ПРИНЦИПЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЯ

М. Л. Кручинин

 Михаил Леонидович Кручинин

Родился в 1956 г., инженер-электрик, в настоящее время сотрудник Петербургского института ядерной физики, занимается разработками датчиков физических величин, учится в аспирантуре по этой тематике.

С ТРИЗ познакомился в 1979-1981 гг. на лекциях Литвина С. С. и Злотина Б. Л.

Кроме специальных статей, имеет публикации по развитию технических систем в изданиях института истории техники и естествознания, научно-популярные работы. Помимо основной деятельности преподает историю техники и учебный курс    по использованию «Изобретающей машины» в вузах и школах Петербурга. В 1990-1991 гг. принимал участие в работе профессионального изобретательского. коллектива при НТК «Биосвязь». Основная область интересов — развитие измерительной техники и вопросы использования физических знаний.

 

К принципам систематизации физических знаний каждая группа пользователей предъявляет свои требования. Вот почему, несмотря на солидный возраст этой проблемы, ее актуальность не уменьшилась. Особенно волнует ее решение инженеров и изобретателей, для которых физические знания являются одним из основных рабочих инструментов. Для этой группы пользователей получили распространение «указатели физических эффектов». Определено нечетко. В данной статье этот термин будем понимать как функциональную связь между двумя физическими величинами.

Первый указатель физэффектов содержал качественное, лапидарное описание большого количества физических явлений, проиллюстрированное примерами их изобретательского применения. Огромная работа, выполненная Ю. В. Гориным, принесла несомненную пользу слушателям изобретательских школ и университетов [1]. Однако в инженерной и изобретательской практике ее применение было весьма ограничено из-за отсутствия количественного подхода и упрощенного изложения.

Дальнейшее развитие указателя пошло по пути поиска путей перехода от задачи к физэффекту [2]. Применение количественного похода сдерживалось недостаточно разработанным языком описания разных по своей физической природе эффектов.

Эта проблема особенно актуальна для разработчиков датчиков физических величин. В этой области уже давно используются обобщенные параметры для описания электрических, механических, тепловых и других разнородных цепей и полей. Этот подход использовал и развил М. Ф. Зарипов в своих картах физэффектов. Используя четыре обобщенные величины и шесть параметров, он получил возможность в однообразной форме записать физэффекты разнообразной природы. Кроме того, в каждой карте приводятся численные значения величин, присущих конкретному эффекту [3].

Применение такого языка для компактного изложения знаний и их формализации важно, однако с точки зрения изобретателя-практика главным является наглядно-образное представление механизма действия используемых эффектов, их ограничений, побочных и нежелательных следствий, взаимосвязей с другими эффектами. Чрезвычайно важным является также умение отличать опытные факты от их теоретических моделей. На практике способность образно представлять многомерность проявлений физических явлений в реальных условиях развивается только в результате многолетнего переоткрывания казалось бы знакомых физических законов.

Цель настоящей статьи — наметить некоторые пути представления физических знаний, которое бы отвечало потребностям изобретателей и стыковалось бы с присущим им наглядно-образным мышлением.  

Рассмотрим этапы деятельности изобретателей с точки зрения использования знаний.

ЭВРИСТИЧЕСКИЙ ОТДЕЛ

На этой стадии нельзя ограничиться формально-аналитическим описанием физэффекта, так как необходимо вжиться в него изнутри, чтобы примерить его применимость для разрешения найденного противоречия.

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Чтобы построить простую оценочную модель, нужно знать, какие факторы считать несущественными. Искусство построения таких моделей базируется на применении общих физических принципов.

СТАДИЯ ОПТИМИЗАЦИИ

Простая оценочная модель усложняется и требует применения аппарата соответствующей технической науки. В результате появляется необходимость использовать соответствующие уравнения. Далее следует вычислительный эксперимент с использованием математических программных пакетов. Однако интерпретация результатов вновь требует понимания физики используемых явлений.

Ограничившись в основном эвристической стадией, рассмотрим на примере емкостного датчика систему описывающих его физэффектов, двигаясь от техники к физике.

Датчики такого типа представляют собой систему проводников, создающих электрическое поле, и диэлектрик, разделяющий проводники. Этой структуре соответствуют и связанные с ней физические эффекты, определяемые наличием электрического поля, диэлектрика в этом поле и эффекты, определяемые геометрией и поверхностными .свойствами тел, составляющих систему.

Таким образом, емкостной датчик перемещения, поворота, давления, ускорения, уровня, влажности и множества других величин можно описать, используя эти четыре группы физических явлений. В свою очередь, каждая из этих групп может быть разделена на теоретические модели, используемые в соответствующей области физики (подгруппа А), опытные законы, на основе которых выведены эти модели (подгруппа Б), и, наконец, частные физэффекты (подгруппа В). Нетрудно видеть, что внутри каждой из четырех групп физическая пирамида построена по принципу убывающей (сверху вниз) общности рассматриваемых явлений. Так, подгруппа теоретических моделей не является собранием опытных фактов и потому не включается в практические указатели, являясь достоянием вузовских курсов, где очень много внимания уделено математическим приемам создания таких моделей. Однако именно для практиков эти модели позволяют наглядно описать частные эффекты при условии понимания лишь механизма их создания. Рассмотрим это на примере взаимосвязи теоретических моделей, опытных законов и частных физэффектов.

Большое число частных физэффектов может быть представлено и объяснено с помощью двух фундаментальных понятий — напряженности электрического поля, по закону Кулона, и обобщенного потока, зависящего только от суммы создающих его зарядов, по теореме Гаусса [4].

На рис. 1 изображено устройство конденсатора Кельвина, который используется для точных измерений емкости. Заземленные дополнительные электроды, изолированные от рабочего

 электрода 2, замыкают на себя часть потока электрического поля — они вырезают неоднородную, краевую часть поля, в результате чего становится возможным расчет по формуле плоского конденсатора. Этой же цели служат заземленный экран вокруг конденсатора и подводящих проводов емкостей. Теорема Гаусса, дающая простую связь заряда и потока поля, плюс определение емкости через связь заряда и потенциала составляют основную часть аппарата описания, объяснения и использования рассматриваемой группы эффектов.

На рис. 2 схематически изображен датчик линейных перемещений, у которого емкость между электродами 1 и 2 уменьшается по мере введения между ними заземленного экрана 3. Последний частично перекрывает поток поля, при этом уменьшается индуцированный заряд, а значит, и емкость. Преимущество такого датчика перед прототипом, у которого перемещаются сами электроды 1 и 2, в том, что при наклонах и других нежелательных перемещениях движущегося электрода меняется только краевая часть поля в районе его торца; отпадает и необходимость снимать ток с этого электрода [S].

На рис. 3 изображен датчик влажности сыпучего материал [5], образованный электродами 2 и 3, которые расположены на противоположных стенках диэлектрического резервуара 1. В этот резервуар засыпается материал, влажность которого измеряется по изменению емкости рабочего конденсатора. Однако результат измерений искажается из-за изменения плотности материала. Для корректировки рабочей емкости в зависимости от плотности измеряемого материала служит заземленный экран 5. Чем больше плотность материала, тем больше опустится под его весом резервуар и глубже войдет в прорезь экран 5, уменьшая емкость между электродами 2 и 3.

На рис. 4 изображен пленарный измеритель влажности. Емкость между рабочими электродами 2 и 5 зависит не только от влажности детали 3, но и от толщины этой детали и от зазора между ней и рабочими электродами. Чтобы уменьшить эти вторичные зависимости, вносящие погрешности в измерения влажности, нужно, видимо, исключают с помощью вспомогательных заземленных электродов 4 и 6 части электрического поля А и В [5].

МЕЖГРУППОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭФФЕКТОВ

На рис. 5 изображен емкостной датчик перемещения дифференциального типа [6]. При перемещении электрода 3 меняется емкость между этим электродом и электродами 1 и 2 в противоположных направлениях, что позволяет частично скомпенсировать изменение таких факторов, как температура, влажность и т.д. При описании датчика такой конструкции эффектов группы 1 может оказаться недостаточно. При работе на низких частотах нужно учитывать величину поверхностного сопротивления изолятора, которое становится в этом диапазоне сравнимым с внутренним сопротивлением датчика (эффекты группы 2), и его неравномерное распределение по поверхности. Это приводит не только к дополнительным утечкам, но и к тому, что с поверхности изолятора 4 на общий электрод 3 наводится паразитный сигнал, который меняется при изменении влажности и температуры в соответствии с изменениями самого поверхностного сопротивления. При изменении влажности поверхности величина наводимого сигнала может меняться, достигая величины полезного сигнала.

На рис. 6 показан один из возможных способов борьбы с этим явлением, основанный на том, что электроды 1 и 2 расположены на индивидуальных изоляторах таким образом, что микротоки, протекающие по их поверхности, будут экранированы краями самих электродов. В конструкции этого датчика необходимо учитывать и эффект из группы 3, связанный с линейным расширением материалов. Например, у латуни и эбонита коэффициенты линейного расширения различаются почти в 7 раз. При жестком соединении двух пластин из этих материалов с увеличением температуры они прогнутся на сотые доли миллиметра (при толщине пластин 2 мм в температурном интервале от —60 до +50°С). При типичном зазоре, исчисляемом десятыми долями миллиметра, погрешность может составить 10 и более процентов, что сделает датчик неработоспособным.

ВЫВОДЫ

1. В процессе поиска подходящего физического явления изобретателю после выдвижения рабочей гипотезы (эвристическая стадия) необходимо прочувствовать используемые или предполагаемые к использованию в конкретном устройстве физические эффекты с целью выделения их существенных для данного устройства сторон. Необходимо определить нежелательные следствия, перекрестные взаимосвязи. В конечном счете это требуется для построения простой оценочной модели с целью общей оценки работоспособности устройства (оценочная стадия). Здесь лежит ничейная земля между известными указателями — справочниками физэффектов, классическими курсами физики, насыщенными изложением теоретических моделей и математического аппарата их построения, и техническими науками, цель которых — методы проектирования и оптимизации, как правило, уже изобретенных устройств.

Возможный вариант освоения этого пространства состоит в построении базы знаний, содержащей техническую, физическую и стыковочную части.

Техническая часть (ведущая)должна содержать примеры реальных изобретений, в каждом из которых выделены используемые физические эффекты, их нежелательные следствия и приемы компенсации этих следствий. Такое выделение обеспечивает стыковку с физической частью. Например, техническая часть может быть построена на изобретениях в области датчиков физических величин, которые используют практически все известные в физике явления.

Физическая часть должна содержать компактное изложение теоретических моделей, опытных законов и частных физэффектов. Наличие последних является стыковочным узлом с технической частью. Высокая наглядность(графический язык изложения основных физических и математических понятий, использование машинных фильмов для иллюстрации основных опытных законов) должна отличать ее от обычных учебников. Еще одним отличием, видимо, может служить наличие перекрестных связей  между отдельными блоками физических явлений.

Рассмотренная система знаний должна давать пользователю возможность «раскрутить» ее содержание от узкой проблемы данного технического устройства до самых общих теоретических моделей и от них вновь вернуться к конкретной задаче. Кроме того, возможно и «путешествие» по ее этажами блокам с цепью предварительного накопления информации и примеров ее использования.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Апьтшуллер Г. С. Найти идею. Новосибирск, 1986.
  2. Горин Ю. В. Указатель физзффектов. Техника и наука, 1981-1982.
  3. Зарипов М. Ф. и др. Энергоинформационный метод научно-технического творчества. М., ВНИИПИ, 1982.
  4. Парселл Э. Электромагнетизм. Берклеевский курс физики. М., Наука, 1971.
  5. Бугров А. В. Высокочастотные емкостные преобразователи. М., Машиностроение, 1982.
  6. Ацюковский В. А. Емкостные преобразователи перемещения. М., Энергия, 1966.