Opublikowano dnia 20 wrzesnia 1960 r.H0GU9 \% POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 43349 KI. 21 a1, 7/04 Dr inz. Stanislaw Bellert Warszawa, Polska Czwórnik magnetostrykcyjny realizujacy zadana charakterystyke czasowa oraz sposób realizacji tej charakterystyki Patent trwa od dnia 17 lipca 1959 r* Czwórnik magnetostrykcyjny jest linearnym ukladem elektrycznym, za pomoca którego mozna realizowac zadane charakterystyki dy¬ namicznie, czasowa lub ewentualnie czestotliwo¬ sciowa. Czwórnik magnetostrykcyjny moze byc stosowany jako korektor czasowy lub czestotli¬ wosciowy oraz równiez jako filtr elektryczny.W zwiazku z tym moze znalezc zastosowanie w teletransmisji, w automatyce i radiotechni¬ ce. Czwórnik magnetostrykcyjny umozliwia u- zyskanie charakterystyk trudnych do realizacji lub w ogóle nierealizowalnych innymi metoda¬ mi. Miedzy innymi stwarza teoretyczna mozli¬ wosc realizacji filtru o minimalnych znie¬ ksztalceniach tlumieniowych i fazowych.Czwórnik magnetostrykcyjny moze miec szcze¬ gólne znaczenie jako korektor przebiegów cza¬ sowych, np. przebiegów impulsowych, gdyz umozliwia w prosty sposób uzyskanie zadanej charakterystyki czasowej. Stad wynika mozli¬ wosc stosowania wynalazku w systemach tele¬ wizyjnych. Czwórnik magnetostrykcyjny moze byc równiez stosowany jako generator prze¬ biegów czasowych, a wiec jako generator funk¬ cyjny.Czwórnik magnetostrykcyjny jest urzadze¬ niem zbudowanym w oparciu o magnetostryk- cyjna linie opózniajaca. Urzadzenie to sklada sie z trzech zasadniczych czesci, a mianowicie z ukladu wejsciowego, z toru opózniajacego oraz z ukladu wyjsciowego (fig. 1). Uklad wej¬ sciowy zawiera lampe elektronowa a (triode lub pentode) oraz nadawczy przetwornik elek¬ tromechaniczny b transformujacy — dzieki zjawisku magnetostrykcji — przebiegi elek¬ tryczne na meclianiczne. Przetwornik nadaw¬ czy jest zbudowany w postaci cewki o dlugo¬ sci Ii. Torem opózniajacym jest drut niklowy z czystego niklu lub rurka niklowa. Na kon¬ cach drutu lub rurki umieszczone sa uklady tlumiace fale odbite, na przyklad koszulki ige¬ litowe 1 (fig. 1) lub stozki wykonane z poli¬ chlorku winylu. Drut niklowy zamocowany jest na prostych wspornikach wykonanych z pleksiglasu.Uklad wyjsciowy zawiera przetwornik od~biorczy C transformujacy przebiegi mecha¬ niczne riaj' elektryczne oraz dwustopniowy wzmacniacz lampowy d (fig. 1). Przetwornik odbiorczy moze byc zrealizowany w dwojaki sposób; ponizej omówione sa obydwa sposoby realizacji przetwornika odbiorczego.Sposób pierwszy. Przetwornik odbiorczy jest cewka nawinieta na karkas w postaci cien- kiej rurki przylegajacej do drutu niklowego i wykonanej np. z plaksiglasu. Na rurke te nalozone sa w równych odstepach potrójne krazki przeciete wzdluz promienia (fig. 2a).Krazki zewnetrzne 2 wykonane sa z materialu magnetycznego* a krazek wewnetrzny 3 z plek- siglasu. Dzieki umieszczeniu powyzszych kraz¬ ków cewka odbiorcza podzielona jest na kil¬ kadziesiat sekcji. Poszczególne sekcje posiada¬ ja dlugosci równe dlugosci cewki nadawczej, a wiec 12 = h* Laczna grubosc poszczególnych potrójnych krazków, które graja role ekranów magnetycznych, jest równiez równa dlugosci cewki nadawczej, a wiec 1$ = li. Liczba zwo¬ jów umieszczonych w poszczególnych sekcjach oraz kierunek ich nawiniecia sa dobierane w zaleznosci od ksztaltu charakterystyki czaso¬ wej, która chcemy zrealizowac. Sposób doboru odpowiedniej liczby zwojów w poszczególnych sekcjach cewki odbiorczej bedzie omówiony pózniej. Na poszczególne sekcje uzwojenia na¬ klada sie ekrany magnetyczne w postaci prze¬ cietnych wzdluznie pierscieni (fig. 2b).Sposób drugi. Przetwornik odbiorczy skla¬ da sie z kilkudziesieciu cewek o dlugosciach równych dlugosci cewki nadawczej, a wiec Jr te l4. Cewki te umieszczone sa w zamknie¬ tych ekranach magnetycznych i laczone sa za pomoca lutowania. Odleglosci miedzy poszcze¬ gólnymi cewkami winny byc w zasadzie rów¬ ne dlugosci cewki nadawczej, a wiec I3 = li.Odstep miedzy poszczególnymi cewkami moze byc w razie potrzeby regulowany przez umieszczenie miedzy nimi odpowiedniej liczby przekladek izolacyjnych w ksztalcie krazków wykonanych np. z pleksiglasu. Poszczególne cewki maja rózne liczby zwojów oraz odpo¬ wiednie kierunki nawiniecia. Liczby zwojów oraz kierunki nawiniecia powyzszych cewek dobierane sa w zaleznosci od ksztaltu charak¬ terystyki czasowej, która chcemy zrealizowac.Jezeli na wejscie omawianego urzadzenia nadamy sygnal napieciowy o ksztalcie trójkat¬ nym (z generatora podstawy czasu) (fig, 3), to odksztalcenie mechaniczne wytworzone przez pojedynczy zwój cewki nadawezej bedzie — jako pochodna napiecia elektrycznego — war¬ toscia stala w przedziale O < t < T (fig. 3b).Poniewaz w cewce nadawczej mozna wyod¬ rebnic poszczególne zwoje przesuniete wzgle¬ dem siebie, wobec tego przebiegi mechaniczne pochodzace od nich beda przesuniete w czasie (fig. 3c). W cewce nadawczej znajduje sie duza liczba zwojów, zatem w wyniku sumowania sie elementarnych przebiegów otrzymamy ksztalt fali mechanicznej o postaci wskazanej na fig. 3d. Fala mechaniczna wzrasta wiec li¬ niowo do momentu t = ——» gdzie 1A jest dlu- v goscia cewki nadawczej a V — predkoscia roz¬ chodzenia sie fali wzdluz drutu niklowego.(Dla niklu mamy V ^ 4,9.103 m/sek). Fala mechaniczna biegnac wzdluz drutu niklowego wywoluje lokalna zmiane przenikalnosci ma¬ gnetycznej, a wiec zmiane strumienia magne¬ tycznego. Zmiana strumienia magnetycznego indukuje natomiast w poszczególnych zwojach cewek odbiorczych napiecie proporcjonalne, do pochodnej przebiegu fali mechanicznej. Napie¬ cie indukowane w pojedynczym zwoju jednej z cewek odbiorczych posiada wiec ksztalt wska- c zany na fig. 4a, przy czym ti =—, gdzie S* v jest odlegloscia danego zwoju od poczatku li¬ nii. Biorac pod uwage poszczególne przesuniete wzgledem siebie zwoje rozwazanej cewki od¬ biorczej, otrzymamy przebieg schodkowy wska¬ zany na fig. 4b. W poszczególnych cewkach odbiorczych znajduje sie duza liczba zwojów.Z tego powodu, w wyniku zsumowania sie elementarnych przebiegów napieciowych po¬ chodzacych od poszczególnych zwojów, otrzy¬ mamy w przyblizeniu funkcje o postaci wska¬ zanej na fig. 4c. Na poszczególnych cewkach odbiorczych powstaja wiec przebiegi napiecio¬ we o ksztalcie trójkatnym. Jezeli dlugosci ce¬ wek odbiorczych sa równe dlugosci cewki nadawczej (U = li), wówczas trójkaty napie¬ cia sa trójkatami równoramiennymi o podsta¬ wach równych tf=2 %x. Wysokosc h trójkata jest przy tym oczywiscie zalezna od liczby zwojów (warstw) danej cewki odbiorczej. Po¬ szczególne cewki odbiorcze przesuniete sa wzgledem siebie o wielkosc 13=12 = li» wo¬ bec tego trójkaty napieciowe pochodzace od sasiednich cewek przesuniete sa w czasie o wielkosc t4. Trójkaty te wiec „zachodza na siebie" w czasie zx (fig. 5).Wezmy obecnie pod uwage dowolna funkcje - 2 -czasowa, np. funkcje o przebiegu wskazanym na fig. Ga. Mozna zauwazyc, ze funkcje te w wyniku aproksymacji liniowej (to znaczy aproksymacji funkcja lamana), mozna rozbic na elementarne, równoramienne, zachodzace na siebie trójkaty (fig. Gb). Powstaje stad wniosek, ze dobierajac w poszczególnych cew¬ kach odbiorczych odpowiednie liczby zwojów i przyjmujac odpowiednie kierunki uzwojen mozemy w wyniku sumowania sie elementar¬ nych przebiegów trójkatnych przeprowadzic synteze z góry zadanego przebiegu czasowego.Sygnal na wyjsciu rozwazanego ukladu jest odpowiedzia ukladu na wymuszenie o postaci funkcji liniowej. Wobec tego charakterystyka czestotliwosciowa K (j to) tego ukladu bedzie okreslona wzorem K (j«) = (W2 F { U2 (t)} = P { U" (t)[ (1) gdzie U2 (t) jest sygnalem napieciowym na wyjsciu ukladu w przypadku wymuszenia wej¬ sciowego o postaci funkcji liniowej Ui (t) = t: F — jest symbolem przeksztalcenia Fourie¬ ra. Zapisujac wzór (1) w postaci wyraznej otrzymamy Kfj«) = { U'2(t)e-j«"dt. (2) 6 Mamy równiez nastepujaca zaleznosc odwrotna 2 f°° U j (t) =— i Rek (jw) cos t o Korzystajac ze znanych metod wykreslno- . analitycznych mozna np. w oparciu o wzór (3) w latwy sposób wyznaczyc funkcje napiecia wyjsciowego u2(t), odpowiadajaca zadanej do zrealizowania charakterystyce czestotliwoscio¬ wej ukladu.W ten sposób omawiany uklad moze równiez sluzyc do realizacji charakterystyk czestotliwo¬ sciowych.Uzyskanie odpowiedniej funkcji sygnalu wyjsciowego, która determinuje czasowe i cze¬ stotliwosciowe charakterystyki rozwazanego ukladu, zalezy od odpowiedniego wykonania uzwojenia cewki odbiorczej. W praktyce wyko¬ nanie uzwojenia cewki odbiorczej, a wiec rea¬ lizacje charakterystyki ukladu mozna przepro¬ wadzic trzema ponizej przedstawionymi sposo¬ bami.Sposób pierwszy. Jezeli chcemy zrealizo¬ wac uklad o wyznaczonej na drodze teoretycz¬ nej charakterystyce czasowej, wówczas na wej¬ scie ukladu nadajemy sygnal trójkatny z ge¬ neratora podstawy czasu 4 (fig. 7) i obserwu¬ jemy na oscylografie 5 przebieg napiecia wyj^ sciowego, powstajacy w trakcie wykonywania uzwojenia cewki odbiorczej. Do oscylografu przylozona jest kalka z wyrysowanym zada¬ nym przebiegiem napiecia wyjsciowego. Dobie¬ rajac odpowiednie liczby zwojów w poszcze* gólnych sekcjach (sposób 1) lub dobierajac od¬ powiednio ceweczki elementarne (sposób 2) mozna latwo uzyskac funkcje napiecia u2(t) o zadanym przebiegu. W przypadku sposobu pierwszego cewke odbiorcza uzwajamy krecac karkasem, na którym jest ona nawinieta.Sposób drugi. Jezeli chcemy skopiowac istniejacy czwórnik (wzorcowy), wówczas ze¬ stawiamy uklad uwidoczniony na fig. 8 i na wejscie tego ukladu nadajemy z generatora podstawy czasu 4 sygnal o postaci trójkata.Uzwojenie cewki odbiorczej w ten sposób ksztaltujemy, by skompensowac do zera prze¬ bieg, badany na oscylografie 5. Wówczas wyko¬ nany w ten sposób uklad 6 bedzie identyczny pod wzgledem transmisyjnym czwórnikowi wzorcowemu 7.Sposób trzeci. Jezeli chcemy zrealizowac korektor charakterystyki czasowej istniejacego ukladu (np. wzmacniacza impulsowego lub rjzwórnika biernego), wówczas zestawiamy uklad wskazany na fig. 9 i na wejscie tego ukladu nadajemy z generatora podstawy czasu 4 sygnal o postaci trójkata. Analogicznie jak dla sposobu drugiego uzwojenie cewki odbior¬ czej ksztaltujemy tak, by skompensowac do ze¬ ra lub zblizyc do zera przebieg obserwowany na oscylografie 5. Wówczas wykonany w ten sposób korektor 8 lacznie z ukladem 9, któ¬ rego charakterystyke koryguje, stanowi uklad wprowadzajacy minimalne znieksztalcenia cha¬ rakterystyki czasowej. Uklad zlozony z pola¬ czenia lancuchowego, korektora i czwórnika korygowanego, bedzie wiec posiadal charakte¬ rystyki zblizone do charakterystyk zwyklego tlumika 10 (ukladu zbudowanego z oporów omowych). Jego charakterystyka tlumieniowa bedzie wiec w przyblizeniu linia prosta w fun¬ kcji czestotliwosci, a charakterystyka fazowa bedzie przebiegala przez wartosci bliskie zera.Nalezy zaznaczyc, ze z róznych przyczyn trudnych do rozwazenia na drodze teoretycz- - 3 -nej, np. z powodu istnienia nieuniknionych sprzezen magnetycznych miedzy poszczególny¬ mi zwojami w cewkach odbiorczych, sygnal napieciowy uformowany przez kazda z poszcze¬ gólnych cewek odbiorczych nie bedzie ideal¬ nym trójkatem ale funkcja, która z pewna do¬ kladnoscia mozna aproksymowac przebiegiem trójkatnym. Powyzszy fakt nie ma jednak za¬ sadniczego wplywu na przeprowadzcne powy¬ zej rozwazania, gdyz tak samo dobrze za po¬ moca powyzszych elementarnych przebiegów impulsowych mniej lub bardziej rózniacych sie ksztaltem od przebiegu trójkatnego mozna przeprowadzic synteze zadanej funkcji czaso¬ wej.W rozwiazaniu praktycznym czwórnika ma- gnetostrykcyjnego nalezy przewidziec polaryza¬ cje magnetyczna cewki odbiorczej. Mozna tego dokonac dwoma metodami. Albo stosowac dla kazdej cewki odbiorczej magnes staly wykona¬ ny np. z fenytu, albo tez w szereg z cewka odbiorcza zalaczyc odpowiednie napiecie stale polaryzujace, dajace staly strumien magnetycz¬ ny. Bez stosowania polaryzacji magnetycznej uklad charakteryzowalby sie mala czuloscia.W praktyce mozna przyjac, ze tlumienie wno¬ szone przez czwórnik magnetostrykcyjny (bez wzmacniaczy) wynosi okolo 40 decybeli. Zasto¬ sowany w ukladzie wzmacniacz odbiorczy dwustopniowy ma za zadanie skompensowanie powyzszego tlumienia. Jest Lzecza interesujaca, ze niemal cale tlumienie jest wnoszone przez przetworniki. Natomiast tlumienie wnoszone przez sama linie magnetostrykcyjna (w postaci drutu niklowego) jest bardzo niewielkie i wy¬ nosi kilka decybeli. PL