CN108107385A - 一种高温超导磁体性能检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导磁体性能检测系统，包括低温恒温系统、传感器组件、能量吸收组件、励磁电源装置、数据采集系统和监控系统；低温恒温系统包括真空容器以及制冷机和真空泵机组；传感器组件包括分布于磁体线圈的温度传感器、电压传感器、应变传感器和霍尔探头；励磁电源装置包括直流电源和可编程控制器；数据采集系统将各类传感器信号进行A/D转换；监控系统对高温超导磁体的性能参数进行分析和失超监测；真空容器上设置有密封航插，分别连接数据采集系统和监控系统；还公开了其检测方法；过对磁体多物理参数的数据采集与励磁电源的监控进行程序化同步和集中管理，实现了高温超导磁体性能的自动化检测，提高了磁体性能检测的效率和精确度。

Description

一种高温超导磁体性能检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种高温超导磁体性能检测系统及检测方法，用于高温超导磁体的性能检测。

背景技术

高温超导磁体作为超导装备的核心部件，其性能的好坏直接影响到超导装备的工作能力和使用寿命。一般情况下，检测高温超导磁体的电压—电流曲线，并提取其n值来评判磁体的性能优劣重要指标。与此同时，检测高温超导磁体载流时的磁场大小也是评价磁体性能的另一重要指标。另外，高温超导磁体都是工作在低温和强磁场环境下，线圈会发生收缩，且在电磁场的作用下发生一定程度的变形，如果变形太大，将导致高温超导磁体无法正常工作，因此，检测磁体在低温下载流时的应变值，并判断是否超出超导带材允许的变形量，是评价磁体性能的重要因素。

高温超导磁体在试验中处于一个密闭的真空低温环境，这给磁体参数的检测带来较大挑战，一方面要保证传感器能在低温（30K）和强磁场环境下能正常工作，另一方面要减小传感器测试引线带来的漏热，以防止磁体局部温度的波动。在磁体性能检测中，不仅需要采集多种类型的物理信号，如温度、电压、应变、磁场等，实现各种参数的同步采集是确保数据分析和性能评价准确性的基本条件；同时，升流节点数决定了获取的磁体性能曲线的精确度，数量太少会导致计算出来的n值与实际情况偏差较大，实现程序化升流和数据监测同步进行有助于提高检测效率和提高性能曲线的精确度。

目前，传统的高温超导磁体性能检测装置主要用于电压、电流、温度等参数的检测，只能获得磁体的电压—电流性能曲线，无法了解磁体的磁场特性和变形特性等性能状态。另外，磁体电流的加载基本处于手动模式，检测效率低，而且无法保证各类参数监测的同步性，影响了检测精确度。

发明内容

本发明的目的之一在于，克服现有高温超导磁体性能检测的缺陷和不足，提供一种高温超导磁体性能检测系统，用于实现超导磁体低温下载流过程中的性能状态的程序化检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导磁体性能检测系统，包括低温恒温系统、传感器组件、能量吸收组件、励磁电源装置、数据采集系统和监控系统；所述的低温恒温系统用于将高温超导磁体冷却到所需的工作温度，包括封闭的真空容器以及分别连接真空容器的制冷机和真空泵机组，真空容器内设置有绝热螺杆以及由绝热螺杆支撑的磁体支撑冷板，磁体支撑冷板上放置待测高温超导磁体，通过真空泵机组对真空容器抽真空，使高温超导磁体处于良好的真空环境，以减小高温超导磁体与外界环境的辐射漏热，所述的制冷机通过冷媒传输组件连接磁体支撑冷板，制冷机产生的冷量依靠冷媒传输组件传递给高温超导磁体，使高温超导磁体的温度降低到工作温度；所述的传感器组件用于检测高温超导磁体内部的温度、电压、电流、应变、磁场等参数，包括分布于超导磁体线圈内部和表面各处的若干温度传感器、若干电压传感器、若干应变传感器和若干霍尔探头，可根据磁体结构特征调整各传感器位置；所述的能量吸收组件连接高温超导磁体，用于吸收超导线圈在突然断电或失超保护时释放的能量，以保障高温超导磁体系统的运行安全，包括二极管、移能电阻和压敏电阻，与超导磁体线圈并联；所述的励磁电源装置为高温超导磁体提供励磁电流，包括直流电源和可编程控制器，直流电源可输出大电流低电压，其输出电流大小由可编程控制器进行控制；所述的数据采集系统用于将各类传感器信号进行A/D转换，并通过相应数据总线传送到监控系统中；所述的监控系统用于将各数据采集模块和励磁电源装置进行集成，对制冷机参数和高温超导磁体的运行参数（包括电压、电流、温度、应变和磁场）进行综合同步监测，并对高温超导磁体的性能参数进行分析和失超监测，同时对励磁电源装置进行程序化控制，主要包括数据采集程序、励磁电源装置控制程序、数据处理与分析、失超预判程序以及用户界面；所述的真空容器上设置有密封航插，所述的数据采集系统和监控系统分别连接密封航插。

所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其数据采集系统包括温度采集模块、电压采集模块、应变采集模块和高斯计，所述的高斯计通过数据传输总线与监控系统连接。温度采集模块和应变采集模块提供传感器所需的激励电流。

所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其温度采集模块和应变采集模块采用同一采样时钟，采样频率设置在1～10Hz范围内，所述的电压采集模块采样率设置在10Hz以上，同时保证其检测最小分辨率为1mV，所述的数据传输总线采用GPIB总线和TCP/IP网线混合式的传输方式，实现各采集模块与监控系统的数据共享。

所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其传感器通过测试引线引出高温超导磁体后先粘附在磁体支撑冷板上，再通过密封航插转接引出真空容器，并连接到数据采集系统。

所述的一种高温超导磁体性能检测系统，所述的温度传感器布置在超导带接头处，温度传感器和应变传感器通过固化胶粘贴在超导带的绝缘层外表面；所述的电压传感器布置在电流引线处，通过焊锡焊接在超导带局部剥除绝缘层后的金属表面。测试引线均采用低温下具有较小导热系数的青铜线，其中温度传感器和应变传感器采用四线制，以提高测试精度。

本发明的目的之二在于，提供一种使用上述检测系统的高温超导磁体性能检测方法，步骤为：

步骤1，在高温超导磁体固化之前，将各传感器布置到高温超导磁体的相应位置，利用金手指胶带对传感器与测试引线接头处作适当绝缘防护；

步骤2，待高温超导磁体固化后，将高温超导磁体放置于真空容器中，并通过复合材料绝热螺杆对高温超导磁体进行支撑与固定，使高温超导磁体与真空容器内壁保持一定距离；

步骤3，将各传感器的测试引线粘附到磁体支撑冷板上，并利用金手指胶带对测试引线进行适当固定，经过密封航插转接后引出真空容器，再通过常规的多芯屏蔽线连接到相应的数据采集设备上；

步骤4，开启真空泵机组，对真空容器进行抽真空，待真空度达到10-4Pa后，开启制冷机，对高温超导磁体进行冷却，与此同时，开启监控系统，对高温超导磁体的温度进行监测；

步骤5，待高温超导磁体各温度达到30K以下后，开启励磁电源装置，并对装置进行参数初始化；

步骤6，在监控系统的软件中设置升流模式、升流速度、升流起止值、升流节点和稳定时长等参数，程序按照升流节点值输出升流指令到励磁电源装置，并全程监测高温超导磁体各参数并进行失超预判，自动绘制出磁体的电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线等性能曲线，并计算出n指数；

其中励磁电源装置控制程序采用可编程仪器标准命令（SCPI）和TCP/IP协议相结合实现对励磁电源装置的程序化控制，通过预先设置升流节点、稳定时长和升流速度，升流节点可按照指数模式和线性模式进行划分，并存入节点数组，励磁电源装置按照程序设置的升流速度，依次升流到各升流节点，在每一个升流节点稳定时读取采集到的电压、电流、温度、应变和磁场等值，并绘制电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线；

步骤7，升流试验完成后，待电流降到零后，关闭励磁电源装置，随后关闭制冷机和真空泵机组，待温度恢复到常温后，关闭监控系统。

所述的一种高温超导磁体性能检测方法，其步骤6中监控系统的程序整体上采用多循环并列和事件结构相结合的形式，其中用户界面程序、数据采集程序和励磁电源装置控制程序分别采用独立的循环结构且并列运行，励磁电源装置控制程序和用户界面操作程序采用事件触发结构；采用系统时钟作为数据监测计数器，以实现各传感器数据的同步监测。

所述的一种高温超导磁体性能检测方法，其步骤6中监控系统通过对采集到的电压进行数据处理与分析，在升流过程中对每两个电压测点进行差值运算，在稳流时对各电压时域数据进行移动平均处理获得波动值，将电压差值和波动值与阈值进行比较，同时全程对温度和应变的波动值进行监测，实现对高温超导磁体的失超预判，进而发出指令切断励磁电源装置的电流输出

本发明检测系统通过低温恒温系统将高温超导磁体冷却到工作温度后，利用励磁电源装置给高温超导磁体加载电流，通过传感器组件和数据采集系统实时获取磁体内部的温度、电压、电流、应变和磁场参数，监控系统对数据采集系统和励磁电源装置进行程序化集中监控，对采集的参数进行实时处理和综合分析，并绘制出高温超导磁体的性能曲线，同时软件系统全程分析磁体是否发生失超，一旦发生，立即发出指令切断励磁电源，并由能量吸收组件完成高温超导磁体能量释放。

通过采取以上技术方案，具有以下优势：

1，采用GPIB总线和TCP/IP网线混合式的数据传输总线，以系统时钟作为统一的数据检测计数器，实现多种物理信号的同步检测，从而提高了磁体性能检测的准确性；

2，采用可编程仪器标准命令（SCPI）和TCP/IP协议相结合的方式，实现对励磁电源装置的程序化控制，提高了励磁电源控制的安全性和时效性；

3，通过对磁体多物理参数的数据采集与励磁电源的监控进行程序化同步和集中管理，实现了高温超导磁体性能的自动化检测，提高了磁体性能检测的效率和精确度。

附图说明

图1为本发明高温超导磁体性能检测系统示意图。

图中标记说明：1—制冷机，2—真空泵机组，3—冷媒传输组件，4—真空容器，5—磁体支撑冷板，6—高温超导磁体，7—传感器组件，8—能量吸收组件，9—励磁电源装置，10—测试引线，11—绝热螺杆，12—密封航插，13—温度采集模块，14—电压采集模块，15—应变采集模块，16—高斯计，17—数据传输总线，18—监控系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明公开了一种高温超导磁体性能检测系统，可用于实现高温超导磁体低温下载流过程中性能状态的程序化检测，低温恒温系统、传感器组件7、能量吸收组件8、励磁电源装置9、数据采集系统和监控系统18。

所述的低温恒温系统用于将高温超导磁体6冷却到所需的工作温度（20K～70K），主要包括真空容器4、真空泵机组2、制冷机1和冷媒传输组件3，高温超导磁体6放置于真空容器4中，通过真空泵机组2对真空容器4抽真空，使高温超导磁体6处于良好的真空环境，以减小高温超导磁体6与外界环境的辐射漏热，制冷机1产生的冷量依靠冷媒传输组件3传递给高温超导磁体6，使高温超导磁体6的温度降低到工作温度。

所述的励磁电源装置9包括直流电源和可编程控制器，用于为高温超导磁体6提供励磁电流，直流电源可输出大电流低电压，其输出电流大小由可编程控制器进行控制。

所述的能量吸收组件8包括二极管、移能电阻和压敏电阻，与超导磁体线圈并联，用于吸收超导线圈在突然断电或失超保护时释放的能量，以保障高温超导磁体6性能检测系统的运行安全。

所述的传感器组件7包括若干温度传感器、若干电压传感器、若干应变传感器和若干霍尔探头，分布于超导磁体线圈内部和表面各处，可根据磁体结构特征调整各传感器位置，其中温度传感器和应变传感器通过固化胶粘贴在超导带的绝缘层外表面，而电压传感器通过焊锡焊接在超导带局部剥除绝缘层后的金属表面。传感器组件7布置在超导磁体线圈内部和表面，特别在超导带接头处和电流引线处布置温度传感器和电压传感器；传感器测试引线10均采用低温下具有较小导热系数的青铜线，其中温度传感器和应变传感器采用四线制，以提高测试精度；测试引线10引出磁体后先粘附在磁体的磁体支撑冷板5上，再通过密封航插12转接引出真空容器4，并连接到数据采集设备上。

所述的数据采集系统用于将各类传感器信号进行A/D转换，并通过相应数据总线传送到监控系统18中，包括温度采集模块13、电压采集模块14、应变采集模块15、高斯计16和数据传输总线17，其中温度采集模块13和应变采集模块15可提供传感器所需的激励电流。

进一步，所述的温度采集模块13和应变采集模块15采用同一采样时钟，采样频率设置在1～10Hz范围内，电压采集模块14采样率设置在10Hz以上，同时保证其检测最小分辨率为1mV；数据传输总线17采用GPIB总线和TCP/IP网线混合式的传输方式，实现各采集模块与监控系统18的数据共享。

所述的监控系统18用于将各数据采集模块和励磁电源装置9进行集成，对制冷机1参数和高温超导磁体6运行参数（包括电压、电流、温度、应变）进行综合同步监测，并对高温超导磁体6性能参数进行分析和失超监测，同时对励磁电源装置9进行程序化控制，主要包括数据采集程序、励磁电源装置9控制程序、数据处理与分析、失超预判程序以及用户界面。

本发明检测系统通过低温恒温系统将高温超导磁体6冷却到工作温度后，利用励磁电源装置9给高温超导磁体6加载电流，通过传感器组件7和数据采集系统实时获取磁体内部的温度、电压、电流、应变和磁场参数，监控系统18对数据采集系统和励磁电源装置9进行程序化集中监控，对采集的参数进行实时处理和综合分析，并绘制出高温超导磁体的性能曲线，同时软件系统全程分析磁体是否发生失超，一旦发生，立即发出指令切断励磁电源，并由能量吸收组件8完成高温超导磁体能量释放。

一种高温超导磁体性能检测方法，通过使用所述的高温超导磁体性能检测系统，具体步骤为：

步骤1，在高温超导磁体6固化之前，将各传感器布置到高温超导磁体6的相应位置，利用金手指胶带对传感器与测试引线10接头处作适当绝缘防护。

步骤2，待高温超导磁体6固化后，将高温超导磁体6放置于真空容器4中，并通过复合材料绝热螺杆11对高温超导磁体6进行支撑与固定，使高温超导磁体6与真空容器4内壁保持一定距离。

步骤3，将各传感器的测试引线10粘附到磁体支撑冷板5上，并利用金手指胶带对测试引线10进行适当固定，经过密封航插12转接后引出真空容器4，再通过常规的多芯屏蔽线连接到相应的数据采集设备上。

步骤4，开启真空泵机组2，对真空容器4进行抽真空，待真空度达到10-4Pa后，开启制冷机1，对高温超导磁体6进行冷却，与此同时，开启监控系统18，对高温超导磁体6的温度进行监测。

步骤5，待高温超导磁体6各温度达到30K以下后，开启励磁电源装置9，并对装置进行参数初始化。

步骤6，在监控系统18的软件中设置升流模式、升流速度、升流起止值、升流节点和稳定时长等参数，程序按照升流节点值输出升流指令到励磁电源装置9，并全程监测高温超导磁体各参数并进行失超预判，自动绘制出磁体的电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线等性能曲线，并计算出n指数。

所述的监控软件系统的程序整体上采用多循环并列和事件结构相结合的形式，其中用户界面程序、数据采集程序和励磁电源装置控制程序分别采用独立的循环结构且并列运行，励磁电源装置控制程序和用户界面操作程序采用事件触发结构；采用系统时钟作为数据监测计数器，以实现各传感器数据的同步监测。

所述的励磁电源装置9控制程序采用可编程仪器标准命令（SCPI）和TCP/IP协议相结合实现对励磁电源装置9的程序化控制；通过预先设置升流节点、稳定时长和升流速度，升流节点可按照指数模式和线性模式进行划分，并存入节点数组，励磁电源装置9按照程序设置的升流速度，依次升流到各升流节点，在每一个升流节点稳定时读取采集到的电压、电流、温度、应变和磁场等值，并绘制电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线。

所述的监控系统18通过对采集到的电压进行数据处理与分析，在升流过程中对每两个电压测点进行差值运算，在稳流时对各电压时域数据进行移动平均处理获得波动值，将电压差值和波动值与阈值进行比较，同时全程对温度和应变的波动值进行监测，实现对高温超导磁体的失超预判，进而发出指令切断励磁电源装置9的电流输出。监控系统18程序整体上采用多循环并列和事件结构相结合的形式，其中用户界面程序、数据采集程序和励磁电源装置9控制程序分别采用独立的循环结构且并列运行，励磁电源装置9控制程序和用户界面操作程序采用事件触发结构；采用系统时钟作为数据监测计数器，以实现各传感器数据的同步监测。

步骤7，升流试验完成后，待电流降到零后，关闭励磁电源装置9，随后关闭制冷机1和真空泵机组2，待温度恢复到常温后，关闭监控系统18。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不说明本发明的局限性，对于高温超导磁体的检测系统及检测方法都应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温超导磁体性能检测系统，其特征在于：包括低温恒温系统、传感器组件（7）、能量吸收组件（8）、励磁电源装置（9）、数据采集系统和监控系统（18）；

所述的低温恒温系统包括封闭的真空容器（4）以及分别连接真空容器（4）的制冷机（1）和真空泵机组（2），真空容器（4）内设置有绝热螺杆（11）以及由绝热螺杆（11）支撑的磁体支撑冷板（5），磁体支撑冷板（5）上放置待测高温超导磁体（6），所述的制冷机（1）通过冷媒传输组件（3）连接磁体支撑冷板（5）；

所述的传感器组件（7）用于检测高温超导磁体（6）内部的温度、电压、电流、应变、磁场等参数，包括分布于超导磁体线圈内部和表面各处的温度传感器、电压传感器、应变传感器和霍尔探头；

所述的能量吸收组件（8）连接高温超导磁体（6），包括与超导磁体线圈并联的二极管、移能电阻和压敏电阻；

所述的励磁电源装置（9）为高温超导磁体（6）提供励磁电流，所述的数据采集系统用于将各类传感器信号进行A/D转换，并传送到监控系统（18）中；

所述的监控系统（18）用于将各数据和励磁电源装置（9）进行集成，对制冷机（1）参数和高温超导磁体（6）的运行参数进行综合同步监测，并对高温超导磁体（6）的性能参数进行分析和失超监测，同时对励磁电源装置（9）进行程序化控制；

所述的真空容器（4）上设置有密封航插（12），所述的数据采集系统和监控系统（18）分别连接密封航插（12）。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其特征在于，所述的数据采集系统包括温度采集模块（13）、电压采集模块（14）、应变采集模块（15）和高斯计（16），所述的高斯计（16）通过数据传输总线（17）与监控系统（18）连接。

3.根据权利要求2所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其特征在于，所述的温度采集模块（13）和应变采集模块（15）采用同一采样时钟，采样频率设置在1～10Hz范围内，所述的电压采集模块（14）采样率设置在10Hz以上，同时保证其检测最小分辨率为1mV，所述的数据传输总线（17）采用GPIB总线和TCP/IP网线混合式的传输方式，实现各采集模块与监控系统（18）的数据共享。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其特征在于，所述的传感器通过测试引线（10）引出高温超导磁体（6）后先粘附在磁体支撑冷板（5）上，再通过密封航插（12）转接引出真空容器（4），并连接到数据采集系统。

5.根据权利要求4所述的一种高温超导磁体性能检测系统，其特征在于，所述的温度传感器布置在超导带接头处，温度传感器和应变传感器通过固化胶粘贴在超导带的绝缘层外表面；所述的电压传感器布置在电流引线处，通过焊锡焊接在超导带局部剥除绝缘层后的金属表面。

6.一种高温超导磁体性能检测方法，基于用权利要求1至5任意一项所述的检测系统，其特征在于，具体步骤为：

步骤1，将各传感器布置到高温超导磁体（6）的相应位置，利用金手指胶带对传感器与测试引线（10）接头处作适当绝缘防护；

步骤2，待高温超导磁体（6）固化后，将高温超导磁体（6）放置于真空容器（4）中，并通过复合材料绝热螺杆（11）对高温超导磁体（6）进行支撑与固定，使高温超导磁体（6）与真空容器（4）内壁保持一定距离；

步骤3，将各传感器的测试引线（10）粘附到磁体支撑冷板（5）上，并利用金手指胶带对测试引线（10）进行适当固定，经过密封航插（12）转接后引出真空容器（4），再通过常规的多芯屏蔽线连接到数据采集系统上；

步骤4，开启真空泵机组（2），对真空容器（4）进行抽真空，待真空度达到10-4Pa后，开启制冷机（1），对高温超导磁体（6）进行冷却，与此同时，开启监控系统（18），对高温超导磁体（6）的温度进行监测；

步骤5，待高温超导磁体（6）温度达到30K以下后，开启励磁电源装置（9），并对装置进行参数初始化；

步骤6，监控系统（18）按照升流节点值输出升流指令到励磁电源装置（9），并全程监测高温超导磁体（6）各参数并进行失超预判，自动绘制出磁体的电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线等性能曲线，并计算出n指数；

其中励磁电源装置（9）采用可编程仪器标准命令和TCP/IP协议相结合实现的程序化控制，通过预先设置升流节点、稳定时长和升流速度，升流节点可按照指数模式和线性模式进行划分，并存入节点数组，励磁电源装置（9）按照程序设置的升流速度，依次升流到各升流节点，在每一个升流节点稳定时读取采集到的电压、电流、温度、应变和磁场等值，并绘制电压—电流曲线、应变—电流曲线和磁场—电流曲线；

步骤7，升流试验完成后，待电流降到零后，关闭励磁电源装置（9），随后关闭制冷机（1）和真空泵机组（2），待温度恢复到常温后，关闭监控系统（18）。

7.根据权利要求6所述的一种高温超导磁体性能检测方法，其特征在于，所述的步骤6中，所述监控系统（18）的程序整体上采用多循环并列和事件结构相结合的形式，其中用户界面程序、数据采集程序和励磁电源装置控制程序分别采用独立的循环结构且并列运行，励磁电源装置控制程序和用户界面操作程序采用事件触发结构；采用系统时钟作为数据监测计数器，以实现各传感器数据的同步监测。

8.根据权利要求6所述的一种高温超导磁体性能检测方法，其特征在于，所述的步骤6中，所述的监控系统（18）通过对采集到的电压进行数据处理与分析，在升流过程中对每两个电压测点进行差值运算，在稳流时对各电压时域数据进行移动平均处理获得波动值，将电压差值和波动值与阈值进行比较，同时全程对温度和应变的波动值进行监测，实现对高温超导磁体的失超预判，进而发出指令切断励磁电源装置（9）的电流输出。