CC BY
109
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
чения - фотодиод ФД-КФДМ. Принцип действия тестера оптического при измерении оптической мощности основан на преобразовании излучения фотоприемником в электрический сигнал. Измерение оптической мощности производится на диапазоне волн (0.85±0.1) мкм. При измерении электрический сигнал фотоприемника усиливается входным усилителем, затем преобразуется аналого-цифровым преобразователем и индицируется цифровым табло тестера оптического.
Результаты эксперимент
Давление воспроизводится (имитируется) путем перемещения грибка микровинта вдоль оси X в диапазоне 0...9 мкм, по показаниям тестера оптического снимаются значения оптической мощности.
Показания тестера оптического сведены в таблице 1. По полученным результатам были построены графические зависимости Рэксп = £(Х) (рисунок 2).
ных исследований ВОДД Таблица 1
Перемещение имитатора давления, X, мкм Показания тестера оптического, Рэксп^ нВт
при h=6 мкм при h1=7 мкм при h1=8 мкм при h1=10 мкм
0 16,12 21,44 30,18 41,25
1 14,48 18,21 26,12 36,02
2 9,02 14,33 22,75 33,14
3 6,38 13,1 18,21 27,29
4 5,33 8,46 15,25 24,18
5 3,12 6,14 12,24 20,54
6 - 3,25 7,45 17,86
7 - - 4,18 13,11
8 - - - 7,42
9 - - - 5,37
10 - - - -
гикм -hl=7 мим глкрл
-111
10 11
X, мим
Ьг - расстояние от мембраны до плоскости соединения волокон; Х - прогиб мембраны;
Р эксп - оптическая мощность Рисунок 2 - Результаты экспериментальных исследований
В результате анализа полученных зависимостей, был сделан следующий вывод - наиболее эффективный ввод оптического излучения в отводящее оптическое волокно (ООВ) достигается при Й1=10 мкм [7].
Предложенная конструкция установки позволяет исследовать волоконно-оптические датчики давления отражательного типа (определение работоспособности, оптимальных конструктивных параметров ВОДД). Кроме того, данная установка проста, надежна, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части. С помощью данной установки можно проводить экспериментальную отработку возможных вариантов исполнения ВОК для различных вариантов ВОДД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
2. Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И., Мурашкина Е.А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов //Датчики и системы. - 2001.- № 9. - С. 14 - 18.
3. Модернизация ВОДД на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, О. С. Граевский // Труды Международного Симпозиума «Надежность и качество» : в 2т. - Пенза: ПГУ, 2009. - 1т. - С. 395-398.
4. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4. - С. 106-117.
5. Белов А.Г. Обеспечение влагозащитного покрытия печатных узлов датчика протечки / Белов
A.Г., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Горячев Н.В., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 151-154.
6. Стюхин В.В. САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем / Стюхин
B.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 287-289.
7. Варианты исполнения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа / С. А. Бростилов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество» : в 2 т. Пенза : ПГУ, 2013. - 2т.- С. 13.
УДК 621.396.96.623
1^2 3 3
Бушмелев П.Е., Увайсов С.У., Бушмелева К.И., Плюснин И.И.
Управление связи ООО «Газпром трансгаз Сургут», Сургут, Россия
2Московский институт электроники и математики ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"», Москва, Россия
3БУ ВО Ханты-Мансийского автономного округа - Югры «Сургутский государственный университет», Сургут, Россия
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗА ИЗ МАГИСТРАЛЕЙ ГАЗОПРОВОДОВ ПОСРЕДСТВОМ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Магистральные газопроводы (МГ) России представляют собой сложную распределенную систему. Общая протяженность линейных участков (ЛУ) по оценки ОАО «Газпром» составляет более 160 тыс. км. Проведенный анализ показал, что около 4 0% ЛУ выработали свой номинальный ресурс, который
составляет 30 лет. То обстоятельство, что МГ в большей части проложены в крайне не благоприятных климатических условиях, обусловливает их интенсивный износ и старение. Поэтому крайне актуальной остается проблема мониторинга техни-
ческого состояния (ТС) МГ и оборудования газотранспортной системы (ГТС).
Решению этой проблемы посвящено достаточно много работ, как в нашей стране, так и за ее пределами [1,2]. В отечественной и зарубежной промышленности налажено производство широкого спектра оборудования - это внутритрубные сканеры, ультразвуковые и вихретоковые дефектоскопы и другие средства неразрушающего контроля и диагностирования [3]. Однако применение на практике этих инструментов не всегда эффективно в силу локального характера их возможностей, а применение глобальных средств на основе авиационного и космического зондирования не всегда оправдано. Поэтому разработка новых эффективных методов и средств мониторинга и контроля МГ, выработавших свой номинальный срок службы, является на сегодняшний день крайне важной научной и практической задачей.
В связи с этим, объектом исследования является процесс мониторинга технического состояния газотранспортной системы. Предметом - методы и средства автоматизированного контроля утечек газа из протяженных участков магистральных газопроводов, выработавших срок службы или имеющих малый остаточный ресурс.
Целью работы является повышение эффективности эксплуатации, надежности и качества обслуживания, линейных участком магистральных газопроводов путем создания автоматической беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы (БСТС) контроля утечек газа (КУГ) из ГТС.
В работе предлагается концепция построения беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы автоматического контроля утечек газа разработанная в соответствии с требованиями цифрового открытого стандарта беспроводной связи ZigBee, новизной является объединение в едином пространстве территориально разнесенных технических, телекоммуникационных, диагностических и информационных средств для организации наиболее эффективного управления ТС, обслуживанием и ремонтом ЛУ МГ [4,5].
Целесообразность внедрения беспроводной связи в телекоммуникационную систему обусловлена следующими преимуществами: высокой надежностью; многоуровневой системой безопасности; способностью к самоорганизации и самовосстановлению в случае сбоев; возможностью организации сети различной топологии; увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала; простотой установки, настройки и обслуживания оборудования; длительным сроком автономной работы; обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов; контроль целостности данных; низкое энергопотребление.
В состав такой комплексной многоуровневой системы должны входить: устройства локального диагностирования утечек газа/метана; автономные источники питания, поддерживающие данную систему в рабочем состоянии; радиопередающие средства, осуществляющие прием и передачу информации по различным каналам связи; стационарные пункты приема, распределения и обработки данных; программные средства обеспечивающие обработку информации и объединенные в единую автоматизированную систему мониторинга и управления газотранспортным предприятием. Преимущество состоит в том, что предлагаемые решения обладают системностью, и адаптированы к эксплуатации объектов на Российской территории.
Предлагаемая телекоммуникационная система позволит сбалансировано дополнять существующие и разрабатываемые сети связи, ориентирована на цифровые методы передачи информации, охватывает значительную часть территории России, где проложены МГ.
При этом БСТС КУГ будет решать следующий круг задач: осуществлять мониторинг, контроль, обнаружение и локализацию мест утечки газа из ЛУ МГ; производить эффективную передачу сообщений/пакетов по различных каналам связи; осуществлять мониторинг и контроль состояния средств
диагностирования, приемопередающих устройств, источников питания и вспомогательного оборудования в режиме реального времени; обеспечивать управление и контроль эксплуатации ЛУ МГ в режиме реального времени на основе беспроводных технологий, техническими службами и диспетчерскими сервисам; обеспечивать пользователей системы постоянной, мгновенной и качественной связью; осуществлять обеспечение информационного взаимодействия между диагностическим оборудованием, телекоммуникационными устройствами и центральным пунктом управления, анализа и принятия решений; производить сохранение, систематизацию и анализ данных за различные периоды; осуществлять анализ информации по неисправностям, возникающим как на объектах диагностирования, так и на самом оборудовании БСТС; производить мониторинг экологической ситуации, а в случае выявления отклонений осуществлять оперативное реагирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций; разрабатывать и уточнять требования по контролепригодности при проектировании новых ЛУ МГ.
Для более глубокого понимания разрабатываемой структуры и компонентов БСТС КУГ использовалась инфологическая модель предметной области, представляющая собой описание структуры и динамики происходящих процессов, характера информационных потребностей пользователей и не зависимая от реализаций.
Модель представляет собой описание 2 6 сущностей, с набором атрибутов и связей между ними, которые были выявлены в процессе исследования как входных, так и выходных данных. Часть модели отводится характеристике объекта исследования, сущность «Участок МГ», линейным участкам магистрального газопровода, а также тому из чего они изготовлены, способам прокладки, эксплуатации. Атрибутами являются: номер и название участка МГ; расположение от компрессорной станции (КС); категория МГ; близость населенных пунктов; наличие линий электропередач; рабочее и наружное давление; температурный режим; дата диагностики; остаточный ресурс; срок службы и другие.
Часть инфологической модели отводится характеристике аппаратных средства, используемые в БСТС, а также условиям, при которых эксплуатируются данные устройства. Так, например, сущность «Беспроводной модуль», содержит общую информацию об устройствах входящих в состав беспроводного модуля (БМ) и условиях эксплуатации данных аппаратных средств, атрибутами являются: номер БМ; номер участка МГ; координаты и высота установки БМ; состояние БМ, автономных источников питания (АИП), приемо-передающих устройств (ППУ), детекторов утечки метана (ДУМ), аналого-цифровых преобразователей (АЦП); метеоданные; характеристика подстилающей поверхности; ввод в эксплуатацию; дата поверки устройств; год выпуска и другие.
Часть модели отводится описанию информационных средств, используемых при работе с БСТС, в частности оценка технического состояния объектов ГТС и беспроводной сенсорной сети (БСС) производится посредством автоматизированной системы управления (АСУ) и контроля утечек газа (КУГ) «Мониторинг ТС МГ» с отображением данных на мнемосхеме, выдачей информации по утечкам и причинам аварий, степени риска, отказам, принимаемым решениям и другим характеристикам рассчитываемых для эксплуатируемых объектов ГТС и БСТС.
Телекоммуникационная система (рисунок 1), предназначена для постоянного контроля и оценки текущего состояния МГ, а также параметров окружающей среды, построена на основе различных программно-аппаратных средств и, представляет собой сенсорную сеть (построенную на основе платформы MeshLogic), которая состоит из 2 ветвей с N количеством распределенных в пространстве БМ, каждая ветвь охватывает половину расстояния до следующей и предыдущей КС, при этом
первый модуль устанавливается вблизи ЭВМ, к которой подключается через интерфейс USB (ЭВМ размещаются на 1-й КС и оснащаются пакетом прикладного обеспечения (ПО) в виде АСУ «Мониторинг ТС МГ», состоящую из некоторого количества подсистем, реализующих определенные задачи
[6]), а также шлюза (точки сбора информации), сервера и Web сайта клиента на ЭВМ, обеспечивающих связь БМ с базой данных (БД) и клиентскими приложениями (КП) установленными на персональных компьютерах.
Компресорная станция 2
Мнемосхема
Сервер ( БД i
Координатор
Маршрутизатор
l-l Я I I I 14
---- --------БМ-1 БМ-2 БМ-S ЁМ-п
БМ-п БМ-3 БМ-2 Ш-1
ГАЗОПРОВОД
5-Я S
БМ-п БМ-2 БМ-1
D
Рисунок 1 - Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек газа
Сложность БСТС КУГ обуславливается высокой совокупностью различных технологий, которые необходимо применить для получения готового продукта. Достоинством является то, что такая система обладает большой мобильностью и возможностью установки в любом труднодоступном месте МГ. Также несомненным плюсом является получение данных в реальном масштабе времени. В результате телекоммуникационную систему контроля утечек газа можно разбить на три основных уровня управления: локальный, аппаратный, клиентский. На каждом уровне управления реализованы свои функциональные задачи.
Локальный уровень - средства локального диагностирования, в виде беспроводного модуля всех его составных частей. БМ выполняет следующие основные функции: обнаружение утечки газа; фиксирование время обнаружения; зарядка устройств; передача собственной и ретрансляционной информации. И состоит из: чувствительного элемента, определяющего наличие утечек газа из объектов ГТС, детектора утечки метана (датчик по обнаружению утечек метана, в данном случае заявлен стационарный инфракрасный датчик-газоанализатор, предназначенный для автоматического непрерывного измерения концентраций метана (СН4) в воздухе открытых пространств на газовых магистралях, энергонезависимая память); приемо-передающего устройства с функцией ретрансляции (управляющий микроконтроллер, приемопередатчик, встроенная антенна, флэш-память, внешние схемы согласования уровней USB, RS232, цифровой порт); автономного источника питания (аккумулятор, солнечная батарея, ветро-генератор, гибридный регулятор) [7].
БМ устанавливаются вблизи трубы («5-10 м), на определенном расстоянии («100 м), на основе учета розы ветров, розы скорости ветра и анализа информации по распространению газового облака, соединяются между собой посредством беспроводной радиосвязи [4-8], образуя сенсорную сеть последовательно расположенных беспроводных устройств, которые посредством ретрансляции передают информацию от точки к точке.
БМ с заданным периодом выполняют считывание, аналого-цифровую и первичную обработку сигналов с подключенных к ним ДУМ и телекоммуникационных устройств, после чего полученные результаты в виде пакета с цифровыми данными передаются посредством ППУ в ЭВМ.
Принцип обнаружения утек газ в ДУМ, основывается на процессе диффузионного рассеивания метана в атмосфере. Для этого использовался метод М. Берлянда, основанный на математической модели рассеивания газообразных примесей в атмосфере и поставленных экспериментов, который позволил рассчитать концентрацию газов в вертикальном и горизонтальном сечение облака метана, а так же поля концентраций создаваемые точечными источниками выбросов из труб.
Аппаратный уровень - телекоммуникационные устройства осуществляющие прием и передачу информации по каналам связи распределенной сенсорной сети. Выбор беспроводного канала связи для передачи данных между БМ и ЭВМ, объясняется сложностью прокладки кабеля в труднодоступных районах эксплуатации МГ.
Клиентский уровень - программное обеспечение, включающее в себя ряд серверных и клиентских компонентов, взаимодействующих между собой через базу данных. На данном уровне, система находится на web-сайте клиента под управление CMS WordPress (система управления содержимым). На территории, покрываемой областью действия БМ, объединенных в единую сенсорную сеть, возможно подключение любого устройства (карманного персонального компьютера - КПК, персонального компьютера, ноутбука и др.) с установленным специализированным ПО, что в свою очередь позволит синхронизировать работу системы, обеспечивая получение необходимой информации, с последующей ее обработкой. Программное обеспечение выполнено в виде сервиса, написанного на языке Java под Eclipse IDE, что обеспечивает не только быструю интеграцию с различными технологиями, но делает данную систему кроссплатфор-менной. БД реализована посредством СУБД MySQL и хранилищ в формате XML. Здесь также представлены web-сервер и сервер БД.
Управление телекоммуникационной системой осуществляется автоматизированной системой управления «Мониторинг ТС МГ», построенной на базе сервис - ориентированных технологий, которая имеет модульную архитектуру, настраиваемую под специфические требования пользователя, взаимосвязь осуществляется посредством хранилища данных. Что в свою очередь позволяет повысить оперативность получения и передачи информации, обеспечить мониторинг и контроль ТС га-
зопроводов, избежать больших затрат на ремонт и устранение последствий аварий.
АСУ «Мониторинг ТС МГ» организована в виде отдельных подсистем, построенных по модульному принципу и взаимосвязанных между собой, которые могут работать как совместно, реализуя свойство эмерджентности системы, так и независимо, решая частные функциональные возможности и основные задачи управления, мониторинга и контроля ТС МГ.
Опишем основные характеристики некоторых подсистем. Подсистема «Линейный участок МГ», позволяет вводить, отображать, осуществлять поиск и структурировать все виды географических, пространственных и любых других данных об объектах ГТС. Подсистема «Мониторинг БСТС» [6], предназначена для объединения различных данных по обследованию и оценке ТС объектов ГТС, контролю утечек газа, инспекционным проверкам МГ и телекоммуникационных средств связи, что в свою очередь позволяет с высокой точностью определить местоположение проблемного участка, а также выявить возможные утечки газа, предоставляя возможность управлять данной информацией эксплуатирующим службам. Подсистема «Эксперт» предназначена для принятия управленческих решений пользователям, позволяя присваивать утечкам газа из МГ различные категории, для повышения эффективности работы и снижения нагрузки на оператора системы и лица принимающего решения. Каждая категория утечки газа может быть охарактеризована своим статусом, временем обнаружения, описанием состояния оборудования, ей сопоставляется местоположение беспроводного модуля СТС обнаружившего данную утечку. Подсистема «Контроль оборудование» осуществляет взаимодействие и управление различным технологическим оборудованием, установленным на газопроводе и используемом в телекоммуникационной системе посредством интеграции со SCADA - системами газотранспортного предприятия. Подсистема «Оператор БСТС» представляет оперативную информацию об обстановке на объектах ГТС посредством опроса БМ на изменение главного параметра в виде наличия утечки газа. Подсистема «Проектирование БСТС» позволяет автоматизировать процесс проектирования телекоммуникационной системы с учетом влияния таких метеорологических факторов как роза ветров, роза скорости ветра, на распространение газового облака и типов подстилающих поверхностей для принятия решения по оптимальному размещению БМ.
В работе разработана инженерная методика мониторинга МГ, представленная в рамках CALS-технологий. Информация в виде сигналов, полученная с различных датчиков и телекоммуникационных устройств, поступает в систему, где она обрабатывается на основе математического аппарата, сравнивается с эталонными значениями и согласно правилам формирования отказов поступает в виде данных: о текущем состоянии устройств; сигнализации нештатных ситуаций; истории отказов. По результатам анализа формируются предложение о проведении дополнительных работ по локальному диагностированию утечек газа. Данная методика позволяет заложить на стадиях проектирования и строительства требования мониторинга МГ.
Создание БСТС КУГ на основе БМ для мониторинга технического состояния ЛУ МГ позволит спланировать работу ведомств и организаций газотранспортной отрасли, объединить различные ресурсы и сконцентрировать их на решение общей проблемы, обеспечение безопасной эксплуатации и повышение надежности функционирования объектов ГТС.
Главными преимуществами, которыми обладает БСТС КУГ, являются следующие: высокая точность определения местоположения дефектов; безотказность технических средств; малая погрешность вычислений; надежность и оперативность передачи информации; работа в режиме реального времени; независимость от внешних метеоусловий; масштабное покрытие территории прокладки магистрали; способностью к самоорганизации и самовосстановлению; защиты от несанкционированного доступа; компактность устройств; простотой установки, настройки и обслуживания оборудования; длительный срок автономной работы.
Эти качества выводят данную БСТС КУГ на более высокий уровень среди других систем диагностирования за технологическими объектами ГТС, многократно увеличивая ее надёжность, точность получаемой информации, экономический эффект при эксплуатации оборудования.
Создание подобной СТС предполагает решение двух аспектов: первый из них - производственный, связан с обеспечением решения производственных задач газотранспортной отрасли посредством анализа информации, получаемой от локальных средств диагностирования, в виде детекторов по обнаружению утечек газа; второй - коммерческий, при внедрении данной системы, хотя и требуются дополнительные денежные ресурсы на разработку и установку средств диагностирования оснащенных уникальным набором аппаратуры вдоль магистралей, однако с другой стороны это способствует росту числа потребителей, которые будут использовать полученную информацию, а также приемлемой стоимостью услуг затраченных на обслуживание.
Достоинство СТС КУГ из ЛУ МГ состоит в том, что она позволит автоматизировать процесс сбора и обработки данных с территориально распределенной сети газотранспортных объектов, оснащенных средствами контроля утечек газа, приемопередающими устройствами, использующими различные каналы связи, автономными источниками питания, соответствующим программным обеспечением, позволяющим отображать на электронной карте и технологической схеме текущее положение БМ и давать оценку технического состояния объектов.
В заключении можно отметить, что использование данной беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа из ЛУ МГ позволит развернуть ее в любом месте ГТС, в частности в труднодоступных районах, повысить точность и оперативность получения и передачи данных; обеспечить контроль и мониторинг ТС газопроводов, проводить в режиме реального времени обработку и анализ поступающей информации, обнаруживать места несанкционированного доступа и повреждений на объектах, что в свою очередь позволит избежать больших материальных затрат на ремонт и устранения последствий аварий на МГ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bushmeleva K.I., Plyusnin I.I. Aviation software and hard diagnostic unit for monitoring cross-country gas pipelines //Measurement Techniques. - 2009. - V.52., № 2. - P. 172-176.
2. Bushmeleva K.I., Plyusnin 1.1., Bushmelev P.E., Uvaysov S.U. Distributed wireless system for monitoring the technical state of objects in gas-transport network //Measurement Techniques. - 2013. - V.56., № 3. - P. 226-231.
3. Бушмелева К.И. Методы и средства диагностирования магистральных газопроводов: Монография /К.И. Бушмелева. - Сургут: Изд-во ИЦ СурГУ, 2011. - 215 с.
4. Бушмелев П.Е., Увайсов С.У., Бушмелева К.И., Плюснин И.И. Модель сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа из магистралей //Надежность и качество: труды международного симпозиума. - Пенза, май 2014. - Т.1. - С. 163-167.
5. Кочегаров И.И. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / Кочегаров И.И., Ханин И.В., Лысенко А.В., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 105114.
6. Bushmeleva K.I., Plyusnin I.I., Uvaysov S.U., Bushmelev P.E. Modeling the optimal parameters for a remote sensing device //Measurement Techniques. - 2011. V. 54, № 3. - P. 294-299.
7. Бушмелева К.И., Увайсов С.У., Бушмелев П.Е., Плюснин И.И. Информационно-телекоммуникационная система мониторинга газотранспортных объектов //Надежность и качество: труды международного симпозиума. - Пенза, май 2012. - Т.2. - С. 91 - 92.
8. Шибанов С.В. Обзор современных методов интеграции данных в информационных системах / Шибанов С.В., Яровая М.В., Шашков Б.Д., Кочегаров И.И., Трусов В.А., Гришко А.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 292-295.
9. Бушмелев П.Е., Бушмелева К.И., Плюснин И.И., Увайсов С.У. Экспертная оценка качества аппаратных средств сенсорной телекоммуникационной системы //Качество. Инновации. Образование. - 2014. - №6. - С.81 - 89.
10. Bushmelev P.E., Uvaysov SO, Plusnin I.I., Bushmeleva K.I. Wireless sensor network leakages of gas transmission pipelines //Innovative information technologies: Materials of international scientific-practical conf. «I2T-2012». - Prague, April 2012. - M.: MIEM HSE, 2012. - Р. 377 -380.
УДК 621.382; 681.586
Бардин В.А., Васильев В.А., Громков Н.В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия ЧАСТОТНЫЕ ИНТЕГРИРУЮЩИЕ РАЗВЁРТЫВАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДАТЧИКОВ И АКТЮАТОРОВ
Введение
Интегрирующие развёртывающие преобразователи отличаются простотой схемотехнической реализации, имеют сравнительно высокие метрологические характеристики, не требуют программирования, совместимы с измерительными цепями различных типов первичных преобразователей (датчиков). Они легко настраиваются на необходимые диапазоны измерений, перестраиваются на различные диапазоны частот выходного сигнала [1].
Путём совмещения частотных интегрирующих преобразователей с первичными преобразователями, в частности с датчиками давления, представляется возможным снизить температурную составляющую погрешности путем применения системного проектирования, а также значительно уменьшить влияние нестабильности источника питания и избежать потерь информации в дальних линиях связи в процессе передачи информационного сигнала. Ряд конструкций интегрирующих развёртывающих преобразователей с постоянным и переменным напряжением питания измерительной цепи, без и с модуляцией выходного сигнала описаны в [1-7] . Метрологические характеристики известных частотных интегрирующих преобразователей (ЧИРП) улучшены путём введения дополнительных элементов в цепях [8-13].
Одна из хорошо зарекомендовавших себя функциональных схем ЧИРП, предназначенная для работы с резистивным датчиком, в частности с тензо-резисторным датчиком давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), показана на рис. 1. Схема содержит два операционных усилителя (ОУ), включает в себя полный мост М тензорезисторного датчика, интегратор Инт, выполненный на операционном усилителе ОУ1, компаратор на операционном усилителе ОУ2 и дозирующий конденсатор Сд в отрицательной цепи обратной связи. Измерительный мост из тензорези-сторов питается двухполярным напряжением ±и0 типа меандр с выхода компаратора. Дополнительные резисторы Кд1 и Кд2 подключены к диагонали питания моста, а резистор й0 предназначен для установки начальной частоты при нулевом разбалансе мостовой измерительной цепи.
резистивного датчика
В результате теоретических и экспериментальных исследований функциональной схемы рис. 1 установлено, что ЧИРП обладает практически идеальной линейностью. Путём расчёта и правильного подбора дополнительных резисторов Кд1 и Кд2 оказывается возможным значительно уменьшить температурную погрешность. В ходе экспериментальных исследований было определено, что дрейф выходного сигнала не превышает 2% при изменении напряжения питания в пределах ±20%.
Основная часть
Для решения задач измерения, контроля и управления наряду с резистивными датчиками физических величин нашли широкое распространение емкостные датчики. Представленная на рис. 1 функциональная схема ЧИРП может быть адаптирована и к емкостным датчикам, для решения различных задач, как например, [14, 15]. Она также может быть использована в самочувствительных пьезоэлектрических актюаторах (пьезоактюато-рах).
Пьезоактюатор электрически представляет собой конденсатор с электрической ёмкостью, которая изменяется при деформации пьезоэлемента [16-18]. Это изменение емкости может быть использовано для управления в цепи обратной связи питающим пьезоактюатор электрическим напряжением.
Принцип работы всех емкостных датчиков - перемещение пропорционально изменению емкости между двумя проводящими поверхностями. Емкость C между двумя параллельными поверхностями равна
С _ Е 0SrA (1* h
где £о - диэлектрическая постоянная в вакууме; Er - относительная диэлектрическая постоянная диэлектрика, A - площадь области между поверхностями, и h - расстояние между поверхностями.
Трудностями при использовании ЧИРП для определения деформации пьезоактюатора с помощью измерения емкости являются учёт возможного влияния измерительного сигнала на деформацию актюатора, сложность стыковки высоковольтной части схемы с пьезоактюатором и измерительной электроники, эффект старения пьезокерамики, учет скорости работы актюатора и влияния нагрузки. Все эти задачи являются решаемыми.
По поводу влияния измерительного сигнала на деформацию пьезоактюатора можно заметить, что на частотах выше 1кГц проявляется эффект запаздывания срабатывания пьезокерамики [17]. Поэтому, кратковременное воздействие управляющего сигнала с ЧИРП на нерезонансной частоте порядка 10 кГц не будет оказывать влияния на деформацию пьезо-актюатора.
Одним из вариантов подключения ЧИРП напрямую к пьезоактюатору является использование современных высоковольтных операционных усилителей, например, PA7 8 фирмы APEX Microtechnology. Так
