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Verfahren und Schaltungsanordnung zum Ermitteln des Füll-
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qrads einer Spule Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Ermitteln des Füllgrads einer Spule entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches
1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Es ist bereits allgemein bekannt, zur Speicherung digitaler Daten
Magnetbandgeräte zu verwenden, bei denen das Magnetband, in ähnlicher Weise wie
bei Tonband oder Kassettengeräten unter Verwendung einer Bandantriebsrolle angetrieben
wird. Bei den Magnetbandgeräten für die Speicherung digitaler Daten muß das Magnetband
in sehr kurzer Zeit auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt werden. Da
die Spulen, auf denen das Magnetband aufgewikkelt ist, verhältnismäßig groß sind,
wird die starke Beschleunigung dadurch erreicht, daß zwischen den Spulen und der
Bandantriebsrolle Pufferkammern vorgesehen sind, die einen Vorrat an Magnetband
enthalten. Für die Beschleunigung des Magnetbands wird dieses zunächst der einen
Pufferkammer entnommen bzw. der anderen Pufferkammer zugeführt und anschließend
wird unter Verwendung einer Wickel steuerung der Vorrat an Magnetband in den Pufferkammern
dadurch korrigiert, daß von der einen Spule Magnetband abgewickelt wird, bzw. von
der anderen Spule aufgewickelt wird.
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@@@@@@ 10 Magnetbandgeräten, die nuch unter der B@@ , d n I0#: h
ri t -il # zeichnung "Streaming"-Bandgeräte bekannt sind, wird das Magnetband ohne
die Verwendung von Pufferkammern direkt
von der Vorratsspule zur
Aufnahmespule geführt. Auch ist die Verwendung einer Bandantriebsrolle in diesem
Fall nicht vorgesehen. Der Antrieb des Magnetbands erfolgt vielmehr unter Verwendung
von an den Spulen angeordneten Antriebsmotoren.
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Zur optimalen Bewegung des Magnetbands ist es erforderlich, das Trägheitsmoment
der jeweils angetriebenen Spule zu erkennen, um den jeweils erforderlichen Motorstrom
für den Antriebsmotor zu errechnen. Dieses Trägheitsmoment läßt sich auf verschiedenen
Weise ermitteln. Eine sehr einfache Methode ist die Berechnung mit Hilfe des Füllgras
der Spule. Dieser Füllgrad wird beispielsweise unter Verwendung von Lichtschranken
optoelektrisch abgetastet. Es werden in diesem Fall mehrere Lichtschranken vorgesehen,
so daß stufenweise der Füllgrad festgestellt werden kann.
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Eine weitere Methode zur Ermittlung des Füllgrads der Spule besteht
darin, an beiden Spulen ein Tachometer anzuordne und aus den Umdrehungszahlen den
Füllgrad zu ermitteln. Ein derartiges Verfahren erfordert ebenfalls einen verhältnismäßig
großen Aufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
das es ermöglicht, den Füllgrad einer Spule auf einfache Weise zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 angegebenen flerkmale gelöst.
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Die Zeitdauer, während der die Anzahl der Umdrehungen der Spule gemessen
wird, ist vorzugsweise gleich derjenigen Zeitdauer, während der die Spule eine vorgegebene
Anzahl von Umdrehungen durchführt.
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Die Anzahl der Umdrehungen der Spule und die Anzahl der Umdrehungen
der Rolle werden zweck.mäßigerweise durch Zählen von Taktimpulsen gemessen, die
von mit Taktscheiben versehenen Tachometern abgegeben werden.
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Die Taktimpulse, die der Anzahl der Umdrehungen der Rolle zugeordnet
sind, werden zweckmäßigerweise auch für die Regelung der Bandgeschwindigkeit und/oder
zur Ermittlung der Länge des ab- oder aufgewickelten Magnetbands verwendet.
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Eine verhältnismäßig einfache Ermittlung des Quotienten ergibt sich,
wenn die jeweils während einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen der Spule aufgetretene
Anzahl von Umdrehungen der Rolle ermittelt wird. Für die Auswertung des Quotienten
ist es vorteilhaft, wenn dieser quantisiert wird.
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Zur Ermittlung des Drehmoments des die Spule antreibenden Antriebsmotors
ist es zweckmäßig, wenn der Quotient als Adresse einem Festwertspeicher zugeführt
wird, in dem die entsprechenden Werte des Trägheitsmoments gespeichert sind. Unter
Verwendung der Werte des Trägheitsmoments kann auf einfache Weise der für den Antriebsmotor
erforderliche Motorstrom ermittelt werden, wenn die Werte für das Trägheitsmoment
mit den Werten für die jeweils gewünschte Winkelbeschleunigung multipliziert werden.
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Das Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens werden
im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische
Darstellung eines Magnetbandgeräts, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltstufe.
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1 t# r - III 1 1 .J 1 1 @ @ @ t1# j 1 enthält zwei Spulen S1 und
S2, wovon beispielsweise ule Spule S1 die Vorratsspule und die Spule S2 die Aufnahrnespule
darstellt. Die Spulen SI und S2 weisen jeweils einen Spulenkern SK1 bzw. SK2 mit
einem Radius RM auf.
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Auf die Spule S1 ist ein Magnetband MB bis zu einem Radius R aufgewickelt.
Das Magnetband MB wird von der Spule S1 über eine Rolle R1 und einen Bandzugmesser,
der hier schematisch durch eine Rolle R2 und eine Feder FE dargestellt ist, zur
Spule S2 geführt. An der Spule S1 ist ein Antriebsmotor M angeordnet, mit dessen
Hilfe die Spule S1 in beiden Drehrichtungen antreibbar ist. An der Spule S2 ist
ein nicht dargestellter Antriebsmotor vorgesehen, der zusammen mit dem Bandzugmesser
jeweils für eine konstante Spannung des Magnetbands MB sorgt.
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Wenn das Magnetband MB in Richtung des dargestellten Pfeils bewegt
wird, wird es mittels des Antriebsmotors ti von der Spule S1 abgewickelt und auf
der Spule S2 aufgewickelt. Für die Speicherung der Daten auf dem Magnetband MB isX
eine konstante Bandgeschwindigkeit erforderlich.
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Die Regelung der Bandgeschwindigkeit erfolgt mittels eines an der
Rolle R1 angeordneten Tachometers TAl, das vorzugsweise als digitales Tachometer
ausgebildet ist und aus einer Taktscheibe TS1 und mindestens einem Fotoelement F1
besteht. Das Fotoelement F1 tastet Markierungen auf der Taktscheibe TS1 ab.
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Das Magnetband MB muß in sehr kurzer Zeit auf seine Nennbandgeschwindigkeit
beschleunigt werden. Da das Magnetbandgerät keine Pufferkammern enthält, muß die
Spule S1 unter Verwendung des Antriebsmotors M ebenfalls sehr schnell beschleunigt
werden. Zum Ermitteln des optimalen Motorstroms ist es erforderlich, das Trägheìtsmoment
der Spule SI zu kennen, das von deren Füllgrad abhängt. Der Füllgrad wird mittels
des Tachometers TA1 und mittels
eines am Antriebsmotor M angeordneten
weiteren Tachometers TA2 ermittelt, das ebenfalls aus einer Taktscheibe TS2 und
mindestens einem Fotoelement F2 gebildet wird.
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Die Taktscheibe TS2 enthält beispielsweise eine einzige Markierung,
so daß pro Umdrehung des Antriebsmotors M ein Taktimpuls TI2 erzeugt wird. Die Taktscheibe
TS1 enthält beispielsweise 500 Markierungen, so daß während einer Umdrehung 500
Taktimpulse TI1 abgegeben werden.
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Für die Ermittlung des Füllgrads wird von den folgenden Überlegungen
ausgegangen. Der Weg SM des Magnetbands MB an der Rolle R1 kann nach der Gleichung
SM 1-. d . T1 (1) berechnet werden, wobei d den Durchmessser der Rolle R1 angibt,
T1 die Anzahl der gemessenen Taktimpulse TI1 und N1 die Anzahl der Taktimpulse Til
pro Umdrehung angeben.
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Das von der Spule S1 ab- oder aufgewickelte Magnetband kann nach der
Gleichung SM = t. . R . T2 (2) N2 berechnet werden, wobei R den Radius des aufgewickelten
Magnetbands MB, T2 die Anzahl der Taktimpulse TI2 und N2 die Anzahl der Taktimpulse
TI2 pro Umdrehung der Taktscheibe TS2 angeben. Durch Gleichsetzen der beiden Gleichungen
ergibt sich der Radius R zu R = d . N2 d . T1 = d . N2 2 = 2 N1 T2 = 2 N1 (3) Unter
Verwendung des Quotienten Q aus der Anzahl der Taktimpulse TI1 und TI2 kann somit
der momentane Radius R des aufgewickelten Magnetbands MB und damit der Füllgrad
der Spule S1 ermittelt werden.
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Das Trägheitsmoment JMB des auf der Spule S1 aufgewickelten Magfletbands
MB läßt sich nach der Gleichung des Trägheitsmorflents eines zylindrischen Ringes
JMB 1 m (R2 + (RM)2) (4) 2 ermitteln. Hierbei stellt m die Masse des aufgewickelten
Magnetbands MB dar. Die Masse m des Magnetbands MB läßt sich nach der Gleichung
m = K (R2 - (RM)2) (5) ermitteln, wobei K sich aus der Gleichung m5 . (6) K D (6)
ergibt. D ist die Dicke und m' die Masse pro Längeneinheit des Magnetbands #B. Durch
Einsetzen der Gleichungen (5) und (3) in die Gleichung (4) ergibt sich das Trägheitsmoment
JMB zu K 4 4 JMB = 2 (R - (RM)4) (7) Vom Antriebsmotor M muß insgesamt ein Drehmoment
J aufgebracht #erden,-das sich aus dem Trägheitsmoment JMB und einem konstanten
Trägheitsmoment JC zusammensetzt, das dem Läufer des Antriebsmotors M, der Aufnahme
der Spule S1, der leeren Spule S1 und dem Tachometer TA2 zugeordnet ist.
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Das vom Antriebsmotor M aufzubringende Moment MM ergibt sich aus MM
= J . # (8) wobei we die gewünschte Winkelbeschleunigung darstellt. Das
Moment
MM ergibt sich auch aus MM = I . KT (9) wobei I den Motorstrom und KT die Drehmomentkonstante
des Antriebsmotors M darstellen. Durch Gleichsetzen der Cleichungen (8) und (9)
ergibt sich I = KT (10) Durch Einsetzen der Gleichung J = JMB + JC (11) in die Gleichung
(10) erhält man als Gleichung für den Motorstrom I K KR4 4 KT = KT . (JC + 2 (R
- (RM) ) (12) In der Gleichung für den Motorstrom I sind außer den Werten für den
Radius R und die Winkelbeschleunigung QC alle Werte konstant, so daß aus dem Füllungsgrad
der Spule S1, der durch den Radius R dargestellt wird und der Winkelbeschleunigung
oCauf einfache Weise der erforderliche Motorstrom I ermittelt werden kann.
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Weitere Einielheiten werden im folgenden zusammen mit der in Fig.
2 dargestellten Anordnung beschrieben.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird in an sich bekannter
Weise eine Geschwindigkeitsregelung des Magnetbands MB durchgeführt. Die Geschwindigkeitsregelung
erfolgt mit Hilfe eines Geschwindigkeitsreglers GR und eines Mikrorechners MR, der
über einen Digital-Analog-Wandler D1 der Winkelbeschleunigung proportionale Werte
an einen Verstärker V abgibt, der den Motorstrom I für den
Antriebsmotor
M erzeugt. Die Regelung des Motorstroms I erfolgt durch eine an einem Regel widerstand
RR abfallende Spannung, die ebenfalls dem Verstärker V zugeführt wird.
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Der Istwert für die Regelung wird dem Tachometer TA1 entnommen, der
Taktimpulse Til, entsprechend der jeweiligen Bandgeschwindigkeit an die Geschwindigkeitsregelung
GR abgibt. Die Sollwerte für die Geschwindigkeitsregelung werden mit Hilfe eines
Sollwertgebers SG eingegeben, der festlegt, ob das Magnetband MB im Start-Stop-Betrieb,
in einem kontinuierlichen Betrieb, in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung oder im Schnellgang
bewegt werden soll.
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Die von dem Tachometer TA1 abgegebenen Taktimpulse TI1 können auch
einer Wegregelung WR zugeführt werden, mit der beispielsweise eine Messung der jeweils
auf- oder abgespulten Länge des Magnetbands MB ermittelt wird.
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Zur Ermittlung des optimalen Motorstroms I in Abnängigkeit vom Trägheitsmoment
und damit vom Füllgrad ist eine Schaltstufe S vorgesehen, die sowohl vom Tachometer
TA1 als aucrs vom Tachometer TA2 die Taktimpulse TI1 bzw. TI2 erhält und den dem
Füllgrad bzw. dem Radius R zugeordneten Quotienten Q aus der Anzahl der Taktimpulse
TI1 und TI2 berechnet. wenn dieser Quotient Q jeweils feststeht, wird ein Freigabesignal
KG an den Mikrorechner abgegeben.
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An dem Mikrorechner MR ist ein Festwertspeicher FS angeschlossen,
in dem für Werte des Quotienten Q Werte des entsprechenden Trägheitsmoments JMB
oder des Trägheitsmoments J gespeichert sind. Aus diesen Werten ermittelt der Mikrorechner
MR die für den optimalen Motorstrom 1 erforderlichen Werte und gibt sie über einen
Digital-Analog-Wandler D2 an einen Multiplizierer MU ab, der entsprechend' der Gleichung
(12) den optimalen Wert für den Motorstrom I ermittelt.
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Zweckmäßigerweise werden die Werte für den Quotienten Q
quantisiert,
um den Aufwand im Festwertspeicher FS möglichst gering zu halten. Der Quotient Q
wird auch beispielsweise nicht für jede Umdrehung der Spule S1 ermittelt, sondern
erst während einer Mehrzahl von Umdrehungen.
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Das in Fig. 3 dargestellte Schaltbild zeigt den Aufbau der Schaltstufe
S. Ein Zähler Z1 zählt die Taktimpulse TI2 und gibt nach einem Wert, der beispielsweise
16 Umdrehungen der Spule S1 zugeordnet ist, ein Ubernahmesignal U an ein Register
RE. Die Taktimpulse Til werden in einem weiteren Zähler Z2 gezählt und der jeweilige
Zählerstand zum Zeitpunkt des Auftretens des Übernahmesignals U wird in das Register
RE übernommen. Dieser Zählerstand entspricht dem Quotienten Q. Nach der Übernahme
wird der Zähler Z2 durch ein Signal L gelöscht, das dem mittels eines Verzögerungsglieds
VZ verzögerten Übernahmesignal U entspricht. Das Signal L kann auch als Freiga besignal
FG dem Mikrorechner MR zugeführt werden, um anzuzeigen, daß der Quotient Q gültig
ist. Unter Verwendung der beiden Zähler Z1 und Z2 werden somit die während.
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einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen der Spule S1 auftretenden
Taktimpulse TI1 gezählt, so daß aus dem Quotienten Q der Füllgrad der Spule S1 ermittelt
werden kann.
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Selbstverständlich kann auch der Füllgrad der Spule S1 nicht nur aus
der Anzahl der Umdrehungen, sondern auch der Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit
und damit aus der Winkelgeschwindigkeit der Spule S1 und der Rqlle R1 ermittelt
werden.
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10 Patentansprüche 3 Figuren