Структурный анализ систем. Вепольный анализ. ТРИЗ

3.2. Виды вепольных систем для измерения и обнаружения

Существует класс задач, в которых необходимо измерять какие-то параметры систем или обнаруживать какие-то объекты или их части. Условно такие системы будем называть – измерительными. Модели таких систем могут иметь вепольные структуры, рассмотренные ранее (3.2), (3.3) или (3.6).

Для измерения параметров вещества В₁ или его обнаружения к нему присоединяют вещество В₂, которое может:

– генерировать поле П₁ (3.7);

– преобразовывать поле П₁ в поле П₂ (3.9);

– видоизменять поле П^» в поле П^»» (3.10).

Генерирование поля

Необходимо измерить или обнаружить объект, который обозначим как вещество В₁.Для этого к нему присоединяют вещество В₂, которое генерирует поле П₁.

В вепольном виде генерирование поля описано схемой (3.7). Слева от двойной стрелки показано, что в системе нужно обнаружить или измерить (вещество В₁), а справа – вепольная модель генерирования поля, где В₂ – вещество-генератор, которые мы рассмотрели выше.

По выделяемому полю можно легко обнаружить В₁ или измерить его характеристики.

Пример 3.5. Обнаружение затонувшего объекта

Для обозначения места затонувшего объекта В₁ к нему прикрепляют радиобуй В₂, дающий сигнал П_рад (3.8), который является радиомаяком для спасательных средств (рис. 3.1).

Где:

В₁ – затонувший объект;

В₂ – радиобуй;

П_рад – радиосигнал (радиополе – электромагнитное поле).

Рис. 5.1. Обнаружение затонувшего объекта

Преобразование поля

Необходимо обнаружить вещество В₁. Для этого к нему присоединяют вещество В₂, на которое воздействуют полем П₁и вещество В₂ преобразует его в поле П₂. Преобразование поля описано веполем (3.9).

Примечание. Следует отметить, что если объект измерения В₁ отзывчив на имеющееся в нашем распоряжении поле П₁ и может адекватно реагировать на это поле (генерировать ответное поле П₂), то нет необходимости добавлять другое вещество В₂.

Пример 3.6. Измерение температуры

Градусник можно представить веполем (3.9).

В₁ – объект, температуру которого нужно измерить;

В₂ – градусник, «переводящий» температуру (тепловое поле П₁ или П_тем) в некоторый сигнал (поле П₂), например, электрический сигнал П_эл или оптический П_опт – столб ртути, на который мы смотрим.

Схема (3.9) в данном примере может быть уточнена. Объект, температуру которого нужно измерить В_1, генерирует поле (тепловое поле) П_1, воздействующее на вещество В₂ (градусник), показывающий температуру П_2. (3.10)

Схемой (3.9) можно представить любой датчик (сенсор), например, для измерения: давления, скорости, перемещения, положения, натяжения, расхода, влажности, уровня, радиоактивности и т. д.

Видоизменение поля

Необходимо обнаружить вещество В₁. Для этого к нему присоединяют вещество В₂, на которое воздействуют полем П^», и вещество В₂ видоизменяет его в поле П^»». Видоизменение поля описано веполем (3.11). Поля П^» и П^»» одной и той же природы, они, например, могут отличаться количественно, но могут быть и друге характеристики, например полярность, фаза, цвет и т. д.

Веполем (3.11) можно представить, например, любые электрические измерения: напряжения, тока, мощности, частоты; измеритель информации и т. д.

Пример 3.7. Обнаружение пешехода

Для того чтобы в темное время суток обнаружить и не сбить пешехода (В₁), к его одежде, обуви или сумке прикрепляют светоотражающий материал (В₂). Свет фар (П^») автомобиля отражается от этого материала (В₂), и шофер видит отраженный свет (П^»»). Это можно представить веполем (3.12).

Где:

В₁ – пешеход;

В₂ – светоотражающий материал;

П^«_опт – свет фар (оптическое поле);

П^««_опт – отраженный свет (оптическое поле).

Пример 3.8. Бактерии определяют химикат

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали устройство, определяющее конкретный химикат.

В качестве индикатора использовали конкретные бактерии, которые при прикосновении с определенным химическим веществом светятся⁴.

В качестве живого материала использовали конкретные бактерии, расположенные в воде, находящейся в гидрогеле.

Поддержание жизнедеятельности бактерий осуществляется с помощью жидкой питательной среды, расположенной в гидрогеле⁵.

Устройство выполнено в виде перчаток или бандажа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Устройство, определяющее химикат

3.3. Виды вепольных структур

Существуют следующие виды вепольных структур:

1. невепольная система (3.13), (3.14), (3.15);

2. вепольная система – простой веполь (3.16);

3. комплексный веполь:

– внутренний комплексный веполь (3.20), (2.21);

– внешний комплексный веполь (3.24), (3.25);

– комплексный веполь на внешней среде (3.28), (3.29);

– комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32), (3.33);

4. цепной веполь (3.36);

5. двойной веполь (3.40);

6. смешанный (3.43), (3.44).

Невепольная система

Система, состоящая из одного элемента: вещества В₁ или поля П₁, описанных схемой (3.13), или двух элементов: двух веществ В₁, В₂ (3.14); вещества В₁ и поля П₁ (3.15), называется невепольной или неполной вепольной системой.

Невепольные системы, как правило, неуправляемые или плохо управляемые.

Основное правило вепольного анализа

Невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными. Это правило можно условно представить в виде (3.16).

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.

Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину.

Разбор задачи

Разберем эту задачу с позиций вепольного анализа. Имеется древесина и кора. Система невепольная. Она может быть описана схемой (3.17).

Где:

В₁ – древесина;

В₂ – кора.

Это не вепольная система ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во ведении поля П₁, воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины. В вепольном анализе такое действие осуществляется через посредник, в данном случае через древесину В₁. Это показано вепольной схемой (3.18).

Необходимо подобрать поле П₁, которое может осуществить такое действие.

Между корой и древесиной (рис. 3.3) находится слой клеток (камбий), содержащий большое количество влаги, вскипание которой может оторвать кору. Вскипание можно осуществить с помощью вакуума или нагрева, например, токами высокой частоты. Таким образом, вепольный анализ рекомендует использовать тепловое поле П₁ = П_теп.

Здесь использовали ресурсы – структуру древесины – камбий, а также физические эффекты: кипение и нагрев токами высокой частоты.

Рис. 3.3. Схема поперечного разреза ствола дерева

Задача 3.2. Слежение за объектом

Условия задачи

Необходимо следить за каким-то объектом В_1.

Разбор задачи

Дано только одно вещество В₁ – объект слежения.

Система невепольная.

Для слежения за каким-либо объектом к нему прикрепляют «жучок». С помощью специальной аппаратуры определяют место нахождения объекта слежения.

Итак, у нас имеется объект слежение В_1. Построим вепольную схему слежения за объектом. Для этого добавим еще одно вещество В₂ («радиожук»), которое генерирует поле П₁ (радиополе).

Веполь будет иметь вид (3.19).

Где:

В₁—объект слежения;

В₂ – «радиожук»;

П₁ – радиополе.

Дальнейшее повышение управляемости вепольных систем осуществляется заменой веществ и/или полей на более управляемые и изменением структуры веполей.

Рассмотрим виды вепольных структур.

Как мы отмечали выше, вепольные структуры могут быть комплексные, цепные и двойные. Рассмотрим эти структуры.

Комплексный веполь

Комплексный веполь – это веполь с дополнительным введенным веществом В₃, которое может присоединяться к В₁ или В₂, повышая управляемость системой или придавая ей новые свойства, тем самым, повышая эффективность технической системы.

Комплексные веполи бывают:

– внутренний комплексный веполь (3.20) и (3.21);

– внешний комплексный веполь (3.24) и (3.25);

– комплексный веполь на внешней среде (3.28) и (3.29);

– комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32) и (3.33).

Внутренний комплексный веполь – это комплексный веполь, где добавка В₃ присоединяется внутрь веществ В₁ (3.20) или В₂ (3.21). Введение вещества внутрь условно показано в виде скобок.

Задача 3.3. Сбор разлитой нефти

Условия задачи

В результате аварий танкеров на поверхности моря разливается нефть (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Крушение супертанкера «Эксон Вальдез» (Exxon Valdez)

24.03.1989 г., пролив Принца Уильяма возле Аляски (Prince William Sound, Alaska). Вылилось более 40 миллионов литров сырой нефти.

Один из методов сбора разлитой нефти на поверхности воды заключается в следующем. Пятно нефти окружают плавающими барьерами, которые предотвращают растекание нефти (рис. 3.5). Затем окруженное пространство засыпают пористыми гранулами – адсорбентами, которые впитывают нефть.

Рис. 3.5. Плавучие барьеры, ограждающие пятно нефти

Задача возникает при сборе гранул, заполненных нефтью.

Разбор задачи

Имеются гранулы В₁, заполненные нефтью В₂.

Система невепольная. Она представлена на схеме (3.22). Гранула В₁ воздействует на нефть В₂ адсорбируя ее (капиллярный эффект).

Где:

В₁ – гранула;

В₂ – нефть.

Для решения мы должны достроить систему до вепольной. Необходимо найти поле, отзывчивое на гранулу с нефтью, чтобы можно было ее легко убирать. Такое поле найти сложно, поэтому мы добавляем еще одно вещество В₃ в гранулу В₁, которое будет отзываться на введенное поле П₁. Это поле должно поднимать гранулу, а вместе с ней и нефть.

Предложено в гранулы добавить ферромагнитные частицы В₃, тогда их будет легко собрать магнитным полем П₁ (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сбор нефти на поверхности моря⁶

Вепольная структура (3.23).

Внешний комплексный веполь – это комплексный веполь, где добавка В₃ присоединяется внешне к В₁ (3.24) или В₂ (3.25). Этот вид комплексного веполя используется, когда невозможно или нежелательно вводить В₃ внутрь имеющихся веществ.

Задача 3.4. Демонтаж радиоэлементов

Условия задачи

Демонтаж радиоэлементов производится с помощью паяльника. При этом часто перегрев (термоудар) приводит к порче радиоэлемента. Как быть?

Разбор задачи

Построим вепольную модель описанной системы. Она может быть представлена схемой (3.26).

Где:

П₁ – температурное поле разогретого паяльника;

В₁ – олово;

В₂ – вывод (ножка) радиоэлемента.

Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В₁ к В₂) – олово расплавляется и освобождает ножку радиоэлемента. Вредное (волнистая стрелка от В₁ к В₂) – горячее олово перегревает ножку радиоэлемента и собственно радиоэлемент.

Одно из возможных решений перейти к внешнему комплексному веполю (3.27), т. е. необходимо внешне ввести дополнительное вещество. Обозначим его как В_3.

Чтобы радиоэлемент при демонтаже не испортился от термоудара, перед нагревом в место распайки вводят припой В₃ с температурой плавления ниже температуры плавления основного припоя (рис. 3.7). Дополнительный припой, представляющий собой сплав олово-свинец-висмут, существенно уменьшает термоудар радиоэлемента.

Рис. 3.7. Введение низкотемпературного припоя

Комплексный веполь на внешней среде – это внешний комплексный веполь, где в качестве В₃ используется внешняя среда В_ВС, которая может добавляться к В₂ (3.28) или к В₁ (3.29).

Этот вид комплексного веполя целесообразно использовать, когда невозможно или нежелательно присоединять В₃ к имеющимся в системе веществам.

В_ВС – вещество внешней среды, В₃ = В_ВС.

Задача 3.5. Очистка железнодорожных путей

Условия задачи

Очистку железнодорожных путей от снега или грязи осуществляют с помощью специального локомотива или навесного оборудования. Это не идеально. Необходимо приобретать специализированное оборудование, тратить лишнюю энергию, время, человеческие ресурсы на эксплуатацию и ремонт. Как избежать этого?

Разбор задачи

Вепольная схема задачи имеет вид (3.30).

Где:

В₁ – грязь или снег;

В₂ – щетка;

П₁ – вращение щетки.

Одно из возможных решений – перейти к комплексному веполю на внешней среде (3.31).

Где:

В₁ – грязь или снег;

В₂ – щетка;

П₁ – вращение щетки;

В₃ – отражатель;

В_ВС – воздух;

П₂ – набегающий поток.

Очистку железнодорожных путей можно проводить набегающим на локомотив потоком воздуха, направляя его в нужное место с помощью специальных экранов и отверстий (рис. 3.8). Каждый локомотив может быть снабжен таким приспособлением⁷. Оно может устанавливаться при изготовлении локомотива. Тогда железнодорожные пути не нужно будет специально очищать.

В этом изобретении использовали ресурсы – набегающий поток воздуха.

Рис. 3.8. Очистка железнодорожных путей. А. с. 1 054 483