Выявление и систематизация физических эффектов и явлений для создания перспективных преобразователей физических величин

1На современном этапе развития промышленности производителями и потребителями предъявляются все более высокие требования не только к точностным характеристикам, надежности, безопасности датчиков (измерительных преобразователей), но и к созданию самодиагностирующихся (имеющих функцию метрологического самоконтроля) и неинтрузивных (бесконтактных или малоконтактных, невнедряемых в среду) датчиков (измерительных преобразователей). Это позволит осуществлять их монтаж, эксплуатацию, техническое обслуживание, калибровку и поверку без нарушения (приостановки) технологического процесса. В связи с этим актуальной является проблема поиска новых принципов и технологий измере- ния физических величин (в частности, актуальных для добывающей и перерабатывающей промышленности: давления, температуры, расхода и уровня), реализующих указанные функции. Это предполагает необходимость классификации физических эффектов и явлений, которые могут быть положены в основу разработки новых датчиков (измерительных преобразователей) физических величин как первого шага на пути решения указанной проблемы.2

На кафедре «Информационно-измерительная техника» Южно-Уральского государственного университета инициирован проект по выявлению новых и перспективных направлений (методов, технологий) измерений в управлении технологи-

ческими процессами с точки зрения бесконтактно-сти измерений и возможности обеспечения диагностики технического состояния средств измерения. Данный проект позволил оценить современное состояние существующих средств измерения и выявить перспективные направления в области создания новых преобразователей физических величин.

В основе реализуемого проекта лежал сбор и систематизация научно-технической информации из отечественных информационных источников за последние 20 лет. Сотрудниками кафедры был проведен обзор списка журналов, рекомендованных ВАК; из всего списка было отобрано 123 журнала, содержание которых в наибольшей степени соответствовало целям проекта. Было проанализировано содержание журналов, имеющихся в научной библиотеке Южно-Уральского государственного университета. В итоге отобрано 3 165 научных статей для дальнейшего исследования.

На следующем этапе работы над проектом был составлен список ключевых слов, позволяющий группировать и систематизировать статьи, а также формализовать процесс внесения данных статей в единое информационное хранилище, находящееся в круглосуточном онлайн-доступе. Все статьи были изучены и идентифицированы соответствующими ключевыми словами. Особенное внимание при анализе статей уделялось физическим явлениям, методам и технологиям, позволяющим осуществлять малоинвазивное и неинвазивное измерение давления, температуры, уровня и расхода.

База данных для хранения собранной информации была организована в рамках автоматизированной библиотечной информационной системы научной библиотеки Южно-Уральского государственного университета. Благодаря иерархической структуре хранения информации и наличию формализованной системы ключевых слов были созданы шаблоны для хранения информации для следующих информационных источников: статьи из периодического издания, монографии, патента, автореферата диссертации. Наличие системы ключевых слов позволяет осуществлять не только простой (по автору и названию), но и расширенный поиск (по ключевым словам), позволяющий производить отбор информационных источников по заданному критерию: по принципу действия, по измеряемой величине, по характеру рассматриваемых в источнике вопросов и др.

Созданная система хранения и систематизации информационных источников была использована для изучения и постановки задач, связанных с разработкой современных средств измерения физических величин, основанных на новых физических явлениях и эффектах.

Следующий этап реализуемого проекта предполагает создание системы классификации физических эффектов и явлений, позволяющих выявить те из них, которые могут быть положены в основу разработки новых датчиков (измерительных преобразователей) физических величин. Учеными П.Д. Головиным и А.В. Блиновым [1] была предложена таблица эффектов взаимодействия физических величин, каждая из которых может быть как преобразующей, так и преобразуемой. Данное представление может быть использовано, например, при разработке методов измерения давления путем преобразования давления в одну из легко измеряемых физических величин.

Однако данная классификация не является исчерпывающей, поскольку не учитывает большое количество известных физических эффектов и явлений [2–6] и неудобна (малопригодна) для практического применения.

Предлагается разработать новую классификацию, учитывающую большее число известных в настоящее время физических эффектов и явлений.

Изучение опыта исследовательских работ в области создания средств измерений показало, что в качестве классификационных признаков целесообразно использовать следующие:

• 1)    физическую величину, подлежащую измерению, в частности, для промышленности представляют наибольший интерес давление, температура, расход и уровень;

• 2)    физические эффекты и явления, связанные с преобразованием одной физической величины в другую. Например, для измерения давления была выявлена возможность использования 79 физических эффектов и явлений различной природы [7];

• 3)    степень использованности (реализованности, внедренности, изученности) физического эффекта или явления, например:

• •    теоретические описания;

• •    лабораторные исследования;

• •    прототипы измерительных преобразователей, созданные на основе данного физического эффекта или явления;

• •    промышленный выпуск измерительных преобразователей, созданных на основе данного физического эффекта или явления;

• 4)    степень взаимодействия с объектом измерения:

• •    бесконтактный (в трактовке [8]);

• •    малоконтактный (частично входящий в контакт с объектом измерения);

• •    контактный.

• 5)    степень соответствия требованиям потребителей различных отраслей промышленности (точность, тяжелые условия измерений, электромагнитная совместимость, стоимость и т. д. [9, 10]).

• 6)    возможность встроенной диагностики или самодиагностики измерительного преобразователя, созданного на основе данного физического эффекта или явления, или наличие у него функции метрологического самоконтроля.

Выявление и систематизация физических эффектов и явлений для создания перспективных преобразователей физических величин

Возможно наличие и других классификационных признаков.

Привязка предлагаемой классификации к электронному информационному ресурсу научной библиотеки Южно-Уральского государственного университета [11] позволит осуществлять обоснованный выбор физических явлений и эффектов для разработки новых перспективных образцов измерительных преобразователей физических величин для удовлетворения потребностей конкретных отраслей промышленности.