3. Кинематика
3. КИНЕМАТИКА
В этой главе мы рассмотрим внутренние механизмы развития расходомеров. Эти механизмы мы будем называть кинематикой развития расходомеров.
3.1. Модель расходомера, описанная во второй главе, содержит в себе противоречие:
добавка должна быть, чтобы была возможность определить расход, и не должна быть, чтобы не влиять на поток (уменьшить затраты и т.п.).
В отличие от обычных технических противоречий это противоречие сформулировано для элементов модели расходомера и относится к любому типу расходомеров на любом этапе развития. В дальнейшем мы будем называть его основным противоречием расходомеров.
Приведем несколько примеров проявления его в виде технических противоречий.
Пример 3. А.с.7529. Газомер..., характеризующийся тем, что в це¬лях устранения сопротивления измерительного барабана, последний приводится во вращение механическим приспособлением таким образом, что разность давлений газа на входе в барабан и при выходе из него становится равной нулю.
Пример 4. В работе "Развитие турбинного расходомера [8] описан турбинный расходомер, который можно убирать на нужное время из потока.
Пример 5. А.с.173966. Расходомер для жидкостей и газов, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде удлиненного поршня, перемещающегося в цилиндре, конусообразный патрубок, выравнивающие решетки и струну, несущую измерительную шкалу, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности прибора, цилиндр снабжен расположенными на одном уровне, симметричными относительно его оси окнами с отводными патрубками для уравновешивания воздействующих на поршень сил и каналами, соединяющими надпоршневое пространство с полостями выходных патрубков.
В этом изобретении "чувствительный элемент" под действием потока начинал вибрировать. Для устранения этого применили каналы для уравновешения действующих на цилиндр сил.
Как и другие технические системы, расходомеры развиваются неравномерно.
Пример 6. А.с.365572. Устройство для замера расхода воды в каналах с фиксированным руслом, содержащее датчик скорости потока, жестко связанный с поплавком, шарнирно закрепленным на нижнем конце поворотной рамы, датчик угловых перемещений рамы и магнитный успокоитель ее, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и надежности устройства, внутри датчика скорости потока расположен поплавок с ферромагнитным сердечником, взаимодействующим с распределенной функциональной обмоткой, которая подключена вместе с первичной обмоткой датчика угловых перемещений к источнику стабилизированного напряжения и последовательно соединена с токовыми обмотками регистрирующих приборов, а вторичная обмотка датчика угловых перемещений подключена к обмоткам напряжения вышеуказанных регистрирующих приборов.
В этом примере мы видим несоответствие: первый элемент модели расходомера изменили (вместо потока в трубе - открытый канал), а вся система осталась старой. Скорость потока измеряют с помощью уже известного "датчика скорости", глубину потока - с помощью поплавка, а затем обе величины перемножают в "регистрирующих приборах".
Неравномерность изменений элементов расходомера приводит к изобретениям, не связанных с основным противоречием.
Пример 7. А.с.387217. Датчик электромагнитного расходомера, содержащий немагнитный измерительный канал прямоугольного сечения, систему возбуждения магнитного поля и электроды, отличающиеся тем, что, с целью получения сигнала, пропорционального объемному расходу при измерениях в ненапорных линиях, один электрод расположен на дне измерительного канала, а другой - по всей высоте боковых сторон вне зоны магнитного поля на входе и выходе датчика.
В силу иерархии элементов модели расходомера неравномерность изменений элементов носит направленный характер: элементы с большим номером отстают от элементов с меньшим номером. Так, в примерах 6 и 7, изменение элементов 2, 3 и 4 последовало лишь после изменения потока - элемента номер один.
Таким образом, иерархия элементов приводит к иерархии противоречий, в вершине которой находится основное противоречие.
3.2. Конечным пунктом развития расходомеров является расходомер, для которого решены все противоречия.
Такому условию удовлетворяет "идеальный расходомер": расходомера нет, а его функция выполняется.
С учетом модели расходомера можно составить иерархию идеалов.
1. Потока нет, а его функция выполняется. Этот ИКР указывает путь для решения задач в надсистеме. В развитии самих расходомеров он участия не принимает.
2. Эффектора нет, а его функция выполняется. Ниже будет показано, что расходомеры в развитии приближаются к этому основному для них идеалу.
3. Носителя нет, а его функция выполняется.
Пример 8. А.с.82797. Ротаметр, отличающийся тем, что, с целью использования его трубки одновременно как в качестве основной несущей конструкции, так и в качестве измерительного органа, эта трубка выполнена из прозрачной пластмассы.
Для передачи перемещения поплавка ротаметра, которое зависит от расхода жидкости, применяли механическую передачу, магнитное поле (примеры 15, 16), использовались стеклянные трубки.
Стремление расходомеров к идеалу и широкое применение пластмасс в технике привели к появлению описанного изобретения.
4. Вторичный прибор не входит в необходимую часть расходомера (раздел 2.1) и находится на самой нижней ступени иерархии. Это привело к тому, что хотя вторичный прибор и стараются упростить (примеры 6 и 7), стремление к ИКР более высокого уровня вызывает усложнение четвертого элемента расходомера.
Приведем теперь несколько примеров стремления расходомеров к идеалу.
Пример 9. А.с.1259О8. Тахометрический расходомер по принципу действия подобный крыльчатым расходомерам с индуктивными датчиками, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности действия, в нем вместо крыльчатки применен ферромагнитный шарик, закручиваемый потоком, проходящим через направляющую с винтообразными лопастями.
Сравнивая это изобретение с а.с. 7529 (пример 3) можно заметить, как решение основного противоречия приводит к уменьшению эффектора. Аналогичную тенденцию можно заметить в электромагнитных расходомерах.
Пример 10. А.с.14652О. 1.Индукционный расходомер с внутренним магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим по контролируемой электропроводной среде, отличающийся тем, что, с целью устранения введенного в поток изолированного электрода и упрощения конструкции, в нем применены ферромагнитные пластины, устанавливаемые вблизи стенок канала трубы датчика для ориентации магнитного поля поперек потока.
По этому изобретению особенности потока (обычно жидкий металл) позволили вместо использования громоздкой магнитной системы с большими потерями, создать магнитное поле непосредственно в потоке.
Стремление к уменьшению эффектора можно проиллюстрировать и на примере а.с. 104975 и а.с.224826 (примеры 1 и 2). В первом из них уменьшают пористую перегородку, а во втором - магнитное поле. И хотя оба эти изобретения низкого уровня и не решают технического противоречия, они вносят свой вклад в процесс решения основного противоречия расходомеров и приближения их к идеалу.
В дальнейшем еще будут приведены многочисленные примеры стремления расходомеров в своем развитии к идеалу.
3.3. Основное противоречие расходомеров удовлетворяет условиям стандарта 10, по которому в случае, если нужно ввести добавки, а это запрещено условиями задачи, предлагается использовать обходные пути:
1. Вместо вещества вводится поле.
На рис. 3.1 показано изменение удельного веса изобретений, сделанных на механические и на полевые расходомеры. Из графиков видно, что доля изобретений на механические расходомеры постоянно уменьшается, и соответственно больше внимания уделяют развитию полевых расходомеров. Это соответствует переходу от схемы на рис.2.1 и 2.2 к структурной схеме на рис.2.3. 
Рис. 3.1. Удельный вес изобретений на механические (Км) и полевые (Кп) расходомеры 
где Nм и Nп - число изобретений соответственно на механичес¬кие и полевые расходомеры, сделанные в СССР за определенный промежуток времени.
2. Вместо внутренней добавки используется наружная.
Пример 11. А.с.315О38. Индукционный датчик расхода, содержащий трубопровод, магнитную систему возбуждения и токосъем¬ные электроды, отличающийся тем, что, с целью устра¬нения зависимости результатов измерения от состава контролируемой среды и расширения диапазона измерения в сторону малых расходов, измерительный участок трубо¬провода выполнен в виде петли и герметично соединен с кольцевой камерой, которая заполнена жидкостью большей плотности, чем контролируемая среда.
Это изобретение соответствует решению по типовой модели 1 АРИЗ-77 (рис.2.4).
3. Добавка вводится в очень малых дозах.
Примером может служить а.с. 104975 (пример 1).
4. Добавка вводится на время (пример 4).
5. В качестве добавки используют часть имеющегося вещества, переведенную в особое состояние или уже находившуюся в таком состоянии (пример 22).
6. Вместо объекта используют его копию (модель), в которую допустимо введение добавок.
Пример 12. А.с.12307. 1.Устройство для измерения количества протекающей жидкости, в котором измерительный прибор помещен в ответвлении от главного потока жидкости, характеризующееся применением приспособления для регулирования количества жидкости, протекающей через измерительный прибор, которое состоит из цилиндра, снабженного впускным отверстием в боковой стенке и сообщающегося с камерой, в которой помещен водомер, в каковом цилиндре может перемещаться сплошной поршень, изменяющий площадь отверстия в зависимости от величины открытия отверстия основной трубы с целью получения пропорциональности между показаниями измерительного прибора (водомера) и количеством протекающей через основную трубу жидкости.
7. Добавки вводят в виде химических соединений, из которых они потом выделяются.
Автор подробными примерами измерения расхода не располагает.
Приведенные примеры показывают различную роль путей решения стандарта 10 в развитии расходомеров. Первый приводит к появлению новых типов расходомеров и имеет решающее значение в их развитии. Остальные играют эпизодическую роль и не приводят к появлению но¬вых расходомеров. Кроме указанных в стандарте 10 путей решения, в расходомерах широко применяется компенсация (пример 3, пример 5, а.с.241725, а.с.335546 и др.). Практически во всех типах расходо¬меров применяется динамизация добавки, повышение ее управляемости.
Пример 13. А.с.75702. Прибор для измерения расхода жидкости, состоящий из сосуда, снабженного вводным и выводным патрубком... и заключенного внутри его поплавка с указате¬лем, положение которого меняется в зависимости от уровня задерживающейся в сосуде жидкости, отличающийся тем, что поплавок механически связан с клапаном, регулирую¬щим поступление в сосуд жидкости с той целью, чтобы перемещение поплавка происходило до наступления равнове¬сия между количеством жидкости, поступающей из сосуда.
Примером динамизации добавки могут быть также а.с.104139, а.с.7529 (пример 3) и др.
В этой главе было показано, как внутренняя противоречивость элементов модели расходомера и неравномерность их развития приво¬дят к стремлению расходомеров развиваться к идеалу.
Можно выделить два уровня развития расходомеров:
- возникновение новых типов расходомеров;
- развитие внутри одного типа.
Эти уровни отличаются приемами, применяемыми для решения про¬тиворечий расходомера. На первом - это переход от механического эффектора к полевому, а на втором - это компенсация, динамизация и остальные варианты стандарта 10.
Приведенные примеры показывают также, что одной кинематики для развития расходомеров недостаточно. Так в а.с. 82797 (пример 8) применили пластмассу, для перехода к полевым расходомерам также требуется влияние внешних факторов.