CN102645597A - 一种高温超导带材失超传播速度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种高温超导带材失超传播速度测量装置。所述的测量装置包括：电流传感器(1)、多通道数据采集系统(2)、电流引线(3)、并联常规导体(4)、低温容器(5)和绝缘支架(6)；所述的电流引线(1)与待测超导带材(7)连接，所述的并联常规导体(4)与待测超导带材(7)并联；所述的待测超导带材(7)置于绝缘支架(6)上，通过绝缘支架(6)放置于低温容器(5)内，测量时待测超导带材(7)浸泡于液氮(8)中；待测超导带材(7)的两端通过电流引线(3)与外部激励电源连接；所述的电流传感器(1)测量所述的并联常规导体(4)的电流，多通道数据采集系统(2)采集电流传感器(1)的输出并解算超导带材失超传播速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温超导带材失超传播速度测量装置。
背景技术
伴随超导带材制备技术的不断发展，超导电工应用越来越广泛。但热干扰、电流冲击等均可能导致超导体的局部温度升高而失去超导电性，即失超，进而通过自身发热和电磁耦合等原因，可能导致失超区域扩大，造成失超传播。失超传播速度是超导材料的重要性能参数，其直接体现超导体的动态特性，在电阻型超导限流器的应用中更成为一项关键技术。目前测量失超传播速度的装置主要基于电压和温度测量两种。中国发明专利200510011389.0公布了一种高温超导带材失超传播速率测量方法和装置，其在待测导体上按照预定间隔布设多跟电压引线，通过测量引线间的电压降来判断引线间是否存在失超区域，经由连续测量即可获得超导线的失超传播动态特性。中国发明专利201010540138.2公布了一种测量超导线圈失超传播速度的装置和方法，其测量方法也是通过在线圈的不同位置设置测量引线，通过多点电压的测量获得超导线圈失超传播速度。
如果想通过测量电压获得较高精度的超导线材失超动态特性，则要求测量点足够密集，如每厘米一个测量点。根据国际通行的失超判别准则1微伏/厘米，即需要同步、高精度测量多通道微伏级，而当前的仪表基本上无法实现。如纳伏表可以高精度测量微弱电压信号，但通道数有限、测量速度慢；多通道采集卡能同时测量数十个电压信号，但精度远不能达到微伏级。因此通过多点电压测量在当前的仪表测量技术水平下，尚存在一定的缺陷。
基于多点温度的测量装置以样品不同位置的温度变化作为失超判别标准，但温度的变化响应较慢，不能准确体现失超传播的动态特性，且低温环境中的温度动态变化快速、准确测量也较为困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有基于电压和温度的失超传播测量装置的缺点，提出一种基于电流的超导带材失超传播速度测量装置。本发明通过在待测样品上分段并联常规导体，以其电流变化为依据作为失超判别准则，提供基于分段电流测量的超导带材失超传播速度测量装置。
本发明的高温超导带材失超传播速度测量装置包括：电流传感器、多通道数据采集系统、电流引线、并联常规导体、低温容器、绝缘支架等。其中，电流引线与待测超导带材连接，并联常规导体与待测超导带材并联。电流传感器测量并联常规导体的电流，电流传感器的输出由多通道数据采集系统采集后解算待测超导带材失超传播速度。待测超导带材通过绝缘支架安放于低温容器中，测量时在低温容器内注入液氮，保证待测超导带材完全被液氮覆盖即可。
所述的电流传感器的原边与并联常规导体连接，电流传感器的副边与多通道数据采集系统的一个通道连接，用于测量并联常规导体的电流。当前市场上尚未出现能够工作于液氮温区的高精度电流传感器，因此电流传感器目前只能工作于室温，不能浸泡在液氮中。电流传感器的数量依据待测超导带材的长度和测量精度要求而定，例如待测超导带材长度为L米，0.1米≤L≤1米，且需每M米给出一个测量值，0.01米≤M≤0.1米，则共需要并联L/M段常规导体，需要L/M个电流传感器。即所述的电流传感器和常规并联导体的数量为L/M，其中L为待测超导带材长度，M为测量点的间隔距离。电流传感器的量程依据待测超导带材的失超电阻和并联常规导体的电阻比例而定。
所述的多通道数据采集系统与各电流传感器相连，用于同步采集各电流传感器的输出。根据电流传感器输出信号的延时和待测超导带材间隔长度，则可以计算出失超传播速度。
所述的电流引线与待测超导带材连接，用于为待测超导带材提供电流。
所述的并联常规导体根据间隔设计与待测超导带材并联，用于待测超导带材失超时分流部分电流。如当前临界电流200A的YBCO超导带材，以1微伏/厘米为失超判据，则2厘米的超导带材电压降为2微伏。选择并联常规导体为10平方毫米线径的铜线，长度取10厘米，则其电阻约为0.2毫欧姆。此时，并联常规导体流过的电流约为10毫安，当前市场上有成熟的可测量该量级电流的高精度电流传感器。
所述的低温容器为敞口杜瓦，用于测试时盛放液氮和安放待测超导带材。低温容器尺寸可依据待测超导带材长度而定，能够满足测量需求即可，以减少测量时的液氮消耗。
所述的绝缘支架安装在低温容器内，用于安装待测超导带材。绝缘支架应在室温和液氮温区中形变较小，不会因形变导致其上安装的待测超导带材应力变化，可采用环氧制作。
所述的液氮注入低温容器内，用于为待测超导带材提供低温运行环境，保证在整个测试过程中均能完全覆盖待测超导带材。
本发明测量过程步骤如下：
(1)向低温容器内注入液氮，使待测超导带材降温到进入超导态；
(2)通过电流引线给待测超导带材加一个远小于临界电流的小电流，通过测量待测超导带材两端间的电压，如果电压为0，则表明待测超导带材已经处于超导态；
(3)当液氮不再沸腾时，通过电流引线给待测超导带材通接近临界电流的电流，然后在该电流上叠加一个短时间的脉冲大电流；
(4)脉冲大电流使得待测超导带材失超，各待测间隔区域逐步失超，导致并联常规导体逐次出现电流；
(5)多通道数据采集系统同步采集电流引线的总电流和各并联常规导体的电流，结合待测间隔区间的长度，则可以得到待测超导带材的失超传播速度。
本发明的高温超导带材失超传播速度测量装置中，由于常规导体的电流能够在室温中采用小量程电流传感器准确测量，与电压测量相比不存在微弱信号检测存在的精度问题，与温度测量相比能更准确的反映超导体失超的动态特性。根据多段并联导体电流的动态变化，则可以采用与电压或温度测量类似的办法进行处理，获得导体失超过程的动态特性。
附图说明
附图1为基于电流的高温超导带材失超传播速度测量装置示意图，图中：1电流传感器、2多通道数据采集系统、3电流引线、4常规并联导体、5低温容器、6绝缘支架、7待测超导带材、8液氮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
附图所示为基于电流的高温超导带材失超传播速度测量装置示意图，其以大电流冲击下待测超导带材7失超传播动态过程测量为目标。
本发明的高温超导带材失超传播速度测量装置包括：电流传感器1、多通道数据采集系统2、电流引线3、并联常规导体4、低温容器5、绝缘支架6等。其中，电流引线3与待测超导带材7连接，并联常规导体4与待测超导带材7并联。电流传感器1测量并联常规导体4的电流，电流传感器1的输出由多通道数据采集系统2采集后解算待测超导带材失超传播速度。
低温容器5和液氮8提供测量所需的低温环境，待测超导带材7通过绝缘支架6放于低温容器5内，测量时待测超导带材7需完全浸泡于液氮8中。待测超导带材7的两端通过电流引线3与外部激励电源连接，由外部电源提供所需的稳态运行和冲击电流。沿待测超导带材7长度方向上按照预定的间隔焊接或用导电胶粘结若干常规并联导体4，常规并联导体4的材料、长度和导体截面直径根据待测超导带材7的电阻特性决定。随着失超的传播，各测量间隔内待测超导带材7逐渐出现电阻，其对应的常规并联导体4上将顺序流过电流。通过数据采集系统2连续同步采集电流引线3上的总电流以及各常规并联导体4上的电流，则可以反演计算出不同时刻超导体各间隔所处的状态。由于商业化的毫安级电流传感器精度优于0.5％，响应时间小于微秒级，因此可以准确测量出常规并联导体4上的电流动态过程，进而根据间隔长度、各段电流变化的时间，则能够得到整个测量长度不同时刻待测超导带材7失超传播的动态特性及其传播速度。
测量时，首先向低温容器5内注入液氮8，使待测超导带材7降温，进入超导态。通过电流引线3给待测超导带材7加一个远小于待测超导带材7的临界电流的小电流。测量待测超导带材7两端间的电压，如果电压为0，则表明待测超导带材7已经处于超导态。当液氮8不再沸腾时，通过电流引线3给待测超导带材7通入接近临界电流的电流，然后在该电流上叠加一个短时间的脉冲大电流。该脉冲大电流使得待测超导带材7失超，待测超导带材7的各待测间隔区域逐步失超，导致并联常规导体4逐次出现电流。多通道数据采集系统2同步采集电流引线3的总电流和各段并联常规导体4的电流，结合待测间隔区间的长度，将失超区域通过相应并联常规导体4的时间间隔除以待测超导带材7的间隔区域长度，则可以得到待测超导带材7的失超传播速度。
本发明的测量装置采用常规并联导体4在待测超导带材7失超时，分流对应待测超导带材7间隔区域上流经的电流。由于常规并联导体4分流的电流可以达到毫安量级，能够在室温中采用小量程电流传感器1快速准确测量。本发明的测量装置与基于电压测量的装置相比不存在微弱电压信号检测存在的精度问题，与基于温度测量的装置相比能更快速准确的反映超导体失超的动态特性。
Claims (4)
1.一种高温超导带材失超传播速度测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括：电流传感器(1)、多通道数据采集系统(2)、电流引线(3)、并联常规导体(4)、低温容器(5)和绝缘支架(6)；所述的电流引线(1)与待测超导带材(7)连接，所述的并联常规导体(4)与待测超导带材(7)并联；所述的待测超导带材(7)置于绝缘支架(6)上，通过绝缘支架(6)放置于低温容器(5)内，测量时待测超导带材(7)浸泡于液氮(8)中；待测超导带材(7)的两端通过电流引线(3)与外部激励电源连接；所述的电流传感器(1)测量所述的并联常规导体(4)的电流，多通道数据采集系统(2)采集电流传感器(1)的输出并解算待测超导带材失超传播速度。
2.根据权利要求1所述的高温超导带材失超传播速度测量装置，其特征在于，所述的常规并联导体(4)沿待测超导带材(7)长度方向间隔焊接或用导电胶粘结在待测超导带材(7)上。
3.根据权利要求1所述的高温超导带材失超传播速度测量装置，其特征在于，所述的电流传感器(1)和常规并联导体(4)的数量为L/M，其中L为待测超导带材长度，M为测量点的间隔距离，0.1米≤L≤1米，0.01米≤M≤0.1米。
4.高温超导带材失超传播速度测量装置，其特征在于，使用所述的测量装置测量时，首先向所述的低温容器(5)内注入液氮(8)，使待测超导带材(7)降温，进入超导态；通过电流引线(3)给待测超导带材(7)加一个远小于待测超导带材7的临界电流的小电流，测量待测超导带材(7)两端间的电压，若电压为0，则表明待测超导带材(7)已经处于超导态：当液氮(8)不再沸腾时，通过电流引线(3)给待测超导带材(7)通入接近临界电流的电流，然后在该电流上叠加一个短时间的脉冲大电流；所述的脉冲大电流使得待测超导带材(7)失超，由于待测超导带材(7)的各待测间隔区域逐步失超，导致所述的并联常规导体(4)逐次出现电流；多通道数据采集系统(2)同步采集电流引线(3)的总电流和各段并联常规导体(4)的电流，结合待测间隔区间的长度，将失超区域通过相应并联常规导体(4)的时间间隔除以待测超导带材(7)的间隔区域长度，则可以得到待测超导带材(7)的失超传播速度。
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