Тайната на изобретението: Изобретателството в действие

Това е последната статия от поредицата Тайната на изобретението, публикувана в популярното българско списание "Млад конструктор" през 1984 г. В нея съм илюстрирал основните принципи на изобретателството чрез примери от моята изобретелска практика.

Изобретателството в действие

Ето че дойде време да илюстрираме приложението на някои от основните принципи на изобретателството. Предложените идея са подбрани от собствения ми изобретателски опит и са интересни с това, че разкриват "технологията" на изобретяването. Затова не се учудвайте, ако някои от тях изглеждат нереални, фантастични, а други се окажат вече известни.

В предишните материали неведнъж изтъквахме, че за да се генерират успешно нови идеи, е необходима определена психическа нагласа на съзнанието. Тя настъпва при определени условия и се характеризира с повдигане на самочувствието, оптимизъм и желание за работа. Като студент, за мен тези моменти настъпваха по време на сесия. Това не е случайно. През учебния семестър задълженията на студента са множко - лекции, упражнения, контролни, протоколи и т.н. и едва ли му остава време да си помечтае (по-точно време има, но е разпокъсано). Дойде ли сесия, всички задължения, с изключение на едно - да се вземе изпита, отпадат. При това оставаш сам със себе си и щеш не щеш, трябва да се понапънеш, за да разбереш някои неща. Тогава възникват и въпросите.

И така, една вечер учех поредния въпрос - аналого-цифров преобразувател с преобразуване на напрежението във временен интервал и запълването му с еталонни импулси. Принципът на действие е известен (фиг. 1).

Управляващото устройство УУ пуска периодично генератор на линейно изменящо се напрежение ГЛИН, което се сравнява с измерването напрежение  Uизм от сравняващо устройство (компаратор СУ). Едновременно с това се установява тригерът Тр и от еталония генератор Г през вентила И в брояча постъпват импулси. Когато линейно изменящото се напрежение стане равно на измерването, сравняващото устройство нулира тригера и импулсите не преминават вече през вентила. Съдържанието на брояча е пропорционално на стойността на измерването напрежение.

Всичко беше наред, докато не ми хрумнаха въпросите: "А защо е необходим отделен еталонен генератор? Не съществува ли процес, който обединява двете действия - преобразуване на напрежение във временен интервал и генериране на импулси (метод на универсалността?)" Още преди да съм получил утвърдителен отговор, бях уверен, че съм на прав път и незабавно включих мисления екран. "Прожекцията" беше само графическа, т.е. за устройство въобще не ставаше въпрос. Представях си процеса в развитието му - импулсите се появяват и след определено време сами спират (идеалният краен резултат).

Може би думичката сами е насочила вниманието ми към процес, за който е характерно естественото спиране в резултат на някакви загуби. След като преодолях психическата инерция на мисленето и стана ясно, че не е задължително импулсите да са с правогълна форма и еднаква амплитуда, дойде и моментът на озарението - като измервателен елемент да се използва трептяща система с висок качествен фактор (т.е. с малки загуби), в която чрез измервания сигнал Х се възбуждат свободни затихващи трептения У и се преброяват (фиг 2). И веднага ми дойде една идея за устройство, с което може да си измери амплитудата на напрежителен импулс в цифрова форма (фиг. 3). То съдържа само един кварцов резонатор КР, сравняващо устройство СУ (компаратор) и брояч Бр. Напрежителният импулс въздейства върху кварцовия кристал като го деформира. След изчезване на импулса резонаторът извършва затихващи механични трептения и на електродите му се появяват съответните електрически трептения, които се подават към компаратора. В изхода му се получава "пакет" от правоъгълни импулси, които се изброяват от брояча.

Интересно е, че броят на импулсите зависи логаритмично от амплитудата на сигнала, което позволява да се отчита в логаритмични единици (например децибели). Така че устройството реализира по-възможно най-простия начин функциите на един аналогоцифров логаритмичен преобразувател (класическият начин за подобно преобразуване се реализира със сложни електронни схеми).

Съвсем закономерно възниква и следващият въпрос: "А защо един механичен резонатор да не се възбуди директно с механичен удар?" Представете си, че държите в ръката си камертон. Удряте го леко с твърд предмет и той започва да звучи, като силата на звука постепенно намалява до пълно изчезване. При по-силен удар звученето ще продължи по-дълго време. Ако с подходящо устройство преброите трептенията от началото на удара до пълното им затихване, ще получите информация за силата на удара в цифрова форма. Така се получи още едно интересно приложение на метода - устройство за измерване на амплитудата на механични удари.

Дотук се предполагаше, че резонаторът има висок и постоянен качествен фактор, а променливата величина е амплитудата на възбуждащото въздействие (напрежителен импулс, механичен удар и т.н.). След като приех, че е изпълнено обратното (резонаторът се възбужда от импулси с постоянна амплитуда, а променливата величина е качественият фактор) - метод "наопаки",  достигнах до идеята по този начин да се измерват величини, които влияят върху качествения фактор. Така например, качественият фактор на камертона зависи от вискозитета (гъстотата) на средата, в която трепти (т.е. при един и същи по сила удар ще се получат различни по брой трептения в зависимост от това в каква среда се намира камертонът -  въздух, вода, масло и т.н.). И така, следващото приложение на метода беше "вискозиметър с цифрово отчитане".

Случайно възникналата идея, която образно нарекох "принцип на камертона", ме обземаше все повече повече и повече. Чувствах, че това излезе златна жила и започнах трескаво да търся и други приложения. Резултатите дойдоха, след като погледнах на този процес по малко по-друг начин. Разсъждавах така:

"Пред нас стои един резонатор. На подходящо въздействие той "отговаря" с генериране на затихващи трептения с точно определена честота. Следователно, резонаторът може да изпълнява ролята на секретен ключ. Ето го едно от най-интересните приложения на "принципа на камертона" - разпознаване на обекти от разстояние. Както е известно, това е необходимо при контролно-пропускателните пунктове (разпознаване и пускане на "своите", а спиране на "чуждите"), алармените системи и др. За целта обектът (например човек) се снабдява  LC-трептящ кръг (паралелно свързани бобина и кондензатор, запресовани в пластмасова пластинка), който изпълнява ролята на ключ (фиг. 4). В пропускателния пункт се монтира предавател, който излъчва периодично мощни електромагнетни импулси (метод на периодичното действие) и приемник. Импулсите се индуктират в бобината на трептящия кръг и възбуждат в него свободни затихващи колебания със строго определена честота. Те се излъчват обратно от трептящия кръг и се възприемат от приемника. Според честотата им може да се определи кой минава ("свой" или "чужд"). Това приложение илюстрира чудесно метода на периодичното действие - предавателят излъчва импулс ("въпрос"), а в паузата LC- трептящият кръг "отговаря" (метода нарекох "въпрос-отговор").

По-късно ми хрумна следното: "А не може ли LC-кръгът да бъде управляем?" Например с едно ключе К (фиг. 5) да се включва и изключва по желание. Тогава той се превръща в пасивен предавател, с който например един касер може незабелязано да сигнализира при опит за обир на банката. А ако капацитетът на кондензатора или индуктивността на бобината се направят зависими от някоя величина X (температура, налягане и т.н.)? Получава се безконтактен преобразувател от вида "величина X - честота". По този начин може да си получи информация за температурата, киселинността, налягането и др. в храносмилателната система на човека, ако той предварително глътне миниатюрна сонда-таблетка.

Много интересни идеи си получиха,  след като приложих "принципа на камертона" при обемните резонатори. Представете си например плосък пиезоелемент-отражател ПЕ, срещу който е разположен строго паралелно плосък отражател О (фиг. 6). Ако пиезоелементът излъчи един кратък импулс, той ще се отрази многократно преди да затихне. Честотата на получените импулси в изхода на пиезоелемента е пропорционална на разстоянието l - получаваме преобразувател "преместване-честота".

До този момент предполагахме, че средата между двата отражателя е неподвижна. А ако тя е подвижна? Например потопили сме отражателите в течаща вода. При движението на флуида (в случая вода) утразвуковият импулс описва "хармоника", която се разтяга пропорционално на скоростта на движение на флуида (фиг. 7). Броят на многократните отражения намалява, защото част от тях се "издухват" от флуида извън зоната на двата отражателя. И така, получихме преобразувател "скорост - брой импулси", т.е. ултразвуков разходомер с цифрово отчитане.

За да си изясня процесите в последните приложения, използвах различни аналогии. Например, представих си, че отражателите са две успоредни стени, между които подскача топче от пинг-понг (т.е ултразвуковият импулс) - пряка аналогия. Ясно беше, че ако духа вятър, топчето ще се движи не само перпендикулярно, но и успоредно на стените. Или пък си представих, че отържателите си бреговете на една река, в която аз (т.е. ултразвуковият импулс) плувам перпендикулярно на течението на реката, като "снова" от единия бряг до другия - лична аналогия. И в този случай става ясно, че плувам по траектория "хармоника", която се разтяга пропорционално на скоростта на течението.

Ето така, с използване на всички оръжия за борба срещу рутинното мислене - емоционално "напомпване", потискане на критиката и самокритиката, "образно" мислене, аналогии. "изстискване" на случайните явления, с чести прехвърляния от една област на техниката в друга, се "генерират" нови идеи. Едни от тях ще се окажат безполезни, други - дребни, а някои... може би ще изменят хода на историята. Опитайте!

(край)

Инж. Кирил Мечков

Тайната на изобретението

Опитай се да изобретиш! (мотивираме читателя да стане изобретател)

От къде да започнем (поставяме проблема и чакаме решението)

В царството на случайността (стимулираме възникването на нови идеи чрез използване на случайността)

Инструментите на изобретателя (разглеждаме набора от "инструменти" за решаване на изобретателски задачи)

Разширяваме инструментариума (разглеждаме още "инструменти“, използвани от изобретателите при решаване на творчески задачи)

"Кристализация" на идеята (разглеждаме момента, непосредствено след появата на новата идея)

Изобретателството в действие