Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.12.511.625
АВТОКОЛЕБАНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ: ФИЛОСОФСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
SELF-OSCILLATIONS IN MEASURING DEVICES: PHILOSOPHICAL ASPECTS AND PRACTICAL RESULTS
Скалон Анатолий Иванович
д-р техн. наук, профессор Е-mail: mechanics@aanet.ru
Аман Елена Эдуардовна
аспирант
Е-mail: anhelena7@gmail.com
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург
Аннотация: Изложены философские аспекты и предпосылки применения режима автоколебаний в измерительной технике, показана корреляция между циклической особенностью механизма природных явлений и сущностью автоколебательных систем. Приведены практические результаты. Ключевые слова: автоколебания, философия, измерительная техника, цикл, нелинейность, оптимизация, время.
Skalon Anatoly I.
D. Sc. (Tech.), Professor Е-mail: mechanics@aanet.ru
Aman Elena E.
Postgraduate
Е-mail: anhelena7@gmail.com
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Petersburg
Abstract: There are philosophical aspects and preconditions of using self-oscillations mode in measuring devices described in this article. The correlation between cyclical features of nature and essence of oscillating systems is shown. Practical results are shown.
Keywords: self-oscillation, philosophy, measuring devices, cycle, nonlinear, optimization, time.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на значительные результаты, достигнутые в области создания прецизионных измерительных устройств (ИУ) и датчиков, дальнейшее улучшение их характеристик традиционными методами с использованием известных конструктивных решений, материалов и технологий весьма ограничены. Попытки улучшения точностных показателей датчиков за счет ужесточения требований к технологии изготовления деталей и узлов приборов не всегда дают ожидаемые результаты, но всегда увеличивают затраты и цикл изготовления, требуют применения дорогостоящего высокоточного оборудования. Поэтому в настоящее время в этой области приборостроения наметился некоторый застой, вызванный отсутствием системного подхода, копированием уже реализованных и отсутствием новых прорывных решений [1].
Развитие технологии цифровых устройств является наиболее важным фактором, который ока-
зывает и будет в дальнейшем оказывать влияние на технологии построения ИУ и датчиков в обозримом будущем. Преимущества цифровой формы сигналов или способов передачи информации многочисленны. Движение к полностью цифровому миру приобрело за последние несколько десятилетий неотвратимый характер. В ближайшем будущем все датчики станут цифровыми, способными немедленно преобразовывать электрическую реакцию датчика на физические свойства внешнего мира в цифровые коды для дальнейшей обработки, хранения и передачи информации.
В связи с этим несомненно актуальными являются исследования, направленные на поиски путей построения датчиков с использованием новых физических принципов и эффектов, лежащих в основе работы приборов, дающих возможность повышения точностных характеристик и реализующих нетрадиционные решения в плане формирования цифрового сигнала на выходе приборов.
Примечательно, что фундаментальная наука пока не предложила критериев оценки эффективности физических явлений применительно к измерительным устройствам и датчикам, поэтому их разработка ведется несистемно и обуславливается, зачастую, случайными, необъективными факторами. Однако несомненно, что в основу оценок должны быть положены фундаментальные физические явления, описывающие законы природы и свойства материи [1].
ИДЕЯ ЦИКЛИЧНОСТИ И АВТОКОЛЕБАНИЯ
Человек, столкнувшись с взаимосвязью предметов между собой, с механизмом природных действий, начал замечать, что мир в процессе его развития подчиняется некой последовательности повторяющихся циклов, представляющих собой совокупности процессов и явлений, составляющих кругооборот в течение определенного промежутка времени. Представления о всеобщности пространственно-временной организации мира были характерны для философии Гераклита, Эмпедок-ла, Платона, Аристотеля, Марка Аврелия [2].
Идея цикличности как механизма, лежащего в первооснове мира, имеет многочисленные историко-философские параллели в самых разных учениях от глубокой древности до наших дней [2].
Определить понятие цикличности можно следующим образом: цикл — это кругооборот, повторяющаяся последовательность операций или событий, совокупность взаимосвязанных процессов, а также — это период времени, в течение которого происходит ряд событий, которые следуют друг за другом в одном и том же порядке и повторяются раз за разом.
Понятие цикличности естественным образом приводит к необходимости толкования понятия времени. В физике по этому вопросу существуют различные соображения, тогда как в силу важности вопроса следовало бы иметь написанные трактаты о времени. Физики, умеющие измерять только продолжительность времени, представляют его, как некую пассивную субстанцию.
Однако теперь целый ряд ученых приходит к заключению, что время имеет другие свойства. Время является активным участником всех процессов, происходящих в природе. В шестидесятые годы прошлого столетия профессор Н. А. Козырев сделал попытку ввести в механику принцип причинности и направления времени, что позволяло бы показать, где находится причина, и где следствие. Такая механика была названа им "причинной" или "несимметричной" механикой [3].
Согласно теории Н. А. Козырева время с философской точки зрения представляет собой физический фактор, который обладает свойствами, позволяющими ему проявляться во всех природных процессах и обеспечивать причинно-следственную связь явлений. Степень активности времени может быть названа его плотностью.
Уже из самых общих соображений можно заключить, что существование плотности времени должно вносить в систему организованность, т. е. вопреки обычному ходу развития уменьшать ее энтропию. Таким образом, время благодаря своим физическим свойствам может вносить в Мир жизненное начало, препятствовать наступлению тепловой смерти и обеспечивать существующую в нем гармонию "жизни и смерти". Это заключение во многом способствует пониманию происходящих в мире явлений и закономерностей: закона сохранения энергии, круговорота веществ, жизненного цикла живого организма и многое другое [3].
Логично предположить, что мир представляет собой структурную единицу, в которой материя не расходуется зря, никуда не пропадает и не утекает — природе свойственна самоорганизация и перерождение, реализуемое в виде циклов. Закон причинности говорит о том, что каждое материальное следствие должно иметь адекватную предшествующую причину. Говоря о цикличности процессов и явлений, верным будет замечание о том, что любой цикл есть не что иное как совокупность причинно-следственных связей. При этом принцип цикличности зачастую реализуется в системах независимо от их физической, химической, биологической или социальной природы.
Таким образом, из-за наличия причинно-следственных связей периодичность природных процессов и явлений представляет собой необходимое свойство их существования, организации и развития.
Это обстоятельство приводит к тому, что в окружающем нас мире существует множество систем, совершающих периодическое движение. При этом из описанного множества можно выделить системы, способные совершать колебания, амплитуда которых в течение долгого времени остается постоянной за счет непериодического внешнего воздействия. Такие системы называются автоколебательными. Примерами автоколебательных систем в технике являются часы, музыкальные инструменты (смычковые и духовые), электронные генераторы и т. п. В живой природе механизмы дыхания и работа сердца также являются сис-
темами, функционирующими в режиме автоколебаний.
Автоколебания в природе и технике обладают общими чертами, рассматриваются с единой точки зрения и изучаются по единой методике. В системах, удовлетворяющих требованию устойчивости качественного характера движений при малых изменениях динамической системы, могут существовать только изолированные замкнутые траектории — предельные циклы. Реальные автоколебательные процессы, установившиеся в системах, математически соответствуют предельным циклам. Наличие таких предельных циклов является необходимым и достаточным условием для возможности (при надлежащих начальных условиях) существования автоколебаний в системе.
Режим установившихся колебаний конечной амплитуды возможен только в нелинейной системе, при этом нелинейными свойствами может обладать любое из звеньев, входящих в состав автоколебательной системы. В ней существует обратная связь с устройством, регулирующим поступление энергии в систему. При помощи обратной связи осуществляется самоуправление, в результате которого поддерживаются устойчивые незатухающие колебания. Необходимыми элементами автоколебательных систем являются: собственно колебательный узел КУ; источник постоянной энергии ИПЭ; элемент, управляющий поступлением энергии в колебательный узел — ключ, клапан КЛ; цепь обратной связи между колебательным узлом и ключом УОС. Структурно эти элементы представляют собой замкнутую систему, являющуюся принципиально нелинейной (рис. 1).
Автоколебания отвечают условию, при котором отклик системы на внешнее воздействие не пропорционален воздействующему усилию. Математически эта ситуация описывается одними и теми же нелинейными уравнениями независимо от среды и условий, при которых возникают автоколебания. Автоколебательная система периодически черпает из постоянного источника или из активной среды, в которой запасена энергия, известные порции энергии, т. е. за счет непериодического источника энергии создает периодический процесс. Устойчивый режим автоколебаний определяется энергетическим балансом, т. е. равенством энергии, подводимой от источника к системе, и энергии, которую она теряет. В природе события представляют собой некие процессы, локализованные во времени и пространстве, при этом каждое событие происходит тогда и там,
Рис. 1. Обобщенная структурн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.