ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИЗ-ПЕДАГОГИКИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ В ВУЗЕ

Лабораторная работа «Тарирование расходомера Вентури»

Целью работы является изучение конструкции и принципа действия расходомера [1] и определение его характеристик на основании опыта данных.

Конструкция расходомера Вентури приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкция расходомера Вентури

Расходомер Вентури состоит из участков 1 и 2 диаметром d₁ = 20 мм и участка 3 диаметром d₂ = 10 мм, соединенных между собой коническими участками 4 и 5. Посредством резьб участки 1 и 2 подсоединяются к гидравлической системе. Отверстия 6 и 7 служат для подключения пьезометров.

На рисунке 2 приведена схема, раскрывающая принцип работы расходомера Вентури.

Действие расходомера Вентури описывается уравнением Бернулли:

                              (1)

где Z₁, Z₂ – геометрические напоры, т.е. расстояния от плоскости сравнения (горизонтальной координатной плоскости) до центра тяжести живого сечения потока;

, - пьезометрические напоры, т.е. высоты поднятия жидкости в пьезометрах;

 - скоростные напоры, т.е. высоты подъема жидкости за счет кинетической энергии.

Скорости жидкости в сечениях 1 и 2 [1] связаны уравнением неразрывности потока:

,                                                 (2)

где       - площадь сечения 1-1;

 - площадь сечения 2-2;

Q – расход жидкости через расходомер.

Из (2) следует

.                                                        (3)

Из рисунка 2 имеем

.                                                     (4)

Учитывая, что , имеем  и, следовательно ; . Это означает, что уровень жидкости в пьезометре 2 будет ниже, чем в пьезометре 1, как это и изображено на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема действия расходомера Вентури

Теоретический расход жидкости через расходомер

,                                       (5)

где  - теоретическая конструктивная постоянная расходомера Вентури.

В лабораторной работе действительная конструктивная постоянная расходомера Вентури [1] определяется опытным путем. Если измерить расход жидкости Q через расходомер Вентури и потери напора на нем , то действительная конструктивная постоянная расходомера определяется выражением:

.                                                          (6)

Из конструкции расходомера Вентури ясно, что существуют гидравлические потери, неточности размеров при изготовлении, которые нужно учитывать при расчётах (действительный расход будут несколько отличаться от теоретического). Также следует учитывать неоднородность потока вещества, т.к. в нём возможно присутствие инородных включений, влияющих на конечный результат измерений. Следует отметить, что следует применять трубы, неподверженные разрушению агрессивной средой вещества, иначе их поверхность будет отслаиваться включениями в вещество, что в дальнейшем повлияет на результат измерений.

Итак, возникла изобретательская ситуация: «Изобрести средство измерения расхода веществ», переформулировав которую, получаем понятную любому человеку: «Придумать вещь для счёта массы либо объёма тела, проходимого через трубу за единицу времени, с последующим арифметическим действием-нахождением частного от деления массы либо объёма на время».

Измерение расхода вещества проводится с помощью секундомера и градуированной ёмкости с известным объёмом. По сигналу пускается вещество в ёмкость и начинается отсчёт времени. Ввиду ограниченного объёма ёмкости подачу вещества прекращают одновременно с отсчётом времени. В этом случае поток вещества нарушается, т.к. прерывается и измерения расхода останавливается на время опустошения ёмкости для следующего измерения.

А как же быть с постоянным потоком вещества?

В случае обнаружения ухудшения параметров средства измерения расхода вещества в результате улучшения других возникает противоречие: расходомер должен быть простым, чтобы не производить арифметические действия, и должен быть сложным, чтобы выводить наглядные данные измерений.

Ликвидировать противоречие попробуем методом стандартов на решения изобретательских задач [2]. Выбираем наиболее подходящий по условию стандарт.

4.1.1. Если дана задача на обнаружение или измерение, целесообразно так изменить систему, чтобы вообще отпала необходимость в решении этой задачи.

Этот пункт подходит лишь для прерывающегося потока вещества и ограничивается объёмом ёмкости.

4.2.1. Если невепольная система плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают, достраивая простой или двойной веполь с полем на выходе.

Данный пункт подходит лишь к веществам с включениями. Например, можно добавить электромагнитные колебания сверхвысокой частоты либо проводить поток вещества между двух одинаковых соосных вращающихся шестерен с последующим отсчётом количества оборотов шестерен.

4.2.2. Если система (или ее часть) плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают переходом к внутреннему или внешнему комплексному веполю, вводя легко обнаруживаемые добавки.

Чистый поток вещества после добавления инородных веществ проблематично очистить без потери первоначальных свойств потока.

4.2.3. Если систему трудно обнаружить или измерить в какой-то момент времени и нет возможности ввести в объект добавки, то эти добавки, создающие легко обнаруживаемое и легко измеряемое поле, следует ввести во внешнюю среду, по изменению состояния которой можно судить об изменении состояния объекта

4.2.4. 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.

Нагреть, охладить вещество.

4.4.5. 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.

Класс 5.1.1.5 Ввести феррочастицы и расположить в отдельных частях объекта.

Класс 5.1.1.6 Ввести феррочастицы на время.

Класс 5.3.1 Заменить фазовое состояние вещества.

Класс 5.5.1 Если для решения нужны частицы (ионы) и получение невозможно по условиям задачи, то частицы получают разрушением вещества более высокого структурного уровня (молекул)-электролиз.

Анализируя патентную литературу, находим искомые изобретение. Патенты RU 2100780, RU 2095759, RU 2125712, RU 2123668, RU 2121136, RU 2112928, RU 2111458, RU 2106603, RU 2106602, RU 2069315, RU 2082951, RU 2102624, RU 2104496, RU 2102708, RU 2100782, RU 2100782, RU 2101681, RU 2100855.

По данным поиска видно, сколько конструктивно разнообразных устройств существует и у всех разные принципы действия.

Обучающимся предлагается разнообразить список существующих расходомеров с помощью вепольного анализа [2].

Использование элементов ТРИЗ-педагогики, таких как стандарты на решение изобретательских задач, вепольный анализ, позволит обучающимся найти идеи конструкций расходомеров и иных действующих и не изобретённых приборов.

Список литературы:

1. Балаклейский С.П. Гидравлика и гидропневмопривод. Методические указания по выполнению лабораторных работ. – Костанай: КГУ им. А. Байтурсынова, 2011. - 70 с.
2. Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач) / Г.С. Альтшуллер, Б.Л. Злотин, А.В. Зусман, В.И. Филатов. – Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989. – 381 с.