Информационно-измерительная система линейных перемещений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины шунта. Более подробно вопрос создания бегущего магнитного поля для использования в фазовых датчиках рассмотрен в трудах авторов [1, 2, 5].

Отличительной особенностью рассматриваемой ЭМС от существующих магнитных систем фазовращателей является локальное взаимодействие обмоток. Удельный магнитный поток любого сечения магнитопровода зависит от намагничивающей силы обмоток только этого сечения распределенной магнитной линии. Это позволяет достаточно просто получить практически любое распределение магнитного поля вдоль информационной линейки. Механическая сила взаимодействия обмоток направлена

перпендикулярно направлению перемещения магнитного поля. Результирующее значение этой силы вдоль направления перемещения равно нулю, так как обе обмотки расположены на информационной линейке.

Определив законы распределения удельной магнитной проводимости по длине магнитопровода, удельной собственной индуктивности, удельной взаимной индуктивности, можно рассчитать электрические параметры обмоток ЭМС [3], что позволит в дальнейшем получить передаточную функцию информационно-измерительной системы линейных перемещений на основе фазового датчика с бегущим магнитным полем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горячев В. Я. Бегущие волны магнитных линий с распределенными параметрами в датчиках механических величин // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2006., т.1 - с. 328-332.

2. Горячев В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем: монография -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 307 с.

3. Горячев В. Я., Шатова Ю.А., Абдирашев О.К. Индуктивные параметры фазовых датчиков линейных перемещений // «Традиции и инновации в современной науке». XXXII Международная научно-практическая конференция. - М.: Издательство «Олимп», 2018. - с. 66 - 68.

4. Зильберман Г. Е. Электричество и магнетизм - М. : Наука, 1970. - 384 с.

5. Николаева Е. В., Горячев В. Я. Фазовые датчики в неоднородном магнитном поле // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2005. т.1 - с. 391-392.

УДК 53.084.2

Горячев1 В.Я., Шатова.1 Ю.А., Абдирашев? О.К., Бростилова1 Т.Ю.

1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия 2Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Описаны и представлены структурные схемы информационно-измерительных систем (ИИС) линейных перемещений на основе фазового датчика. В зависимости от источника питания возможны однофазный или двухфазный режим работы ИИС. Независимо от режима питания входными величинами ИИС являются напряжение источника питания и линейное перемещение фазового датчика. Выходной величиной ИИС является фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения. На основе системы уравнений, описывающей электрические цепи ИИС, рассчитаны токи в обмотках датчика, определены функции преобразования ИИС в однофазном и двухфазном режиме питания. Уравнения передаточных функций при однофазном питании и двухфазном питании совпадают, что доказывает отсутствие отличия в режиме работы датчика с точки зрения функционирования ИИС. Более предпочтительным является однофазный режим работы, т. к. в этом режиме входное сопротивление датчика постоянно и не зависит от положения магнитного шунта относительно информационной линейки.

Ключевые слова:

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, ФУНКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК, ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

При современном состоянии науки и техники управление различного рода технологическими процессами и энергетическими устройствами, оценка технического состояния разнообразных механизмов и эксплуатируемых объектов и проведение сложных научных исследований предъявляют такие требования к измерительной технике, которые требуют измерения большего числа величин, различных как по физической природе, так и по диапазонам их значений, в большом числе точек и за ограниченное время. Результаты измерений при этом должны быть сосредоточены в одном центре, причем объекты измерения могут быть удалены на значительное расстояние от этого центра. Для решения указанных задач применяются информационно-измерительные системы (ИИС).

Авторами разработаны ИИС различных перемещений на основе фазового электромагнитного датчика, обладающие высокой разрешающей способностью в совокупности с простотой технической реализации [1-6]. Далее будут рассмотрены принципы построения и описаны рабочие характеристики ИИС для измерения линейных перемещений.

Для создания магнитного поля в ИИС линейных перемещений возможно два варианта питания. В однофазном варианте используется однофазный источник питания, а магнитное поле датчика является пульсирующим. В двухфазном варианте для создания бегущего магнитного поля используется двухфазный или трехфазный источник питания.

Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений в двухфазном режиме питания представлена на рисунке 1.

ИИС в этом случае состоит из двухфазного источника питания И2, фазового датчика линейных

перемещений Д, фазовращателя опорного напряжения

Рисунок 1 - Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений в двухфазном режиме питания

На синусную и косинусную обмотки датчика Д подается напряжение от двухфазного источника питания И2. Входной величиной является перемещение объекта измерения ОИ, выходным рабочим напряжением является напряжение равномерной обмотки датчика UR . Выходное напряжение датчика подается на усилитель У. Фаза выходного напряжения усилителя сравнивается с фазой опорного напряжения U . Выходным напряжением фазометра Ф является напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу напряжений, который, в свою очередь, пропорционален линейному перемещению х .

Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений с источником однофазного питания представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений с источником однофазного питания

В схеме содержится однофазный источник питания И1, два фазовращателя (опорного напряжения ФВ и синусного напряжения ФВС) и сумматор С, выходное напряжение которого подается на фазометр Ф.

Источник переменного напряжения И1 подключается к равномерной обмотке датчика Д. При этом ЭДС источников питания синусной и косинусной обмоток равны нулю E = E= 0 • На датчик также воздействует объект измерения ОИ через соответствующее перемещение магнитного шунта датчика. Далее выходное напряжение датчика подается на фазовращатель синусного напряжения и неинвертирующий сумматор. На сумматор поступают выходные напряжения датчика и фазовращателя опорного напряжения, после их суммирования итоговое напряжение, пропорциональное перемещению магнитного шунта датчика, подается на фазометр и выход ИИС.

Фазовращатель опорного напряжения необходим для формирования эталонного напряжения, относительно которого производится настройка начала отсчета. Настройка выполняется путем изменения начальной фазы напряжения источника питания И1. Опорное напряжение подается на вход фазометра, где определяется фазовый сдвиг между напряжением, пропорциональным измеряемому перемещению, и опорным напряжением.

Выходное рабочее напряжение получают суммированием мгновенных значений напряжений, пропорциональных токам синусной и косинусной обмоток. Одно из этих напряжений должно иметь начальную фазу, отличную от начальной фазы соответствую-

п

щего тока на угол, равный — .

2

Независимо от режима питания входными величинами ИИС являются напряжение питания источника электрической энергии И1 или И2 и линейное перемещение фазового датчика Д. Выходной величиной ИИС является фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения.

В качестве нагрузки источника питания в структурных схемах представлены датчик перемещений Д и фазовращатель опорного напряжения ФВ. Основной нагрузкой генератора является датчик, т.к. входное сопротивление фазовращателя достаточно большое.

Обобщенная система уравнений схемы замещения датчика ИИС при наличии источников во всех ветвях схемы будет выглядеть следующим образом:

L р (г р + R'p + }0>LV ) + jml_ с Мрс + }ю!_ к Мрк — Е Р,

• j®LрМрс + Lс (Zс + R'c + jrnLс) + jal_кM^ — E,

jrnlрМрК + jrnlсМсК + Lк (Zк + R'K + jrnLK)= Ек.

где Ес , Ек , Ер - и^очники электродвижущей силы

(ЭДС) питания контуров cинусной обмотки, ко^нусной обмотки и равномерной обмотки;

R'c , R'K , R'р - внутренние активные ^противления и^очников ЭДС cинусной обмотки, коcинус-ной обмотки и равномерной обмотки;

гс , гк , гр - полные комплексные сопротивления гнусной обмотки, кооинусной обмотки и равномерной обмотки;

Lc , LK , Lp , - токи, протекающие в гнусной

обмотке, коcинусной обмотке, равномерной обмотке;

Lc , LK , Lр - собственные индуктивности

гнусной обмотки, коcинусной обмотки, равномерной обмотки;

Мрс , Мрк , Мск - взаимные индуктивности равномерной и гнусной обмоток, равномерной и ко^нусной обмоток, синусной и косинусной обмоток.

Как уже указано выше, возможны два режима работы ИИС. В первом режиме, называемом однофазным, источник синусоидального напряжения подключается к равномерной обмотке. Выходное рабочее напряжение получают путём суммирования мгновенных значений напряжений, пропорциональных токам синусной и косинусной обмоток. Второй режим работы датчика, называемый двухфазным, характеризуется тем, что синусная и косинусная обмотка получают питание синусоидальным током от двухфазного источника питания. Выходным рабочим напряжением является напряжение равномерной обмотки.

В случае однофазного режима работы Ес и Ек равны нулю.

При однофазном питании датчика ток равномерной обмотки при условии сбалансированности синусной и косинусной обмоток будет определяться выражением:

-(j )2 М с*

Zр общ (Zс общ -(jvf МI) - (> )2 (zс общ (М2с - М2к ) + IjrnM рсМ скМ рк )

Z

где гр общ, гс общ, zk общ - общее сопротивление соответствующей обмотки:

гр общ —(гр + Rp + jraLр ) > гс общ =( гс + R + jraLc ) >

Z к общ =( Z к + R'K + jraLR ).

Из формулы следует, что ток равномерной обмотки в случае сбалансированного датчика не зависит от положения шунта и входное сопротивление датчика работающего в однофазном режиме постоянно. Основным уравнением любого элемента, входящего в измерительную систему, является пере-

даточная функция, определяющая связь входной величины, роль которой выполняет перемещение, с выходной величиной. Выходной величиной для датчиков перемещения является выходное напряжение ИИС.

Для получения выходного напряжения системы напряжение сопротивления нагрузки синусной обмотки следует сдвинуть по фазе на девяносто градусов в сторону запаздывания и сложить его с напряжением косинусной обмотки.

Ток синусной обмотки сбалансированного датчика изменяется по синусному закону при перемещении магнитного шунта:

I с = Ер

J® (jrnMркМск - ZK общМрс)

7р общ ( 7 2 общ -(j'“)2 М С )-(j'“)2 ( 7 с общ (Мрс - М рк )+ 2>МрсМ скМ рк )

Ток косинусной обмотки сбалансированного датчика зависит от положения шунта. Эту зависимость можно выразить уравнением

1 __________________jraEP (7с общМрк - J^MрсМ ск )_______________

_к 2р общ (zp общ -С/УМк ) - (jg) (Z с общ (Мрс - Мрк ) + 2/тМрсМскМрк )

Учитывая, что выходные напряжения пропорциональны токам при равенстве сопротивлений нагрузки синусной и косинусной обмоток, получим выходной ток системы

( 2—Хц

l

I вых = I к - Л с = Ke

~J\

где K - коэффициент пропорциональн

K = Е„

J®-— WWm sin ^

\ 2 ( l

—g

(jg) I-ZmWK^

V — l

-Ер общ I zc общ + jg 4-yWm

хш - координата, определяющая положение

шунта на информационной линейке, g - длина шунта,

l - длина активной части информационной линейки,

W - максимальное или т1еоретическое амплитудное количество витков синусной и косинусной обмоток,

W - число витков равномерной обмотки,

Y - магнитная удельная проводимость,

ц - относительная магнитная проницаемость,

8 - воздушный зазор между магнитным шунтом и магнитопроводом,

z - высота паза.

Фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения прямо пропорционален измеряемому перемещению хш .

При питании датчика от источника двухфазного

напряжения Е_ =0 , Е_к — Е и Е_с = Ее -/'90 . Зависимость тока синусной обмотки от измеряемого пе-

Y, =

-+-

м ' -ср -z-8 + ц(8 + z) '

l -8+8ц ср -v ’

ремещения x описывается уравнением

J 1 Zр общ Zс общ + 2 °

— Y WW sin—g

_м р m0X11 р

- l

J°1 7р общ ^YMWm sin— + 1 °I— YMWpWm sin —р

Л-Хщ

J l

( jg)2| YyMWpWm sin

-z„

l

( Л

YYмWDWm sin ^

—м pm 7

— l

Ер общ I (общ + (Py—- sin2- P

4—

- J

урр sl^-g I

— -м р m - J -робщV------■ ■ 4—_M m - J

Ток синусной обмотки представляет собой сумму двух векторов. Первый вектор не зависит от поло жения шунта или от перемещения подвижной части датчика. Начальная фаза второго вектора пропорцио нальна перемещению шунта.

Ток косинусной обмотки можно определить с помощью формулы:

( 4—Хщ

7 7

—р общ—с общ

X = Е-

+1 (-Y..WW sin

-

yW sin

7р общ ^ YMW m

2— i

-----1-°

- 2

—Y WW sin—g

—м р ma111 7

— -

( Jg)2 (YYмWpWm sin —gj- 7р общ |7 с общ + Jg4?r--M m — t l

Ток косинусной обмотки можно представить в форме суммы двух векторов. Первый вектор не зависит от положения магнитного шунта. Длина второго вектора постоянна. Фаза второго вектора пропорциональна перемещению.

PYMWm sln (У®)2 (—YMWpWm sln —р - 7робщ ( 7собщ ррр-рр

При двухфазном питании выходным током датчика является ток равномерной обмотки. При сбалансированности обмоток датчика выходной ток равен

( 2—Хц р

X,

--Ke

1

—

Jg-^YмWpWm sinP

где K = Ep-

2 ( l

(J®)21 ^YмWpWmsm — р -7ро6щI Zсо6щ + m®

Уравнения для определения выходного тока при двухфазном питании и при однофазном питании совпадают, что доказывает отсутствие отличия в режиме работы датчика с точки зрения функционирования ИИС. Выбор схемы питания измерительной системы зависит от конкретных условий работы датчика и наличия других устройств. Если существует источник двухфазного, трёхфазного или в общем случае n - фазного напряжения, датчик следует включать по схеме двухфазного или многофазного питания. При наличии однофазного источника синусоидального напряжения следует использовать

однофазный режим работы, так как только в этом режиме работы входное сопротивление датчика постоянно и не зависит от положения магнитного шунта относительно информационной линейки. Кроме того, разработать генератор однофазного синусного напряжения, который должен работать на неизменную нагрузку, проще, чем генератор двухфазного напряжения для работы на нагрузку с переменным модулем и аргументом. С этой точки зрения однофазный режим работы датчика предпочтительнее двухфазного режима.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гаврина О.В., Бростилова Т.Ю., Шатова Ю.А. Информационно-измерительная система для измерения биений вала турбины на основе датчика бегущим магнитным полем // Интернет-журнал «Науковедение». -

2013. №6 (19) - с. 132.

2. Гаврина О.В., Горячев В.Я., Голобоков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ двухфазного режима работы информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2013. т.1 - с. 164-166.

3. Горячев В.Я., Кисляков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ информационно-измерительной системы механических моментов // Надежность и качество сложных систем. - Пенза, 2017. №2 (18). с. 46-55.

4. Горячев В.Я., Шатова Ю.А. Передаточная функция датчика угловых перемещений на основе фазовращателя с электромагнитной редукцией // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2007. т.1 - с. 172-173.

5. Горячев В. Я., Шатова Ю.А., Абдирашев О.К. Индуктивные параметры фазовых датчиков линейных перемещений // «Традиции и инновации в современной науке». XXXII Международная научно-практическая конференция. - М.: Издательство «Олимп», 2018. - с. 66 - 68.

6. Шатова Ю.А. Редукционные электромагнитные фазовращатели и информационно-измерительные системы на их основе. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Пензенский государственный университет. Пенза, 2009.

УДК 621.396.96

Zhakupova A. , Yergaliyev D. , Yessenov A. , Autalipova B. , Bimyrzayev A.

1Eurasian National University by L.N. Gumilyov, Astana, Republic of Kazakhstan 2JSC "National Company "Kazakhstan GharyshSapary ", Astana, Republic of Kazakhstan

RESEARCH OF ANTENNA SYSTEMS FOR REMOTE SENSING OF THE EARTH WITH THE HELP OF A HEXAPOD STAND

В настоящее время, чтобы достичь самой отдаленной точки нашей планеты, достаточно совершить 10-часовой полет на самолете. Однако такое путешествие вряд ли можно использовать в качестве крупного источника информации о регионе. Человек может быстро осмотреть территорию в пределах круга с радиусом 4-5 км, а для оценки ситуации на площади 100x100 км потребуется более одного дня. Тем не менее, существует более быстрый и надежный способ получения информации на территории с использованием космических снимков (цифровых изображений земной поверхности), сделанных с космических аппаратов ДЗЗ (дистанционное зондирование Земли). В дополнение к изображениям достаточно иметь компьютер и доступ в Интернет.

В данной статье рассматривается антенная система наземного комплекса управления спутником с высоким разрешением космической системы дистанционного зондирования Республики Казахстан, которая установлена в акционерной национальной компании «Дазацстан гарыш сапары», расположенной в национальном космическом центре Астаны, в Республике Казахстан.

Ключевые слова:

АНТЕННА, СТАНЦИЯ, СИГНАЛЫ ПРИЕМА, ПУТЬ ОБРАБОТКИ ПРИЕМА, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, ГЕКСАПОД

However, for the professional application of remote sensing data, specialized software and hardware complexes are required that allow control, analysis management:

- Natural resources;

- With warning and liquidation of emergency situations;

- Real-time economic activity time.

The main element of remote sensing systems that allow monitoring of assigned areas in real time mode are the stations for receiving remote sensing data from the Earth. Typically, such stations are an integral part of ground-based data acquisition and processing complexes.

The station in cludes:

- antenna system reception signals from the spacecraft;

- receiving processing path (decoding and transformation of the received signal to the required level);

- software (data processing to the final information products);

- the corresponding acceptance licenses from a particular spacecraft.

The main purpose of the station is to receive the signal emitted by the spacecraft with the specified characteristics. Therefore, the choice of the station is made after the selection of the satellite. Currently, the modular system of station acquisition predominates, which allows it to be upgraded with minimal costs, depending on the requirements of the satellite. This is especially important, since the average life of the earth remote sensing satellite is 5 years, and the life of the ground station is 15 years.

The choice of an antenna for receiving satellite signals can be represented as a multi criteria optimization problem, in which there is a set of antenna requirements for an earth remote sensing satellite and the characteristics of antenna systems of different manufacturers. The solution of the problem is at the intersection of these two sets. Typically, several antenna systems correspond to the claimed requirements. In order to make the most rational decision,

We familiarize ourselves with the recommendations for choosing a mirror antenna for receiving data from a spacecraft. Let's consider the most important of them in more detail.

The operating frequency range of the antenna is determined by the choice of the spacecraft for remote sensing of the Earth. It should somewhat overlap the frequency of the signal broadcast from the satellite, because of the Doppler effect and the distortion of the propagation of electromagnetic waves along the path, the frequency of the received signal on the planet's surface differs somewhat from the frequency of the signal transmitted by the satellite. If it is supposed to work with several spacecraft, then it is necessary to cover all frequencies of the satellites.

The choice of the operating frequency range of the antenna also determines the material of its primary mirror. There are solid antenna mirrors. Mesh mirrors are used for antenna diameters of more than 5 m, because they are capable of with standing significant wind loads, have lower weight and size characteristics (which reduces the requirements for a rotary device) compared to continuous mirrors and are less prone to accumulation of atmospheric precipitation (Figure 1). However, when choosing a mesh antenna, it must be taken into account that the cell size must be smaller than the wavelength of the received signal, and the mirror itself is a set of rectangular plates, which reduces the reception efficiency.

Solid mirrors can be integral or composite (Figure 2). Compound mirrors are made with antenna diameters of more than 5 m, since they are difficult to transport with one- piece, and high accuracy of manufacturing of curvature is necessary. Solid mirrors are made of metal, aluminum and plastic with metal coating. Metal mirrors are strong, but are prone to corrosion and heavy; plastic - deformed from temperature and precipitation; aluminum - light, not rust, but soft and easily deformed. piece, and high accuracy of manufacturing of curvature is necessary. Solid mirrors are made of metal, aluminum and plastic with metal coating. Metal mirrors are strong, but are prone to corrosion and heavy; plastic - deformed from temperature and precipitation; aluminum - light, not rust, but soft and easily deformed.

If we compare roughly the two types of mirrors - mesh and solid, then the choice, unequivocally, will be in favor of a continuous one.