Устройство для измерения натяжения магнитной ленты

Сг)103 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 83328 А 19) (11) 51)5 6 01 1 щу с 2 СС8,нои те- ло- ая ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский институт авиационногоприборостроения(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЛЕНТЫ(57) Сущность изобретения, Устройство содержит высоковольтный источник йапряжения, к которому подсоединен подвижныйэлектрод и через ограничительный резистори направляющий ролик магнитная лента,Подвижная система выполнена в виде валиИзобретение относится к области приборостроения и может быть использовано .при одновременном измерении натяжения и скорости движения магнитной ленты с вы сокой точностью, например, в аппаратуре магнитной записи.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения нэтяжения ленты, содержащее высоковольтный источ, ник напряжвния, к полюсам которого подсоединены подвижный электрод и через ограничительный резистор и направляющий ролик магнитная лента, регистрирую- .щее устройство, подвижную систему, выполненную в виде валика, имеющего возможность поворотг вокруг продольной оси, с закрепленным на нем коромыслом, магника с закрепленным на.нем коромыслом, Магнитоэлектрический преобразователь состоит из постоянного магнита, жестко связанного с валиком, и обмоток обратной связи, закрепленных у противоположных полюсов постоянного магнита, Стабилизированный источник тока подключен к обмоткам обратной связи, через ключевой элемент, Подвижный электрод выполнен в виде закрепленной на коромысле пластины, расположенной параллельно плоскости движения магнитной ленты. Устройство содержит также один генератор высокой частоты, два блока сравнения, один реверсивный счетчик, один цифроаналоговый преобразователь, один формирователь уровня, один счетчик импульсов, один вычислительный блок и одно регистрирующее устройство, 3 ил. тоэлектрический преобразователь, состоящий из постоянного магнита, жестко связанного с валиком, и обмоток обратной связи, закрепленныхна корпусе у противоположных полюсов постоянного магнита; стабилизированный источник тока, подключенный к обмоткам обратной связи через ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к датчику положения подвижной системы: при этом подвижный электрод выйолнен в виде закрепленной напакоромысле пластины, расположеннои раллельно плоскости движения магнит ленты, а продольная ось подвижной сис мь 1 расположена перпендикулярно к. й скости движения ленты, Подвижн система усройства совершает автоколе ния, при этом подвижный электрод перещается в плоскости, параллельной плоскости движения ленты. При подаче разнополярного напряжения на электрод и на ленту между ними возникает сила электростатического взаимодействия Гкоторая оказывает демпфирующее воздействие на подвижную систему, Следовательно, при изменении натяжения ленты новое состояние равновесия системы лента-электрод устанавливается за счет изменения силы Е и величины демпфирующего воздействия на подвижную систему, что, в свою очередь, приводит к изменению частоты автоколебаний, Таким образом, измеряя регистрирующим устройством частоту колебаний, получаем информацию о величине натяжения ленты.Недостатком данного устройства является невозможность одновременного измерения натяжения и скорости движения магнитной ленты. Кроме того, устройство имеет низкие чувствительность и точность измерения вследствие того, что информация о силе натяжения ленты получается как косвенныи результат выделения слабого приращения от большой величины, т.е, производится выделение из величины собственного демпфирования системы составляющей, пропорциональной изменению частоты автоколебаний подвикной системы, и по ней определяется значение силы натяжения.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения измерения скорости движения магнитной ленты, а также увеличения точности и чувствительности.Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее высоковольтный истоцник напрякения, к полюсам которого подсоединены подвижный электрод и через ограницительный резистор и направляющий ролик магнитная лента, регистрирующее устройство, подвижную систему, выполненную в виде валика, установленного с возмокностью поворота вокруг продольнол оси с закрепленным на нем коромыслом, магнитоэлектрический преобразователь, состоящий из постоянного магнита, жестко связанного с валиком, и обмоток обратной связи, закрепленных на корпусе у противоположных полюсов постоянного магнита, стабилизированный источник тока, подключенный к обмоткам обратной связи через ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к датчику положения подвижной системы, при этом пОдвижный электрод выполнен в виде закрейленной йа коромысле пластины, расположенной параллельно плоскости движения магнитной ленты, в него сведены генератор высокой частоты и последовательносоединенные первый блок сравнения, реверсивный счетчик, цифроаналоговый пре 5 образователь, второй блок сравнения,счетчик импульсов и вычислительный блок,при этом вторые входы блоков сравненияподключены к выходам генератора высокойчастоты, а выходы реверсивного счетцика и10 выцислительного блока - к входам регистрирующего устройства причем направляющийролик изолирован от корпуса, его образующая поверхность выполнена в виде токопроводяшего и изолированного секторов,15 а продольная ось подвижной системы располокена параллельно плоскости двикениямагнитной ленты.Данное устройство по сравнению с известным обеспечивает возможность одно 20 временного измерения двух основныхпараметров движения ленты в лентопро.тяжном механизме: ее скорости движения исилы натяжения; более высокую чувствительность устройства за счет обеспечения25 перпендикулярности к плоскости движенияподвижного электрода относительно магнитной ленты и увеличения таким образомэффективной площади электростатическоговзаимодействия ленты и электрода; более30 высокую точность измерения за счет, во.первых, использования компенсационногометода измерения, т.к, при построенииэлектромеханической измерительной сис.темы, в которой входное воздействие ком 35 пенсируется с помощью компенсиоующегопреобразователя, находящегося в цепи об.ратной связл, погрешность элементов пря.мой цепи уменьшается в К раз, гдеК- коэффициент преобразования контура:40. во-вторых, величина натяжения определяется по изменению скважности колебанийподвижной системы, а не магнитной ленты,что приводит к отсутствию погрешности приизмерении колебаний от неоднородностей45 материала магнитной ленты,На фиг,1 показана функциональная схе-.ма устройства для измерения натяженияленты; на фиг.2 - диаграмма сил электростатического взаимодействия электрода и лен 50 ты, где Рн - сила натяжения; Гс - силаэлектростатического взаимодействия; Г иР 2 - нормальная итангенциальная составляющие силы натяжения; МЛ - магнитнаялента; Э - подвижный электрод: на фиг.3 -55 временные диаграммы работы электронныхблоков устройства,Плоский электрод 1 закреплен на одномконце коромысла 2. на другом конце которого установлена шторка 3. Коромысло 2 закреплено на одном из концов валика 4,установленного в опорах 5 и 6 с возможностью перемещения вокруг своей продольной оси, что обеспечивает перемещение шторки 3 в зазоре мекду установленными попарно и соосно на корпусе устройства излучателями 7 и 8 и фотоприемниками 9 и 10 датчика положения 11. Постоянный магнит 12 жестко насажен на продольную ось 4, которая вместе с коромыслом 2 и с закрепленными на них элементами образуют подвижную систему 13. Обмотки 14 и 15 обратной связи закреплены на корпусе устройства у противоположных полюсов постоянного магнита 1 и совместно с последним образуют магнитоэлектрический преобразователь 16. Управляющие входы ключевого элемента 17 соединены с выходами фотоприемников 9 и 10 датчика 13 положения. К выходу ключевого элемента 17 подключены параллельно соединенные обмотки 14 и 15 обратной связи, К клеммам стабилизированного источника 18 постоянного тока подключены излучателями 7 и 8, фотоприемники 9 и 10, обмотки 14 и 15 обратной связи и ключевой элемент 17.Положительная клемма высоковольтного источника 19 постоянного напряжения соединена с плоским электродом 1, а отрицательная клемма источника 19 через резистор 20 и направляющий ролик 21 - с магнитной лентой 22. Электрод 1 закреплен на коромысле 2 таким образом, что его плоскость и продольная ось 4 подвижной системы 13 располокены параллельно плоскости движения ленты, обеспечивая , перпендикулярное перемещение электрода 1 относительно ленты 22, Направляющий ролик 21 изолирован откорпуса, и его образующая поверхность выполнена в виде токо проводящего и изолированного секторов, К выходным обмоткам 14, 15 обратной связи магнитоэлектрического преобразователя подключены последовательно соединенные первый блок 23 совпадения, реверсивный счетчик 24, цифроаналоговый преобразователь 25, формирователь 26 уровня, второй блок 27 совпадения, счетчик 28 импульсов, вычислительный блок 29 и устройство 30 регистрации, другой вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 24, а вторые входы первого и второго блоков совпадения 23, 27 подключены к выходам высокочастотного генератора 31.Блоки 23, 27 совпадения выполнены на элементе И (микросхема 155 Л И 1), формирователь 26 уровня представляет собой пороговый элемент (микросхема К 544 САЗ), В качестве вычислительного 29 блока используется делитель (микросхема К 155 ИР 1), Устройство регистрации является двухканальным и может быть построено на светодиодных семисегметных индикаторах АЛС 321 сдешифраторами КР 514 ИД 1.5 При подаче разнополярного высоковольтного напряжения от источника 19 на плоский электрод 1 и на направляющий ролик 21, имеющий на образующей поверхности токопроводящий и изолированные10 секторы, на ленте 22 будет, присутствоватьзаряд в моменты ее контакта с токопроводящим сектором ролика. В эти моменты междулентой 22 и электродом 1 возникает силаэлектростатического взаимодействия Е,15 пропорциональная величине приложенногонапряжения и обратно пропорциональнаяквадратур расстояния д между ними. Из диаграммы сил электростатического взаимодействия электрода и ленты (фиг,2) следует20 необходимость параллельности располокения их плоскостей, т.к, это обеспечивает наибольшую эффективную площадьэлектростатического взаимодействия. Изусловия равновесия сил (фиг.2) уравновеши 25 вание силы Гэс происходит за счет нормальной составляющей Р 1 силы натяжения Рмагнитной ленты, При изменении натяжения ленты при постоянном напряжении длясохранения состояния равновесия системы30 лента-электрод необходимо соответству 1 ощее изменение величины силы Еэ,. Такимобразом, зависимость Гэс от величины натяжения магнитной ленты дает возможностьговорить о зависимости момента Мх, дейст 35 вующего на подвижную систему, создаваемого силой электростатическоговзаимодействия, от силы Рн, что использовано для измерения последней,Устройство работает следующим обра 40 зом,Предположим, что в исходном положении шторка 3, закрепленная на противопо-ложном относительно электрода 1 концекоромысла 2, перекрывает поток излучения45 одного из излучателей, например 8. При подаче питания на излучатели 7 и 8 и фотоприемники 9 и 10 срабатывает фотоприемник 9,сигнал с которого поступает на один из управляющих входов ключевого элемента 17,50 и в обмотку 15 обратной связи магнитоэлектрического преобразователя 16 подаетсяток от стабилизированного источника 18 постоя нного тока. При этом в магнитоэлектрическом преобразователе 16 за счет взаимодействия магнитного поля постоянного магнита 12 с магнитным полем, создаваемым постоянным током, идущим пообмотке 15 обратной связи, возникает момент вокруг продольной оси валика 4, направленный таким образом, что подвижная5 10 15 20 25 30 35 40 система 13 переходит в положение, при котором шторка 3 перекрывает поток излучения излучателя 7. но открывает поток излучения излучателя 8. Тогда фотоприемник 9 закроется, а фотоприемник 10 откроется. Сигнал с фотоприемника 10 поступает на второй вход ключевого элемента 17, после переключения которого ток от стабилизированного источника 18 постоянного тока пойдет в обмотку 14 обратной связи магиитоэлектрического преобразователя 16, за счет чего в последнем будет создаваться момент, направленный противоположно предыдущему. Далее процесс переключения будет повторяться, и таким образом подвижная система 13 устройства и, следовательно, плоский электрод 1 будут совершать автоколебания с некоторыми постоянными амплитудой и частотой.Обеспечивая движение электрода пер. пендикулярно к плоскости движения ленты, добиваемся того, что их электростатическое взаимодействие приводит к изменению не частоты, как в прототипе (устройстве для измерения натяжения ленты), а скважности автоколебаний, что позволяет при дальнейшей обработке сигнала получить информацию о натяжении ленты через прямую зависимость между искомым параметром и величиной входного момента, создаваемого силой электростатического взаимодейстПоследовательность биполярных импульсов (фиг.За, б) с обмоток 14, 15 поступает на вход блока 23 совпадения, куда также подаются счетные высокочастотные импульсы (Фиг.Зв), в результате чего осуществляется сийхронизация счетных импульсов, импульсов обратной связи и заполнение интервалов т 1 и г 2 счетными импульсами. в результате чего формируются пачки п 1 и п 2 счетных импульсов(фиг.Зг, д). Эти пачки поступают на реверсивный счетчик 24, где определяется разность числа импульсов в пачках п 1-п 2 (фиг,Зе), Полученная разность поступает на устройство 30 регистрации для визуальной оценки измеряемого параметра - силы натяжения Рн. Кроме того, разность импульсов с реверсивного счетчика 24 поступает и на вход цифроаналогового преобразователя 25, который преобразует величину разности п 1-п 2 в аналоговый сигнал (фиг.Зж). Этот сигнал поступает на формирователь 26 уровня, осуществляющий формирование уровня по следующему принципу: при поступлении сигнала п 1- п 2 О + А где Ь - допустимое значение, вводимое в формирователь 26 уровня в качестве поправки, выдается сигнал нулевого уровня, при поступлЕнии всех других п 1-п 2 Ь формируется сигнал с постоянным по амплитуде уровнем (фиг.Зз). Причем длительность т сформированной ступеньки перепада уровней пропорциональна времени присутствия высоковольтного потенциала на ленте 22, образованного в результате ее взаимодействия с токопроводящей поверхностью ролика. Полученные пачки импульсов затем заполняются высокочастотными счетными импульсами (фиг,Зи, к) с генератора 31 высоких частот в блоке 27 совпадения и поступает на счетчик 28 импульсов, где производится подсчет числа заполненных пачек й (фиг.Зл). Далее в вычислительном 29 блоке производится переход к оценке измерительного параметра - скорости движения ленты - путем выполненйя операции деления ./т, гдедлина токопроводящего сектора направляющего ролика, и в устройстве 30 регистрации осуществляется ее визуальное отображение.Поясним матемзтически зависимости, используемые для нахождения силы натяжения и скорости движения магнитной ленты.Дифференциальное уравнение, описывающее собственное движение системы, имеет вид1 Р+ рф+ Р ф Р Я=о, (1) где - момент инерции подвижной системы;,и - собственное демпфирование системы;Р (Р, РР) - нелинейная функция, описывающая нелинейное звено;К - коэффициент преобразования линейной части системы;Р - угол поворота подвижной системы.Поскольку в рассматриваемом устройстве реализован компенсационный метод измерения, то в установившемся режимеработы входной Ух уравновешивается мо 45 ментом, создаваемым компенсирующимпреобразователем;Мвх = Ккпос, (2)где 1 п - коэффициент преобразования компенсационного преобразователя;ос - ток обратной связи,Заменив нелинейную функцию Гф,рр),используя метод вибргционного сглаживания, плавной характеристикойР(А,Д) = ,3, (3) где Кя - коэффициент преобразования линеаризованного нелинейного элемента;Ро - смещение центра колебаний ПС,получаем уравнение, описывающее движение системы в виде(1+он) О=Еклос (6)При прямоугольных импульсах обратной связиос= (т 1 -тг)ооНа основании (2), (б), (7) получаемг 1 - тг - - - 1 - доТоРо = Мвхкп 1 оТаким образом, из последнего соотношения видно, что разность длительности положительного и отрицательного импульсовобратной связи пропорциональна величинеМвх и при изменении последнего будет осуществляться широтно-импульсная модуляция выходного сигнала.Проведя заполнение импульсов обратной связи высокочастотными счетными импульсами, на выходе счетчика разностиполучаем информацию в цифровом кодеЬч Той=п 1-пг= Мвх, (9)ккп 1 огде п 1=1 а г 1пг=ЬЧ Гг (10)1 и - коэффициент преобразования временнога интервала в цифровой код,В соответствии с тем, что сила электростатического взаимодействия приводит квозникновению моментаМвх = Рэс,1, (11)где- плечо прилокения силы относительно оси подвижной системы,а из условия равновесия сил имеем1Гвс=эсГн1 ЯоЯОгде Ьс= - коэффициент преабра 2 Дг45зования ЭСПП, получаем, цто разность М=п 1-пг будет обратно пропорциональна силенатяжения РМ То кзс 1ккпо Рн 50Таким образом, измеряя разность п 1-п 2,получаем информацию о величине силы натяжения ленты,Для измерения скорости движения ленты воспользуемся информацией, снимаемой с выхода счетчика разности, т.е,разностью К=п 1-пг. В связи с тем, что направляющий ролик выполнен изолированным от корпуса и его образующая поверхность раздела нэ токопрогодощий и изолированные секторы, то длительность нахождения заряда на ленте будет определяться временем контакта ленты с токопроводящей поверхностью ролика, Отсюда, определив длительность присутствия заряда на ленте т по числу М, в которь 1 х п 1-п 2 )Л и зная размеры то:опроводящей поверхности ролика , получаем информацию о скорости движения ленты Ч=От;.Таким образом, измеряя длительность присутствия заряда на ленте, получаем информацию о величине скорости движения ленты.Формула изобретенияУстройство для измерения натяжения магнитной ленты, содержащее высоковольтный источник напряжения, к полюсам которого подсоединены подвижный электрод и через ограничительный резистор и направляющий ролик-магнитная лента, регистрирующее устройство, подвижную систему, выполненную в виде валика, установленного с вазможностью поворота вокруг продольной оси с закрепленным на нем коромыслом, магнитоэлектрический преобразователь, состоящий из постоянного магнита, жестко связанного с валиком, и обмоток обратной связи, закрепленных на корпусе у противоположных полюсов постоянного магнита, стабилизированный источник тока, подключенный к обмоткам обратной связи через ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к датчику положения подвижной системы, при этом подвижный электрод выполнен в виде закрепленной на коромысле пластины, расположенной параллельно плоскости движения магнитной ленты, отл и ч а ю ще ес я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерения скорости движения магнитной ленты, а также увеличения точности и чувствительности, в устройство введены генератор высокой частоты и последовательно соединенные первый блок сравнения, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь уровня, второй блок сравнения, счетчик импульсов и вычислительный блок, при этом вторые входы блоков сравнения подключены к выходам генератора высокой частоты, а выходы реверсивного счетчика и вычислительного блока - к входам регистрирующего устройства, причем направляющий ролик изолирован от корпуса, его образующая поверхность1783328 выполнена в виде токопроводящего и изолированного секторов, а продольная ось поКорректор Н.Ревская ктор А.Козлов Мказ 4507 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ГКНТ СССР,ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина роизводствен 9 г) Э фи 8,5 Составитель А,Ска Техред М,Моргент движной системы расположена параллельно плоскости движения магнитной ленты.