Устройство для измерения натяжения магнитной ленты

 

Сущность изобретения. Устройство содержит высоковольтный источник напряжения , к которому подсоединен подвижный электрод и через ограничительный резистор и направляющий ролик магнитная лента. Подвижная система выполнена в виде валика 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. Зил. сл

С0103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)s 6 01 1 5/10 ф. с

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4853472/10 (22) 19,07.90 (46) 23.12.92, Бюл. М 47 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) А.И.Скалон, А.В.Леонов, В.Ю,Соколов и

Й.В. Курды байлова (56) Авторское свидетельство СССР

M 1610321, кл, G 01 L 5/04, 1988, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЛЕНТЫ (57) Сущность изобретения, Устройство содержит высоковольтный источник йапряжения, к которому подсоединен подвижный электрод и через ограничительный резистор и направляющий ролик магнитная лента.

Подви>кная система выполнена в виде валиИзобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при одновременном измерении натяжения и скорости движения магнитной ленты с высокой точностью, например, в аппаратуре магнитной записи.

Наиболее близким па технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения натяжения ленты, содержащее высоковольтный источ. ник напряжвния, к полюсам которого подсоединены подвижный электрод и через ограничительный резистор и направляющий ролик магнитная лента. регистрирующее устройство, подвижную систему, выполненную в виде валика, имеющега возможность поворотг вокруг продольной оси, с закрепленным на нем коромыслом, магни„,. Ж, 1783328 Al ка 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 одна регистрирующее устройства. 3 ил. тоэлектрический преобразователь, состоящий из постоянного магнита, жестко связанного с валиком, и обмоток обратной (О связи, закрепленных на корпусе у противоположных полюсов постоянного маГнита; ( стабилизированный источник тока, подключенный к обмоткам обратной связи через ключевой элемент, управляющий вход кото- Оо рого подключен к датчику положения подвижной системы: при этом подвижный электрод выйолнен в виде закрепленной на д коромысле пластины, расположенной параллельно плоскости движения магнитной ленты, а продольная ось подвижкой системы расположена перпендикулярно к йлоскости движения ленты, Подвижная система ус ройства совершает автоколебания, при этом подвижный электрод переме1783328 щается в плоскости, параллельной плоскости движения ленты. При подаче разнополярного напряжения на электрод и на ленту между ними возникает сила электростатического взаимодействия Г.„., которая оказывает демпфирующее воздействие на подвижную систему. Следовательно, при изменении натяжения ленты новое состояние равновесия системы лента-электрод устанавливается за счет изменения силы F u величины демпфирующего воздействия на подвижную систему, что, в свою очередь, приводит к изменению частоты hBToKoëåáàний. 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 подви>кной 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 источник напря>кения, 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 возмо>кностью поворота вокруг продorii Hîë 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 введены генератор высокой частоты и последовательно соединенные первый блок сравнения, реверсивный счетчик. цифроаналоговый пре5 образователь, 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

10 вычислительного блока — к входам регистрирующего устройства причем направляющий ролик изолирован от корпуса, его образующая поверхность выполнена в виде токопроводяшего и изолированного секторов, 15 а продольная ось подвижной системы paclloëo>êåHà параллельно плоскости дви>кения магнитной ленты.

Данное устройство по сравнению с известным обеспечивает возможность одно20 временного измерения двух основных параметров движения ленты в лентопротяжном механизме: ее скорости движения и силы натяжения; более высокую чувствительность устройс ва за счет обеспечения

25 перпендикулярности к плоскости движения подвижного электрода относительно магнитной ленты и увеличения таким образом эффективной площади электростатического взаимодействия ленты и электрода; более

ЗО высокую точность измерения за счет, вопервых, использования компенсационного метода измерения, т.к. при построении электромеханической измерительной системы, в которой входное воздействие ком35 пенсируется с помощью компенсиоующего преобразователя, находящегося в цепи обратной связл, погрешность элементов прямой цепи уменьшается в К раз, где

К- коэффициент преобразования контура:

40 во-вторых, величина натя>к ния определяется по изменению сква>кности колебаний подвижной системы, а не магнитной ленты, что приводит к отсутствию погрешности при измерении колебаний от неоднородностей

45 материала магнитной ленты.

На фиг. 1 показана функциональная схр.- . ма устройства для измерения натяжения ленты; на фиг.2 — диаграмма сил электростатического взаимодействия электрода и лен50 ты, где FH — сила натяжения; F>< — сила электростатического взаимодействия; F> и

Fz — нормальная и тангенциальная составляющие силы натяжения; МЛ вЂ” магнитная лента; Э вЂ” подвижный электрод: на фиг.З—

55 временные диаграммы работы электронных блоков устройства, Плоский электрод 1 закреплен на одном конце коромысла 2, на другом конце которого установлена шторка 3. Коромысло 2 закреплено на одном из концов валика 4, 1 78;>32Ь установленного в опорах 5 и 6 с возможностью перемещения вокруг своей продольной оси, что обеспечивает перемещение шторки 3 в зазоре ме>кду 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 располо>кены параллельно плоскости дви>кения 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 coBl18дения 23, 27 подключены к выходам высокочастотного генератора 31.

Блоки 23, 27 совпадения выполнены на элементе И (микросхема 155Л И1), формирователь 26 уровня представляет собой пороговый элемент (микросхема К544САЗ). В качестве вычислительного 29 блока используется делитель (микросхема К155ИР1), Устройство регистрации является двухканальным и может быть построено на светодиодных семисегметных индикаторах АЛС321 с дешифраторами КР514ИД1.

5 При подаче разнополярного высоковольтного напряжения от источника 19 на плоский электрод 1 и на направляющий ролик 21, имеющий на образующей поверхности токопроводящий и изолированные

10 секторы, на ленте 22 будет, присутствовать заряд в моменты ее контакта с токопроводящим сектором ролика. В эти моменты между лентой 22 и электродом 1 возникает сила электростатического взаимодействия Е„, 15 пропорциональная величине приложенного напряжения и обратно пропорциональная квадратур расстояния д между ними. Из диаграммы сил электростатического взаимодействия электрода и ленты (фиг,2) следует

20 необходимость параллельности располо>кения их плоскостей, т.к, это обеспечивает наибольшую эффективную площадь электростатического взаимодействия. Из условия равновесия сил (фиг.2) уравновеши25 вание силы F>c происходит за счет нормальной составляющей F> силы натяжения FH магнитной ленты, При изменении натяжения ленты при постоянном напря>кении для сохранения состояния равновесия системы

30 лента-электрод необходимо соответствующее изменение величины силы Е . Таким образом, зависимость F c от величины натяжения магнитной ленты дает возможность говорить о зависимости момента М><, дейст35 вующего на подвижную систему, создаваемого силой электростатического взаимодействия, от силы F<, что использовано для измерения последней.

Устройство работает следующим обра40 зом.

Предположим, что в исходном положении шторка 3, закрепленная на противопо- ложном относительно электрода 1 конце коромысла 2, перекрывает поток излучения

45 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 подается ток 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 по обмотке 15 абра".íîé связи, .возникае.т момент вокруг продольной оси валика 4, направленный таким образом, что подвижная

1783328 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 l4 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 мем<ду 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 т1 и г2 счетными импульсами. в результате чего формируются пачки п1 и п2 счетных импульсов (фиг.Зг, д). Эти пачки поступают на реверсивный счетчик 24, где определяется разность числа импульсов в пачках п>-пг (фиг,3e). Полученная разность поступает на устройство 30 регистрации для визуальной оценки измеряемого параметра — силы натяжения FH. Кроме того, разность импульсов с реверсивного счетчика 24 поступает и на вход цйфроаналогового преобразователя 25, который преобразует величинjl разности П1-п В аналоговый сиг" нал (фиг.Зж). Этот сигнал поступает на формирователь 26 уровня, осуществляющий формирование уровня по следующему принципу: при поступлении сигнала и<щ «О+ А где Л вЂ” допустимое значение, вводимое в формирователь 26 уровня в качестве поправки, выдается сигнал нулевого

10

40 измерения, то в установившемся режиме работы входной М» уравновешивается моментом, создаваемым компенсирующим преобразователем;

М» = kxnloc, (2) где kx> — коэффициент преобразования компенсационного преобразователя;

50 {< — ток обратной связи, Заменив нелинейную функцию F{P,pP), 55

30 уровня, при поступлении всех других и>-п2>

Л 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 N (фиг.Зл). Далее в вычислительном 29 блоке производится переход к оценке измерительного параметра — скорости движения ленты — путем выполненйя операции деления Llг, где L— длина 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 вид

IP+,иP+ I

F (P. РP) — нелинейная функция, описывающая нелинейное звено;

k — коэффициент преобразования линейной части системы;

Р- угол поворота подвижной системы.

Поскольку в рассматриваемом устройстве реализован компенсационный метод используя метод вибргционного сглаживания, плавной характеристикой

Г(А,Д) = k./3, (3) где {<я — коэффициент преобразования линеаризованного нелинейного элемента;

P o — смещение центра колебаний ПС, получаем уравнение, описывающее движение системы в виде

1783328

l0 (5) 5 (7) 15 (12) (Tl р +2 Т р+1)(Тгр+1фа kk„pg==(T p+1)Msx, (4) где Tl2= I/С, T2= Я, ф =p/2 6С или, учитывая, что Msx=const, (1+kkH) Po-- Msx

Из выражений (2), (5) следует, что. (1+kkH) 0= <клlîñ (6)

При прямоугольных импульсах обратной связи

loc= (l — <г) lo о

На основании (2), (6), (7) получаем l+ М н)

То

Po = Мвх ккп lo

Таким образом, из последнего соотношения видно, что разность длительности положительного и отрицательного импульсов обратной связи пропорциональна величине

М» и при изменении последнего будет осу<цествляться широтно-импульсная модуляция выходного сигнала.

Проведя заполнение импульсов обратной связи высокочастотными счетными импульсами, на выходе счетчика разности получаем информацию в цифровом коде

kN 1о

N=n1-пг= М», (9) ккп lo где п i=kg rl пг=Ьч гг (10)

kq — коэффициент преобразования временнога интервала в цифровой код, В соответствии с тем, что сила электростатического взаимодействия приводит к возникновению момента

Msx = Fsc l, (11) где l — плечо прила>кения силы относительно оси подвижной системы, а из условия равновесия сил имеем

Fac кэс

Ен

1ЯоЯБ где ksc= — коэффициент преабра2 Дг 45 зования ЭСПП, получаем, что разность N= п1-пг будет обратно пропорциональна силе натяжения Fl<

М То кэс1

kкп о Рн 50

Таким образом. измеряя разность nl-пг, получаем информацию о величине силы натяжения ленты, Для измерения скорости движения ленты воспользуемся информацией, снимае- 55 мой с выхода счетчика разности, т.е. разностью N-п1-пг. В связи с тем, что направляющий ролик выполнен изолированным ат корпуса и его образующая поверхность раздела на токопрогад щий 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 N, в которь1х

nl пг >Л и зная размеры то<опроводящей поверхности ролика L, получаем информацию о скорости движения ленты

V=L/ò; .Таким образом, измеряя длительность присутствия заряда на ленте, получаем информацию о величине скорости движения ленты.

Формула изобретения

Устройство 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 постояннога магнита, стабилизированный источник тока, подключенный к обмоткам обратной связи через ключевой элемент, управля ощий вход которого подключен к датчику положения подвижной системы, при этом подви>кный электрод выполнен в виде закрепленной на коромысле пластины, расположенной параллельно плоскости дви>кения 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 поверхность

1783328 выполнена в виде токопроводящего и изолированного секторов, а продольная ось подвижной системы расположена параллельно плоскости движения магнитной ленты. и а)

S ) ф г)

Э)

4 х)

3)

И) к)

n) фи8. 5 (. оставитель A,Cêàëoí

Техред M,Ìîðãåíòàë

Корректор Н.Ревская

Редактор А.Козлова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, yn,Гагарина, 101

«ф

Заказ 4507 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР, 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5