6.1. Подкласс 4.1. Обходные пути
Стандарт 4.1.1. Вместо обнаружения и изменения — изменение систем
Если дана задача на обнаружение или измерение, целесообразно так изменить систему, чтобы вообще отпала необходимость в решении этой задачи.
Пример 6.1. Стабилизация температуры
Для стабилизации температуры необходимо ее измерять и управлять выключателем источника тепла.
Если в качестве выключателя использовать материал с точкой Кюри, равной температуре стабилизации, то можно исключить датчик температуры и систему управления выключателем источника тепла.
Стандарт 4.1.2. Использование копий
Если дана задача на обнаружение или измерение и при этом нельзя применить стандарт 4.1.1, то целесообразно заменить непосредственные операции над объектом операциями над его копией или снимком.
Задача 6.1. Защита от квартирных воров
Условие задачи
Воры, прежде чем забраться в квартиру звонят в звонок. Если ответа нет, то они делают задуманное.
Как сделать, чтобы воры не захотели забираться в дом?
Разбор задачи
Использовать стандарт 4.1.2.
Решение
Воры не будут забираться в дом, когда там кто-то есть. Необходимо создать видимость (модель), что при звонке в дверь что-то происходит за дверью.
Один из возможных вариантов: после звонка в дверь зажигается свет, а потом в дверном глазке появляется изображение глаза. Возможно, включать запись с вопросом.
Разработана система, включающая запись лая собаки при нажатии на звонок.
В стандарте 4.1.2. Использование копий рассмотрим подстандарт 4.1.2.1. Сравнивание объектов с эталоном:
Если нужно сравнить объект с эталоном с целью выявления отличий, то задача решается оптическим совмещением изображения объекта с эталоном или с изображением эталона, причем изображение объекта должно быть противоположно по окраске эталону или его изображению.
В качестве противоположных цветов могут быть взяты: белый — черный, желтый — синий, красный — синий, красный — желтый и т. д. Смешивание этих цветов дает другой цвет. Основных цветов по Иоганнесу Иттену существует три: красный, зеленый и синий. Остальные цвета образуются смешиванием этих.
Задача 6.2. Обнаружение новой звезды
Условия задачи
Астрономы наблюдают за звездным небом. С определенной периодичностью делают снимки участков неба (рис. 6.1). Чтобы обнаружить появление новой звезды на небе, снимки сравниваются. На снимке тысячи звезд и сравнивать снимки достаточно сложно. Как упростить этот процесс?
Рис. 6.1. Фотография звездного неба
Разбор задачи
Воспользуемся стандартом 4.1.2.1.
Решение
Сравнение производят путем наложения позитивного и негативного изображений. Одну из сравниваемых фотографий берут «позитив» (рис. 6.2а), а другую «негатив» (рис. 6.2б). При их совмещении будет виден только новый объект на звездном небе по а. с. 359 512 (рис. 6.2в). Сегодня сравнения могут проводиться совмещением электронных изображений.
Рис. 6.2. Обнаружение новой звезды
Пример 6.2. Контроль отверстий в печатной плате
Контроль отверстий, созданных в печатной плате, осуществляют сравнением с эталоном. Это достаточно утомительная операция.
Использование стандарта 4.1.2.1 позволяет значительно упростить эту операцию.
Через эталон пропускают желтый цвет, а через печатную плату — синий.
Если на экране появляется желтый цвет, значит, в печатной плате отсутствует отверстие. Появление синего цвета означает, что в печатной плате есть лишнее отверстие. Зеленый цвет — точное совпадение с эталоном. На совмещенном изображении могут быть определены и отклонения в диаметре и форме отверстия.
Стандарт 4.1.3. Измерение — два последовательных обнаружения
Если дана задача на измерение и нельзя применить стандарты 4.1.1 и 4.1.2, то целесообразно перевести ее в задачу на последовательное обнаружение изменения.
Переход от расплывчатого понятия «измерение» к четкой модели «два последовательных обнаружения» резко упрощает задачу.
Пример 6.3. Измерение температуры
Вместо измерения температуры в точке контакта пары трения (например, в шарикоподшипниках, коробке передач) в смазочную пленку вводятся мелкие ферромагнитные частицы с фиксированной точкой Кюри. После превышения точки Кюри некоторые частицы остаются парамагнитными даже после охлаждения благодаря эффекту гистерезиса. Анализируя образец смазки, можно идентифицировать изменения в магнитных свойствах частиц, а затем можно определить, какие температуры контакта возникают при определенных рабочих условиях.
Пример 6.4. Окружность колеса
Окружность качения автомобильных шин уменьшается при значительном падении давления и соответствующем увеличении числа оборотов. Если скорость каждого колеса оценивается по сигналам в антиблокировочной системе и записывается, можно определить среднее значение и определить любое большое отклонение (более 30%) давления отдельных шин.
Пример 6.5. Измерение скорости пули
В США разработан способ измерения скорости пули с помощью электретов. Пуля, пролетая над двумя электретами, расположенными на заранее известном расстоянии, изменяет электрическое поле. Появляются два последовательных импульса (рис. 6.3). Скорость V полета пули определяют делением расстояния l между электретами на время t и между появлением импульсов.
где:
V — скорость полета пули,
l — расстояние между электретами,
t и — время между появлением импульсов.
Рис. 6.3. Измерение скорости пули
6.2. Подкласс 4.2. Синтез измерительных систем
Стандарт 4.2.1. «Измерительный» веполь
Если невепольная система плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают, достраивая простой или двойной веполь с полем на выходе:
Пример 6.6. Умный скальпель
При удалении раковой опухоли хирург должен четко видеть, где кончается зона опухоли и начинаются здоровые ткани. Электрохирургический инструмент, разработанный в Лондоне, обеспечивает обратную связь, которая позволяет практически в реальном времени узнать, имеет ли разрезаемая ткань злокачественный характер. Электрохирургический скальпель iKnife режет с помощью высокочастотного электрического тока и отсасывает дым, выделяемый горящими тканями, который поступает в масс-спектрометр, определяющий наличие соответствующих специфических веществ, характерных для разных тканей. Результат выдается в течение трех секунд. Это настоящая революция, ибо при традиционной технологии проведения анализа тканей непосредственно в ходе операции ждать приходилось полчаса (рис. 6.4).
Рис. 6.4а. Умный скальпель
Рис. 6.4б. Умный скальпель
Пример 6.7. Улучшение видимости
Когда во время ливня или снегопада водитель машины включает фары (особенно дальний свет), то он видит перед собой глухую стену из дождя или снега. В Университете Карнеги-Меллон придумали остроумное решение этой проблемы. С помощью видеокамер компьютерная система отслеживает положение снежинок (или дождевых капель) и предсказывает их дальнейшую траекторию, после чего выключает на короткие промежутки времени соответствующие лучи многолучевых «интеллектуальных фар» (в прототипе был использован обычный DLP-проектор). Как показали эксперименты, с такой системой водитель даже во время метели не замечает 70—80% снежинок, при этом средняя интенсивность света фар снижается всего на 5%.
Этот пример можно рассматривать и как стандарт 2.2.4 (динамизация).
Стандарт 4.2.2. Комплексный «измерительный» веполь
Если система (или ее часть) плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают переходом к внутреннему или внешнему комплексному веполю, вводя легко обнаруживаемые добавки:
Пример 6.8. Определение прокола
Для определения места прокола в автомобильной камере ее накачивают дымом. Струя дыма, выходящая из камеры, показывает место прокола.
Пример 6.9. Определение износа инструмента
Для определения износа сверла к нему прикрепляют пьезоэлектрический акселерометр, сигнал которого поступает на электронную систему. Кроме того, имеется частотомер. Сигнал с электронной схемы сравнивается с данными частотомера и определяют степень износа инструмента.
Стандарт 4.2.3. «Измерительный» веполь на внешней среде
Если систему трудно обнаружить или измерить в какой-то момент времени и нет возможности ввести в объект добавки, то эти добавки, создающие легкообнаруживаемое и легкоизмеряемое поле, следует ввести во внешнюю среду, по изменению состояния которой можно судить об изменении состояния объекта:
Пример 6.10. Измерение состава пробы
Обычно для измерения состава пробы осуществляют регистрацию калибровочного и рабочего спектра пробы. Затем вычисляют концентрацию компонентов с использованием градуировочных зависимостей.
В изобретении предложено в качестве калибровочного спектра использовать спектр пропускания пробы, зарегистрированный спектрометром с входной щели. В качестве источника излучения используют один или более излучателей с гладким распределением спектра.
Способ измерения состава пробы, включающий регистрацию калибровочного спектра, регистрацию рабочего спектра пропускания пробы и вычисление концентраций определяемых компонентов с использованием градуировочных зависимостей, отличающийся тем, что оба спектра снимают без изменения длины оптического пути света через пробу, но при этом в качестве калибровочного спектра используют спектр пропускания пробы, зарегистрированный спектрометром с входной щелью, спектральная ширина которой превышает ширину зарегистрированной линии поглощения определяемого компонента в рабочем спектре пропускания пробы, регистрацию которого производят с шириной щели, позволяющей измерить интенсивность линии поглощения определяемого компонента, при этом регистрацию указанных спектров осуществляют многоэлементным твердотельным детектором, а в качестве источника излучения используют один или более излучателей с гладким распределением спектра.
Пример 6.11. Определение износа двигателя
Определение степени износа двигателя и разжижения моторных масел топливом выполняют путем отсоса отработанного масла, попадающего на магнит в виде капель, по измерению времени истечения масла и количественному и качественному составу частиц железа на магните.
Стандарт 4.2.4. Получение добавок во внешней среде
Если во внешнюю среду нельзя извне ввести добавки по стандарту 4.2.3, то эти добавки могут быть получены в самой среде, например ее разложением или изменением агрегатного состояния. В частности, в качестве таких добавок нередко используют газовые или паровые пузырьки, полученные электролизом, кавитацией и другими способами.
Пример 6.12. Определение наночастиц
Для определения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах пропускают через анализируемую среду лазерный луч, измеряют флуктуации мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах, под большими углами. Дополнительно измеряют распределение интенсивности рассеянного излучения под малыми углами рассеяния, для чего устройство снабжено матричным приемником. Решение интегрального уравнения обратной задачи рассеяния осуществляют с учетом полученных дополнительных измерений.
6.3. Подкласс 4.3. Форсирование измерительных веполей
Стандарт 4.3.1. Использование физэффектов
Если дана вепольная система, то эффективность обнаружений и измерений в ней может быть повышена за счет использования физических эффектов.
Задача 6.3. Направление движения подземных вод
Условие задачи
Как определить направление движения подземных вод?
Разбор задачи
Воспользуемся стандартом 4.3.1.
Решение
Для определения потока подземных вод применяют электролитический индикатор.
В подземный поток через скважину вводят электролитический индикатор (хлористый натрий), который распространяется исследуемым потоком.
Вдоль направления движения потока образуется «яразуем электропроводящего индикатора. На поверхности земли устанавливают пары разнесенных электродов под разными направлениями относительно места инжекции (скважины) и измеряют кажущее сопротивление массива пород. В направлении сноса индикатора оно минимизировано (минимальная электропроводимость) и, наоборот, в направлении, противоположном движению воды, сопротивление максимально (электропроводимость минимальна). Измерение сопротивления осуществляют в определенные моменты времени под разными азимутными углами. Таким образом, строят эпюру и направление движения определяют по направлению максимальной проводимости (минимального кажущегося сопротивления).
Задача 6.4. Направление потоков подземных вод
Условие задачи
Способ, описанный в задаче 5.16, дает неточные показания направления потока, как в горизонтальном направлении, так и по глубине залегания потока, особенно на больших расстояниях (десятки и сотни километров). Необходимо вводить индикатор в больших количествах, что сильно загрязняет водные горизонты.
Как быть?
Разбор задачи
Воспользуемся стандартом 4.3.1.
Решение
В качестве индикатора используют гелий, который вводят в подземные воды и измеряют его концентрацию на поверхности земли. По участкам с аномальной концентрацией гелия судят о путях движения подземных вод.
На рис. 6.5 показана схема, поясняющая способ.
В подземные воды через скважину опускают шланг, по которому вводят жидкий гелий. Скважину сверху герметизируют. Жидкий гелий вводят из баллона с избыточным давлением в нужном количестве.
Растворенный гелий движется вместе с потоком воды. Гелий проникает через породы к поверхности земли. С помощью портативных измерителей гелия определяют места его максимального выхода.
Гелий совершенно нетоксичен, хорошо растворяется в воде и легко дегазирует из нее. Он не взаимодействует с породами, не изменяет свойства воды и быстро мигрирует через толщу пород (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Направление движения подземных вод. А. с. 829 893
1 — водоносный горизонт; 2 — скважина; 3 — фильтр; 4 — баллон с газообразным гелием.
4.3.2. Использование резонанса контролируемого объекта
Если невозможно непосредственно обнаружить или измерить происходящие в системе изменения, а также пропустить сквозь систему поле, то задачу решают возбуждением в системе резонансных колебаний (во всей системе или какой-то ее части), по изменению частоты которых можно определить происходящие в системе изменения:
Пример 6.13. Исследование тканей человека
Наиболее точные исследования состояния тканей человека дает использование ядерного магнитного резонанса.
Пример 6.14. Измерение физических величин
Измерение осуществляется путем сравнения частоты измеряемой величины и подстраиваемого датчика, имеющего резонансный контур, состоящий из емкости и параллельно подключенной индуктивности. Индуктивность или емкость могут подстраиваться.
4.3.3. Использование резонанса присоединенного объекта
Если невозможно применить стандарт 4.3.2, то о состоянии системы судят по изменению собственной частоты объекта (внешней среды), связанного с контролируемой системой.
Пример 6.15. Частота колебаний
Для измерения частоты колебания объекта, например струны, к нему прилепляют пьезоэлемент. Это может исказить истинную частоту колебания объекта, особенно если их массы сопоставимы. Измерять частоту колебания объекта можно по колебаниям воздуха около объекта.
Пример 6.16. Измерение наночастиц
Определение размеров наночастиц осуществляют с помощью измерения спектра электронного параметрического резонанса (ЭПР) мелких доноров в полупроводниковых нанокристаллах. Образец полупроводниковых наночастиц помещают в криогенную систему и воздействуют микроволновым полем частотой через волновод и рупор. На образец наночастиц воздействуют постоянным магнитным полем, соответствующим ЭПР мелких доноров. Образец также облучают импульсным ультрафиолетовым излучением. Сигнал ЭПР мелких доноров регистрирует фотоприемное устройство и по нему судят о размер наночастиц.
6.4. Подкласс 4.4. Переход к фепольным системам
Стандарт 4.4.1. «Измерительный» протофеполь
Веполи с немагнитными полями имеют тенденцию перехода в «протофеполи», то есть веполи с магнитным веществом и магнитным полем.
Пример 6.17. Навигация по магнитным полям внутри зданий
Внутри больших зданий (торговые центры, музеи и т. п.) не помешала бы система навигации. Однако здесь спутниковая навигация не работает. Из положения пытаются выходить, используя Wi-Fi-роутеры или установленные в смартфонах акселерометры и гироскопы. Финская компания IndoorAtlas предлагает ориентироваться с помощью уникального профиля магнитных полей, которым обладают здания с металлическими элементами конструкции (например, из железобетона). Для этого необходимо снять карту магнитных полей в здании, а также оснастить смартфон или планшет магнитным датчиком и соответствующим программным обеспечением. Данный метод навигации сможет обеспечить точность определения места порядка 0,1—2,0 м.
Пример 6.18. Система GoalRef
Система GoalRef разработана немецким институтом прикладных исследователей Fraunhofer совместно с датской компанией Select Sport. Она использует низкочастотное магнитное поле. В рамке ворот установлены катушки индуктивности. Мяч оснащен пассивной электронной схемой, встроенной между наружными кожаными и надувными внутренними слоями. Программное обеспечение контролирует состояние магнитного поля в цепи и может обнаружить изменение, которое происходит в нем из-за прохождения катушек в шаре по линии.
После обнаружения система посылает зашифрованный радиосигнал в реальном времени на наручные часы, которые носят рефери, которые вибрируют и показывают сообщение о том, что гол был забит (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Система GoalRef
Стандарт 4.4.2. «Измерительный» феполь
Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения «протофепольными» и вепольными системами, то необходимо перейти к феполям, заменив одно из веществ ферромагнитными частицами (или добавив ферромагнитные частицы) и обнаруживая или измеряя магнитное поле:
Пример 6.19. Определение толщины стенок
Толщина стенок полых изделий из диэлектрических материалов определяется путем введения в полость изделия магнитного порошка, создавая замкнутую магнитную цепь между порошком и индуктивным датчиком сквозь стенку изделия, а по величине индуктивности датчика определяют ее толщину. Кроме того, с целью повышения точности измерений, на порошок воздействуют с внешней стороны стенки изделия постоянным магнитным полем, а со стороны полости изделия — электростатическим полем, при этом для измерений используют индуктивный датчик без ферромагнитного сердечника (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Определение толщины стенок. Патент РФ 1 188 520
1 — изделие; 2 — измерительный датчик; 3 — электромагнит; 4 — магнитный порошок; 5 — электрод.
Пример 6.20. Определение уплотняемости магнитного порошка
Уплотняемость и формуемость магнитных порошков рассчитываются по результатам измерения намагниченностей насыщения и насыпной плотности порошка.
Стандарт 4.4.3. Комплексный «измерительный» феполь
Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения системы путем перехода к феполю, а замена вещества ферромагнитными частицами недопустима, то переход к феполю осуществляется построением комплексного феполя, вводя добавки в вещество:
Пример 6.21. Магнитопорошковый контроль
На контролируемую деталь насыпают магнитный порошок и помещают в магнитное поле. В месте дефекта образуется валик из порошка. Порошок убирают и в место дефекта помещают магнитную жидкость и измеряют ее электрическое сопротивление. По значению сопротивления определяют глубину дефекта.
Стандарт 4.4.4. «Измерительный» феполь на внешней среде
Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения системы путем перехода от веполя к феполю, а введение феррочастиц недопустимо, то феррочастицы следует ввести во внешнюю среду.
Пример 6.22. Иммуноанализ
В качестве основы иммуносорбента используют вермикулит или смесь вермикулита с магнитным порошком. За счет этого значительно увеличивается иммунохимическая активность, что позволяет получить более точные результаты анализа.
Стандарт 4.4.5. Использование физэффектов
Если нужно повысить эффективность фепольной измерительной системы, необходимо использовать физические эффекты, например, переход через точку Кюри, эффекты Гопкинса и Баркгаузена, магнитоупругий эффект и т. д.
Пример 6.23. Уровнемер
Дискретный уровнемер содержит магнит, соединенный с датчиком положения, например поплавком, усилитель, счетчик импульсов и чувствительный элемент, выполненный в виде протяженного проводника, например струны или ленты, изготовленного из материала, испытывающего скачки Баркгаузена при перемагничивании, например из технически чистого железа, концы которого электрически соединены через усилитель со входом счетчика импульсов, регистрирующего число скачков Баркгаузена.
Пример 6.24. Анализ ферромагнитных изделий
Электромагнитный анализ ферромагнитных изделий осуществляют путем наведения магнитного поля с напряженностью, достаточной для проявления эффекта Баркгаузена, а к исследуемому участку намагниченного изделия прикладывается низкочастотное переменное магнитное поле, вызывающее движение магнитных доменов. Определяют напряженность магнитного поля, наведенного в ответ на воздействие магнитного поля и переменного магнитного поля. Было обнаружено, что напряженность магнитного поля в непосредственной близости к дефектному участку имеет другую величину, и эта информация может использоваться для определения различных параметров изделия. В одной из систем используется быстрое сканирование и контроль труб с целью обнаружение и определения местоположения дефектов.
6.5. Подкласс 4.5. Направления развития измерительных систем
Стандарт 4.5.1. Переход к бисистеме и полисистеме
Эффективность измерительной системы — на любом этапе развития — может быть повышена путем перехода к бисистеме и полисистеме.
Пример 6.25. Система Hawk-Eye
Система Hawk-Eye включает 14 высокоскоростных (320 кадров в секунду) камер высокого разрешения, которые следят за воротами с различных ракурсов (по семь за одними воротами). Специальное программное обеспечение отслеживает мяч и показывает на экране телевизора траекторию полета, а в случае гола подается сигнал на часы всех судей (рис. 6.8).
Эта система используются в крикете, теннисе и снукере с 2001 года.
Рис. 6.8. Система Hawk-Eye
Пример 6.26. Исследование быстрых процессов
В Исследовательском центре NASA сконструировали установку Walle, состоящую из шести высокоскоростных съемочных камер. При этом каждая камера настроена на свою светочувствительность. То есть фиксирует только те элементы, которые имеют соответствующую освещенность. После съемки результаты всех камер обрабатываются на компьютере, который обеспечивает получение точно экспонированного во всех деталях изображения. Область применения установки — съемка быстрых процессов, например реактивной струи или взрыва снаряда.
Стандарт 4.5.2. Направления развития
Измерительные системы развиваются в направлении: измерение функции — измерение первой производной функции — измерение второй производной функции.
Пример 6.27. Система управления
Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должна управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.
При длительной работе системы в закон управления системой желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.