Датчики и системы, № 11, 2020

Sensors and Systems, N 11, 2020

 

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

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

 

MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS

 

 

Качанов Б. О., Кулабухов В. С., Туктарев Н. А.

АЛГОРИТМ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ САМОЛЕТА С КОРРЕКЦИЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ … 3

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.1

Аннотация: Рассмотрен алгоритм оценивания углов ориентации самолета, позволяющий использовать инерциальные датчики относительно низкого уровня точности при их комплексировании с одноантенным приемником спутниковой навигационной системы.

Ключевые слова: углы ориентации, кватернион, бесплатформенная система ориентации, спутниковая навигационная система, комплексирование измерений, нелинейная фильтрация.

 

Kachanov B. O., Kulabukhov V. S., Tuktarev N. A.

ALGORITHM FOR A FREE PLANE ORIENTATION SYSTEM WITH CORRECTION OF MEASUREMENTS OF INERTIAL SENSORS ON THE DATA OF THE SATELLITE NAVIGATION SYSTEM

Abstract: An algorithm for estimating the orientation angles of an aircraft is proposed, which makes it possible to use inertial sensors of a relatively low level of accuracy when they are integrated with a single-antenna receiver of a satellite navigation system.

Keywords: angles of orientation, quaternion, strapdown attitude control system, angular velocity sensor, linear acceleration sensor, single-antenna satellite receiver, measurement integration, nonlinear filtering, flight simulator, optimization.

 

 

Яковенко А. А., Селиванов К. В.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ НА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ТИПА CUBESAT … 11

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.2

Аннотация: Проведен анализ способов электроснабжения малых космических аппаратов типа CubeSat и сделано предположение о возможной эффективности применения солнечных панелей на свободных внешних поверхностях CubeSat. Рассмотрена технология создания солнечных панелей из солнечных батарей и способы организации входного контроля солнечных батарей. Продемонстрирован диагностический стенд для проверки солнечных батарей, приведена статистика неисправных солнечных батарей в полученной партии, в том числе солнечных батарей с латентными неисправностями. Проведен эксперимент по определению нагрузки для получения максимальной мощности солнечных панелей, результаты которого использовались для проектирования контроллера работы солнечных панелей. Описана установка произведенных солнечных панелей на CubeSat для проведения практических испытаний их эффективности путем запуска космического аппарата на стратосферном зонде. На основе полученных в процессе полета данных сделаны выводы об эффективности применения солнечных панелей на данном виде космических аппаратов.

Ключевые слова: солнечная батарея, CubeSat, организация электроснабжения, космический аппарат.

 

Yakovenko A. A., Selivanov K. V.

THE USE OF SOLAR PANELS FOR POWER SUPPLY OF SMALL SPACECRAFT SUCH AS CUBESAT

Abstract: The article is devoted to the organization of power supply for small spacecraft of the CubeSat type. The paper analyzes the methods of power supply for CubeSat and makes an assumption about the possible efficiency of using solar panels on free external surfaces of the CubeSat. The article shows the technology of creating solar panels from solar panels and methods of organizing the incoming control of solar panels. A diagnostic stand for testing solar cells is demonstrated, statistics of faulty solar cells in the received batch, including solar cells with latent faults, are presented. Shown is an experiment to determine the load to obtain the maximum power of solar panels, the results of which were used to design a controller for the operation of solar panels. The installation of manufactured solar panels on CubeSat is described for practical testing of their efficiency by launching a spacecraft on a stratospheric probe. The data obtained during the flight concerning the operation of solar panels and the energy consumption of the spacecraft were processed and presented in the article, conclusions were drawn about the effectiveness of using solar panels on this type of spacecraft.

Keywords: solar battery, CubeSat, power supply organization, spacecraft.

 

 

Энергомониторинг и управление электропотреблением

 

Energy monitoring and energy management

 

 

Кычкин А. В., Горшков О. В.

ИНТЕГРАЦИЯ ПРЕДИКТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ В СОСТАВ ПЛАТФОРМ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СЦЕНАРИЕВ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ В РЕЖИМЕ НА СУТКИ ВПЕРЕД … 19

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.3

Аннотация: Рассмотрена задача развития функциональных возможностей типовых платформ Интернета вещей (Internet of Things, IoT) до уровня исполнения пользовательских предиктивных моделей при управлении энергопотреблением зданий, сооружений и промышленных объектов в режиме на сутки вперед. Сценарии предиктивного управления как одиночными нагрузками (потребителями), так и их агрегированными группами могут использоваться для снижения энергопотребления в часы совмещенного максимума региона, часы сетевой мощности, а также при реализации событий управления спросом на электроэнергию. Представлены универсальные методы прогнозирования (методы “черного ящика”) на основе базовой линии, линейной регрессии, нейронной сети, авторегрессии, тройного экспоненциального сглаживания (модель Хольта-Винтерса), авторегрессионной модели с поддержкой сезонности (SARIMA), а также методы на основе ансамблевых моделей. Предложена схема интеграции расчетно-аналитических моделей с IoT платформами InfluxData и EMS INSYTE. Приведены результаты экспериментальных исследований работоспособности пользовательских аналитик в составе IoT платформ при реализации сценариев управления проветриванием в предиктивном режиме на сутки вперед.

Ключевые слова: энергомониторинг, управление энергопотреблением, краткосрочное прогнозирование нагрузки, Интернет вещей, платформа Интернета вещей, управление спросом.

 

Kychkin A. V., Gorshkov O. V.

INTEGRATION OF PREDICTIVE MODELS INTO IOT PLATFORMS FOR A DAY-AHEAD ENERGY MANAGEMENT SCENARIOS IMPLEMENTATION

Abstract: The task of developing the functionality of typical Internet of Things (IoT) platforms to the level of using custom predictive models in energy management of buildings, structures and industrial facilities in the day-ahead mode is considered. Predictive control scenarios of both single loads (consumers) and their aggregated groups can be used to reduce energy consumption during the combined maximum hours of the region, grid capacity hours, as well as in the implementation of electricity demand response events. Universal forecasting methods (black-box methods) based on linear regression, baseline, neural network, autoregressive, triple exponential smoothing (Holt-Winters model), autoregressive model with seasonality support (SARIMA) and methods based on ensemble models are considered as examples. A scheme for integrating computational and analytical models with IoT platforms InfluxData and EMS INSYTE is proposed. The new architecture provides the execution of various short-term energy forecasting models on the analyst server. The results of experimental research of the performance of custom analytics in the composition of IoT platforms in the implementation of ventilation predictive control scenarios for the day ahead are presented.

Keywords: energy monitoring, energy management, short term load forecasting, Internet of Things, IoT Platform, demand response.

 

 

Аракелян Э. К., Андрюшин А. В., Мезин С. В., Косой А. А., Ягупова Ю. Ю., Пащенко Ф. Ф.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС СО СЛОЖНЫМ СОСТАВОМ ОБОРУДОВАНИЯ … 30

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.4

Аннотация: Рассмотрена  задача выбора оптимальных режимов эксплуатации оборудования теплофикационных и конденсационных электростанций со сложным составом оборудования на базе многокритериальной оптимизации с учетом факторов экономичности, надежности  и экологичности. Приведены общая постановка задачи, анализ математических методов и методических подходов к ее решению, выбор критериев по указанным факторам и расчетные выражения для их определения. С учетом особенностей теплофикационных и конденсационных электростанций уточнена постановка задачи и предложен алгоритм ее решения на базе  усовершенствованного метода “последовательного уступа”. Дана оценка преимуществ и недостатков предлагаемого алгоритма и указаны пути его усовершенствования.

Ключевые слова: электростанция, выбор, оптимальный режим, многокритериальный подход, постановка задачи, подходы к решению, выбор, критерии, экономичность, надежность, экологический фактор, алгоритм, преимущества, недостатки, пути усовершенствования.

 

Arakelyan E`. K., Andryushin A. V., Mezin S. V., Kosoj A. A., Yagupova Yu. Yu., Pashhenko F. F.

METHODOLOGICAL APPROACHES TO THE SOLUTION OF THE MULTI-CRITERIAL PROBLEM OF SELECTING THE OPTIMAL MODES OF EQUIPMENT OF A TPP WITH A COMPLEX EQUIPMENT

Abstract: The article is devoted to the formulation of the problem of choosing the optimal operating modes for the equipment of cogeneration and condensing power plants with a complex composition of equipment on a mezzanine of multicriteria optimization, taking into account the factors of efficiency, reliability and environmental friendliness. The general formulation of the problem, the analysis of mathematical methods and methodological approaches to its solution, the choice of criteria for the indicated factors and the calculated expressions for their determination are given. Taking into account the peculiarities of cogeneration and condensing power plants, the formulation of the problem is specified and an algorithm for its solution is proposed on the basis of an improved method of “sequential step”. An assessment of the advantages and disadvantages of the proposed algorithm is given, and the ways of its improvement are indicated.

Keywords: power station, choice, optimal mode, multicriteria approach, problem statement, approaches to solution, choice, criteria, efficiency, reliability, environmental factor, algorithm, advantages, disadvantages, ways of improvement.

 

 

Датчики физических величин

 

Sensors of physical quantities

 

 

Совлуков А. С.

РЕЗОНАТОРНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ … 41

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.5

Аннотация: Рассмотрены микроволновые метод измерения и датчики, применяемые для определения физических свойств физических свойств (плотности, концентрации смесей, влагосодержания и др.) различных диэлектрических жидкостей, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т. п.). В каждом из двух вариантов рассматриваемых датчиков осуществляют возбуждение электромагнитных колебаний в волноводном резонаторе, служащим чувствительным элементом, и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний резонатора с размещаемой в его электромагнитном поле контролируемой жидкостью. В качестве волноводного резонатора применен коаксиальный резонатор, где один из его торцевых участков выполнен в виде запредельного коаксиального волновода с уменьшенным диаметром наружного проводника, а другой торцевой участок или идентичен первому, или является металлической стенкой волноводного резонатора. При этом в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания типа H_m1p (m = 1, 2, 3…; p = 1, 2, 3,…).

Ключевые слова: датчик, микроволновый, коаксиальный волноводный резонатор, запредельный волновод, измерение, жидкость, физическое свойство, резервуар.

 

Sovlukov A. S.

RESONATOR MICROWAVE SENSORS FOR MEASUREMENTS OF PHYSICAL PROPERTIES OF DIELECTRIC LIQUIDS

Abstract: Microwave measurement method and sensors applicable for determination of physical properties (density, moisture, concentration of mixtures, etc.) of different dielectric liquids located in tanks (technological reservoirs, measurement cells, etc.) are considered. At each of two considered sensors electromagnetic oscillations in a waveguide resonator being the sensitive element are excited and resonant frequency of electromagnetic oscillations of the resonator containing a monitored liquid is measured. Coaxial line resonator with one of its end as a cut-off coaxial waveguide with reduced diameter of its outer conductor is used as waveguide resonator. The other end of the coaxial resonator is identical to the first one or is done as a metal wall of the resonator. Electromagnetic oscillations of H_m1p (m = 1,2,3….; p = 1,2,3,…) are excited in this resonator.

Keywords: sensor, microwave, coaxial waveguide resonator, cut-off waveguide, measurement, liquid, physical property, reservoir.

 

 

Мельников В. И., Иванов В. В., Квашенников А. С., Тимонин М. А.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО УРОВНЕМЕРА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ … 45

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.6

Аннотация: Изучена возможность применения микроволнового рефлекс-радарного уровнемера для контроля уровня жидкометаллического теплоносителя ядерных энергетических установок. Приведены результаты экспериментального исследования работы уровнемера в эвтектическом сплаве свинец–висмут при температуре до 450 °С. Показано, что прибор устойчиво функционирует в данных условиях. Описана функциональная схема электронной части уровнемера, изготовленная на базе микроконтроллера серии PIC-24. Прибор предназначен для применения в оборудовании атомной и тепловой энергетики.

Ключевые слова: микроволновый рефлекс-радарный уровнемер, жидкометаллический теплоноситель, ЯЭУ, энергетическое оборудование.

 

Melnikov V. I., Ivanov V. V., Kvashennikov A. S., Timonin M. A.

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF MICROWAVE LEVEL OF LIQUID-METAL COOLANT

Abstract: The possibility of using a microwave reflex-radar level meter for monitoring the level of liquid metal coolant of nuclear power plants has been studied. The results of an experimental study of the level gauge operation in a lead-bismuth eutectic alloy at temperatures up to 450⁰C are presented. It is shown that the device functions stably under these conditions. The functional diagram of the electronic part of the level gauge, made on the basis of the PIC-24 microcontroller, is described. The device is intended for use in equipment for nuclear and thermal power engineering.

Keywords: microwave reflex-radar level gauge, liquid-metal coolant, nuclear power plant, power equipment.

 

 

Алмазов В. В., Сорокин М. Ю.

СПОСОБЫ МИНИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ ПЛОТНОСТИ НА ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИБРИРУЮЩЕГО ЦИЛИНДРА … 50

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.7

Аннотация: Представлены механизмы влияния плотности измеряемой среды на выходную характеристику вибрационно-частотного датчика давления. Рассмотрены конструктивные способы минимизации и схемотехнические способы компенсации влияния плотности на вибрационно-частотные датчики давления. Показаны результаты экспериментального исследования датчика давления и датчика давления с компенсацией плотности измеряемой среды при помощи чувствительного к плотности вибрационно-частотного элемента.

Ключевые слова: датчик давления, погрешность, плотность среды, вибрационно-частотный датчик.

 

Almazov V. V., Sorokin M. Y.

METHOD FOR MINIMIZING THE INFLUENCE OF DENSITY ON PRESSURE SENSORS BASED ON A VIBRATING CYLINDER

Abstract: The article discusses the mechanism of influence of the density of the measured medium on the output characteristic of the vibration-frequency pressure sensor. Constructive methods of minimization and circuitry methods of compensating for the influence of density on vibration-frequency pressure sensors are considered. The result of an experimental study of a pressure sensor and a pressure sensor with compensation of thr density of the measured medium using a density-sensitive vibration-frequency element are presented.

Keywords: pressure sensor, inaccuracy, medium density, vibration frequency sensor.

 

 

***

 

 

Юсупбеков Н. Р., Гулямов Ш. М., Мухамедханов У. Т., Ешматова Б. И.

ГЕНЕРАТОР ПОВЕРОЧНЫХ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ ПРИБОРОВ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА … 56

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.8

Аннотация: Описан генератор поверочных смесей для получения парогазовых смесей меркаптанов в широком диапазоне концентрации, представляющий собой унифицированное средство преобразования газовых проб, обеспечивающее их представительность, сохранность исходного состава по измеряемому газу (веществу), очистку смесей от посторонних компонентов, стабильность проб по температуре, давлению, влажности и расходу. Анализ возможных вариантов показал, что метод поверки с применением образцового динамического генератора газовых смесей с проницаемыми трубками следует признать наиболее оптимальным.

Ключевые слова: парогазовая смесь, газоаналитические измерения, градуировка и поверка, приборы газового анализа, метрологическое обеспечение.

 

Yusupbekov N. R., Gulyamov Sh. M., Mukhamedkhanov U. T., Eshmatova B. I.

GENERATOR OF TESTING STEAM-GAS MIXTURES FOR METROLOGICAL CERTIFICATION OF GAS ANALYSIS DEVICES

Abstract: A generator of calibration mixtures for obtaining vapor-gas mixtures of mercaptans in a wide concentration range was described, which is a unified means of converting gas samples, ensuring their representativeness, preservation of the original composition for the measured gas (substance), purification of mixtures from foreign components, stability of samples in temperature, pressure, humidity and consumption. Comparison of possible options has established that the verification method associated with the use of an exemplary, dynamic generator of gas mixtures with permeable tubes should be recognized as the optimal one.

Keywords: steam-gas mixture, gas analytical measurements, calibration and verification, gas analysis devices, metrological support.

 

 

Рзаев А. Г., Асадова Р. Ш., Хагвердиев В. М.

СПОСОБ И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НАПОЛНЕНИЯ ЦИЛИНДРА ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА … 61

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.9

Аннотация: Способ заключается в измерении давления в устье скважины датчиками, расположенными в двух точках насосно-компрессорной трубы (НКТ) и определении внутреннего диаметра НКТ, диаметра плунжера штангового глубинного насоса (ШГН) и диаметра штанги. Предложены формулы для вычисления коэффициента наполнения цилиндра. При этом для определения уровня жидкой смеси между датчиками, установленными в устье НКТ, измеряется перепад давления между указанными датчиками при нижнем и верхнем положении плунжера ШГН, и по предложенным формулам рассчитывается плотность жидкой смеси в устье НКТ и значение указанного уровня.

Ключевые слова: перепад давлений, штанговый глубинный насос, насосно-компрессорная труба, жидкая смесь, уровень, плотность.

 

Rzayev Ab. G., Asadova R. Sh., Nagverdiev V. M.

METHOD AND SYSTEM OF AUTOMATIC MEASUREMENT OF FILLING FACTOR OF A DEEP PUMP CYLINDER

Abstract: The proposed paper relates to the oil industry, in particular, to equipment diagnostics technology and can be used in systems for the monitoring of the condition of borehole pumps of oil wells and control of their performance. The method consists in measuring the pressure at the wellhead with sensors located at two points of the tubing. Additionally, the inner diameter of the tubing, the diameter of the plunger of the sucker rod pump (SRP) and the diameter of the rod are determined, and the filling factor of the cylinder is calculated by the proposed formula. To determine the level of the liquid mixture between the sensors installed at the mouth of the tubing, the pressure difference between the sensors is measured at the lower and upper position of the SRP cylinder and the density of the liquid mixture at the mouth of the tubing and the values of the specified level are calculated using the proposed algorithm. The technical effect of the proposed method consists in the accuracy of the measurement, the simplicity of the method, the convenience and simplicity of direct automatic measurement of the filling factor of the SRP cylinder.

Keywords: differential pressure, sucker rod pump, tubing, liquid mixture, level, density.

 

 

Богомолов А. И., Пащенко А. Ф., Хижинская Л. Д.

МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ПАНДЕМИЯМИ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ РАННЕГО РАСПОЗНАВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ … 65

DOI: 10.25728/datsys.2020.11.10

Аннотация. Представлены сведения о пандемиях и эпидемиях, их последствиях, мерах ограничения распространения вирусных заболеваний на основе их ранней диагностики. Приведен обзор перспективных методов выявления контактов больного с его ближайшим окружением, цифровой и лазерной идентификации личности, а также даны примеры медицинских и информационных технологий, используемых для борьбы с пандемиями.

Ключевые слова: пандемия, вирусы, диагностика, персонализированная медицина, раннее предупреждение, телемедицина, искусственный интеллект.

 

Bogomolov A. I., Pashchenko A. F., Khizhinskaya L. D.

METHODS FOR WITHSTANDING PANDEMICS AND TECHNOLOGIES FOR THEIR EARLY RECOGNITION BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND INFORMATION TECHNOLOGIES

Abstract. The paper provides the information on pandemics and epidemics, their consequences, measures to limit the spread of viral diseases based on their early diagnosis. An overview of promising methods for identifying contacts of a patient with his immediate environment, digital and laser identification of a person is given. Examples of medical and information technologies used to withstand the pandemics are presented.

Keywords: pandemic, viruses, diagnostics, personalized medicine, early warning, telemedicine, artificial intelligence.