampling and laboratorially analyzing.

Keywords: gas condensate well, flow rate monitoring, heat capacity, component-wise analysis, heat flux sensor.

 

 

Колоколов А. С., Вороничев П. П.

ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ ПОЛИГАРМОНИЧНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧЕ ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ … 56

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.9

Аннотация: Проведены стендовые испытания синхронного двигателя, в результате которых записаны сигналы с датчика частоты вращения вала и акселерометра. На основе сравнительного анализа пиков в амплитудных спектрах и регистрируемых сигналов с датчиков, сделан вывод о несостоятельности полигармонической гипотезы для описания вибрационных сигналов.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, вибродиагностика, гипотеза полигармоничности.

 

Kolokolov A. S., Voronichev P. P.

VERIFICATION OF THE POLYHARMONIC HYPOTHESIS FOR THE PROBLEM OF VIBRODIAGNOSTICS OF ROTARY EQUIPMENT

Abstract: During bench tests of the synchronous motor, signals from the shaft speed sensor and accelerometer were recorded. With the help of a comparative analysis of peaks in the amplitude spectra of the recorded signals from the sensors, it was concluded that the polyharmonic hypothesis for describing vibration signals is inconsistent.

Keywords: non-destructive testing, vibration diagnostics, polyharmonicity hypothesis.

 

 

Кокин Е. П., Марусев Д. В.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ СВЕТОПОГЛОЩАЮЩИХ НИКЕЛЬ-ФОСФОРНЫХ ПОКРЫТИЙ … 61

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.10

Аннотация: В работе представлены результаты исследований спектральных характеристик отражения светопоглощающих покрытий на основе сплава NiP, проведен анализ морфологии поверхности и установлен доминирующий механизм поглощения излучения.

Ключевые слова: светопоглощающее покрытие, сплав NiP, морфология поверхности, световые ловушки.

 

Kokin E. P., Marusev D. V.

SPECTRAL DEPENDENCE OF THE REFLECTANCE OF LIGHT-ABSORBING NICKEL-PHOSPHORUS COATINGS

Abstract: The paper presents the results of studies of the spectral characteristics of reflection of light-absorbing coatings based on NiP alloy, analyzes the structure of their developed surface morphology, and establishes the mechanism of radiation absorption by coatings.

Keywords: light-absorbing coating, NiP alloy, surface morphology, light traps.

 

 

 

 

Цифровые технологии в дискретном производстве

 

Digital technologies in discrete manufacturing

 

 

Аристова Н. И., Чадеев В. М.

МЕТОД БЫСТРОГО ОЦЕНИВАНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ СТОИМОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ НА ПРОИЗВОДСТВАХ, ОСНАЩЕННЫХ СТАНКАМИ С ЧПУ … 67

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.2.11

Аннотация: Показано, что применение цифровых технологий на этапе технологической подготовки производства позволяет повысить эффективность работы и конкурентоспособность предприятия в целом. Рассмотрены разработанные формализованное описание и математическая модель дискретного производства со станками с ЧПУ, учитывающие вероятности качественного изготовления изделия. Предложены алгоритмы поиска оптимальных матриц автоматизации по заданным критериям эффективности. Применение данного математического аппарата проиллюстрировано на примере изготовления шпинделя токарного станка на этапе оценивания технологичности конструкции изделия.

Ключевые слова: дискретные производства, цифровизация, технологическая подготовка производства, оценивание технологичности конструкции изделия, матрица автоматизации, вероятность качественного изготовления изделия, станки с ЧПУ.

 

Aristova N. I., Chadeev V. M.

THE METHOD OF RAPID ESTIMATION OF THE MINIMUM AVERAGE COST OF MANUFACTURING A PRODUCT IN FACTORIES EQUIPPED WITH CNC MACHINES

Abstract: It is shown that the use of digital technologies at the stage of technological preparation of production makes it possible to increase the efficiency of work and the competitiveness of the enterprise as a whole. The developed formalized description and mathematical model of discrete production with CNC machines, taking into account the probabilities of high-quality product manufacturing, are considered. Algorithms for finding optimal automation matrices based on specified performance criteria are proposed. The use of this mathematical apparatus is illustrated by the example of manufacturing a lathe spindle at the stage of evaluating the manufacturability of a product design.

Keywords: discrete production, digitalization,, technological preparation of production, assessment of the manufacturability of the product design, automation matrix, the likelihood of high-quality product manufacturing, CNC machines.