УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ НАТЯЖЕНИЯ ТРУБКИ В «STRAW»-ДЕТЕКТОРАХ Российский патент 2015 года по МПК G01L1/14 

Область техники: Заявляемое техническое решение относится к технике создания проволочных детекторов для физического эксперимента, научных исследований и медицины, а именно к способам и устройствам, позволяющим измерить натяжение трубок в straw-детекторах, широко применяемых в экспериментальной технике.

Уровень техники: Для измерения натяжения проволочек в проволочных детекторах широкое распространение нашел метод использования магнитного возбуждения их колебаний на резонансной частоте [1, 2]. Постоянный магнит помещается над поверхностью проверяемой проволочки, через которую пропускают импульс тока. По закону Ампера на проволочку будет действовать сила, вызывающая ее отклонение от стационарного положения. По окончании действия импульса сила натяжения проволочки приводит ее в стационарное положение, вызывая затухающие колебания на резонансной частоте, зависящей от натяжения и удельного веса проволочки. Частота этих колебаний измеряется и по ее величине определяется натяжение проволочки. Применение такой методики для straw-трубок недопустимо вследствие необходимости использовать для возбуждения колебаний импульс тока большой величины, что приводит к разрушению их сварочного шва и слоя золота внутренней поверхности трубки. Измерение натяжения трубки осуществляется в отсутствие сигнальной проволочки, которая располагается по центру трубки и устанавливается после измерения натяжения трубки. Поскольку детекторы с использованием трубок имеют, как правило, несколько слоев, требуется компактность устройств возбуждения колебаний и их расположение относительно трубок с одной стороны. С учетом перечисленных ограничений для возбуждения колебаний трубки при измерении ее натяжения обычно применяют механическое воздействие.

Известно техническое решение [3], в котором измеряется натяжение анодных проволок в многопроволочных пропорциональных камерах посредством измерения их резонансной частоты колебаний. Данное техническое решение включает в себя источник высокого напряжения, подключаемый к анодным проволокам. Электромеханический соленоид возбуждает механические колебания проволочек относительно катодов, которые являются внутренними электродами пропорциональной камеры. Колебания проволочек с помощью преобразователя механических колебаний преобразуются в электрические сигналы.

Амплитуда сигналов оцифровывается с помощью аналого-цифровых преобразователей, и затем с помощью электронной схемы измерения определяют резонансную частоту колебаний проволок. Недостатком данного устройства для применения его в straw-детекторах является возбуждение колебаний и регистрация сигнала колебаний относительно катода, который является внутренним электродом камеры и отсутствующим в трубках. Также вызывает вопрос способность электромеханического соленоида возбудить колебания трубки без разрушения ее сварочного шва.

Известно техническое решение [4], в котором возбуждение колебаний трубки осуществляется ударом гладкого стержня по ее поверхности. В результате удара возникают свободные колебания трубки на резонансной частоте, которые регистрируются с помощью ключа ОВР732. Ключ содержит инфракрасный излучающий диод и фотоприемник, помещенные в общий корпус с отверстиями для излучателя и приемника. Прямое попадание света излучателя в фотоприемник экранируется. Фотоприемник регистрирует только свет, отраженный от поверхности колеблющейся трубки. Сигнал фотоприемника усиливается и выдается для анализа. Выходной сигнал представляет собой затухающие колебания трубки на резонансной частоте, которая измеряется. По ней вычисляется натяжение трубки. Недостатком данного технического решения является то, что удар наносится человеком. Резонансная частота колебаний применяемых трубок лежит в интервале 30-100 Гц. Поэтому чтобы избежать искажений колебания трубки, время действия удара должно быть менее 0.01 секунды, что человеку сделать трудно и требуется разработка специального ударного механизма.

Известно устройство для электростатического возбуждения колебаний проволочки и определения ее резонансной частоты в проволочных детекторах [5], выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит высоковольтный генератор переменного сигнала для электростатического возбуждения колебаний относительно плоскости катода камеры или соседней проволочки. Высоковольтный сигнал подается на исследуемую проволочку, а катод подключается к нулевому проводу генератора. Проволочка относительно катода представляет емкость, на обкладках которой индуцируются заряды противоположных знаков, пропорциональные амплитуде напряжения и изменяющиеся с частотой сигнала генератора. По закону Кулона между зарядами возникает сила притяжения, которая возбуждает колебания проволочки. Амплитуда колебаний проволочки преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный изменению ее емкости. Это изменение максимально на резонансной частоте. Поэтому нахождение резонансной частоты проволочки сводится к поиску максимальной амплитуды сигнала преобразователя колебаний при сканировании частоты сигнала возбуждения. В данном устройстве колебания проволочки инициируются относительно внутреннего электрода камеры, катода или соседней проволочки, расположенных на расстоянии 2-5 мм от исследуемой проволочки. Использование соседней проволочки в качестве электрода для возбуждения колебаний имеет ряд ограничений: 1) при возбуждении первой начинает колебаться проволочка с меньшим натяжением, причем средства ее идентификации отсутствуют; 2) при одинаковом натяжении исследуемой проволочки и проволочки, играющей роль электрода, обе проволочки колеблются одновременно. Трубки straw-детекторов имеют диаметр 5-10 мм, что почти на три порядка больше диаметра проволочек (20-50) мкм, используемых в детекторах. Удельный вес straw-трубок (0.5-1.6 г/м) более чем на два порядка превышает удельный вес проволочек (9-15 мг/м), что накладывает ограничения на возбуждение колебаний трубки. Поэтому данное устройство не может использоваться для измерения натяжения трубок в straw-детекторе.

Ставилась задача разработать надежное, простое, доступное в реализации и отвечающее предъявляемым требованиям устройство для измерения натяжения трубок в straw-детекторах посредством измерения их резонансной частоты колебаний. Сила возбуждения должна быть достаточной для инициализации колебаний трубки и не вносить искажений и отражений в процесс колебаний.

Раскрытие изобретения.

Поставленная задача решается тем, что берется известное устройство для определения натяжения проволочки в проволочных детекторах посредством измерения ее резонансной частоты свободных колебаний. Устройство содержит высоковольтный генератор переменной частоты для электростатического возбуждения колебаний проволочки, который через разделительный конденсатор соединен с преобразователем амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал. Выход преобразователя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к ЭВМ. В известное устройство дополнительно введен опорный электрод, соединенный с выходом генератора и установленный параллельно оси измеряемой трубки на расстоянии, обеспечивающем электростатическое возбуждение колебаний трубки с частотой сигнала возбуждения. Опорный электрод располагается совместно с преобразователем амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал. Размеры электрода и расстояние между электродом и измеряемой трубкой выбираются исходя из требуемой для возбуждения колебаний трубки электростатической силы. Для блокировки колебаний электрода его масса превышает более чем на 30% массу трубки, которая для электробезопасности соединяется с нулевым проводом генератора. При сканировании частоты высоковольтного генератора ЭВМ по программе определяет максимальную амплитуду колебаний трубки, которая достигается на резонансной частоте, позволяющей вычислить величину натяжения трубки по формуле:

$$T=4f_0^2\cdot L^2\cdot \rho$$

где T - величина натяжения трубки в ньютонах;

f₀ - резонансная частота колебаний трубки в герцах;

L - длина трубки в метрах;

ρ - удельная плотность трубки в грамм/метр.

С целью автоматизации измерения натяжения трубок в детекторе преобразователь амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал и опорный электрод располагаются на одной опоре, выполненной с возможностью перемещения в направлении ортогональном оси трубок.

Совокупность приведенных выше признаков позволяет решить поставленную задачу измерения натяжения трубок с высокой точностью. Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.

1. Блок-схема устройства для измерения величины натяжения трубки в straw-детекторе, фиг.1 (приложение 1), где: 1 - высоковольтный генератор переменной частоты; 2 - дополнительно введенный опорный электрод; 3 - тестируемая трубка; 4 - разделительная емкость; 5 - преобразователь амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - ЭВМ.

2. Принципиальная схема высоковольтного генератора переменной частоты, где название элементов приведено на схеме, фиг.2 (приложение 2).

3. Принципиальная схема преобразователя амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал, где название элементов приведено на схеме, фиг.3 (приложение 2).

Организация и принцип работы устройства для измерения величины натяжения трубки иллюстрируется на фиг.1 (приложение 1). Высоковольтный генератор 1 вырабатывает переменный сигнал для возбуждения колебаний трубки 3. Сигнал подается на дополнительно введенный опорный электрод 2, который устанавливается параллельно оси измеряемой трубки. Исследуемая трубка 3 соединяется с нулевым проводом генератора 1, что обеспечивает электробезопасность работы устройства. Между опорным электродом 2 и трубкой 3 образуется емкостная связь. В результате действия сигнала на электроде 2 и стенках трубки 3, покрытых слоем золота, индуцируются пропорционально амплитуде приложенного напряжения заряды противоположных знаков. Переменная сила электростатического взаимодействия этих зарядов вызывает колебания трубки с частотой сигнала возбуждения. Величина силы зависит от амплитуды напряжения высоковольтного сигнала и величины емкости опорного электрода 2 относительно трубки 3. Электрическая емкость между электродом и трубкой зависит от площади электрода 2 относительно трубки 3 и расстояния между ними, которые задаются с учетом возбуждения колебаний трубки с амплитудой достаточной для регистрации резонансной частоты. При электростатическом возбуждении на опорный электрод 2 также действует сила, равная по величине и противоположно направленная силе, действующей на трубку 3. Поэтому для блокировки колебаний металлического электрода 2 его масса должна превышать массу проверяемой трубки 3 более чем на 30%. Преобразователь 5 преобразует амплитуду колебаний трубки 3 в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде колебаний трубки. Преобразователь амплитуды колебаний трубки 5 соединяется с опорным электродом через разделительный конденсатор 4, блокирующий попадание высокого напряжения в его электронную схему. Сигнал с выхода преобразователя амплитуды колебаний 5 подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Амплитуда колебаний в цифровой форме с выхода АЦП 6 поступает в ЭВМ 7. При сканировании частоты высоковольтного генератора 1 ЭВМ 7 по программе определяет максимальную амплитуду колебаний трубки, которая достигается на резонансной частоте, позволяющей определить натяжение по приведенной выше формуле.

Для уменьшения величины паразитной емкости соединительных проводов между генератором и опорным электродом, влияющей на точность определения резонансной частоты трубки, опорный электрод 2 устанавливается вблизи преобразователя амплитуды колебаний 5 или на его передней панели. С целью автоматизации измерения натяжения трубок в детекторе преобразователь амплитуды колебаний проволочки 5 и опорный электрод 2 располагаются на одной опоре, выполненной с возможностью перемещения в направлении, ортогональном оси трубок.

Для реализации устройства (фиг.1, приложение 1) ниже представлены электрические схемы основных узлов: высоковольтного генератора переменной частоты 1 и преобразователя амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал 5.

На фиг.2 (приложение 2) приведена схема высоковольтного генератора переменной частоты. Низкочастотный переменный сигнал малой амплитуды (0.4-1.2 B) поступает от внешнего генератора на вход G1. С помощью операционного усилителя U2 (K140YD8A) и высоковольтного транзистора КТ872А амплитуда входного сигнала усиливается в 1000 раз и на коллекторе транзистора КТ837А формируется высоковольтный сигнал возбуждения колебаний трубки, который с разъема Uex по кабелю поступает на схему преобразователя колебаний трубки в электрический сигнал 5 и далее на опорный электрод 2. Коэффициент усиления определяется отношением резисторов 10М и переменного резистора 15к. Одновременно сигнал возбуждения, ослабленный в 1000 раз, через составной повторитель сигнала, состоящий из элементов U1 и транзистора КТ3102, поступает на разъем контроля высоковольтного напряжения Uc. В качестве низкочастотного генератора можно использовать SFG - 71003, который формирует сигнал в диапазоне 0.1 Гц - 3 МГц с точностью 0.1 Гц и имеет возможность регулирования амплитуды в интервале (0.01-10) В [6].

На фиг.3 (приложение 2) приведена схема преобразователя амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал 5. Сигнал возбуждения колебаний трубки с разъема Uex через резистор 100к подается на опорный электрод 2. Последовательное сопротивление 100к ограничивает влияние емкости кабеля, по которому передается сигнал возбуждения. Емкость трубки относительно опорного электрода C_tube через разделительный конденсатор 300 pF включается в цепь резонансного LC-контура. Разделительный конденсатор практически не оказывает влияния на величину емкости трубки относительно опорного электрода. Ее величина составляет 1-3 pF, и уменьшение емкости вследствие последовательного соединения с разделительным конденсатором составляет менее 1%. Резонансный LC-контур состоит из внешней индуктивности, 5 mH, конденсатора 5 pF и емкости трубки C_tube 3 относительного опорного электрода 2. Контур возбуждается сигналом внешнего генератора G2. Диоды КД522, включенные параллельно LC-контуру, надежно блокируют попадание высокого напряжения в цепь контура и ограничивают амплитуду сигнала в контуре. Амплитуда высокочастотного сигнала в контуре будет модулироваться низкочастотным сигналом колебаний трубки из-за изменения ее емкости относительно опорного электрода. Далее сигнал с контура выпрямляется с помощью диода КД522, а его высокочастотная составляющая фильтруется с помощью RC-фильтра, реализованного на элементах 1 к и 3.3 nF. Низкочастотный сигнал, описывающий колебания трубки, усиливается с помощью операционного усилителя K140YD8A и с выхода эмиттерного повторителя К3 102 подается на выход Out. Коэффициент усиления сигнала выбран равным 100 и определяется отношением резисторов 51к и 510 Ом. Далее сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. В качестве аналого-цифрового преобразователя можно использовать быстродействующую плату аналого-цифрового преобразователя ЛА2М5 [7]. Плата вставляется в ЭВМ и имеет разрешение 12 бит. В качестве высокочастотного генератора для возбуждения LC-контура можно использовать генератор AWG - 4150 [8], который имеет диапазон 1 мГц - 50 МГц с возможностью установки амплитуды сигнала в диапазоне (0-5) вольт. Система измерения может функционировать под управлением персонального компьютера или ноутбука. Опорный электрод для возбуждения колебаний трубки можно изготовить из дюралюминия. Его ширина должна равняться диаметру трубки, а длина выбирается исходя из необходимой величины емкостной связи электрода с трубкой, обеспечивающей возбуждение колебаний трубки. Для блокировки колебаний электрода его масса должна превышать массу трубки, что надежно выполняется при толщине электрода порядка 3 мм и его длине 30-40 см.

Точность определения величины натяжения трубки зависит от точности измерения ее резонансной частоты колебаний. Точность измерения резонансной частоты колебаний для аналогичного устройства достигает 0.1 Гц [5], что позволит определять натяжение трубок с частотами в диапазоне 20-100 Гц с точностью 0.15-0.5%. Такая точность отвечает самым высоким требованиям, предъявляемым при изготовлении straw-детекторов.

Литература

[1] Mark R. Convery. A Device for Quick and Reliable Measurement of Wire Tension. Princeton/BaBar TNDC - 96-39, Apr.29, 1996.

[2] Wire Tension Meter NE-660A, KFKI MTA, Pf.49, H-1525 Budapest, Hungary.

[3] Патент на полезную модель №96238.

[4] Straw tracker NA62.

Na62.web.cern.ch/na62/Documents/Chapter_SrawTracker_extract_full_doc_v10t.pdf.

[5] A.D. Volkov. Wire tension monitor for proportional chambers of the ANKE spectrometer.

Nuclear Instruments and Methods A 701, 2013, p.80-85.

[6] Генератор SFG - 71003, www.chipdip.ru.

[7] Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для широкого применения ЛА2М5, www.rudshel.ru.

[8] Высокочастотный генератор сигналов AWG-4159. www.aktakom.ru.

Изобретение предназначено для измерения натяжения трубки в «straw»-детекторах, использующихся в технике физического эксперимента, а также в медицине и научных исследованиях. Устройство содержит высоковольтный генератор переменной частоты, предназначенный для электростатического возбуждения колебаний трубки, который через разделительный конденсатор соединен с преобразователем амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал, выход которого соединен с входом АЦП. Выход АЦП подключен к ЭВМ. Выход генератора также соединен с дополнительно введенным опорным электродом, установленным параллельно оси измеряемой трубки на расстоянии, обеспечивающем электростатическое возбуждение ее колебаний с частотой сигнала возбуждения, и расположенным совместно с преобразователем амплитуды колебаний. Причем для блокировки колебаний электрода его масса превышает массу проверяемой трубки, а трубка соединяется с нулевым проводом высоковольтного генератора, и при сканировании частоты высоковольтного генератора ЭВМ по программе определяет максимальную амплитуду колебаний трубки, которая достигается на резонансной частоте. Технический результат заключается в возможности бесконтактного возбуждения колебаний трубки и исключении искажений частоты и формы ее колебаний. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения величины натяжения трубки в «straw»-детекторах посредством нахождения их резонансной частоты свободных колебаний, содержащее высоковольтный генератор переменной частоты, предназначенный для электростатического возбуждения колебаний трубки, который через разделительный конденсатор соединен с преобразователем амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к ЭВМ, отличающееся тем, что выход генератора также соединен с дополнительно введенным опорным электродом, установленным параллельно оси измеряемой трубки на расстоянии, обеспечивающем электростатическое возбуждение ее колебаний с частотой сигнала возбуждения, и расположенным совместно с преобразователем амплитуды колебаний, причем для блокировки колебаний электрода его масса превышает массу проверяемой трубки, а трубка соединяется с нулевым проводом высоковольтного генератора, и при сканировании частоты высоковольтного генератора ЭВМ по программе определяет максимальную амплитуду колебаний трубки, которая достигается на резонансной частоте, позволяющей вычислить величину натяжения трубки по формуле:
T=4L²ρf²,
где Т - величина натяжения трубки, Н;
L - длина трубки, м;
ρ - удельная плотность материала трубки, г/м;
f - резонансная частота колебаний трубки, Гц.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с целью автоматизации измерения натяжения трубок в детекторе преобразователь амплитуды колебаний в электрический сигнал и опорный электрод расположены на одной опоре, выполненной с возможностью автоматизированного перемещения в направлении, ортогональном оси трубок.