Институт Инновационного Проектирования | Задача об измерении уровня подтоварной жидкости
 
Гл
Пс
Кс
 
Изобретателями не рождаются, ими становятся
МЕНЮ
 
   
ВХОД
 
Пароль
ОПРОС
 
 
    Слышали ли Вы о ТРИЗ?

    Хотел бы изучить.:
    Нет, не слышал.:
    ТРИЗ умер...:
    Я изучаю ТРИЗ.:
    Я изучил, изучаю и применяю ТРИЗ для решения задач.:

 
ПОИСК
 
 



 


Все системы оплаты на сайте








ИННОВАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сертификация инноваторов
инновационные технологии
БИБЛИОТЕКА ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
Это интересно
ПРОДУКЦИЯ
 

 


Инновационное
обучение

Об авторе

Отзывы
участников

Программа
обучения

Вопрос
Ю.Саламатову

Поступить на обучение

Общественное
объединение



Молодому инноватору

FAQ
 

Сертификация
специалистов

Примеры заданий

Заявка на
сертификацию

Аттестационная
комиссия

Список
аттестованных
инноваторов

Инновационное
проектирование

О компании

Клиенты

Образцы проектов

Заявка
на проект

Семинары

Экспертиза проектов

   

Книги и статьи Ю.Саламатова

Теория Решения Изобретательских Задач

Развитие Творческого Воображения

ТРИЗ в нетехнических областях

Инновации 
в жизни науке и технике

Книги по теории творчества

Архивариус РТВ-ТРИЗ-ФСА

Научная Фантастика
 
 
Статьи о патентовани
   

Наука и Техника

Политика

Экономика

Изобретательские блоги 

Юмор 
 
Полигон задач

ТРИЗ в виртуальном мире
медиатехнологий
       

Книги для
инноваторов

CD/DVD видеокурсы для инноваторов

Програмное обеспечение
инноваторов

Покупка
товаров

Отзывы о
товарах
           

Задача об измерении уровня подтоварной жидкости

 

А.Кудрявцев

На многих крупных промышленных предприятиях существуют цеха водоочистки. Это особые маленькие миры со своим внутренним укладом и своими задачами. Одну из таких задач мы сейчас и рассмотрим.
Представьте себе бетонную емкость диаметром в 12 метров и глубиной метров в 5. В центре возвышается перфорированная труба, из которой в емкость поступают канализационные стоки. Жидкость заполняет емкость до краев. В емкости происходит ее расслоение по плотности - основные загрязнения накапливаются внизу. Время от времени в дне емкости открывается задвижка и наиболее загрязненная часть (называемая "подтоварной жидкостью") вытекает самотеком, поступая затем на поля испарения. Там влаге дают высохнуть, а из сухого осадка извлекают тяжелые металлы и прочие неаппетитные компоненты. (Мы не будем задерживать внимание читателя на рассмотрении всего того, что содержит в себе наболее загрязненная часть жидкости. Скажем только, что она имеет плотность, большую плотности обычной воды на 0,01г/куб см). Если держать задвижку открытой слишком долго, то на поля испарения начинает поступать не очень загрязненная вода. Это плохо - такая вода теряется для дальнейшего использования и кроме того, цикл испарения будет длиться более долго. Если выпускать стоки с большими перерывами, то в емкости начнет накапливаться все более высокий слой подтоварной жидкости, она частично начинает прорываться наверх, а на дне скапливается илистый осадок. Это может привести к заиливанию выпускного отверстия и прекращению работы отстойника.
Если вернуться к процессу отстаивания, то важно отметить, что "легкая фракция" или "товарная жидкость" - то есть относительно чистая часть стоков собирается в верхней части емкости и при поступлении в нее новой жидкости переливается через край, после чего поступает в биотанки для дальнейшей очистки.
Рис.1 Схема работы отстойника бытовых и промышленных стоков
Сложный и ответственный процесс поддержания уровня подтоварной жидкости на требуемой (примерно метровой ото дна) высоте, поручен операторам. Контроль состоит в том, что оператор, открыв задвижку, следит (вглядываясь в канал слива) за тем, как ведет себя струя жидкости. Начало поступления "условно чистой" жидкости определяется визуально, по изменению характеристик поверхности истекающей струи. Конечно, разница в 0,01 г/куб см - величина очень маленькая. Но разница в вязкости достаточно значительна. Например, если динамическая вязкость "товарной жидкости" может колебаться в районе 1 сантипуаза (нормальная вязкость воды), то подтоварную жидкость по вязкости можно сравнить с киселями различной консистенции. При известной практике оператор может уловить переход к менее вязкой среде по характеру поведения поверхности потока, то есть "на глаз". Беда в том, что опытные операторы не очень стремятся работать на этом почетном посту.
Открывать шибер через фиксированные промежутки времени не получается - в емкость поступают стоки переменного уровня загрязненности, поэтому выверить процедуру наперед не представляется возможным.
Нашей лаборатории было предложено автоматизировать процесс управления сливом подтоварной жидкости. Начальник Службы автоматизации комбината заявил на совещании, что задача является приоритетной и мы просто обязаны дать для нее хорошее решение. Коллектив принялся за исследование ситуации без особого энтузиазма. После первого же похода на "позицию" спонтанно родилось название будущего прибора: - "Гомер". Оно закрепилось и впоследствии стало нарицательным для всего комплекса автоматического управления в цехе водоочистки.
Формальная схема цепочки управления, которую нам предложили реализовать, была очень простой. Некий датчик требовалось закрепить в канале слива. Через фиксированные промежутки времени (которые нужно было определить рассчетно - опытным путем) задвижка будет открываться. Закрываться она должна будет по команде датчика. У постановщиков задачи существовала и версия того, что это должен был быть датчик вязкости (ведь этот параметр при переходе от воды к подтоварной жидкости меняется в максимальной степени). Но нам с самого начала было понятно, что основные сложности возникнут именно с подбором первичного датчика. При его адекватной работе проблем с последующей "обработкой информации" не предвиделось.
Работа с литературой показала, что ни один из известных и приемлемых в экономическом плане датчиков работать в данной среде не сможет. Подтоварная жидкость - это непрозрачная среда с неприятными цветом и запахом. Содержащиеся в ней частицы с удовольствием оседают на любые поверхности, ухитряясь удерживаться даже на хорошо отполированном фторопласте или стекле. Поэтому попытки использовать оптические датчики успеха не имели. Довольно быстро выходят из строя и датчики измерения вязкости, основанные на вращении крыльчаток. Илистые частицы с удовольствием оседают на любые поверхности и через короткое время приборы начинают показывать все, кроме правды. По похожим причинам не дают точности измерения и электрические способы. Короче, после посещение цеха, а затем и патентной библиотеки, в лаборатории воцарилась озабоченная тишина. Легкой победы не предвиделось. Зато было построено первое противоречие - датчик должен был взаимодействовать со средой, чтобы измерять ее параметры, и он не должен был со средой взаимодействовать, чтобы не приходить в негодность.
Этого можно было добиться различными путями, например вводить датчик в поток на короткое время и убирать его после проведения измерения. Но оказалось, что даже кратковременное погружение датчика в субстанцию приводит к последующему образованию на его поверхности пленки загрязнений, которая с удовольствием застывала на воздухе, а при последующих погружениях служила прекрасной основой для налипания все более мощных слоев. Пришлось вводить систему смыва загрязнений… Кострукция датчика, непрерывно перемещающегося из измеряемого потока под "душ" и обратно, вызывала оторопь даже у своих создателей. Это был путь в никуда. Все понимали, что сложность вспомогательных элементов превысила допустимые границы, а такие системы на производстве долго не живут.
Походы "на объект" становились уже привычными. Были и свои маленькие победы - мы научились различать и оценивать по характеру течения жидкости различной плотности и однажды начальник смены даже предложил нам бросать свою лабораторию и переходить к нему в операторы. Это было признание, это было приятно. Но задача не решалась.
Плохо было и то, что датчик, установленный снаружи, на магистрали слива, не позволял понять, что происходит в емкости, сколько там уже накопилось подтоварной жидкости. Возникло следующее противоречие:
Для того, чтобы не допустить заиливания трубопровода в ситуации поступления сильно загрязненной жидкости, задвижку надо открывать чаще. Но если в отстойник поступает не очень загрязненная жидкость, то при частом открывании выпускается много товарной жидкости.
Итак, задвижку надо открывать часто, но ее надо открывать редко. (Такое противоречие само по себе говорит о том, что задачу начали решать "не туда". Начав с создания датчика, который должен был указывать, когда открывать задвижку, мы дошли до того, что начали предьявлять требования к самой задвижке (в данном случае к режиму ее работы), требовать, чтобы она открывалась чаще и тем самым давала исходную информацию для работы датчика. Здесь явно виден логический круг, это не очень красиво, хотя может рассматриваться и как использование некоего внешнего ресурса и в ряде случаев приводит к решению, которое устраивает потребителя.) Нас такое положение не устраивало.
Первый прорыв произошел тогда, когда мы решили изменить технические условия и перейти от измерения плотности вытекающей воды к обнаружению того, что слой загрязненной жидкости поднялся выше предельно допустимого уровня. Уровень этот знали все операторы - он составлял один метр от дна. Такое фиксированное размещение датчика давало бы возможность вернуться к ранее отброшенной идее программируемого времени открывания задвижек - ведь теперь можно было бы гарантировать, что объем загрязненной жидкости не вытечет за то время пока открыта задвижка. Это был плюс, но были в таком размещении и явные минусы, поэтому пришлось повторно вернуться к отброшенным ранее конструкицям и схемам датчиков, провести их анализ с учетом открывшихся вновь обстоятельств.
Во первых, внутри объема отстойника практически нет места для размещения датчика - по всему объему движется рамная конструкция, на которой закреплены плуги сбора ила. Мы понимали, что датчик придется размещать либо на этом подвижном объекте (что плохо по очень многим показателям), либо в зазоре между стенкой резервуара и рамой. А для этого хотя бы по одной координате этот датчик должен был быть весьма компактным.
Во вторых проведенные нами эксперименты показывали, что в отстойнике существует довольно четкая граница между верхним, относительно чистым и нижним, загрязненным, слоями. Однако, любое энергичное движение нарушало эту спокойную картину и приводило к тому, что граница исчезала - обнаруживать и измерять становилось нечего. Поэтому размещение датчика внутри отстойника вело за собой отказ от омывания его рабочих поверхностей. Оптику и электрические измерения пришлось отбросить. То же ограничение привело к отказу от многочисленных конструкицй вертушек. Нам нужен был датчик без подвижных частей. В принципе это соответствовало общему подходу, который царил в лаборатории. Имея дело с агрессивными и опасными средами, мы все свои приборы и аппараты старались делать именно такими.
Общая рекомендация, которую знал любой пользователь ТРИЗ, гласила: замена измерения на обнаружение прогрессивна. В этой части продвижения пока не получалось - вместо измерения разницы в вязкости или плотности, нам предстояло обнаружить жидкость с повышенной вязкостью или плотностью. (После того, как решение было получено, мы провели разбор еще раз и конечно же увидели, где и как можно было выйти на "правильное" решение. Но на стадии анализа было совершенно непонятно, куда и как двигаться дальше в рамках этой рекомендации. Дойдя до решения читатель и сам убедится в том, что мы открыли для себя после решения данной задачи - замена измерения на обнаружение проходит в том случае. если вместо измерения искомого параметра вы начнете обнаруживать какой- то иной).
Значительную помощь в прояснении ситуации мы получили от использования блока "А" Волгоградской версии алгоритма.
После того, как в 1977 году мы познакомились с Горьковским "Комплексным методом", в Волгограде также стали развивать ветвящиеся алгоритмы. Комплексный метод включал в себя две ветви - для задач на совершенствование систем и для задач на синтез систем. Мы, конечно же пошли иным путем и сделали в 1978 - 79 годах алгоритм из пяти блоков. Первый - "Блок выбора направления поиска" предназначался для начального исследования исходной ситуации и отнесения ее к одной из трех типовых ситуаций: синтеза системы, устранения порчи самой ТС в процессе обработки объекта и устранения порчи обрабатываемого объекта в процессе его обработки технической системой. (Кстати, именно ситуацией порчи самой технической системы в процессе обработки объекта, мы ранее и занимались).
Теперь нас интересовал "блок А" - блок синтеза.
Ключевым для задач на измерение в рамках этого блока было понятие "Фактора особенности" (ФО). Здесь надо было перечислить все параметры и свойства, которые изменяются в интересующей нас ситуации, то есть при переходе измеряемого объекта от одного состояния к другому. (В какой-то мере этот инструмент предвосхитил "Вещественно полевые ресурсы", появившиеся в АРИЗах начиная с 1982 года.)
Для каждого из выделенных ФО требовалось составить ИКР, в котором указывался не только факт обнаружения (измерения), но и соответствие выявленным ранее ограничениям на осуществление функции. Варианты ИКР звучали так: Повышенная плотность (вязкость) жидкости на уровне 1 метр САМА сообщает о наличии загрязнений, без контакта загрязненной жидкости с датчиком.
По всему выходило, что надо использовать малую разницу в плотности (вязкости) для получения яркого и большого "релейного" сигнала. Да еще, если судить по формулировке ИКР, и без контакта датчика с самой этой жидкостью.
Как перевести малую разницу плотности в значительное внешнее различие? Может быть суммировать имеющуюся дельту во времени или иным способом? С вязкостью это не проходило, а вот относительно плотности появились варианты.
Предположим, что мы разместим датчик плотности не на линии максимального подъема подтоварной жидкости, а на дне. Столб жидкости всегда имеет постоянную высоту (вспомните про перелив). Если над датчиком 5 метров чистой жидкости, на квадратный сантиметр будет давить 500 грамм. Если один метр будет состоять из загрязненной жидкости, получим 501 грамм. Мы научились суммировать плотность и из исходной разницы плотности в одну сотую грамма перешли к одному грамму разницы. Это было интересно, но само по себе решение не выдерживало никакой критики.
Задача возвращалась снова и снова. Дополнительным подстегивающим фактором было то, что приближался срок выведения одного из отстойников на регламентный ремонт. Понятно, что в это время можно было бы провести необходимые строительные и монтажные работы. но не было идеи, концепции самого прибора.
Идея появилась внезапно. Задним числом можно построить прекрасную схему абсолютно логичного движения к этому варианту, однако в тот момент такого логичного движения не просматривалось. Ясно только, что очень помогла концентрация на точное построение формулировки задачи.
Общеизвестно, что в двух сообщающихся сосудах с жидкостями разной плотности высота столбов жидкостей будет различной. Для чистой воды и загрязненной, отличающейся от нее на 0,01 г/см, эта разница составит 0,01*L (L - высота столба в сантиметрах). Если мы должны понять, проходит ли граница раздела этих сред на высоте одного метра от дна емкости, то можно опустить с поверхности к этой мысленно обозначенной границе трубу. До поверхности будет четыре метра. Если мы сможем заполнить ее загрязненной жидкостью, это даст четыре сантиметра разности высоты с уровнем воды в емкости. Такая разница вполне пригодна для создания "грубого" прибора, способного работать в тяжелых условиях, описанных выше.
Опираясь на данный принцип очень быстро был спроектирован и построен и сам прибор. Он был очень нужен, а потому и изготовлен буквально за несколько дней. До сих пор помню ясное осеннее утро, когда мы несли почти пятиметровую титановую трубу с гордым названием "Гомер" через весь Комбинат. Схема этого устройства приводится ниже.
Рис 2. Схема пневматического устройства для сброса подтоварной жидкости
Вот как он работает:
В резервуаре 1 установлена труба 2, нижний торец которой расположен на верхнем предельном уровне границы раздела товарной 3 и подтоварной 4 жидкостей. Полость трубы 2 соединена через клапан 5 с атмосферой. Управляющая камера клапана подключена к устройству включения 6 (тумблеру или реле времени).
В трубе 2 размещена пьезометрическая трубка 7, верхний конец которой соединен с релейной схемой (элементы 8 - 12), управляющей клапаном 13 сброса подтоварной жидкости. Нижний выходной конец трубки 7 установлен в плоскости верхнего уровня товарной жидкости резервуара.
Релейная схема настраивается таким образом, чтобы при атмосферном давлении в трубе 2 выходной сигнал релейной схемы соответствовал открытому клапану 13.
При закрытом клапане 5, выходящий из трубки 7 воздух вытесняет жидкость из полости трубы 2, при этом клапан 13 закрыт. При открытии клапана 5 с помощью устройства 6 воздух из полости трубы 2 стравливается в атмосферу, и эта полость заполняется той жидкостью, в которую в этот момент был погружен нижний конец трубы 2.
Если нижний конец трубы 2 находился в товарной жидкости, то она поднимается до трубки 7. Давление в последней возрастает, при этом клапан 13 закрыт. Этот режим означает, что уровень подтоварной жидкости не достиг заданного верхнего граничного значения, определяемого положением нижнего торца трубы 2.
Если нижний конец трубы 2 в момент открытия клапана находился в подтоварной жидкости, то она поднимается в трубе 2, но ее уровень не доходит до трубки 7, так как плотность подтоварной жидкости больше плотности товарной жидкости. Так как трубка 7 будет открыта (связана с атмосферой), то клапан 13 открывается и позволяет сливать подтоварную жидкость в течение фиксированного времени.
Прибор заработал сразу, без какой либо доводки и перестройки, да и вообще у него сложилась счастливая судьба. Быстрое внедрение, наличие экономического и социального эффектов, получение авторского "с первой попытки", медаль ВДНХ. Для меня это был один из первых реальных проектов, выполненных "под ключ", проектов, в которых совершенно абстрактная формулировка ИКР превратилась в конструкцию. Возможно, что какие - то моменты из этой истории заинтересуют и "третьих лиц".
И еще: если эту задачу давать на занятиях в абсолютно препарированном виде, то для ее "правильного" решения достаточно знаний в объеме девяти классов средней школы.


Записаться на тренинг ТРИЗ по развитию творческого, сильного мышления от Мастера ТРИЗ Ю.Саламатова >>>

Новости RSSНовости в формате RSS

Статьи RSSСтатьи в формате RSS

Рейтинг – 794 голосов


Главная » Это интересно » Наука и техника » Задача об измерении уровня подтоварной жидкости
© Институт Инновационного Проектирования, 1989-2015, 660018, г. Красноярск,
ул. Д.Бедного, 11-10, e-mail
ysal@triz-guide.com, info@triz-guide.com
 
 

 

Хочешь найти работу? Jooble