高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置及方法与流程

本发明涉及超导电力技术领域，尤其涉及一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置及方法。

背景技术：

在高温超导电力应用设备的设计和加工过程中，交流损耗不仅影响电力设备稳定性的关键因素，同时也影响着整个超导装置的制冷功率和制冷效率，因此准确地分析高温超导带材及线圈的交流损耗，是高温超导电力设备首要解决的关键问题。在交流损耗领域，人们越来越重视对超导体交流损耗的测量方法研究，为超导体综合性能的评估提供实验依据。通常交流损耗的测试方法分为两类：一类是电学方法，另一类是热学方法。其中电学方法主要包括磁化法和锁相放大器法；而热学方法主要包括温升法和量热法。这些测试方法都是基于交流损耗产生的不同机理而设计的，适用于不同电磁环境下的超导材料和超导装置，测试的精度各有不同。其中，对于比较小的短样或线圈样品的交流损耗的测量，现有技术多采用电测法测量，电测法主要通过电子电路方法进行测量，测量速度快，但是常规交流损耗的电测法需要补偿系统进行重复标定，操作流程较为复杂且成本较高。此外，一旦测试中出现故障，现有的电测法无法及时排查故障，导致测试失败。

技术实现要素：

本发明提供了一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置及方法，能够解决现有技术中交流损耗测试需要补偿系统进行重复标定，操作流程较为复杂且成本较高，以及测试过程中出现故障难以及时判断等技术问题。

本发明的技术解决方案：

根据一方面，提供一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置，所述测试装置包括：

测试电源组件，与待测件高温超导带材及线圈串联设置构成回路，用于为所述待测件提供电流；

霍尔传感器，所述霍尔传感器靠近所述回路设置并产生电压；

数据采集和故障检测设备，包括第一测试通道和第二测试通道，所述第一测试通道连接在所述霍尔传感器的两端，用于获取所述霍尔传感器的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；所述第二测试通道连接在所述待测件的两端，用于获取所述待测件的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；

数据处理设备，用于对所述数据采集和故障检测设备提供的一个周期内的由所述霍尔传感器的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理，以获取待测件的交流损耗。

进一步地，所述测试电源组件包括连接的ni任意波形发生器和交流电源，所述ni任意波形发生器用于编辑任意波形以得到设定波形并控制所述交流电源的电流输出波形转换为所述设定波形；所述交流电源输出所述设定波形的电流。

进一步地，所述测试电源组件包括依次连接的ni任意波形发生器、信号发生器和直流电源，其中，所述ni任意波形发生器用于编辑任意波形以得到设定波形，并控制在信号发生器中产生相应的设定波形并显示；所述信号发生器用于控制所述直流电源的电流输出波形转换为信号发生器产生的设定波形；所述直流电源输出所述设定波形的电流。

进一步地，所述信号发生器通过信号线与直流电源连接，所述信号线为双绞屏蔽信号线；所述双绞屏蔽信号线的外层包裹0.1～0.2mm厚铝箔。

进一步地，所述数据采集和故障检测设备设置为示波记录仪。

进一步地，所述测试装置还包括杜瓦，所述待测件还设置在所述杜瓦中，所述杜瓦为所述待测件提供低温环境。

根据另一方面，提供一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试方法，所述测试方法使用上述的测试装置。

进一步地，所述方法包括以下步骤：

测试电源组件输出设定波形电流，所述设定波形电流为任意波形电流；

数据采集和故障检测设备的第一测试通道获取所述霍尔传感器的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；所述第二测试通道获取所述待测件的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；

数据处理设备对所述数据采集和故障检测设备提供的一个周期内的由所述霍尔传感器的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理，以获取待测件的交流损耗。

进一步地，所述方法中，积分用的电流i和电压v表达式分别为：i＝asin(ωt)，其中，a为电流幅值，b为电压幅值，为待测件电感产生的电压与电流之间的相位差。

进一步地，所述方法中，当积分用的电流i和电压v不是正弦类型的波形函数时，需将所述电流和电压进行傅立叶变换转化为正弦类型的波形函数。

应用上述技术方案，通过设置交流损耗的测试装置包括数据采集和故障检测设备，不仅可以对霍尔传感器和待测件电压进行实时采集，而且采集到的电压可以实时在设备上显示其波形，能够通过该波形对待测件电压和电流进行实时监测，及时发现故障并进行处理；此外，在测试装置仅包括少量组成部件下(不需要设置补偿线圈)，通过特定处理方式即一个周期内的由所述霍尔传感器的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理，即可获取待测件的一个周期内的交流损耗。极大简化了测试装置的结构，且还能保证结果的精度。综上，本发明提供的测试装置和方法不仅可以能够快速定位和排查待测件的电压电流情况；而且结构简单、测试精度高、反应速度快且极大简化操作流程和降低了成本，适合工程应用。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的温超导带材及线圈交流损耗的测试方法流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的温超导带材及线圈交流损耗测试结果对比图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、测试电源组件；11、ni任意波形发生器；12、信号发生器；13、直流电源；20、霍尔传感器；30、数据采集和故障检测设备；31、第一测试通道；32、第二测试通道；40、杜瓦。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明实施例提供一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试装置，所述测试装置包括：测试电源组件10、霍尔传感器20、数据采集和故障检测设备30、数据处理设备(图中未示出)，其中，所述测试电源组件10与待测件高温超导带材及线圈串联设置构成回路，用于为所述待测件提供电流；所述霍尔传感器20靠近所述回路设置并产生电压；数据采集和故障检测设备30包括第一测试通道31和第二测试通道32，所述第一测试通道31连接在所述霍尔传感器20的两端，用于获取所述霍尔传感器20的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；所述第二测试通道32连接在所述待测件的两端，用于获取所述待测件的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；数据处理设备用于对所述数据采集和故障检测设备30提供的一个周期内的由所述霍尔传感器20的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理，以获取待测件的交流损耗。

本发明实施例中，通过设置的数据采集和故障检测设备30，其一方面可以实时对电压进行采集，另一方面还可以实时显示电压的波形。其中，第一测试通道31的正极与霍尔传感器20正极相连，其负极和霍尔传感器20负极相连；第二测试通道32的正极与待测件的正极相连，其负极和待测件的负极相连。

本发明实施例中，待测件即指高温超导带材及线圈，高温超导带材及线圈与测试电源组件10通过电缆进行串联连接，由测试电源组件10进行供电。本发明实施例所设计的高温超导带材及线圈为测试样品的统称，即该测试装置既适用于高温超导带材的交流损耗测量，也适用于高温超导线圈的交流损耗测量。并且，如图1所示，当测试样品为高温超导线圈时，线圈有电阻和电感，因为可以将高温超导线圈用电阻r和电感l代替。

本发明实施例中，为了获取流经待测件的电流，在上述连接测试电源组件10和待测件的线路电缆(构成回路)周围设置霍尔传感器20，可以将霍尔传感器20固定在一工装上(图中未示出)，并将其可靠悬挂在线路电缆周围，由于霍尔传感器20能感应几百毫安到几十千安的电流，而且它的测量宽带为直流到几百千赫兹电流信号的范围，因此霍尔传感器20测量的电流范围(最终目的是获取电流)满足交流损耗测量要求。霍尔传感器20测试的基本原理是：当线路中流过一定的电流i时，根据安培环路定律在周围会产生垂直于霍尔传感器20的磁场b，霍尔传感器20会在这个磁场中感应出电压，该电压uh为：

其中，rh为霍尔传感器20的系数，与霍尔传感器20的尺寸等参数有关，d是霍尔传感器20的厚度。因此可通过测量霍尔传感器20的电压uh得到线路中流过的电流i。相应的，所述数据处理设备还用于将所述霍尔传感器20的电压转化为相应的电流。

具体的，当霍尔传感器20和高温超导带材及线圈两端的电压由示波记录仪采集并记录后，可利用存储设备将电压数据导出至数据处理设备，数据处理设备由霍尔传感器20电压按照公式(1)可计算出线路的实时电流，即流经高温超导带材及线圈的实时电流。那么将此电流和待测件电压乘积进行一个周期内积分，即可得出高温超导带材及线圈的交流损耗。

本发明实施例不需要补偿线圈即可获取交流损耗，其实现的基本原理在于：当流经高温超导带材及线圈的电流为i＝asin(ωt)，高温超导带材及线圈两端的电压为时(为由于高温超导带材及线圈的电感产生的电压与电流之间的相位差)。那么在一个周期内对高温超导带材及线圈的电流和电压乘积进行积分得：

其中t0为电流电压波形的初始时间，f为流经高温超导带材及线圈电流的频率。由公式(2)可知，对经高温超导带材及线圈的电流和电压的乘积的积分等于经高温超导带材及线圈电流电压的有效值、功率因数和周期的乘积，即为高温超导带材及线圈在一个周期内的交流损耗，通过此种处理方式，不需要对经高温超导带材及线圈的感性电压和阻性电压进行区分，因此不需要补偿线圈进行标定，极大简化了装置结构，且测试精度也能保证。此外，作为本发明一项重要之处在于，在进行上述数据处理时，均需采用上述形式的电流及电压，即i＝asin(ωt)；而由于任何一种波形都可以通过傅里叶变换转化为该正弦类型的波形函数，所以该原理不仅仅可以适用于传输电流为正弦波形下，同时适用于任意波形的传输电流，其基本原理与正弦波形的类似。

应用本发明实施例的配置方式，通过设置交流损耗的测试装置包括数据采集和故障检测设备30，不仅可以对霍尔传感器20和待测件电压进行实时采集，而且采集到的电压可以实时在设备上显示其波形，能够通过该波形对待测件电压和电流进行实时监测，及时发现故障并进行处理；此外，在测试装置仅包括少量组成部件下(不需要设置补偿线圈)，通过特定处理方式即一个周期内的由所述霍尔传感器20的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理，即可获取待测件的一个周期内的交流损耗。极大简化了测试装置的结构，且还能保证结果的精度。综上，本发明提供的测试装置和方法不仅可以能够快速定位和排查待测件的电压电流情况；而且结构简单、测试精度高、反应速度快且极大简化操作流程，适合工程应用。

进一步地，作为本发明一种实施例，为了实现不同工作环境下的待测件的交流损耗，所述测试电源组件10包括连接的ni任意波形发生器11和交流电源，所述ni任意波形发生器11用于编辑任意波形以得到设定波形并控制所述交流电源的电流输出波形转换为所述设定波形；所述交流电源输出所述设定波形的电流。

应用此种配置方式，设置测试电源组件10包括ni任意波形发生器11和交流电源，其中，ni任意波形发生器11可编辑任意波形，并控制交流电源输出相应波形的电流，由于工作环境不同，相应涉及的电流波形也可能不同，本发明实施例通过上述设置保证了交流电源可以输出任意波形的电流，进而实现了不同工作环境下的待测件的交流损耗的测试。

举例来讲，作为一些应用场景，如聚变装置的高温超导电流引线的电流波形，超导储能装置中的电流波形等，由于其涉及的电流波形为非常规波形，现有的测试方式是满足不了要求的，本发明实施例则通过设置ni任意波形发生器11，其可编辑正弦波，方波，三角波，任意斜率的斜波等，并可设置任意频率和幅值，实现了不同应用场景下的待测件的交流损耗的测试。

本发明实施例中，所述ni任意波形发生器11可通过rs485通信协议控制信号发生器12。

本发明实施例中，交流电源与待测件串联在回路中。

进一步地，作为本发明一种实施例，为了实现不同工作环境下的待测件的交流损耗且保证测试稳定性和精度，所述测试电源组件10包括依次连接的ni任意波形发生器11、信号发生器12和直流电源13，其中，所述ni任意波形发生器11用于编辑任意波形以得到设定波形，并控制在信号发生器12中产生相应的设定波形并显示；所述信号发生器12用于控制所述直流电源13的电流输出波形转换为信号发生器12产生的设定波形；所述直流电源13输出所述设定波形的电流。

应用此种配置方式，通过将测试电源组配置为包括依次连接的ni任意波形发生器11、信号发生器12和直流电源13，其中直流电源13与待测件串联在回路中，对于ni任意波形发生器11作用可见在前介绍，进一步，本发明实施例将电源配置为直流电源13(由于直流电源13无法输出波形的电流)，一方面，直流电源13电流输出稳定性高，且纹波含量少，保证了测试稳定性和测量精度，另一方面，又通过直流电源13依次连接信号发生器12和ni任意波形发生器11，又能保证该直流电源13能够输出任意波形的电流，保证了待测件任意工作环境下的交流损耗测试。

本发明实施例中，由于直流电源13不像交流电源那样可以直接与ni任意波形发生器11连接，本发明实施例在两者之间设置信号发生器12，信号发生器12作为中转，实现直流电源13任意波形电流的输出，其中，信号发生器12一般采用高精度，高响应速度型号，如是德科技33500b等。

本发明实施例中，上述的直流电源13可采用可控的型号，如amteksga10-800d-1caa等。

进一步地，作为本发明一种实施例，为了保证测试精度，所述信号发生器12通过信号线与直流电源13连接，所述信号线为双绞屏蔽信号线。

应用此种配置方式，通过将信号发生器12与直流电源13通过信号线连接，并将信号线设置为双绞屏蔽信号线，其中，信号发生器12通过信号线控制直流电源13，由于普通信号线易受外界电磁干扰，导致直流电源13输出的电流波形出现纹波及其他不可预知的噪声，采用双绞屏蔽信号线可防止外界高频磁场进入控制信号线中，保证直流电源13的控制波形不失真，进而保证测试精度。

优选的，为了更好地实现上述双绞屏蔽信号线作用，所述双绞屏蔽信号线的外层还设置包裹0.1～0.2mm厚的铝箔。

进一步地，作为本发明一种实施例，为了实现数据采集和故障检测设备30既能采集数据又能实现故障检测，所述数据采集和故障检测设备30可以设置为示波记录仪。

本发明实施例中，由于高温超导带材及线圈正常运行时其两端电压非常小，因此该装置示波记录仪应具备精度高，响应速度快，且有数据导出接口等功能，一般采用横河dl850e系列。

本发明实施例中，与信号发生器12和直流电源13之间的信号控制线类似，由于霍尔传感器20和高温超导带材及线圈电压引线均为电压输出信号，为了防止外界的电磁干扰需要采取屏蔽措施，其方式与信号发生器12和直流电源13之间的信号控制线一致；此外，由于电压引线输出为电压信号，其电压信号线长度越长，横截面越小，会导致电压在电压引线上压降会越大，可能导致示波记录仪记录结果不准确。因此在电压引线的选择上，优先考虑具有电磁屏蔽良好、长度尽可能短、横截面较大的电压引线，具体可根据实际需要进行选择。

进一步地，作为本发明一种实施例，为了保证待测件在低温环境中运行，所述测试装置还包括杜瓦40，所述待测件还设置在所述杜瓦40中，所述杜瓦40为所述待测件提供低温环境。

本发明实施例中，杜瓦40为低温容器，一般为多层真空隔热层结构，在其中存放制冷介质液氮，并将高温超导带材及线圈放置其中，保证了待测件运行的低温环境。

根据另一实施例还提供一种高温超导带材及线圈交流损耗的测试方法，所述测试方法使用上述的测试装置。

进一步地，如图2所示，作为本发明一种实施例，所述方法包括以下步骤：

步骤1、测试电源组件10输出设定波形电流，所述设定波形电流为任意波形电流；

步骤2、数据采集和故障检测设备30的第一测试通道31获取所述霍尔传感器20的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；所述第二测试通道32获取所述待测件的电压并在所述设备上显示所述电压的波形；

步骤3、数据处理设备对所述数据采集和故障检测设备30提供的一个周期内的由所述霍尔传感器20的电压得到的电流与所述待测件的电压的乘积进行积分处理以获取待测件的交流损耗。

本发明实施例中，所述方法中，积分用的电流i和电压v表达式分别为：i＝asin(ωt)，其中，a为电流幅值，b为电压幅值，为待测件电感产生的电压与电流之间的相位差，当积分用的电流i和电压v不是正弦类型的波形函数时，需将所述电流和电压进行傅立叶变换转化为正弦类型的波形函数。。具体实现原理参见上述内容描述，在此不再详细赘述。

作为本发明具体实施例，对本发明测试方法进行说明：

首先应参照图1将实验测试设备进行可靠连接，并利用常用万用表进行导通性检查；

当测试设备可靠连接后，应对高温超导带材及线圈进行制冷，一般采用低温制冷介质液氮制冷，先在杜瓦40内注入少量液氮直至刚没入高温超导带材及线圈，进行预冷却，可防止由于高温超导带材及线圈表面温度从室温300k直接突降为液氮温度77k的热冲击而可能导致高温超导带材及线圈发生不可逆损坏，当预冷却约10分钟后，再继续将液氮注入杜瓦40内，直至超过高温超导带材及线圈上表面10cm左右；

由于信号发生器12不能直接产生任意波形，所以由ni任意波形发生软件进行产生和编辑，再通过rs485通讯协议对信号发生器12进行控制，最终控制直流电源13，产生所需要的电流波形；

当高温超导带材及线圈通入所需要的电流时，霍尔传感器20周围有磁场的变化，因此霍尔传感器20有电压输出，示波记录仪同时记录霍尔传感器20输出电压和高温超导带材及线圈两端的电压，同时可导出电压波形及数据，即完成一组实验；

若需要测量不同电流波形、幅值、频率时的高温超导带材及线圈的交流损耗，可重新利用ni任意波形发生软件对波形进行重新编辑，然后重复后续实验流程，直到所有实验完成；

实验每个步骤流程出现任何问题，应及时停止实验，定位并排查故障，待故障解决后，继续进行下一步实验。

如图3所示，为进一步说明本发明测试装置的可行性，基于传统的电测法和本发明测试方法测量了具体的高温超导带材的交流损耗。测试的高温超导带材为美国superpower公司提供的带材，厚度为4mm，临界电流为104a，测试的高温超导带材电压引线两端长度为28mm。测试的电流波形为正弦波形，频率设置为3hz(只要避免工频50hz即可)。测试的结果参考图3，横坐标为高温超导带材所通的正弦电流幅值，纵坐标为每周期每单位长度下高温超导带材的交流损耗，图中直线和虚线分别代表理论模型norris椭圆形状和矩形形状的计算结果，正方形和圆形分别代表传统电测法实验装置和本发明涉及的测试装置的测试结果。由图3可看出，随着正弦电流幅值的增加，其交流损耗会快速增加，基于两种测试装置的结果基本一致，且与理论模型结果吻合得比较好，说明本发明测试装置是可行的。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。