Вісник Київського політехнічного інституту. Серія Приладобудування

ТЕХНОЛОГІЯ КОНТРОЛЮ ЗАПОВНЕННЯ ПІДМУФТОВОГО ПРОСТОРУ МУФТИ НА МАГІСТРАЛЬНОМУ ТРУБОПРОВОДІ

Григорій Тимчик , Олександр Подолян, Катерина Сергієнко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Наразі активно застосовується метод ремонту з використанням муфтових конструкцій. Він використовується для відновлення пропускної здатності діючих трубопроводів, які працюють протягом тривалого часу.

Муфту встановлюють на дефектну ділянку, а підмуфтовий простір герметизують і заповнюють під тиском самотвердіючою речовиною під тиском. При цьому напруження в стінках труби і муфти вирівнюються. Параметри процесу заповнення підмуфтового простору визначають якість усього ремонту муфти і потребують контролю.

Метою цієї статті є аналіз параметрів контролю заповнення підмуфтового простору з використанням ультразвукових методів неруйнівного контролю.

Підвищення міцності діючого трубопроводу здійснюється шляхом встановлення на магістральний трубопровід муфт. Посилення трубопроводу муфтою полягає в перерозподілі частини навантаження з труби на стінку муфти, що призводить до зниження рівня напружень у стінці труби. Ефективність посилення трубопроводу може бути оцінена за ступенем зниження кільцевих напружень у стінці відремонтованої труби. У статті описано аналіз можливості перевірки заповнення підмуфтового простору клеєно-зварних і паяно-зварних муфт за допомогою ультразвукових методів неруйнівного контролю.

Використання найпоширеніших п'єзоелектричних перетворювачів неефективне. Це пов'язано з високою температурою паяно-зварної муфти під час роботи з використанням розплавленого металу, що визначається температурою його плавлення. У цьому випадку пропонується використовувати електромагнітний (ЕМА) перетворювач як випромінювач і приймач ультразвукових коливань. Результати теоретичних та експериментальних досліджень контролю заповнення підмуфтового простору муфти розплавленим металом підтвердили ефективність використання ЕМА-методу для контролю формування підмуфтового простору. Показано, що запропонований метод ультразвукового контролю дає змогу досягти максимальної ефективності під час контролю заповнення паяно-зварної муфти розплавленим металом.

Аналіз можливості використання ультразвукового методу неруйнівного контролю якості заповнення підмуфтового простору самотверднучою речовиною показав теоретичну можливість перевірки заповнення підмуфтового простору клеєзварних муфт як при компаундованому заповненні підмуфтового простору, так і при заповненні розплавленим металом.

Результати експериментальних досліджень контролю заповнення підмуфтового простору клеєзварних муфт розплавленим металом за допомогою ЕМА-методу підтвердили ефективність використання ЕМА-методу для контролю формування підмуфтового простору.

АНАЛІЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ БАГАТОЦІЛЬОВОГО АВТОНОМНОГО БЕЗПІЛОТНОГО ПІДВОДНОГО АПАРАТА ЗІ СКЛАДНОЮ ДИНАМІКОЮ РУХУ

Надія Бурау, Станіслав Гуриненко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Оглядову статтю присвячено аналізу систем керування автономними безпілотними підводними апаратами, які відносяться до робототехнічних підводних комплексів і використовуються для забезпечення пошукових та глибоководних аварійно-рятувальних робіт, обстеження різноманітних підводних об‘єктів (магістральних трубопроводів, донних споруд, корпусів суден тощо), проведення наукових океанографічних досліджень, моніторингу морського середовища. У роботі розглянуто наукові літературні джерела, в яких наведено результати розробок та досліджень систем орієнтації, навігації та керування рухом багатоцільових автономних безпілотних підводних апаратів зі складною динамікою руху, зокрема при виконанні місій в обмеженому просторі з рухом за складними траєкторіями. Особливу увагу зосереджено на таких режимах руху апаратів, як відстеження траєкторії, відслідковування (дотримання) шляху, відстеження точки шляху. Проведено аналіз засобів навігації та керування, які можуть бути використані для забезпечення різних режимів руху, а також розглянуто напрямки розвитку як самих безпілотних підводних апаратів, так і систем керування ними.

Для обґрунтування розробки системи керування багатоцільовим маневреним автономним апаратом класу міні сформульовано основні вимоги, для забезпечення яких запропоновано проводити синтез і дослідження системи керування на основі моделювання динаміки руху міні-апарата для різних за параметрами та траєкторією режимів руху, розробити алгоритми адаптивного керування апаратом, вдосконалити систему орієнтації та навігації, побудовану на основі MEMS датчиків. Запропоновано та обґрунтовано інформаційну модель процесу розробки, яка задає послідовність визначення вагомих параметрів і характеристик апарату та виконання важливих етапів синтезу та аналізу системи керування.

ОПТИМІЗАЦІЯ ТРАНСПОРТУВАННЯ ДЕТАЛЕЙ В УМОВАХ АВТОМАТИЗОВАНОГО СЕРЕДНЬОСЕРІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА

Микола Гацько, Вадим Шевченко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

У статті проведено аналіз попередніх досліджень і публікацій по розробці та застосуванню різних видів автоматизованих транспортних візків, які використовуються у серійному виробництві, з чого можна дійти висновку про необхідність розробки автоматизованого транспортного візка, який можна буде використовувати у приладобудуванні для збільшення продуктивності транспортної системи.

Провівши аналіз, розроблено головний елемент автоматизованої системи транспортування, а саме автоматизований візок на колесах меканум, які здатні забезпечувати рух у будь-якому напрямі без потреби змінювати власну орієнтацію у просторі, із встановленими парою бортових маніпуляторів, які мають змінні захватні пристрої, та індивідуальним змінним накопичувачем. Змінні елементи підвищують гнучкість автоматизованого візка, оскільки така особливість дозволяє адаптувати візок до великої кількості різноманітних технологічних процесів. Використовуючи програмні засоби CAD системи, спроєктовано схематичну тривимірну модель візка, який використовується у автоматизованій системі транспортування деталей, з врахуванням його всіх важливих елементів, а також детальну тривимірну модель коліс меканум, які використовується в конструкції візка. Використовуючи параметри розробленого автоматизованого транспортного візка, розраховано кінематику візка і визначено формули для вирішення прямої та зворотної задач кінематики, а також розроблено алгоритми роботи візка, які описують кожен цикл, який виконує візок біля кожного робочого місця. На основі формул для вирішення задач кінематики, визначено формули і методи для нівелювання просторових похибок, які виникають під час переміщення з одної точки до іншої, а також визначено функції для оптимізації процесу переміщення автоматизованого транспортного візка і визначено, як сильно впливає оптимізація на продуктивність.

СЕНСОРИ НА ОСНОВІ ПОЛІКРИСТАЛІЧНОГО 3С-SiC: ВПЛИВ ЛЕГУВАННЯ БОРОМ

Володимир Родіонов , Тетяна Братусь, Альгімантас Бубулiс — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Як хімічно інертний широкозонний напівпровідниковий матеріал з високими твердістю і теплопровідністю, стабільними електричними характеристиками, карбід кремнію SiC є привабливим для застосування в електроніці та сенсорах, що працюють за складних умов. Останні передбачають екстремальні значення температури, тиску, ударні навантаження, радіаційний та хімічний впливи, що виникають в авіаційних і автомобільних двигунах, промислових газових турбінах, при розвідці нафти і газу тощо. Більш низькі температури вирощування полікристалічного кубічного карбіду кремнію, рс-3С-SiC, порівняно з монокристалічним, дозволяють значно знизити його вартість та розширити можливості застосування. З попередніх робіт випливає, що термочутливість рс-3С-SiC можна суттєво підвищити за допомогою легування акцепторною домішкою бору в процесі вирощування матеріалу. Метою даної роботи є визначення властивостей легованого бором pс-3C-SiC для створення фотосенсорів і термосенсорів, а також термоанемометрів для екстремальних умов експлуатації.

Показано, що легування pс-3C-SiC домішкою бору в процесі вирощування сприяє утворенню в забороненій зоні центрів акцепторного типу та появі особливостей у спектрі фоточутливості, що може мати практичний інтерес для фотовольтаїки. Для температур Т > 150 K провідність легованого зразка практично експоненціально збільшується з енергією активації 0,28 еВ, близькою до енергії активації фотопровідності того ж зразка. Це свідчить про те, що процес іонізації рівноважних та нерівноважних носіїв заряду відбувається з одних і тих самих домішкових центрів. Легування бором викликає появу широкої смуги фотопровідності з максимумом при 1,7 еВ в області домішкового поглинання рс-3C-SiC, подібно ситуації в монокристалічному 3C-SiC. Визначено, що температурний коефіцієнт опору для легованого бором рс-3C-SiC дорівнює 3,0×10^-2град^-1 при Т = 300 K і 1,1×10^-2град^-1 при Т = 700 K, що майже на порядок більше ніж у термопар, а також металів, з яких виготовляють нитки анемометрів.

Обговорення отриманих результатів дозволяє пов’язати величину енергії активації Е=0,28 еВ з рівнем мілкого бору в рс-3C-SiC та припускати природу цього центру у вигляді точкового дефекту, що містить атом бору, який заміщує в решітці 3C-SiC атом кремнію, тобто B_Si.

Запропоновано фотосенсори, які в ближньому ІЧ-діапазоні 0,6 ¸ 1,8 мкм можна використовувати в якості сонячних елементів, а у видимій області 0,4 – 0,6 мкм спектру, - як фотоелементи.

Здатність рс-3C-SiC працювати за екстремальних умов експлуатації, а також невисока відносно інших політипів SiC вартість технології виробництва приладів на його основі, дозволяють вважати його придатним матеріалом для створення сенсорів температури, термоанемометрів і фотосенсорів, а також детекторів для моніторингу ядерних об’єктів.

НОВІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ ТІОФЕНУ ДЛЯ ВИПРОМIНЮВАЛЬНИХ ШАРІВ ОРГАНІЧНИХ СВІТЛОДІОДІВ

Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Оптоелектронні пристрої відображення інформації відіграють важливу роль у сучасному світі. Цифрові дисплеї на органічних світлодіодах посідають одне з провідних місць серед інших дисплеїв завдяки високій контрастності та якісний кольоропередачi. Відносна новизна технології є причиною недостатньої кількості досліджених матеріалів для використання в шарах органічних світлодіодів. У цій роботі проаналізовано властивості молекулярних структур на основі тiофенових гетероциклiв, а також доцільність їхнього використання для дисплеїв на виключно органічних світлодіодах i в комплексних технологіях, таких як конвертер кольору на квантових точках.

Для дослідження було обрано три тіофенові структури типу Т (тiофен), TB (тiофен-бензол), TPy (тіофен-пірол). Моделювання i дослідження молекулярних структур виконано за допомогою програмного пакету для квантово-хімічних розрахунків Gaussiаn 09 через широкий спектр реалізованих в ньому квантово-хімічних методів, високу ефективність та зручний інтерфейс користувача. В обраному програмному забезпеченні проведено моделювання молекул, оптимізація методами B3LYP та обраховано значення енергій HOMO та LUMO рівнів. Отримано спектри випромінювання та поглинання структур типу Т, ТВ та ТРу.

На основі отриманих результатів визначено можливе застосування структур у випромінювальних шарах органічних світлодіодів. Молекули типу Т можуть використовуватись як матеріал для створення самостійного випромінювального шару для органічних світлодіодів у видимому діапазоні довжин хвиль. Молекули типу ТВ придатні для створення пристроїв з випромінюванням в ультрафіолетовому діапазоні. Молекули типу ТРу не мають перспектив використання у безпосередньому випромінюванні OLED, проте їхні характеристики дозволяють пропонувати ці структури за джерела збуджуючого випромінювання для створення пристроїв з технологіями перетворення кольору світла.

ЗАЛЕЖНІСТЬ ТОЧНОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ВІД ШИРИНИ СМУГИ ПРОПУСКАННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНОГО ФІЛЬТРА В СИСТЕМАХ ОПТИЧНОЇ ПІРОМЕТРІЇ

Андрій Воронько , Денис Новіков — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

До загальних проблем для всіх реакторів технології газофазної епітаксії з металоорганічних сполук A3B5 відносяться великі градієнти температур в реакторі, що спричиняють виникнення петель конвекції, високу швидкість газових потоків, що може призвести до турбулентності, замість очікуваного ламінарного потоку, та потребу в хорошій однорідності та прецизійності контролю температури поверхні напівпровідникової пластини. Оскільки процес осадження для багатьох складних напівпровідникових пристроїв (таких як інфрачервоні лазерні діоди або біполярні транзистори з гетеропереходом) надзвичайно чутливий до температури, для отримання якісних гетероструктур з відтворюваними параметрами необхідна система прецизійного контролю температури процесу на поверхні пластини безпосередньо в зоні осадження.

У даній статті описані особливості процесу епітаксійного росту в реакторах ГФЕ МОС, а також висвітлено завдання, які постають перед системою контролю температури. Досліджується доцільність використання системи пірометрії з компенсацією випромінювання порівняно з методами вимірювання за допомогою термопари та класичної пірометрії. В даній системі перетворення вхідного оптичного сигналу в пропорційний на виході струм здійснюється за допомогою чутливого фотоелемента, а саме - кремнієвого фотодіода. Вибір діапазону довжин хвиль випромінювання обумовлений оптичними параметрами напівпровідникових підкладок та сполук, що осаджуються. Отриманий спектр для вимірювань досягається за допомогою використання в системі інтерференційного фільтра.

Дослідження проводилося з метою визначення впливу ширини інтерференційного фільтра на точність визначення реальної температури пірометричної системи контролю з компенсацією випромінювальної здатності. Проаналізовано аналітичну залежність ширини та форми характеристики інтерференційного фільтра на значення величини корекції температури пірометричних систем. На базі отриманих результатів сформовані висновки щодо вибору оптимальної робочої довжини хвилі та ширини пропускання інтерференційного фільтра оптичної системи як компроміс між величиною похибки визначення та величиною оптичного сигналу. Отримані результати можна використовувати для розробки сучасних прецизійних пірометричних систем.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОЦІНЮВАННЯ ОДНОРІДНОСТІ ВИХІДНИХ ПОТОКІВ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРЯМОКУТНОЇ ФОРМИ ПРИ РІЗНИХ ВАРІАНТАХ ВИКОНАННЯ ВИХІДНИХ ДІЛЯНОК СВІТЛОВОДНИХ НАСАДОК ДО МЕДИЧНОЇ ЛАЗЕРНОЇ АПАРАТУРИ

Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

У статті приведено результати дослідження однорідності потоків оптичного випромінювання прямокутної форми при різних варіантах виконання вихідних ділянок світловодних насадок. Під час проведення значної частини лікувальних маніпуляцій на основі лазерних впливів у медицині патологічні ділянки біотканини чи їх проєкції, які знаходяться на поверхні тіла, накриваються світловими плямами з контурами зазвичай у вигляді плоских геометричних фігур [1]. Варіабельність виконання світлових плям за формою (коло, квадрат, прямокутник, трикутник, ромб тощо) і лінійними розмірами поперечного перерізу дозволяє підбирати форму та розміри світлової плями, яка охоплює певну конкретну патологічну поверхню з мінімальним захопленням інтактних ділянок тканини [2]. Водночас, незалежно від форми та лінійних розмірів, світлові плями мають бути максимально однорідними [3 - 5].

На сьогодні особливий інтерес представляє забезпечення оптичної однорідності прямокутних світлових плям. По-перше, подібні форми плям широко застосовуються при впливах у лазерній медицині. По-друге, у вихідних оптичних каскадах лазерної апаратури і периферійних світловодах, які підключаються до них, насамперед, використовуються оптичні волокна циліндричної форми з округлим поперечним перерізом оптичного потоку на виході.

Метою даної роботи є оптимізація параметрів світловодних насадок лазерної медичної апаратури з вихідними потоками оптичного випромінювання прямокутної форми на основі оцінки рівномірності розподілу щільності потужності потоку при різних варіантах виконання вихідних ділянок насадок.

У роботі досліджено оптичні потоки на виході трьох варіантів виконань дистальних ділянок світловодів. Світловоди було сформовано оптичними волокнами, у тому числі з використанням мікролінз на вихідних кінцях та задіафрагмовано канальними оптичними хвилеводами у вигляді прямокутних паралелепіпедів. Отримані на етапі фізичного моделювання експериментальні результати показують перспективність використання сферичних мікрооптичних елементів на вихідних кінцях оптичних волокон в поєднанні з діафрагмами прямокутної форми у вигляді канальних оптичних хвилеводів для отримання світлових плям прямокутної форми з високим рівнем оптичної однорідності.

ЕЛІПСОЇДНА МОДЕЛЬ КРОКУ ТОНТОР СЕНСОРІВ АВТОМАТИЗОВАНИХ МЕХАТРОННИХ СИСТЕМ

Володимир Скицюк, Тетяна Клочко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Сучасна медицина широко використовує мехатронні модулі в системах різного призначення, таких як автоматизовані системи діагностики, сканування, опромінення. Останнім часом все більшого значення набувають мехатронні модулі в роботизованих хірургічних комплексах.

Таким чином, за допомогою інтегрованих датчиків у мехатронних модулях, виконавчих маніпуляторах автоматизованих систем, можна підтримувати точність позиціонування в заданих просторових координатах. Ці дані допомагають медичному персоналу визначити діагноз, контролювати стан пацієнта і прийняти рішення щодо лікування. Основним призначенням сенсорної підтримки в мехатронних системах є забезпечення точності та надійності функціонування системи. Датчики мають бути достатньо чутливими та стабільними, щоб забезпечувати вимірювання з високою точністю та реагувати на зміни в реальному часі.

Крім того, подібні мехатронні модулі поєднуються з датчиками для створення біонічних протезів кінцівок, відновлення рухових функцій людини при різних ортопедичних захворюваннях.

Водночас, траєкторія руху виконавчих органів мехатронної медичної системи, незалежно від її призначення, при просторових перетвореннях пошуку координат реального об’єкта повинна визначатися з урахуванням можливих деформацій.

Тому точність реального переміщення в просторі визначається датчиками, які вимірюють параметри фізичних об'єктів. Таким чином, реальні перетворення можуть бути визначені просторовими відхиленнями, які можна описати за допомогою еліпсоїдальної моделі. Точність, як і міцність мехатронних модулів руки робота, є величиною змінною. Вони залежать не тільки від кількості шарнірів та їх рухливості, але й від положення маніпуляторів у просторі.

В одній точці координат модуль може прикладати більше сили, ніж в іншій. Те саме стосується точності позиціонування, коли помилка позиціонування в одних точках більша, ніж в інших. Тому важливою актуальною проблемою при створенні медичних роботизованих систем є визначення покрокового руху такого модуля в робочому просторі.

Тому метою даної роботи є визначення еліпсоїдальної моделі ТОНТОР кроку сенсорів для автоматизованих мехатронних систем, оскільки рух виконавчих маніпуляторів і сенсорів системи під час перетворень з уявного координатного простору в реальний простір визначає похибки траєкторії.

На основі проаналізованих наявних можливостей у роботі застосування мехатронних модулів в автоматизованих медичних системах визначено актуальні завдання, пов’язані з підтримкою точності позиціонування діагностичних маніпуляторів і датчиків. Відзначено важливість сенсорних комплексів у вимірюванні різних біологічних параметрів, що визначають стан пацієнта. А це передбачає застосування моделей просторового переміщення датчика в робочому просторі автоматизованого обладнання, зокрема роботизованого мехатронного комплексу.

У роботі запропоновано використовувати модель кроку ТОНТОР для підвищення точності реалізації траєкторії руху датчиків мехатронної автоматизованої системи. Наведено результати створення еліпсоїдальної моделі кроку ТОНТОР, яка найбільш точно відображає особливості переміщення об’єкта в просторі під час трансформацій переходу в реальний простір.

МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ФАЗОВОЇ ДВОКООРДИНАТНОЇ РЕЄСТРАЦІЇ ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗОВАНОГО НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ

Володимир Малько , Юрій Куц, Юлія Лисенко, Леонід Щербак — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Стаття присвячена питанню удосконалення координатної реєстрації інформації в засобах автоматизованого неруйнівного контролю. Існуючі системи безконтактної реєстрації просторового положення датчиків неруйнівного контролю здебільшого орієнтовані на використання сигнальних полів різної фізичної природи, до прикладу акустичного чи оптичного, які створюються в околі положення цих датчиків, та амплітудних методів оброблення сигналів. Останні не забезпечують необхідної точності визначення координат у разі використання малоапертурних датчиків неруйнівного контролю.

В основу запропонованого технічного рішення покладено метод трилатерації. Визначення відстаней між випромінювачем, який конструктивно поєднаний з датчиком, та двома приймачами ультразвукових коливань здійснюється фазовим методом. Цей метод забезпечує підвищену точність визначення координат датчика. Усунення багатозначності фазових вимірювань ґрунтується на поєднанні багаточастотного методу та числової системи залишкових класів. Це дає змогу мінімізувати вірогідність некоректного розв’язання неоднозначності результатів фазових вимірювань відстані та забезпечити високу точність визначення координат (з абсолютною похибкою порядку мм). Наведено ідею методу та основні розрахункові формули, які надають змогу визначити модулі числової системи залишкових класів та значення робочих частот ультразвукових коливань. Узгодження дискретів визначення фазових зсувів сигналів з модулями числової системи залишкових класів на різних робочих частотах дає змогу звести розв’язання неоднозначності результатів фазових вимірювань до задачі відновлення цілих чисел в позиційній системі числення з їх представленням залишками в числовій системі залишкових класів. Розглянуто механізм виникнення грубих похибок відновлення цілих чисел. Запропоновано алгоритм усунення цієї похибки. В цілому коректність алгоритму визначення координат датчика підтверджена результатами комп’ютерного моделювання. Розглянутий метод двокоординатної реєстрації інформації може бути використаний як при розробці нових автоматизованих засобів неруйнівного контролю, так і для вдосконалення існуючих, які передбачають ручний метод сканування поверхні об’єктів контролю.

ВЕРТИКАЛЬНИЙ РУХ МАЛОГАБАРИТНИХ КРОКУЮЧИХ РОБОТІВ. ОГЛЯД СТАНУ ПРОБЛЕМИ

Ілля Платов, Олексій Павловський — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

У статті наведено огляд стану проблеми розробки малогабаритних крокуючих роботів вертикального переміщення завдяки силам тертя між кінцівками та поверхнею. Зокрема, особливу увагу приділено малогабаритним крокуючим роботам - гексаподам, оскільки вони мають високу стійкість та прохідність, порівняно з іншими типами роботів, як колісними, так і гусеничними. На відміну від інших типів роботів, гексаподи можуть бути повністю автономними. Це робить їх потенційно універсальним засобом для вирішення різноманітних задач у різних сферах, наприклад: рятувальні операції - гексаподи можуть проникати у зруйновані будівлі для оцінки стану під завалами, досліджувати підводні простори, загалом, рухатися в місцях, де недостатньо місця для руху та складних маневрів; військове застосування - гексаподи можуть розміновувати/мінувати території, використовуватися для розвідки або зйомки території, водночас зберігаючи життя людей через можливість повної автономності; промислове застосування - завдяки своїй маневреності та прохідності, роботи гексаподи можуть стати незамінними при роботах на кар'єрах та будівництвах, де присутні схили, гірські місцевості, та загалом там, де колісні або гусеничні роботи не можуть легко пересуватись; спелеологія - пошук та розвідка корисних копалин всередині печер, шахт тощо; ліквідація аварій, зокрема, в атомній енергетиці.

Незважаючи на довгу історію розвитку та значний прогрес у цій галузі, завдяки якому вже відомо безліч конструктивних рішень та модернізацій, на даний момент проблема вертикального руху малогабаритних роботів-гексаподів завдяки силам тертя досі залишається невирішеною.

Існуючі розробки спрямовані, зазвичай, на рух по поверхням завдяки імітації кінцівок біологічних істот (комах, тварин тощо), що дозволяє роботам підніматися вгору завдяки клейкій речовині, зчіплятися з поверхнею механічними кігтями і т. п. Також давно відомі конструкції з магнітами та присосками, однак таке рішення потребує дуже потужного джерела живлення і не є універсальним.

Тож, одним із перспективних напрямів досліджень є вертикальний рух роботів-гексаподів завдяки силам тертя між кінцівками та поверхнею, оскільки водночас робот зберігає автономність та не потребує спеціального обладнання та додаткового зв'язку з джерелом живлення (компресором тощо), і, що більш важливо, здатен здійснювати рух як по горизонтальним поверхням, так і по вертикальним.

На даний момент є декілька прикладів успішного застосування гексаподів для вертикального руху, проте огляд робіт продемонстрував, що проблема вертикального руху малогабаритних роботів-гексаподів залишається актуальною та потребує подальших досліджень і розробок. Існуючі досягнення в цій галузі дозволяють сподіватися на те, що в майбутньому ми продемонструємо ефективні рішення цієї проблеми та широке поширення гексаподів у різних галузях промисловості та науки.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕТВОРЮВАННЯ ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИМ МОДУЛЕМ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КОНТРОЛЮ

Діана Півторак , Сергій Цибульник — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Імітатори датчиків стану середовища використовуються для налаштування та контролю працездатності систем автоматичного керування технічними процесами. У ряді випадків в якості імітатора потенціометричних датчиків зручно використовувати перетворювач напруга-опір з оптико-електронним вихідним модулем на основі керованого фоторезистора.

Розроблено оптико-електронний перетворювач напруги в опір, що має гальванічну розв'язку виходу і лінійну характеристику в заданому діапазоні зміни вихідного опору. Розроблений перетворювач дозволяє довільно задавати кутовий та вільний коєфіцієнти лінійного рівняння, що описує функцію відгуку перетворювача, та коректно імітувати роботу потенціометричного датчика стану контрольованого параметра. Розроблено та виготовлено діючий макет перетворювача, проведено експериментальне визначення його функції відгуку для різних значень вільного коєфіцієнта, напруги живлення та різних варіантів схемотехнічного виконання оптико-електронного модуля.

Принцип дії перетворювача ґрунтується на зміні опору фоторезисторів під впливом оптичного випромінювання, що йде від керованого джерела. Макет перетворювача складається з оптичного та електронного блоків. В оптичному блоці встановлені джерело оптичного випромінювання та два одночасно спрямовані на нього фоторезистори. Сигнал з одного фоторезистора є вихідним, а сигнал з другого фоторезистора аналізується схемою керування, яка через регулятор яскравості синхронно змінює освітленість на світлочутливих ділянках фоторезисторів відповідно до рівня напруги керуючого та коригуючого сигналів. Експериментально визначена функція відгуку перетворювача на початковій ділянці має нелінійність у зоні низьких вхідних напруг, що визначається, насамперед, обмеженням яскравості світіння лампи та залежить від схеми її вмикання. Зона нелінійності в досліджуваному перетворювачі може бути суттєво зменшена внаслідок збільшення величини напруги живлення. У межах заданого діапазону зміни вихідного опору прямолінійної ділянки функції відгуку, вихідний опір перетворювача лінійно пов'язаний з величиною вхідної напруги, за результатами експериментальних вимірів за нормальних лабораторних умов, похибка перетворення не перевищила 0,3 %.

РОЗРОБКА СИСТЕМИ ГЕНЕРАЦІЇ НА ОСНОВІ АЛГОРИТМУ ШТУЧНОГО ІНТЕЛЕКТУ. ЧАСТИНА 1

Валерій Вережинський , Андрій Даниленко, Сергій Рупіч, Сергій Цибульник — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Розвиток сучасних інструментів і методів штучного інтелекту забезпечує широкий функціонал у різних наукових і прикладних сферах та надає можливість досягати нових результатів. Постає питання щодо застосування елементів штучного інтелекту для знаходження нових поєднань і сполучень шляхом генерації. В якості цільового результату розглядається застосування нейронної мережі для формування нових, унікальних рецептів харчової суміші, з метою визначення ефективності впровадження та використання методів і моделей штучного інтелекту. Для вирішення задачі генерації поєднань складових рецептів, у роботі розглянуто всі етапи технологічного процесу від збору, аналізу, препроцесингу даних до вибору математичного алгоритму та моделювання навченої системи. Кожен з етапів роботи містить у собі повний опис кроків, необхідних для вирішення поставленого завдання. Алгоритм машинного навчання має можливість обробляти тисячі прикладів для знаходження певної закономірності поєднань інгредієнтів. І значна увага приділяється формуванню тренувального датасету.

На етапі збору даних розглядаються особливості та основні проблеми, що виникають при роботі парсера. Важливою частиною є обхід захисних технологій при запитах до інтернет-ресурсів та зчитування DOM-дерева з коду HTML сторінки. Описано налаштування алгоритму автоматизованого збору інформації. Для розробки парсеру в роботі використовуються інструменти для швидкого розгортання проєкту та ефективного керування додатками Docker та Docker Compose. Окремим етапом є побудова датасету та аналіз даних для моделі нейронної мережі, який полягає у проведенні препроцесінгу та декодуванні і композиції у табличний вигляд. При автоматизованому процесі збору даних формується інформація зі значними шумами та зайвими елементами. Значна увага приділяється саме процесу очищення та підготовки корисної інформації, адже саме від чистоти даних та їх повноти в більшості випадків залежить якість математичної моделі та процесу моделювання для знаходження нових закономірностей та поєднань.

АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОМПЛЕКС ВИМІРЮВАННЯ ОБ’ЄМУ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

Анна Писарець , Ігор Горжий — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Одною з основних проблем у галузі газопостачання досі лишається недостатня точність визначення об’ємів спожитого газу. З одного боку це пов’язано з тим, що у складі вузлів обліку застосовуються технічно несправні або застарілі засоби вимірювальної техніки, з іншого боку – умови експлуатації вузлів обліку не завжди відповідають вимогам технічної документації. Зокрема, відсутність автоматизованих систем збору та обробки інформації від вузлів обліку, що ускладнює, а іноді унеможливлює контроль за реальним споживанням природного газу. Тому актуальним лишається питання створення автоматизованих комплексів вимірювання об’єму газу.

Метою роботи є обґрунтування структурного складу та елементів такого комплексу.

У статті наведено узагальнену структуру вузла обліку газу на базі автоматизованого вимірювального комплексу. Одним з основних елементів комплексу, що забезпечує якість та точність вимірювань, є перетворювач витрати газу за робочих умов.

Авторами здійснено аналіз методів вимірювання витрати газу, що набули найбільшого розповсюдження у вимірювальній практиці, та можливостей застосування приладів на їх основі з огляду на особливості експлуатаційного використання комплексу. У свою чергу, умови експлуатації окреслюються внутрішніми технологічними, зовнішніми механічними та конструктивними факторами.

Окремим питанням при створенні автоматизованого комплексу постає застосування інтерфейсів для можливості обміну інформацією з іншими системами та віддаленої передачі даних. В роботі сформульовано вимоги до функціоналу електронного обчислювального блоку та його програмного забезпечення, які, окрім опитування, реєстрації, індикації та обчислень, передбачають можливість самодіагностики.

Застосування таких комплексів дозволить суттєво вдосконалити якість обліку природного газу та сприятиме підвищенню ефективності використання ресурсу, прогнозуванню витрат газу, зменшенню втрат, попередженню можливих аварійних ситуацій тощо на підґрунті збору, обробки та аналізу вимірюваних даних.

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ТОЧНІСТЬ ТА НАДІЙНІСТЬ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ НАДМАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ

Дмитро Тичков, Оксана Волошко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

В статті наведені результати експериментального дослідження впливу температури, відносної вологості оточуючого середовища, а також коєфіцієнта електромеханічної дії на процес визначення електричних полів надмалої потужності. Аналіз отриманих результатів дозволив встановити найбільш раціональні умови визначення силових (електричної напруженості) та енергетичних (розподілу поверхневого заряду та електричної ємності) параметрів таких полів з більш високою точністю та надійністю. В роботі запропоновано дослідний експеримент зі встановлення точності та надійності силових та енергетичних параметрів визначення електричних полів в умовах зміни кліматичних факторів та електромеханічного коєфіцієнта, реалізація якого відбулася на вимірювальному стенді, розробленому за участі авторів. Основним елементом такого вимірювального стенду є автоматичний пристрій визначення, збирання та оброблення інформації про розподіл силових та енергетичних параметрів електричного поля під чутливим елементом вимірювального давача. Отримані внаслідок експериментального дослідження результати дозволили встановити, що коєфіцієнт електромеханічного впливу має визначальний вплив на точність вимірювання електричних полів надмалої потужності. Показано, що збільшення коєфіцієнта електромеханічного впливу від 38 пН/В (кремній <111>) до 190 пН/В (п‘єзоелектрична кераміка PZT-8) веде до підвищення відносної похибки визначення електричного поля на 4,7 %. Встановлено, що зменшення температури до 20 °С з одночасним дотриманням відносної вологості з 38 % до 74 % веде до зменшення відносної похибки на 1,5-2,2 %. В той же час, зменшення температури з одночасним зменшенням відносної вологості веде до збільшення надійності визначення електричних полів (так, ймовірність безвідмовного вимірювання силових та енергетичних параметрів електричних полів підвищується на 18 %). Проведене порівняння результатів отриманих запропонованим методом з результатами, отриманими методом атомно-силової мікроскопії (в режимі вимірювання струмів витоку з робочих ділянок досліджуваних поверхонь), що показало сильну позитивну кореляцію між цими результатами, чим підтверджується об‘єктивність запропонованого методу та адекватність отримуваних результатів. Висновки та проаналізовані дані, отримані в статті за результатами експериментальних досліджень, можуть бути використані для створення системи автоматичного корегування похибки та нестабільності визначення силових та енергетичних параметрів електричних полів надмалої потужності з урахуванням обмежуючих зовнішніх впливів.

МЕТОДИЧНІ ОСОБЛИВОСТІ РОЗРАХУНКУ ПОХИБОК ВИМІРЮВАННЯ НАПРУЖЕНОСТІ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ

Віктор Баженов , Олександр Повшенко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Вимірювання напруженості електричного поля атмосфери на сьогодні стало розповсюдженою задачею сучасної метеорології. Адже розподіл напруженості локального електричного поля поблизу поверхні Землі тісно пов’язаний з глобальним розподілом гроз і електрифікованих хмар. Силовою характеристикою електричного поля є його напруженість. Зміна атмосферного електричного поля відбувається відносно повільно, тому для вимірювання напруженості електричного поля найбільш широко використовуються електростатичні флюксметри (ЕФ).

Електростатичні флюксметри знайшли своє застосування для моніторингу електричного поля за гарної погоди, вимірювання вертикального електричного поля всередині хмар та спостереження за рухом і еволюцією штормів. Були розроблені та задокументовані різні конструкції електростатичних флюксметрів протягом більш ніж століття, але оскільки дана тематика не є популяризованою, їх методи побудови та особливості розрахунків не задокументовані. Тому, постала необхідність в узагальненні будови приладу та розрахунку його метрологічних характеристик.

Робота направлена на підвищення точності вимірювання та вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів. Задача підвищення точності вимірювання електростатичного поля напряму залежить від зменшення похибок, які виникають в приладі. До причин цих похибок можна віднести як недосконалість методу вимірювання або невідповідність об’єкта вимірювання його моделі, так само, як і властивості засобів вимірювання. У попередніх дослідженнях авторами було використано математичну модель сенсору ЕФ, яка не відповідає реальній формі сигналу, що створило необхідність в її вдосконаленні.

В даній роботі авторами було запропоновано та обґрунтовано універсальну математичну модель сенсору ЕФ. Також в роботі приведено аналіз складових запропонованої математичної моделі, який дозволить підібрати оптимальні параметри будови сенсору ЕФ, що підвищить його чутливість. Додатково у роботі було запропоновано власну функціональну схему ЕФ та розроблено методологію розрахунку її інструментальної похибки, що дозволяє виділити критичні параметри під час вибору комплектуючих для побудови приладу.

Розглянуті аспекти в цій статті обґрунтовують актуальність підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля. Проведена робота є початком досліджень, направлених на вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів.

ОЦІНЮВАННЯ МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ЗГОРЯННЯ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

Іван Коробко, Анна Писарець , Андрій Місяць — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Дефіцит паливно-енергетичних ресурсів, зростання ціни на природний газ та неперервне збільшення обсягів його споживання підкреслюють актуальність питань вимірювання кількості природного газу та оцінки його якісних показників. Україна впроваджує Європейську методику розрахунків за спожитий газ за його якістю та ефективністю. Питання визначення якості газу в Україні потребує досконалого оцінювання й дослідження. Основним фізико-хімічним показником якості природного газу, що характеризує його енергетичну цінність, є питома об’ємна теплота згоряння, яка визначає ефективність його застосування і в побуті, і в промисловості.

Метою роботи є аналіз основних методів визначення теплоти згоряння природного газу: калориметричних, хроматографічних та кореляційних.

Калориметричний метод характеризується складністю процесу вимірювання, необхідністю повного згоряння досліджуваного газу, значними часовими витратами. Водночас, забезпечується об’єктивність результатів, що грунтується на враховуванні вологості газу та наявності в ньому негорючих компонентів.

Сутність хроматографічного методу полягає в розділенні компонентів зразка газу в хроматографічній колонці, результатом якого є відсотковий склад вуглеводнів у газі. Характерними ознаками методу є виявлення широкого спектру компонентів і повторюваність результатів вимірювань. При застосуванні кореляційних методів визначення теплоти згоряння природного газу вимірюють різні фізико-хімічні параметри проб (загальна концентрація вуглеводнів, теплоємність, швидкість поширення акустичних хвиль, концентрація діоксиду вуглецю, теплопровідність, діелектрична проникність, динамічна в’язкість тощо). Кореляційна залежність, що грунтується на виборі та об’єднанні таких параметрів, досліджується на різних тестових газових сумішах, що відповідають газу з різною теплотою згоряння, дозволяє отримати емпіричну залежність. Остання слугує основою для реєстрації теплоти згоряння реального природного газу.

В роботі оцінено особливості застосування зазначених методів та приладів на їх основі.

АСФЕРИЧНІ ДВОДЗЕРКАЛЬНІ ОБ’ЄКТИВИ НАНОСУПУТНИКІВ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ ТА ПОШУКУ КОРИСНИХ КОПАЛИН

В’ячеслав Сокуренко, Олег Сокуренко — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Оптична система об’єктива є однією з важливих складових частин будь-якого космічного супутника, що використовується для спостереження поверхні Землі або астрономічних об’єктів. Через малий загальний розмір наносупутників в них часто застосовують лінзові об’єктиви з відносно невеликою фокусною відстанню. Останнє забезпечує достатньо широке поле зору, але обмежує просторову роздільну здатність отриманих зображень. Крім того, для вирішення задач сільського господарства та геодезії важливо отримувати фотознімки земної поверхні в різних спектральних діапазонах. Ця обставина обмежує застосування розповсюджених комерційних фотооб’єктивів, скоригованих для видимого спектрального діапазону.

У цій статті представлено результати автоматизованого параметричного синтезу центрованої і децентрованої асферичних оптичних систем дзеркальних об’єктивів, побудованих за схемою Річі-Кретьєна. Отримані оптичні системи мають фокусну відстань 547 мм, квадратну вхідну апертуру 80×80 мм та осьову довжину, що не перевищує розмір CubeSat 2U. Кутове поле зору об’єктивів, яке дорівнює 0,7° по діагоналі, дозволяє використовувати сучасні матричні приймачі зображення з діагоналлю чутливої площадки до 6,7 мм. Для осьового пучка 90 % енергії випромінення потрапляє в квадратну ділянку зображення зі стороною 2,5 мкм. Максимальне значення відносної дисторсії не перевищує 0,4 %. Розглянуті дзеркальні системи не мають хроматичних аберацій, що дозволяє отримувати зображення високої якості не лише у видимому спектральному діапазоні, але й в декількох інфрачервоних піддіапазонах.

Наведені результати абераційного аналізу свідчать про високу якість зображення, досягнуту в обох варіантах. Представлені оптичні системи здатні охопити прямокутну ділянку земної поверхні з діагональним розміром біля 7,9 км з висоти траси супутника 650 км. При використанні багатоелементного приймача випромінення з розміром пікселів 3 мкм, геометрична проєкція одного пікселя на земну поверхню становитиме 3,6 м.

ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА БАГАТОВЕКТОРНОГО ТРАСУВАННЯ ПРОМЕНІВ В ЕЛІПСОЇДАЛЬНИХ РЕФЛЕКТОРАХ

Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Еліпсоїдальні рефлектори завдяки наявності двох фокусів є унікальними дзеркальними оптичними елементами, що дозволяють спряжено формувати зображення в двох фокальних площинах в межах внутрішньої порожнини. Такі рефлектори використовуються в багатьох пристроях, наприклад в лінзових телескопах для забезпечення високої роздільної здатності. Вони знайшли своє застосування в оптичних системах мікроскопів для збільшення зони різкості, використовуються в оптичних приладах для наукових досліджень, наприклад, в лазерних системах для забезпечення високої точності та стабільності лазерного променю.

Несферична форма еліпсоїдальних рефлекторів, окрім своїх переваг, має й недоліки: виникнення похибок в результаті трасування променів бічною поверхнею, що ускладнює абераційний аналіз та потребує спеціалізованих програмних забезпечень для проведення багатовекторного трасування. Врахування відхилень координат точок перетину променями з другою фокальною площиною дозволить оптимізувати конструкцію рефлектора для досягнення найбільшої ефективності. Тому метою даної роботи є підвищення ефективності абераційного аналізу еліпсоїдальних рефлекторів внаслідок розробки принципів та інформаційних засобів багатовекторного трасування променів.

У роботі представлені результати розробки інформаційної системи для проведення багатовекторного аналізу в еліпсоїдальних рефлекторах. Розроблений алгоритм багатовекторного трасування дозволив здійснити вибір режимів трасування, налаштування параметрів запуску та встановлення кроку точок запуску променів. Представлено особливості спеціалізованого програмного забезпечення при одно- та багатовекторному трасуванні променів в еліпсоїдальному рефлекторі. Цільовим об’єктом дослідження є бічна поверхня еліпсоїда. У програмному забезпеченні реалізовано можливість використання різних способів багатовекторного трасування променів: за радіусом, за діаметром та за частиною радіусу для різних типів задач, що розширює можливості для візуалізації результатів моделювання.

На підставі багатовекторного абераційного аналізу функціонування бічної поверхні еліпсоїдального рефлектора отримано значення відхилень координат центру та середньоквадратичного відхилення координат для різних актів відбиття при зміні зенітного кута трасування. Оцінено вплив зенітних кутів на відхилення координат, що може бути використано при виборі параметрів еліпсоїдальних рефлекторів та конструкції оптичної системи фотометрів різного призначення, а також проєктуванні додаткових засобів для компенсації аберацій або зміни форми бічної поверхні рефлектора.

ТРИКОМПОНЕНТНІ ЛІНЗОВІ ЗУМ-АФОКАЛЬНІ СИСТЕМИ ЗУМ-ТРАНСФОКАТОРІВ НИТЯНИХ ДАЛЕКОМІРІВ

Карина Лазаренко , Ігор Чиж — Fri, 30 Jun 2023 00:00:00 +0300

Проблематика роботи: Синтез зум-трансфокаторів, у складі яких використовується зум-афокальні системи разом із фікс-об’єктивами; створення методу параметричного синтезу трикомпонентної зум-афокальної системи зум-трансфокатора на основі вимог до потрібного діапазону зміни кутового збільшення, допустимого зрізання периферійних пучків променів, поля зору системи та зовнішнього розташування апертурної діафрагми.

Мета дослідження. Розробка придатного до комп’ютерної автоматизації методу синтезу трикомпонентної зум-афокальної системи.

Методика реалізації. Використовується теорія оптичних систем, складених з тонких компонентів. На базі вказаної теорії складається система рівнянь, у якій відстані між компонентами є невідомими. Для забезпечення технологічності перший і третій компоненти системи є ідентичними. За допомогою формул кутів і висот нульових променів, з урахуванням вимог до допустимого він’єтування пучків та кутів поля зору трансфокатора, розраховуються потрібні світлові діаметри компонентів.

Результати дослідження. Отримані формули габаритного розрахунку зум-афокальної системи дозволяють враховувати вимоги до поздовжніх та поперечних габаритів системи, положення апертурної діафрагми, визначати фокусні відстані компонентів та їх взаємне розташування залежно від кутового збільшення на всьому діапазоні його зміни. Встановлено, що трикомпонентна система з ідентичними першим та другим компонентами має змінну осьову довжину, яка є максимальною при кутовому збільшенні.

Висновки. Створений метод параметричного синтезу трикомпонентної зум-афокальної системи для зум-трансфокатора, в якому апертурною діафрагмою слугує апертурна діафрагма фікс-об’єктиву, дозволяє автоматизувати габаритний розрахунок системи і визначити закони лінійного переміщення її компонентів вздовж оптичної осі.