Проектирование электрохромного индикаторного устройства

Проектирование электрохромного индикаторного устройства

Содержание

1. Задание

. Принцип работы устройства

. Анализ устройства по законам развития технических систем

.1 Анализ и синтез по закону полноты частей системы

.2 Анализ и синтез по закону энергетической и информационной проводимости

.3 Анализ и синтез по закону согласования-рассогласования

.4 Анализ и синтез ТС с точки зрения увеличения степени идеальности. Разрешение ТП по АРИЗ

.5 Анализ и синтез по закону неравномерного развития ТС

.6 Анализ и синтез по закону повышения динамичности и управляемости ТС

.7 Анализ и синтез по закону развертывания-свертывания

.8 Анализ и синтез при переходе ТС на микроуровень.

.9 Использование полей

. Вепольный анализ

.1 Синтез веполей

.2 Разрушение веполей

. Морфологический анализ

. Анализ одного из решений при помощи оператора “размеры-время-стоимость”

. Описание учебного изобретения

Заключение

Список литературы

1. Задание

Внимательно ознакомиться с описанием изобретения и уяснить принцип действия устройства или устройства, реализующего способ.

Изложить принцип действия устройства в пояснительной записке (ПЗ) с приведением всех необходимых рисунков и графиков.

Проанализировать устройство с точки зрения проявления основных законов развития технических систем (ТС), а именно:

закона полноты частей системы

закона энергетической и информационной проводимости ТС

закона согласования-рассогласования ТС

закона увеличения степени идеальности ТС

закона неравномерности развития ТС

закона повышения динамичности и управляемости ТС

закона развертывания и свертывания ТС

закона перехода ТС на микроуровень и использование полей

На основе анализа и синтеза выявить несколько технических противоречий в ТС. Выбрать одно из них и разрешить его по алгоритму решения изобретательских задач.

Построить вепольную структуру всех рассматриваемых задач. Произвести синтез или разрушение веполей.

Произвести морфологический анализ одной из задач. Получить и проанализировать наиболее интересные 2-3 решения.

Проанализировать одну из задач при помощи оператора “размеры-время-стоимость”.

На основания решения полученного в пункте 5 составить описание учебного изобретения и необходимыми чертежами.

2. Принцип работы устройства

индикаторное устройство синтез веполь

Патент: 802903 Электрохромное индикаторное устройство

На рисунке 2.1 представлено устройство в разрезе.

Устройство для отображения информации состоит из рабочего 1 и вспомогательного 2 электродов, ионопроводящего слоя 3, противоэлектрода 4, фоточувствительного элемента 5, схемы управления 6 и источника света 7. В качестве последнего могут быть использованы светодиоды, лампочки накаливания и другие источники с постоянной интенсивностью света.

Устройство работает следующим образом [4].

На рабочий 1 и вспомогательный 2 электроды со схемы управления 6 подаётся окрашивающее напряжение. При достижении заданной оптической плотности электрохромной плёнки на вспомогательном электроде, которая устанавливается режимом работы схемы управления 6, интенсивность света, падающего от источника света 7 на фоточувствительный элемент 5, уменьшается. Параметры фоточувствительного элемента, например, сопротивление, при использовании фоторезистора изменяются и окрашивающее напряжение от рабочего и вспомогательного электродов отключается схемой управления.

Рисунок 2.1 - Устройство в разрезе

3. Анализ устройства по законам развития технических систем

.1 Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы (ТС) является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы. Таких основных частей четыре: двигатель (Дв), трансмиссия (Тр) или передача, рабочий орган (Ро), и орган управления (Оу).

Определим, что же является основными частями системы. Так как система предназначена для отображения информации, то рабочим органом будет рабочий электрод 1. Двигателем и источником энергии будет схема управления 6, по крайней мере, та её часть, которая выдаёт окрашивающее напряжение, органом управления будет являться схема управления 6, источник света 7, вспомогательный электрод 2 и фоточувствительный элемент 5. Последние три элемента представляют в совокупности некий датчик окрашенности. Очевидно, в качестве трансмиссии будут выступать проводники электрического тока.

Чтобы получить новые технические решения с использованием закона полноты частей системы, можно использовать линию на вытеснение человека из ТС. В соответствии с линией вытеснения действия человека необходимо искать на окончании этой линии - в органах управления - схеме управления - блоке 6, источнике света 7, вспомогательном электроде 2 и фотоприёмнике 5. Блок 6 на основании информации от фоточувствительного элемента 5 создаёт окрашивающее напряжение, подаваемое к электродам. Определённой величине окрашивающего напряжения соответствует вполне определённая оптическая плотность электрохромной плёнки на основном 1 и вспомогательном 2 электродах и, с другой стороны, вполне определённый режим подачи подачи окрашивающего напряжения, т.е. в этом смысле система направлена на поддержание постоянной оптической плотности электрохромной плёнки на электродах. Ясно, что этот режим определяет блок 6, а точнее, алгоритм, заложенный в памяти блока 6, который установил человек - разработчик этой системы. Для вытеснения этой функции человека алгоритм работы блока 6 должен устанавливаться сам.

НТР1. Можно выкинуть из системы блок 6 и провести цепь питания электродов непосредственно через фоточувствительный элемент, соответственно в качестве фоточувствительного элемента необходимо выбрать фотореле, либо фоторезистор, сопротивление которого будет резко возрастать при уменьшении интенсивности падающего света ниже определённого уровня. Т.е. роль органа управления возьмёт на себя фоточувствительный элемент. В этом случае алгоритм работы устанавливается самой системой. Человек может задавать необходимую ему оптическую плотность на рабочем электроде всего лишь меняя интенсивность источника света.

.2 Закон энергетической и информационной проводимости

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности ТС является сквозной проход энергии и информации по всем частям технической системы. Для анализа ТС по этому закону построим линию сквозного прохода энергии через систему.

Рисунок 3.1 - Линии прохода энергии через части системы

Линией связи охвачены все элементы системы, попробуем направить свет от источника направить на рабочий электрод. Изменённую систему можно теперь изобразить так:

Рисунок 3.2 - Линии прохода энергии в изменённой системе

НТР2. Освещая светом от источника рабочий электрод получаем новую полезную функцию - подсветку электрохромной плёнки.

.3 - Закон согласования-рассогласования

Составляющие части технической системы должны быть согласованы или, наоборот, рассогласованы между собой по тем или иным параметрам.

НТР3. Рассогласуем источник света и фоточувствительный элемент по темпу работы. Фоточувствительный элемент, как и раньше, непрерывно улавливает свет, а источник света испускает световые волны с определённой периодичностью. В перерывах между работой источника света фоточувствительный элемент воспринимает только окружающее освещение. В результате получаем новую функцию - измерение окружающей освещённости.

3.4 Закон увеличения степени идеальности

В процессе своего развития степень идеальности увеличивается либо за счет увеличения выполняемых системой функций (полезных), либо за счет уменьшения факторов расплаты (либо за счет изменения того и другого одновременно).

Под увеличением степени идеальности в ТРИЗ понимается рост отношения суммы выполняемых системой полезных функций  к сумме факторов расплаты :

НТР4. Для стабилизации оптической плотности электрохромной плёнки на рабочем электроде измеряется оптическая плотность электрохромной плёнки на вспомогательном электроде с такими же оптико-электрическими параметрами, как у рабочего электрода.         Выбросив из системы вспомогательный электрод и проводя измерения на рабочем электроде можно упростить систему. Тогда возникает техническое противоречие - Поверхность рабочего электрода не должна перекрываться непрозрачными предметами и быть хорошо различимой (если смотреть со стороны падающего света) и в то же время должна постоянно освещаться источником света, находящимся в плотную к рабочему электроду. Это противоречие можно решить по АРИЗу.

НТР5. Чтобы визуально наблюдать поверхность рабочего электрода необходимо достаточное освещение, естественное или искусственное, которое можно использовать так же в качестве лампы, но тогда возникает противоречие в том, что освещение должно обладать постоянной яркостью для нормальной работы схемы и переменной яркостью, для применения устройства в средах с различной освещённостью. Это противоречие можно так же решить по АРИЗу.

Для получения новых технических решений перечислим основные количественные признаки имеющегося устройства:

время измерения;

изменение температуры;

габариты устройства;

количество составных частей;

погрешность измерения.

Будем улучшать четвертый признак: количество составных частей. За основу возьмем НТР4.

Чтобы упростить систему мы определяем оптическую плотность электрохромного слоя непосредственно на рабочем электроде. Тогда возникает техническое противоречие - Поверхность рабочего электрода не должна перекрываться непрозрачными предметами и быть хорошо различимой (если смотреть со стороны падающего света) и в то же время должна постоянно освещаться источником света, находящимся в плотную к рабочему электроду. Разрешим это противоречие по алгоритму решения изобретательских задач (АРИЗ) [2].

Анализ задачи

.1 Мини-задача. Дана техническая система для стабилизации оптической плотности на рабочем электроде, состоящая из рабочего электрода, ионопроводящего слоя, противоэлектрода, фоточувствительного элемента, источника света и схемы управления.

Техническое противоречие: если источник света лежит на поверхности рабочего электрода то свет от него проходит через электрохромный слой к фоточувствительному элементу, но электрохромный слой становится закрытым для визуального наблюдения, если же источник света не перекрывает электрохромный слой, то слой можно наблюдать визуально, но свет от источника не будет проходить через электрохромный слой, нарушая функцию обратной связи.

.2 Выбор конфликтующей пары: в качестве инструмента выберем источник света, в качестве изделия целесообразно выбрать рабочий электрод, т.к. он подвергается воздействию света.

.3 Граф-схема технического противоречия (Рисунок 3.6)

Рисунок 3.3 - Граф-схема технического противоречия

.4 Выбор главного производственного процесса. Выбираем ТП-2, так как для корректной работы устройства необходимо обеспечить хорошую видимость поверхности рабочего электрода.

.5 Усиление конфликта. Источник даже частично не перекрывает поверхность электрода, в следствии чего она полностью наблюдаема.

.6 Модель мини-задачи. Дана техническая система для отображения информации (меняющегося электрохромного слоя на поверхности электрода), состоящая из источника света, находящегося в стороне от наружной поверхности рабочего электрода, которая обеспечивает хорошую видимость поверхности рабочего электрода, но очень плохо освещает его поверхность.

Необходимо ввести X-элемент, который, не усложняя систему, должен не мешать освещению проходить сквозь поверхность рабочего электрода.

Анализ ресурсов модели

.1 Определение оперативной зоны (ОЗ). В ОЗ будет входить источник света и электрохромный слой на поверхности рабочего электрода, который должен пропускать сквозь себя свет от источника.

.2 Определение оперативного времени (ОВ).

,                                                                                              (3.2)

где  - время до конфликта (подготовка эксперимента),  - время конфликта.

.3 Определение вещественно-полевых ресурсов (ВПР)

Анализ ВПР проведем в виде таблице (Таблица 3.1)

Таблица 3.1 - ВПР системы

На основе анализа таблицы 3.1 попробуем найти какие-нибудь решения.

Подставим в ОЗ в ОВ источника света пустое пространство, поставив источник света сбоку, чтобы он светил на боковую поверхность электрохромной плёнки (фоточувствительный элемент, естественно, нужно поместить с другого боку). Поверхность рабочего электрода стала видимой. Но возникает проблема: световой поток намного шире чем боковая поверхность электрохромного слоя, естественно, свет почти не будет проходить через электрохромный слой в боковом направлении

Можно взять очень мощный источник света. Возникает другая проблема: свет будет проходить через электрохромный слой до фоточувствительного элемента, но будет слепить наблюдателя и мешать различению наружной поверхности электрохромного слоя. Возьмем на заметку это решение.

Формирование идеального конечного результата (ИКР) и физического противоречия

.1 ИКР. Дана техническая система состоящая из рабочего электрода, ионопроводящего слоя, противоэлектрода, фоточувствительного элемента, источника света и схемы управления. Не усложняя систему, необходимо в месте освещения рабочего электрода в оперативное время ввести X-элемент так, чтобы он увеличивал световой поток направленный на боковую поверхность рабочего электрода и уменьшал светового поток, направленный в другие стороны.

.2 Усиленный ИКР. Дополним ИКР следующим ограничением: в систему нельзя вводить новые вещества и поля, ввести X-элемент, используя ВПР.

Подставим вместо X-элемента источник света. Чтобы свет фокусировался и усиливался на рабочей поверхности рабочего электрода нужно как-то изменить форму или материал источника света.

.3 Физическое противоречие на макроуровне. Предъявим требования к X-элементу.элемент должен быть ярким, чтобы свет проходил через весь рабочий электрод до фотчувствительного элемента, и должен быть тусклым, чтобы не слепить наблюдающего и не мешать различению наружной поверхности электрохромного слоя.

.4 Физическое противоречие на микроуровне.

В оперативной зоне должны быть яркие частицы у боковой поверхности рабочего электрода, чтобы свет проходил через рабочий электрод до фотоприёмника, и тусклые частицы у верхней поверхности рабочего электрода, чтобы не мешать различению наружной поверхности электрохромного слоя.

НТР6. В источник света необходимо встроить линзу, которая будет фокусировать световой луч на боковой поверхности рабочего электрода или использовать лазерный источник света (Рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Иллюстрация к НТР8

.6 Метод маленьких человечков и шаг назад от ИКР

Недостаток НТР6 состоит в том, что свету нужно пройти через рабочий электрод точно от одной боковой стенки к другой, соответственно необходима очень высокая точность фокусировки. Можно фоточувствительный элемент расположить в плоскости источника света, но тогда свет от источника почти не будет на него попадать.

Метод маленьких человечков.

Рисунок 3.5 - метод маленьких человечков

Световые волны проходят сквозь рабочий электрод и в следствии преломления и дифракции лишь небольшая их часть попадает на фоточувствительный элемент.

Сделаем так чтобы световые волны распространялись упорядоченно и не рассеивались. На пути от источника света до наружной поверхности рабочего электрода и от внутренней поверхности рабочего электрода будем препятствовать рассеиванию света, чтобы большая его часть попала на фоточувствительный элемент.

НТР 7. На пути от источника света до наружной поверхности рабочего электрода и от внутренней поверхности рабочего электрода поместим световод. Теперь свет будет представлять из себя направленный пучок и хорошо освещать фоточувствительный элемент.

Рисунок 3.6 - Иллюстрация к НТР7

Рисунок 3.7 - Шаг назад от ИКР

.7 Закон повышения динамичности и управляемости

В решении НТР5 необходимо сделать систему приспосабливаемой к внешней среде.

НТР8. Компенсировать влияние окружающего освещения можно с использованием второго фоточувствительного элемента, который будет улавливать только свет окружающей среды и вычитать его из общего освещения.

НТР9. Компенсировать влияние окружающего освещения можно с использованием мигающего источника света. Источник должен выдавать световой поток с определённой частотой - в промежутках между излучениями фотоприёмник будет замерять окружающее освещение и потом устройство управления будет вычитать его из измеренного светового потока при включенном источнике освещения.

.8 Закон развертывания-свертывания

Повышение идеальности ТС осуществляется путем развертывания - увеличения количества и качества выполняемых функций, приносящих пользу, но за счет увеличения сложности системы, и свертывания - упрощения системы при сохранении или увеличении количества и качества полезных функций.

Развертывание проявляется в НТР7: добавляется новый фоточувствительный элемент для измерение окружающего освещения. Новая функция - измерение окружающего освещения.

Свертывание проявляется в НТР4: система упрощается при выбрасывании второго электрода.

НТР10. Развернуть систему можно переходом к поли-системе. Создадим набор из трёх систем, добавив к каждой определённый светофильтр. Получим систему для отображения цвета - цветное индикаторное устройство.

.9 Закон перехода на микроуровень и использование полей

В процессе своего развития ТС дробится на более мелкие части (развертывается) или формируется из более мелких частей в целое (свертывается). При этом для организации мелких частей системы необходимо поле.

НТР11. Используем вместо рабочего электрода материал, обладающий так же полупроводниковыми свойствами - сопротивление которого при повышение питающего напряжения выше определённого уровня резко возрастает. Таким образом рабочий электрод будет сам контролировать свою окрашенность.

4. Вепольный анализ

На этом этапе работы для получения новых технических решений построим вепольную структуру. Произведем синтез и разрушение веполей.

.1 Синтез веполей

Синтез веполей будем проводить из следующего принципа: невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными.

Пусть  - электрохромный слой электрода,  - поле света (). На рисунке 4.1 а) изображена структура неполного веполя - постановка задачи, на рисунке 4.1 б) - полный веполь - ответ задачи.

Рисунок 4.1 - а) неполный веполь, б) полный веполь

Вредное действие поля света на электрохромный слой - свет проходит насквозь, почти не отражаясь в фотоприёмник . Необходимо отыскать такое вещество , которое вредное действие забирает на себя, тем самым компенсируя воздействие поля на вещество .

НТР 12. На наружную поверхность электрохромного слоя необходимо нанести односторонне зеркальный слой, который будет отражать не поглощённые электрохромным слоем лучи в фотоприёмник. Чтобы убрать погрешность, вносимую наружным освещением, источник должен выдавать световое поток с определённой частотой - в промежутках между излучениями фотоприёмник будет замерять окружающее освещение и потом устройство управления будет вычитать его из измеренного светового потока при включенном источнике освещения.

.2 Разрушение веполей

Для получения нового технического решения найдем в исходном устройстве вредное действие одного вещества на другое. “Разрушим” это действие введением третьего вещества.

Рисунок 4.3 - Разрушение веполя

Пусть  - источник света,  - рабочий электрод,  - световое поле. Необходимо такое вещество , которое препятствовало бы распростанению света в стороны от рабочего электрода.

НТР13. Для того, чтобы препятствовать распространению света в стороны от рабочего электрода следует использовать линзу.

5. Морфологический анализ

Выделим все элементы исходного устройства и припишем каждому из них по одной характерному признаку. Сведем полученные наименования и признаки в таблицу.

Таблица 4.1

Из таблицы получаем 32 вариантов возможного исполнения устройства. Реально имеющихся 7 устройств. Максимально возможное количество новых изобретений - 14. После рассмотрения каждой пары, которой соответствует знак минус (“-”), приведем новые технические решения на основе пары «ионопроводящий фоточувствительный элемент».

НТР14. Для улучшения свойств и упрощения системы необходимо убрать вспомогательный электрод, а вместо ионопроводящего слоя поставить электрически изолированный фоточувствительный элемент. Изоляция должна быть выполнена из материала, обеспечивающего ток ионов в обход фоточувствительного элемента.

6. Анализ одного из решений при помощи оператора “размеры-время-стоимость”

Рассмотрим устройство, полученное в НТР8 с точки зрения зависимости от размера, времени, стоимости. Будем уменьшать и увеличивать каждый параметр согласно шкале:

. Размеры.

Уменьшим размер устройства и получим устройство для хранения оптической информации.

Увеличим размеры - получим устройство маскировки зданий в зависимости от окружающего освещения (днём светлые стены - ночью тёмные) (НТР7, НТР8)

. Время.

Увеличим время жизни устройства, то есть получим хорошо защищенную систему от всех нежелательных возмущений, состоящую из прочных материалов.

Уменьшим время - получим одноразовое устройство для отображения разовой информации (ценники на продуктах)

. Стоимость.

Уменьшим стоимость устройства. Будем иметь дело с минимальным набором компонентов. Оставим рабочий электрод, ионопроводящий слой, противоэлектрод, фотореле и источник света.

Увеличим стоимость устройства. Получим многофункциональную систему для мониторинга: для измерения температуры освещённости среды и отображения информации о ней.

7. Формула учебного изобретения

Индикаторное устройство, включающее электрохромный элемент, схему управления, фоточувствительный элемент, оптически связанный с плёнкой электрохромного материала и фоточувствительный элемент, оптически связанный с окружающей средой, отличающееся тем, что в него введены вспомогательный электрод, электрически связанный с рабочим электродом электрохромного элемента и источник света с постоянной интенсивностью, оптически связанный через вспомогательный электрод с фоточувствительным элементом.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы можно сделать несколько выводов. Использование законов развития в научно-техническом творчестве, вепольный и морфологический анализ позволили легко получать новые технические решения, используя основные законы физики, электротехники. Прибегая к созданию и обострению технических противоречий можно понять, как получить новые изобретения. Законы развития дают целенаправленный подход к созданию изобретений. Очень хорошо прослеживается, что в том или ином новом техническом решении проявляются несколько законов сразу, что говорит о некотором изобретательском уровне получаемых устройств.

Практическое применение данных методов может заключаться как в написании патентов на какое-либо изобретение, так и в обычной инженерной практике при появлении противоречивых ситуаций.

Список литературы

Бушуев А.Б., Смирнов А.В. Использование законов развития технических систем в инженерном творчестве. Методические указания по выполнению курсовой работы. СПб ГИТМО 1992г., с.28.

Бушуев А.Б., Григорьев В.В., Смирнов А.В. Решение изобретательских задач в электротехнике и автоматике. Методические указания, ЛИТМО., 1990г., с.64.

Петров В. Базовый курс теории решения изобретательских задач. Тель-Авив 2002г.

А.с. 1273753 СССР / В.П. Чернюк, А.М. Трусь, П.И. Соловей // Устройство для измерения давления фундамента на грунт. - 1986г.

Конспект лекций Бушуева А.Б.- 2006г.

1.