ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Рисунок 5 – Применение метода маленьких человечковРешением данного противоречия по АРИЗу будет введение в систему ослабителя, который будет ослабливать действие поля давления, например упругая нить между мембраной и корпусом. Это приведет к тому, что сердечник будет лучше перемещаться и увеличиться чувствительность канала измерения давления. 4 Вепольный анализВеполь - минимально управляемая техническая система, состоящая из двух взаимодействующих объектов и энергии их взаимодействия.Вепольный анализ (от слов вещество и поле) – еще один метод решения изобретательских задач. Представляет собой структурный метод решения изобретательских задач. Простейшая структура представляется веполем, состоящим из 3-х элементов.Взаимодействующие объекты условно называют веществами и обозначают: В1 и В2. Энергию взаимодействия называют полем: П.В ТРИЗ существуют два основных метода синтеза вепольных структур: 1) достройка неполной триады до полного треугольника; 2) разрушение старой треугольной структуры и постройка новой.Определим веполь в рассматриваемой системе.П – поле давления, В1 – мембрана.Для получения полного веполя необходимо ввести вещество В2, которое устранит вредное действие (плохую сжимаемость). В2 – ослаюитель. На рис. 6 и рис. 7 приведены схемы неполного и полного веполей соответственно: Рисунок 6 – Неполный вепольРисунок 7 – Полный веполь5 Формула учебного изобретенияДатчик давления, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, причем мембраны чувствительного элемента разделены на верхнюю и нижнюю и герметично по периметру прикреплены к корпусу, образуя безвоздушный зазор, при этом отверстия корпуса расположены выше и ниже зазора, стойка размещена внутри зазора и прикреплена к корпусу, а фотоприемные линейки, также размещенные в зазоре, прикреплены соответственно к верхней и нижней мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок, от исследуемого прототипа отличается тем, что между мембраной и корпусом добавлена дополнительная упругая нить.6 Топологический анализ структуры прототипа с помощью теории графовКонструктивно-функциональная схема (КФС) отражает принцип действия системы и представляет собой граф, вершинами которого являются элементы системы, а ребрами – выполняемые элементами функции. Составим КФС датчика измерения давления согласно описанию изобретения. Датчик состоит из следующих элементов: 1 – корпус2 – нижняя мембрана;3 – верхняя мембрана;4 – стойка;5 – источник излучения;6 – фотоприёмные линейки;7 – две шторки;8 – прорези;Рисунок 8 – КФС датчика давления и температурыБинарные отношения элементов (действия друг на друга):1-3 – крепление верхней мембраны к корпусу1-2 – крепление нижней мембраны к корпусу1-6 – крепление фотоприёиой линейки к корпусу5-8 – крепление прорези к источнику4-1 – стойка соединена с корпусом; 5-4 – источник соединен со стойкой;3-5 – верхняя мембрана отражает свет от источника2-5 – нижняя мембрана отражает свет от источника8-3 – прорезь принимает изображение с верхней мембраны8-2 – прорезь принимает изображение с нижней мембраны7-8 – шторки закреплены на прорезях;6-8 – фотоприёмные линейки принимают изображение с прорези При анализе схемы необходимо обнаружить особые элементы: 1. изолированные (не содержат связей); 2. входные (в которые нельзя попасть из других элементов); 3. выходные (из которых нельзя попасть в другие элементы). Поиск элементов проводится при использовании матрицы смежности , по которой для каждого элемента (где – число элементов в топологической структуре) определяется вектор , с компонентами:,т.е. - сумма элементов строки матрицы (определяет число связей, выходящих из k-го элемента), – сумма элементов столбца матрицы (определяет число связей, входящих в -й элемент). Если , то элемент – изолирован.Составим матрицу смежности системы: №12345678ak10111010042000000011300000001140000100015011000013600000000070000000118000001001ak0221120412Из матрицы смежности видно, что 1. нет изолированных элементов; 2. входные элементы: 1 и 7; 3. выходные элементы: 6. 6.1 Анализ связей1. Петли – наличие связи между входом и выходом одного и того же элемента. В этой структуре нет, так как отсутствуют единицы на главной диагонали. 2. Контур – чередующаяся последовательность элементов aи связей u, в которой начальный и конечный элемент совпадает при условии k > 2. В данной структуре нет контуров. 3. Определение связных подструктур производиться по пересечению множеств: , где – множество элементов структуры, которые можно достичь по связям из данного элемента i; –множество элементов структуры, из которых можно достичь элемент i.1 – корпус2 – нижняя мембрана;3 – верхняя мембрана;4 – стойка;5 – источник излучения;6 – фотоприёмные линейки;7 – две шторки;8 – прорези;Таблица 1. Анализ связанных подструктурПересечениеКоличество общих элементовB(1) = {1,2,3,4,5,6}{}={}0B(2) = {1,4,5}{8,6}={}0B(3) = {1,4,5}{6,8}={}0B(4) = {1}{2,3,5,8,6}={}0B(5) = {1,4}{2,3,8,6}={}0B(6) = {1,2,3,4,5,7,8}{}={}0B(7) = {}{8,6}={}0B(8) = {1,2,3,4,5,7}{6}={}0Свернем 1,4 и 8-7 в один элементи получим следующую структуру: Рисунок 9 – Результат свертывания связной подструктуры6.2 Определение степени связностиПри оценке элементной связности определяется наименьшее количество элементов, удаление которых из структуры приводит к несвязной структуре, содержащей изолированные элементы. Эта операция имеет двоякое значение: нахождение элементов, удаление которых не отражается на КФС; нахождение элементов, удаление которых ведет к распаду КФС. Здесь же необходимо найти один главный (наиболее значимый для КФС) элемент. В итоге нужно получить минимально необходимую и достаточную КФС. Ранжирование элементов по важности представлено в табл. 2. 1 – корпус2 – нижняя мембрана;3 – верхняя мембрана;4 – стойка;5 – источник излучения;6 – фотоприёмные линейки;7 – две шторки;8 – прорези;Таблица 2. Ранжирование элементов КФСУдаляемый элементКоличество образовав-шихся осколков ИС (изолированные элементы структуры)Отметка важности(-) – можно удалять(+) – важный для ИС(++) – главный элемент10+20++30++40+50++60++70-81+Без удаляемых элементов получаем новую структуру, представленную на рис. 10. Рисунок 10 – Минимально необходимая и достаточная структураПри оценке связности по действиям определяется наиболее важное действие, удаление которого приводит к устранению конфликта. Главное действие – (6-8) – воздействие электромагнитного поля на фотоприёмникии воздействие поля давления измеряемой среды на мембраны. Оценка избыточности связности. При оценке избыточности связности учитываются следующие величины: R – количество связей (действий), n – количество элементов. Тогда, необходимое число связей для связности структуры: Rmin= n-1.Тогда степень избыточности связности:Для исходной структуры:Для полученной структуры: При получаем неизбыточную структуру.6.3 Анализ функциональных преобразованийЭлементарная цепочка функциональных преобразований (или минимальная КФС): RO (источник операции) –> O (операция) –> OO (объект операции) –> R (результат). Таких цепочек в рассматриваемой структуре три: 1 –>2–>8–>61 –>3–>8 –> 61 –>4–> 5 –> 8 –> 61 –> 4 –> 5 –> 2 -> 8 –> 61 –> 4 –> 5 –> 3 -> 8 –> 6 (8– главный функционер). Таблица 3. Смысловой анализ цепочеквысказываниеоценкаКорпус 1, держит мембрану 3, которая воздействует на прорезь 8, которая передаёт изображение на фотоприёмник 6верноКорпус 1, держит мембрану 2, которая воздействует на прорезь 8, которая передаёт изображение на фотоприёмник 6верноКорпус 1, держит стойку 4, которая держит источник 5, который воздействует на прорезь 8, которая передаёт изображение на фотоприёмник 6верноКорпус 1, держит стойку 4, которая держит источник 5, который воздействует на мембрану 2, которая воздействует на на прорезь 8, которая передаёт изображение на фотоприёмник 6верноКорпус 1, держит стойку 4, которая держит источник 5, который воздействует на мембрану 3, которая воздействует на на прорезь 8, которая передаёт изображение на фотоприёмник 6верноНеобходимо сократить первую и вторую цепочки до трех элементов. Здесь 6 – результат, 8 – изделие. Следовательно, надо выбрать среди элементов 1,4,5,6,9 инструменты для элемента 6. В результате получаем новый набор цепочек3–>8–>6,2–>8–>6, 5–>8–>6. Рисунок 11– Смысловой анализ цепочекС точки зрения вепольного анализа, получена структура, представляющая вредный веполь и отражающая нежелательные эффекты системы. 6.4 Определение диаметра структурыПусть dij– длина минимального пути между входным элементом iи выходным j, равная числу действий, составляющих этот путь. Тогда, если I и J - множества входных и выходных элементов структуры, то диаметр структуры:d=max dij,i I, j Jхарактеризует максимальное число связей, разделяющих входные и выходные элементы – наибольшая длина причинно – следственной цепочки. Для исходной КФС (1 – 4 – 5 – 2 –8– 6) d= 5. Для полученной КФС (например, 3 – 8 – 6) d = 2. Для перехода к схеме конфликта необходимо получить d = 1.6.5 Определение полюса действия – наиболее нагруженного элементаПолюсом действия называется элемент, инцидентный более чем двум связям. В полученной однополюсной структуре (рис. 11) явным полюсным элементом является структура, свернутая в элемент 8. Показатель полюсностиV(8) = 3. №12345678ak10111010042000000011300000001140000100015011000013600000000070000000118000001001ak0221120412Определим полюс в исходной системе.V(1) = 4; V(2) = 3; V(3) = 3; V(4) = 2; V(5) = 4; V(6) = 2; V(7) = 1; V(8) = 5;. Получаем, что в исходной системе один полюс с показателем 5 и три полюса с показателем 4, 3. Можно сделать вывод, что конфликт в исходной схеме был сосредоточен в радиотехнических элементах системы (1,5,2,3).Элемент 8 со своими связями образует «узкое» место структуры – место наиболее сильного конфликта.7 Составление потоково-информационной и структурно-энергетической схем устройстваПотоково-информационная схема (ПИС) отражает преобразование системой во времени потоков энергии, вещества, информации проходящих через систему. Составим потоково-информационную схему датчика давления и температуры: Рисунок 12 – Потоково-информационная схемаВ структурно-энергетической схеме используется два типа элементов: вещество и поле. Под веществами понимаются любые элементы, устройства технической системы, ее функциональные части. Поля отражают любое взаимодействие между веществами. Составим структурно-энергетическую схему датчика давления и температуры: Рисунок 13 – структурно-энергетическая схемаОбозначения: П1 – поле давления, В1 – верхняя мембрана, П2 – поле давления, В2 – нижняя мембрана, П3 – электромагнитное поле, В3 – источник излучения, П5 – электромагнитное поле, П4 – электромагнитное поле, В4 – прорезь, П2 – электромагнитное поле, В7 – фотоприёмная линейка, П6 – электромагнитное поле, П6 – электромагнитное поле, П7 – электромагнитное поле.8 Моделирование процесса мышления по шагам решения изобретательской задачиНачальные условия для моделирования аттрактора Лоренца и Рёсслера: x = 4,8;y = -2,5; z = 3.4.На рис. 14 приведен график координат аттрактора Лоренца. Красным цветом на графике изображен момент распада. Распад происходит в момент времени t = 1,2 c. Рисунок 14 – График координат x, y, z аттрактора Лоренца и момент распада прототипа на техническое противоречие9 Определение физического свойства решения изобретательской задачи при помощи LT-таблицы кинематических величин Р.О. БартиниИспользуем таблицу Бартини для разрешения физического противоречияВ разделе 3.3 было выявлено физическое противоречие: Оперативная зона в течение оперативного времени должна быть упругой, чтобы возвращаться в исходное положение при ослаблении поля давления, и пластичной, чтобы хорошо перемещать сердечник.Поле, действующее на сильфон, по таблице Бартини определяется как давление: .Сила упругости зависит от жесткости. По таблице Бартини: .По логике «И» - «И» :L2T-4 · L3T-4= L5T-8Определим тренд: .Ниже представлена таблица Бартини с родительским трендом. Таблица 4. Система физических величин Бартини.Возможное решение: – усиление поля давления, введением сдерживатель перед мембраной, например нить.10 Схема имитационного моделирования информационно-энергетической схемы в LT-базисе БартиниНа основании ИЭС (рис. 12), в которой учтены основные элементы структуры и связи между ними. Находим переходные матрицы блоков схемы. Передаточные матрицы блоков находятся по формуле: Верхняя мембрана: от давления Pк перемещению S. Перемещение имеет размерность длины [м], согласно таблице Бартини. Нижняя мембрана:от давления Pк перемещению S.Источник излучения: от электромагнитного поляWк электромагнитному полю W.Прорезь:от электромагнитного поляWк электромагнитному полю W. Фотоприёмныелинейки:от электромагнитного поляWк электромагнитному полю WРассчитаем ресурсоемкость системы по формуле: Ресурсоемкость всей системы: Схема имитационного моделирования системы представлена на рис. 15. Рисунок 15 – Имитационная схема системыСписок литературы1. Бушуев А.Б., ЛитвиновЮ.В.. Моделирование процессов технического творчества. – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 39с.2. Бушуев А.Б., ЛитвиновЮ.В.. Математическое моделирование процессов технического творчества. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 181с.3. Бушуев А.Б., Применение методов технического творчества в инновационной деятельности – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 124 с.4. Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В. Функционально-структурное моделирование технических систем– СПб: Университет ИТМО, 2019. – 28.5. диБартини Р.О., Кузнецов П.Г. Множественность геометрий и множественность физик. // Материалы семинара "Кибернетика электроэнергетических систем". Брянск,1974.