RU2539107C1

RU2539107C1 - Device for measuring tension value of tube in «straw» detectors

Info

Publication number: RU2539107C1
Application number: RU2013131953/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Волков
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2013131953A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: device includes a high-voltage generator of variable frequency, which is intended for electrostatic excitation of tube vibrations, which is connected through a separating capacitor to a converter of amplitude of tube vibrations to an electrical signal, the output of which is connected to an ADC input. An ADC output is connected to a computer. The generator output is also connected to an additionally introduced supporting electrode installed parallel to the axis of the measured tube at the distance providing for electrostatic excitation of its vibrations with an excitation signal frequency and located together with the vibration amplitude converter. For interlocking of vibrations of the electrode, the weight of the latter exceeds the weight of the tested tube, and the tube is connected to a zero conductor of the high-voltage generator, and at scanning of frequency of the high-voltage generator, the computer software determines maximum amplitude of tube vibrations, which is achieved on resonant frequency.

EFFECT: possibility of contactless excitation of tube vibrations and avoiding distortions of frequency and shape of its vibrations.

2 cl, 3 dwg

Description

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.Field of technology: The claimed technical solution relates to techniques for creating wire detectors for a physical experiment, scientific research and medicine, and in particular to methods and devices that measure the tension of tubes in straw detectors widely used in experimental technology.

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.BACKGROUND OF THE INVENTION A method for using magnetic excitation of their vibrations at a resonant frequency has been widely used to measure the tension of wires in wire detectors [1, 2]. A permanent magnet is placed above the surface of the wire under test, through which a current pulse is passed. Under Ampere’s law, a force will act on the wire causing it to deviate from its stationary position. At the end of the pulse, the tension force of the wire leads it to a stationary position, causing damped oscillations at the resonant frequency, depending on the tension and specific gravity of the wire. The frequency of these oscillations is measured and the wire tension is determined by its magnitude. The use of such a technique for straw tubes is unacceptable due to the need to use a large current pulse to excite oscillations, which leads to the destruction of their weld and gold layer on the inner surface of the tube. The tube tension is measured in the absence of a signal wire, which is located in the center of the tube and is installed after measuring the tube tension. Since detectors using tubes usually have several layers, the compactness of vibration excitation devices and their location relative to the tubes on the one hand are required. Given the above limitations, a mechanical action is usually used to excite tube oscillations when measuring its tension.

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.A technical solution is known [3], in which the tension of the anode wires in multi-wire proportional chambers is measured by measuring their resonant frequency of oscillations. This technical solution includes a high voltage source connected to the anode wires. The electromechanical solenoid excites mechanical vibrations of the wires relative to the cathodes, which are the internal electrodes of the proportional chamber. Oscillations of wires with the help of a converter of mechanical vibrations are converted into electrical signals.

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.The amplitude of the signals is digitized using analog-to-digital converters, and then using the electronic measurement circuit to determine the resonant vibration frequency of the wires. The disadvantage of this device for use in straw detectors is the excitation of oscillations and registration of the oscillation signal relative to the cathode, which is the internal electrode of the chamber and is absent in the tubes. The question of the ability of an electromechanical solenoid to excite tube oscillations without destroying its weld also raises a question.

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.A technical solution is known [4], in which the vibration of a tube is excited by hitting a smooth rod on its surface. As a result of the shock, free oscillations of the tube occur at the resonant frequency, which are recorded using the OVR732 key. The key contains an infrared emitting diode and a photodetector, placed in a common housing with holes for the emitter and receiver. Direct hit of the emitter light in the photodetector is shielded. The photodetector detects only the light reflected from the surface of the oscillating tube. The photodetector signal is amplified and issued for analysis. The output signal is the damped oscillations of the tube at the resonant frequency that is being measured. It calculates the tension of the tube. The disadvantage of this technical solution is that the blow is done by a person. The resonant oscillation frequency of the tubes used is in the range of 30-100 Hz. Therefore, in order to avoid distortion of the tube’s vibrations, the impact time should be less than 0.01 seconds, which is difficult for a person to do and requires the development of a special shock mechanism.

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.A device is known for electrostatically exciting oscillations of a wire and determining its resonant frequency in wire detectors [5], selected as a prototype. The device contains a high-voltage alternating signal generator for electrostatically exciting oscillations relative to the plane of the cathode of the chamber or adjacent wire. A high-voltage signal is supplied to the wire under study, and the cathode is connected to the generator zero wire. The wire relative to the cathode represents a capacitance, on the plates of which charges of opposite signs are induced, proportional to the voltage amplitude and changing with the frequency of the generator signal. According to Coulomb's law, an attractive force arises between the charges, which excites the oscillations of the wire. The oscillation amplitude of the wire is converted into an electrical signal proportional to the change in its capacitance. This change is maximum at the resonant frequency. Therefore, finding the resonant frequency of the wire reduces to finding the maximum amplitude of the signal of the oscillation transducer when scanning the frequency of the excitation signal. In this device, the oscillations of the wire are initiated relative to the internal electrode of the chamber, cathode or adjacent wire, located at a distance of 2-5 mm from the studied wire. The use of an adjacent wire as an electrode for exciting oscillations has a number of limitations: 1) upon excitation of the first, the wire with less tension begins to oscillate, and there are no means of identifying it; 2) with the same tension of the studied wire and the wire playing the role of the electrode, both wires oscillate simultaneously. The tubes of straw-detectors have a diameter of 5-10 mm, which is almost three orders of magnitude larger than the diameter of the wires (20-50) microns used in the detectors. The specific gravity of straw tubes (0.5-1.6 g / m) is more than two orders of magnitude higher than the specific gravity of wires (9-15 mg / m), which imposes restrictions on the excitation of tube vibrations. Therefore, this device cannot be used to measure the tension of the tubes in a straw detector.

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.The task was to develop a reliable, simple, affordable and suitable device for measuring the tension of tubes in straw detectors by measuring their resonant frequency of oscillations. The excitation force should be sufficient to initiate oscillations of the tube and not introduce distortions and reflections into the oscillation process.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

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:The problem is solved by taking a known device for determining the tension of a wire in wire detectors by measuring its resonant frequency of free vibrations. The device comprises a high-voltage variable frequency generator for electrostatically exciting wire oscillations, which is connected through a separation capacitor to a tube oscillation amplitude converter into an electric signal. The output of the converter is connected to the input of the analog-to-digital converter, and the output of the analog-to-digital converter is connected to a computer. A reference electrode is additionally introduced into the known device, connected to the output of the generator and mounted parallel to the axis of the measured tube at a distance that provides electrostatic excitation of the tube oscillations with the frequency of the excitation signal. The reference electrode is located in conjunction with a tube oscillation amplitude converter into an electrical signal. The dimensions of the electrode and the distance between the electrode and the measured tube are selected based on the electrostatic force required to excite the oscillations of the tube. To block the oscillations of the electrode, its mass exceeds by more than 30% the mass of the tube, which for electrical safety is connected to the generator’s neutral wire. When scanning the frequency of a high-voltage computer generator, the program determines the maximum amplitude of the tube oscillations, which is achieved at the resonant frequency, which allows calculating the magnitude of the tube tension by the formula:

$T = 4 f_{0}^{2} \cdot L^{2} \cdot ρ$

T = four f_{0}^{2} \cdot L^{2} \cdot ρ

где T - величина натяжения трубки в ньютонах;where T is the magnitude of the tube tension in newtons;

f₀ - резонансная частота колебаний трубки в герцах;f ₀ is the resonant frequency of oscillations of the tube in hertz;

L - длина трубки в метрах;L is the length of the tube in meters;

ρ - удельная плотность трубки в грамм/метр.ρ is the specific gravity of the tube in grams / meter.

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.In order to automate the measurement of the tension of the tubes in the detector, the converter of the amplitude of the oscillations of the tube into an electric signal and a reference electrode are located on one support made with the possibility of moving in the direction of the orthogonal axis of the tubes.

Совокупность приведенных выше признаков позволяет решить поставленную задачу измерения натяжения трубок с высокой точностью. Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.The combination of the above features allows us to solve the problem of measuring the tension of the tubes with high accuracy. The claimed technical solution is illustrated by drawings.

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.1. The block diagram of a device for measuring the magnitude of the tension of the tube in a straw detector, figure 1 (Appendix 1), where: 1 - high-voltage variable frequency generator; 2 - additionally introduced reference electrode; 3 - test tube; 4 - separation tank; 5 - converter of the oscillation amplitude of the tube into an electrical signal; 6 - analog-to-digital Converter; 7 - computer.

2. Принципиальная схема высоковольтного генератора переменной частоты, где название элементов приведено на схеме, фиг.2 (приложение 2).2. Schematic diagram of a high-voltage variable frequency generator, where the name of the elements is shown in the diagram, figure 2 (Appendix 2).

3. Принципиальная схема преобразователя амплитуды колебаний трубки в электрический сигнал, где название элементов приведено на схеме, фиг.3 (приложение 2).3. Schematic diagram of the converter of the amplitude of oscillation of the tube into an electric signal, where the name of the elements is shown in the diagram, figure 3 (Appendix 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.The organization and principle of operation of the device for measuring the magnitude of the tension of the tube is illustrated in figure 1 (Appendix 1). The high-voltage generator 1 generates an alternating signal to excite the oscillations of the tube 3. The signal is supplied to the additionally introduced reference electrode 2, which is installed parallel to the axis of the measured tube. The studied tube 3 is connected to the neutral wire of the generator 1, which ensures electrical safety of the device. A capacitive coupling is formed between the reference electrode 2 and the tube 3. As a result of the action of the signal on the electrode 2 and the walls of the tube 3, covered with a layer of gold, charges of opposite signs are induced in proportion to the amplitude of the applied voltage. The variable strength of the electrostatic interaction of these charges causes the tube to oscillate with the frequency of the excitation signal. The magnitude of the force depends on the amplitude of the voltage of the high-voltage signal and the capacitance of the reference electrode 2 relative to the tube 3. The electric capacitance between the electrode and the tube depends on the area of the electrode 2 relative to the tube 3 and the distance between them, which are set taking into account the excitation of oscillations of the tube with an amplitude sufficient to detect the resonance frequency. During electrostatic excitation, a force equal in magnitude and opposite to the force acting on the tube 3 also acts on the reference electrode 2. Therefore, to block the oscillations of the metal electrode 2, its mass must exceed the mass of the tested tube 3 by more than 30%. The Converter 5 converts the amplitude of the oscillations of the tube 3 into an electrical signal, the amplitude of which is proportional to the amplitude of the oscillations of the tube. The oscillation amplitude converter of the tube 5 is connected to the reference electrode through an isolation capacitor 4, which blocks the ingress of high voltage into its electronic circuit. The signal from the output of the oscillation amplitude converter 5 is fed to the input of an analog-to-digital converter (ADC) 6. The amplitude of the oscillations in digital form from the output of the ADC 6 is supplied to the computer 7. When scanning the frequency of the high-voltage generator 1, the computer 7 determines the maximum oscillation amplitude of the tube, which achieved at a resonant frequency, which allows to determine the tension according to the above formula.

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.To reduce the stray capacitance of the connecting wires between the generator and the reference electrode, which affects the accuracy of determining the resonant frequency of the tube, the reference electrode 2 is installed near the oscillation amplitude converter 5 or on its front panel. In order to automate the measurement of the tension of the tubes in the detector, the oscillation amplitude converter of the wire 5 and the reference electrode 2 are located on one support made with the possibility of movement in the direction orthogonal to the axis of the tubes.

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.To implement the device (Fig. 1, Appendix 1), electrical circuits of the main components are presented below: a high-voltage generator of variable frequency 1 and a converter of the amplitude of oscillations of the tube into an electric signal 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].Figure 2 (Appendix 2) shows a diagram of a high-voltage variable frequency generator. A low-frequency alternating signal of small amplitude (0.4-1.2 B) is supplied from an external generator to input G1. Using the operational amplifier U2 (K140YD8A) and the KT872A high-voltage transistor, the input signal amplitude is amplified 1000 times and a high-voltage tube oscillation excitation signal is generated on the collector of the KT837A transistor, which is fed from the Uex connector via a cable to the tube oscillation transformer into an electric signal 5 and then to reference electrode 2. The gain is determined by the ratio of 10M resistors and 15k variable resistor. At the same time, the excitation signal, attenuated by a factor of 1000, through a composite signal repeater, consisting of elements U1 and transistor KT3102, is fed to the high-voltage voltage monitoring connector Uc. As a low-frequency generator, you can use SFG - 71003, which generates a signal in the range 0.1 Hz - 3 MHz with an accuracy of 0.1 Hz and has the ability to control the amplitude in the interval (0.01-10) V [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.Figure 3 (Appendix 2) shows a diagram of a tube oscillation amplitude converter to an electric signal 5. The tube oscillation excitation signal from the Uex connector is supplied through a resistor 100k to the reference electrode 2. The series resistance 100k limits the influence of the cable capacitance through which the excitation signal is transmitted. The capacitance of the tube relative to the reference electrode C _tube through the isolation capacitor 300 pF is connected to the resonant LC circuit. The separation capacitor has virtually no effect on the value of the tube capacitance relative to the reference electrode. Its value is 1-3 pF, and the decrease in capacitance due to the series connection with an isolation capacitor is less than 1%. The resonant LC circuit consists of an external inductance, 5 mH, a capacitor of 5 pF and a capacitance of the tube C _tube 3 of the relative reference electrode 2. The circuit is excited by a signal from an external generator G2. KD522 diodes, connected in parallel with the LC circuit, reliably block the ingress of high voltage into the circuit circuit and limit the signal amplitude in the circuit. The amplitude of the high-frequency signal in the circuit will be modulated by the low-frequency oscillation signal of the tube due to a change in its capacitance relative to the reference electrode. Next, the signal from the circuit is rectified using the KD522 diode, and its high-frequency component is filtered using an RC filter implemented on 1 k and 3.3 nF elements. The low-frequency signal describing the oscillations of the tube is amplified by the operational amplifier K140YD8A and from the output of the emitter follower K3 102 is fed to the output Out. The signal gain is chosen equal to 100 and is determined by the ratio of resistors 51k and 510 ohms. Then the signal is fed to the input of the analog-to-digital converter 6. As a analog-to-digital converter, you can use the high-speed board of the analog-to-digital converter LA2M5 [7]. The board is inserted into the computer and has a resolution of 12 bits. As a high-frequency generator to excite the LC circuit, you can use the AWG-4150 generator [8], which has a range of 1 MHz - 50 MHz with the ability to set the signal amplitude in the range (0-5) volts. The measurement system can operate under the control of a personal computer or laptop. The reference electrode for exciting tube oscillations can be made of duralumin. Its width should be equal to the diameter of the tube, and the length is selected based on the required value of the capacitive coupling of the electrode with the tube, providing excitation of oscillations of the tube. To block the oscillations of the electrode, its mass must exceed the mass of the tube, which is reliably performed when the electrode thickness is about 3 mm and its length is 30-40 cm.

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.The accuracy of determining the magnitude of the tube tension depends on the accuracy of measuring its resonant frequency. The accuracy of measuring the resonant frequency of oscillations for a similar device reaches 0.1 Hz [5], which will determine the tension of the tubes with frequencies in the range of 20-100 Hz with an accuracy of 0.15-0.5%. This accuracy meets the highest requirements for the manufacture of straw detectors.

ЛитератураLiterature

[1] Mark R. Convery. A Device for Quick and Reliable Measurement of Wire Tension. Princeton/BaBar TNDC - 96-39, Apr.29, 1996.[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.[2] Wire Tension Meter NE-660A, KFKI MTA, Pf. 49, H-1525 Budapest, Hungary.

[3] Патент на полезную модель №96238.[3] Utility Model Patent No. 96238.

[4] Straw tracker NA62.[4] Straw tracker NA62.

Na62.web.cern.ch/na62/Documents/Chapter_SrawTracker_extract_full_doc_v10t.pdf.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.[5] A.D. Volkov. Wire tension monitor for proportional chambers of the ANKE spectrometer.

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

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

[7] Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для широкого применения ЛА2М5, www.rudshel.ru.[7] High-speed analog-to-digital conversion board for widespread use LA2M5, www.rudshel.ru.

[8] Высокочастотный генератор сигналов AWG-4159. www.aktakom.ru.[8] High Frequency Signal Generator AWG-4159. www.aktakom.ru.

Claims

1. A device for measuring the magnitude of the tube tension in “straw” detectors by finding their resonant frequency of free vibrations, containing a high-voltage variable frequency generator designed to electrostatically excite the tube vibrations, which is connected through a separation capacitor to the tube oscillation amplitude converter into an electrical signal, output which is connected to the input of the analog-to-digital converter, and the output of the analog-to-digital converter is connected to a computer, characterized in that the generator output is also connected to an additionally inserted reference electrode mounted parallel to the axis of the measured tube at a distance that provides electrostatic excitation of its oscillations with the frequency of the excitation signal and is located together with the oscillation amplitude transducer, moreover, to block the oscillations of the electrode, its mass exceeds the mass of the tested tube, and the tube connected to the zero wire of the high-voltage generator, and when scanning the frequency of the high-voltage computer generator according to the program determines is the maximum amplitude of the tube oscillations, which is achieved at the resonant frequency, which allows calculating the magnitude of the tube tension by the formula:
T = 4L ² ρf ² ,
where T is the magnitude of the tension of the tube, N;
L is the length of the tube, m;
ρ is the specific gravity of the tube material, g / m;
f is the resonant frequency of oscillation of the tube, Hz.

2. The device according to claim 1, characterized in that in order to automate the measurement of the tension of the tubes in the detector, the converter of the amplitude of the oscillations into an electric signal and a reference electrode are located on one support, made with the possibility of automated movement in the direction orthogonal to the axis of the tubes.