ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАГНИТОГРАФЫ

В отличие от предыдущих регистраторов, измерительные магнитографы – ИМГ (Magnet Tape Recorder) – являются не приборами, а измерительными преобразователями, поскольку не имеют отсчетных устройств (индикаторов).

Принцип магнитной записи (рис.5.11) основан на воздействии магнитного поля (образованного переменным током) на положение магнитных доменов в материале носителя (ленте, проволоке).

Рис. 5.11. Магнитная запись: а – принцип действия; б - реализация

Основным элементом магнитной головки является магнитопровод с намотанной на него катушкой. При протекании переменного тока i(t) в катушке в магнитопроводе возникает магнитный поток φ(t). Магнитопровод имеет небольшой воздушный зазор, в котором замыкаются магнитные силовые линии потока φ(t). Этот воздушный зазор соприкасается с магнитным носителем, домены которого реагируют на магнитный поток и меняют (и затем сохраняют) свое положение. Таким образом, если носитель равномерно перемещается, на нем запоминаются все изменения во времени магнитного поля в зазоре. Поскольку современные ИМГ, как правило, многоканальны, то магнитные головки записи (ГЗ) содержат несколько отдельных самостоятельных элементов (магнитопроводов с катушками). Поэтому на но­сителе (магнитной ленте) при записи исследуемого процесса фор­мируются несколько независимых дорожек с синхронно записан­ными входными сигналами.

Головки воспроизведения (ГВ) по конструкции аналогичны головкам записи, но их задача воспринять информацию, сохра­ненную на носителе. Расположение магнитных доменов на носите­ле хранит записанную информацию, которая и воспринимается ГВ. Изменения выходного сигнала ГВ пропорциональны изменениям ранее записанных входных токов i(t).

В аналоговых ИМ Г применяются два способа магнитной записи: прямая запись (Direct Recording - DR) и запись модулированным (чаще частотно-модулированным - ЧМ, Frequency Modulation - FM) сигналом.

Первый способ (прямая запись) обеспечивает простое устройст­во (рис. 5.12, а), но имеет некоторый недостаток - полоса частот исследуемых сигналов начинается не с нуля, а с нескольких сотен герц (рис. 5.12, б), поскольку производная (т.е. изменение во вре­мени) магнитного потока на низких частотах недостаточно велика для воздействия на магнитные домены носителя.

Рис. 5.12. Магнитограф с прямой записью: а - упрощенная структура; 6 - характеристика преобразования

 

Второй способ (частотно-модулированная запись) основан на переносе спектра входного сигнала в область более высоких час­тот, поэтому ИМГ с ЧМ-записью могут регистрировать медленно меняющиеся (и даже постоянные) сигналы (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Магнитограф с частотно-модулированной записью: а - упрощенная структура; б - характеристика преобразования

 

Верхняя граница полосы частот в обоих вариантах примерно одинакова и составляет десятки — сотни килогерц или даже еди­ницы мегагерц.

Характеристики применяемых в нынешней практике ИМГ весь­ма разнообразны. Скорость движения ленты: от единиц миллимет­ров в секунду до единиц метров в секунду. Ширина ленты (диа­метр проволоки): от долей миллиметра до единиц сантиметров. Время возможной регистрации: от долей секунды до нескольких суток. Масса устройств: от сотен граммов до единиц килограммов.

Основные достоинства ИМГ:

• многоканальность (до 40 каналов одновременной записи);

• возможность работы в полевых условиях;

• сравнительно широкий диапазон частот;

• длительные интервалы регистрации;

• большие объемы регистрируемой информации;

• длительное энергонезависимое хранение записанной инфор­мации.

Основные недостатки ИМГ:

• сравнительно невысокая надежность вследствие наличия ме­ханических узлов;

• невозможность непосредственного наблюдения зарегистриро­ванных сигналов (отсутствие видимого изображения сигналов);

• сравнительно невысокая точность.

Наряду с чисто измерительными задачами ИМГ используются также в качестве так называемых черных ящиков на борту самолетов и кораблей. При этом они регистрируют разнооб­разную информацию о состоянии основных агрегатов, все коман­ды и переговоры экипажа с основной базой.

Существует разновидность магнитных регистраторов, исполь­зующих промежуточное аналого-цифровое преобразование ис­следуемого сигнала и последующую цифровую магнитную запись. В этих аппаратах метрология определяется не только аналоговыми преобразованиями сигнала, но и характеристиками АЦП, поэто­му они ближе к цифровым измерительным регистраторам.

5.5. АНАЛОГОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

По признакам введенного ранее понятия «регистрация» ана­логовые запоминающие осциллографы (АЗО) относятся к реги­стрирующим средствам измерения, хотя это и необщепризнано, видимо, потому, что длительность хранения информации недо­статочно велика. Два простых физических принципа лежат в осно­ве действия АЗО: явление вторичной эмиссии электронов из диэлектрика «мишени» и достаточно длительное хранение заряда в диэлектрике.

По устройству запоминающая электронно-лучевая трубка (ЗЭЛТ) - Storage X-Ray Tube - отличается от обычной ЭЛТ на­личием (помимо основной) дополнительных электронно-лучевых пушек (формирующих рассеянные потоки медленных электронов), а также дополнительных электродов - «мишени» и коллектора. «Мишень» размещена между внутренней поверхностью (люминофором) экрана и коллектором и представляет собой мелкострук­турную (ячейки размером 0,1 ...0,2 мм) металлическую сетку, по­крытую слоем диэлектрика. Потенциал мишени отрицательный и составляет несколько сотен вольт. Коллектор также представляет собой металлическую сетку (шаг 1 ...2 мм), которая имеет неболь­шой (сотни вольт) положительный потенциал.

Работу ЗЭЛТ удобно представить двумя фазами: первая - фаза запоминания (собственно регистрация), вторая - фаза считыва­ния. В первой фазе, напоминающей действие обычной ЭЛТ, сфо­кусированный поток электронов (основной поток) с большой скоростью попадает на мишень и выбивает в местах удара вто­ричные электроны, которые собираются коллектором. Число вы­битых электронов значительно больше, чем упавших (коэффици­ент вторичной эмиссии гораздо больше единицы), поэтому на мишени в точках попадания остается положительный заряд. След основного потока электронов образует траекторию положитель­ных зарядов на поверхности мишени, несущую информацию о исследуемом сигнале.

Во второй фазе мишень облучается рассеянными потоками мед­ленных электронов, для которых траектория на мишени является прозрачной, а вся мишень (отрицательно заряженная) непро­зрачна. Таким образом, на люминофоре экрана возникает (и под­держивается в течение времени подсветки) копия траектории, т.е. образ исследуемого сигнала. Длительность времени хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель, но время воспроизведения (считывания) меньше: единицы минут - еди­ницы часов. Это объясняется ускорением рассасывания (диффу­зии) хранимого мишенью заряда при подсветке в процессе счи­тывания.

Основные характеристики АЗО практически не отличаются от соответствующих характеристик обычных аналоговых (электрон­но-лучевых) осциллографов. При сравнительно высоких динами­ческих характеристиках АЗО (до сотен мегагерц - единиц гига­герц) точность результатов измерения амплитудных и временных параметров невысока (единицы процентов при квалифицирован­ном операторе). Стоимость АЗО значительно выше стоимости обыч­ного ЭЛО за счет специализированной трубки, надежность ниже, срок службы меньше, масса и габаритные размеры больше.

 

 

5.6. СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛОГОВЫХ РЕГИСТРАТОРОВ

Сравнение соотношения «быстродействие—точность», т.е. основных характеристик регистраторов, показано на рис. 5.14.

Рис. 5.14.

Общий характер диаграммы хорошо отвечает известному пра­вилу измерительной техники «выиграешь в точности - потеряешь в скорости» (аналогичному «золотому правилу механики») и позволяет предварительно выбрать инструмент для эксперимента по регистрации.

Отметим одно важное обстоятельство. Возможности развития аналоговых регистраторов фактически исчерпаны; технологическими и конструктивными способами совершенствования характе­ристик «выбраны», по сути, все резервы. Развитие этой (аналого­вой) группы идет в основном по пути некоторого улучшения эксплуатационных характеристик. Положенные в основу принципы действия при нынешнем уровне развития технологии, точной механики реализованы практически полностью. В этом смысле аналоговые методы и средства нельзя считать перспективным направлением развития регистрирующей техники. Однако пока существует экономически оправданная ниша, в которой они находят целесообразное применение.