CN103728501A - 一种电工钢连续铁损测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电工钢连续铁损测量装置及方法，所述装置包括主测量仪器和测量线框：主测量仪器用于接收和处理所述测量线框采集的次级电压信号和初级电流信号，并对所述测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿；测量线框用于采集次级电压信号和初级电流信号，并将采集的信号传输给所述主测量仪器，还用于通过主测量仪器的励磁控制实现对硅钢片的交流磁化。所述主测量仪器又包括有信号分析单元、信号同步控制单元、功放单元、直流磁场补偿单元、上位机系统和在线校准核查系统等功能模块。本发明具有无损、连续测量的优点，能解决爱泼斯坦方圈和单片磁导计无法实时监测的问题，普遍适用于硅钢生产。

Description

一种电工钢连续铁损测量装置及方法

技术领域

本发明涉及硅钢技术领域，特别是涉及一种电工钢（即硅钢片）连续铁损测量装置及方法。

背景技术

硅钢是钢铁产品中附加值最高的钢种之一，评价硅钢最重要的两个指标是比总损耗（铁损）和磁感。铁损值越低，代表单位能耗越低，就更加适合制作大型变压器（如特高压变压器500KV以上等）；磁感越高，即磁导率越强，铁芯的体积越小，铁损和铜损都会降低，同时可以节省材料用量，节约成本。当硅钢经过酸洗、冷轧、退火、涂层等等一系列复杂的工艺生产出来，其质量的好坏（即铁损和磁感的高低）需要进行鉴别，鉴别后给硅钢片赋予相应的牌号，即是硅钢片的判级过程。因此，进行硅钢片的铁损和磁感测量是至关重要的。

目前，国际上普遍采用的测量仪器采用两种方法——爱泼斯坦方圈法和SST单片测量法，这两种方法分别在IEC60404-2、IEC60404-3标准中做了详细的规定。这两种方法的共同具备的优点是采用闭磁路测量，无论是方圈法还是单片法，都通过硅钢片自身或者硅钢片与磁轭之间形成了闭合的回路。因此具备理想的复现性和准确性，在世界范围内取得了成功和普遍应用，对于推动硅钢和电力领域损耗的降低起到了重要的作用。

然而，这两种方法共同的缺点是都属于取样、离线测量，这一特点就意味着测量结果不是针对整卷的硅钢进行的检测，无法代表整卷产品的性能，尤其是取样在硅钢的头部和尾部两个部位剪取，头尾部的性能与卷带主体的性能具有较显著的区别，另一方面离线测量需要对样品进行剪切，特别是爱泼斯坦方圈法，对样品的剪切次数较多，在剪切过程中试样因为产生应力会影响测量的准确性。最为明显的一个问题是，硅钢经取样检测法后将成为废料，给生产造成了极大的浪费。

另外还有一种日本生产的开磁路电工钢连续铁损测量装置，其仅仅是在线监控仪，只能测量产品线趋势，产品是否合格还必须取样送实验室判级才能判定是否合格。另外，由于技术壁垒的存在，其所有调试参数都是保密的，须请日本技术人员来调参数，费用昂贵且不利于自主创新。日本连续铁损仪的构成：

（1）仪器测量和数据处理单元黑匣子模式，导致目前校准和量值溯源无法进行，对测量结果准确性无法保障。

（2）采用H线圈法进行测量，非常容易引入电磁干扰，严重时，将影响判级。H线圈所处位置并不能代表真正的磁场，并且空心电感较大。且设备集成度较低，可扩展性较差。

（3）没有冗余性，可靠性较差。对于钢铁生产企业，要求设备24小时无间断连续运行，一旦设备出现问题，需较长时间维修，严重影响生产。

（4）仪器购置维护费用高昂。日本的硅钢铁损测量装置，单台仪器及配件价格近千万元人民币，仪器后期维护还必须从日本邀请专家，进一步增加了成本仪器发生故障日益增多并且维修周期长。一旦设备出现故障造成生产线停止运行，1个小时的经济损失达到20万元人民币之多。

综上，研制新的电工钢连续铁损测量装置，实现直接对生产的监控和对产品的出厂判级是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电工钢连续铁损装置，用于解决现有技术中存在的硅钢片的铁损测量方案复杂、准确度低、费用高等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电工钢连续铁损测量装置，包括主测量仪器和测量线框；

所述主测量仪器，其与所述测量线框连接，用于接收和处理所述测量线框采集的次级电压信号和初级电流信号，并对所述测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿；

所述测量线框，其与所述主测量仪器连接，用于采集次级电压信号和初级电流信号，并将采集的信号传输给所述主测量仪器，还用于通过所述主测量仪器的励磁控制实现对硅钢片的交流磁化。

其中，所述主测量仪器包括信号分析单元、信号同步控制单元、功放单元、直流磁场补偿单元、上位机系统和在线校准核查系统；

所述信号分析单元，其连接信号同步控制单元、功放单元、在线校准核查系统和测量线框，用于对所述测量线框传输的次级电压信号和初级电流信号进行测量分析，获得硅钢片信号，并将硅钢片信号传输给所述信号同步控制单元;还用于进行次级电压正弦反馈处理，获得工频正弦信号与次级电压信号的波形差值信号，再将工频正弦信号与波形差值信号叠加后传输给所述功放单元;

所述信号同步控制单元，其连接信号分析单元、上位机系统和在线核查校准系统，用于接收所述上位机系统传输的测量参数要求、所述信号分析单元传输的硅钢片信号以及对硅钢片进行测量获得的厚度信号、张力信号、温度信号及长度信号，对接收的信号进行同步处理及计算，并将计算结果输出至上位机系统；

所述功放单元，其连接信号分析单元和测量线框，用于对从所述信号分析单元接收的信号进行功放处理，并利用功放处理后的信号来驱动所述测量线框对硅钢片的交流磁化；

所述直流磁场补偿单元，其连接所述测量线框，用于在所述测量线框的补偿线圈内产生直流磁场，实现对测量线框的直流磁场补偿；

所述上位机系统，其连接信号同步控制单元，用于输入测量参数要求和存储计算结果；

所述在线校准核查系统，其连接信号分析单元和信号同步控制单元，用于对电工钢连续铁损装置进行在线校准和核查。

本发明的有益效果是：本发明的电工钢连续铁损测量装置不仅具有无损、连续测量的优点，能够解决爱泼斯坦方圈和单片磁导计无法实时监测的问题，而且还因其实时的测量周期，使硅钢生产的质量控制由滞后性改为能够根据实测结果实时调整工艺，从而优化了产品性能，是高性能硅钢片生产必须具备的质量控制手段，能在国外先进硅钢生产企业普遍应用。

此外，本发明的电工钢连接铁损测量装置是高性能硅钢生产自主化研究始终无法突破的关键技术和装备之一，其能打破硅钢行业乃至电力行业受制于人的局面，研制成功后能够满足高性能硅钢生产的国产化硅钢片在线精密测量仪，推进我国高性能硅钢片生产工艺和装备的自主化进程，从而帮助更多钢企具备高性能硅钢生产能力，提升我国钢铁行业竞争和盈利能力，提高我国电力和节能减排领域高性能硅钢自我装备能力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述信号分析单元包括第一多路模数转换器、现场可编程门阵列FPGA、第一微处理器、第一多路数模转换器和次级电压正弦反馈电路；

所述第一多路模数转换器，用于将次级电压信号和初级电流信号转换成数字量，并将转换后的次级电压信号及初级电流信号传输给FPGA；

所述FPGA，用于对次级电压信号和初级电流信号的数字量进行实时计算，并将次级电压信号、初级电流信号和实时计算获得的硅钢片信号传输给所述第一微处理器；

所述第一微处理器，用于实时读取和处理所述FPGA传输的硅钢片信号，并将读取和处理的硅钢片信号传输给所述多路数模转换器；

所述第一多路数模转换器，用于将所述第一微处理器传输的硅钢片信号转换成模拟量并输出给所述信号同步控制单元;

所述次级电压正弦反馈电路，其用于产生工频正弦信号和接收次级电压信号，并分别测量次级电压信号和工频正弦信号的相位，再对次级电压信号进行移相处理，获得与工频正弦信号相位相同的信号，再将工频正弦信号与移相后的次级电压信号之间的波形差值放大后，叠加在工频正弦信号上，并输出给所述功放单元。

进一步，所述硅钢片信号包括电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：主要完成波形信号发生、电压电流功率测量等功能，其将初级电流和次级电压模拟量实时同步转换成数字量，再计算电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率等参数，并能每周期连续不断地计算出上述参数，以保证测量结果实时响应，实现实时反映硅钢片性能。另一方面，采用了次级电压正弦反馈电路，可以保证次级电压波形正弦。

进一步，所述信号同步控制单元包括信号隔离放大器、信号同步模块、第二多路模数转换器、第二微处理器和第二多路数模转换器；

所述信号隔离放大器，用于接收和隔离厚度信号、张力信号和温度信号，并将隔离后的信号传输给第二多路模数转换器；

所述信号同步模块，用于接收增量编码器信号和焊点信号，并将增量编码器信号和焊点信号进行同步处理，获得长度信号，并传输给第二多路模数转换器；

所述第二多路模数转换器，用于接收厚度信号、张力信号、温度信号、长度信号，并同时接收所述信号分析单元的硅钢片信号，将接收的所有信号转换成数字量，并传输给所述第二微处理器；

所述第二微处理器，其用于根据接收的多路数字量，计算出信号源调节信号、厚度偏差信号、速度信号和厚度信号，并同时计算出磁感信号或比总损耗信号，再将计算出的信号传输给所述多路数模转换器；

所述第二多路数模转换器，其用于将所述第二微处理器计算出的信号转换成模拟量输出

采用上述进一步方案的有益效果是：对生产线上影响比总损耗测量的信号进行测量，并实现信号同步，并可将同步信号用于对比总损耗的修正。

进一步，所述上位机系统连接有一个动态环境修正数据库，且所述动态环境修正数据库涵盖的因素包括速度、带宽、温度、张力和地磁场。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：动态环境修正数据库中涵盖的因素是基于模拟各种生产线环境条件，开展包括地磁力磁场偏移、钢板偏移量、不同牌号卷带所受张力、温度等相互作用的外部环境条件影响测量结果的机理和量化程度等研究，再结合磁路仿真研究确定的结果。

进一步，所述在线校准核查系统包括电流校准接口、电压校准接口、功率校准接口和温度校准接口。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：拥有电流、电压、功率、温度等多个参数校准接口和溯源方法，便于开展多个参数校准接口和溯源方法的研究。

进一步，所述测量线框横向安装在硅钢片生产线上，由里到外依次包括骨架、空气磁通补偿线圈、感应线圈、励磁线圈、直流磁场补偿线圈和环路线圈，且各线圈间通过绝缘层隔离；

所述骨架，其开口尺寸需使生产线上的硅钢片能从骨架的空腔中穿过；

所述空气磁通补偿线圈，其用于抵消所述感应线圈所包围的空气产生的磁感应强度；

所述感应线圈，其用于感应硅钢片的磁感应强度；

所述励磁线圈，其用于对硅钢片施加励磁场；

所述直流磁场补偿线圈，其用于对硅钢片施加与环境场相反方向且动态可调节的直流磁场；

所述环路线圈，其用于测量环路磁场的大小。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：设计的线框结构，能有效修正有效磁路长度，大幅度降低测量结果随着样品的硅钢片宽度、厚度、牌号种类的不同而改变的程度；增加了直流磁场补偿线圈，能动态自动调节地磁场及周围环境直流磁场对硅钢测量带来的误差；增加了空气磁通补偿线圈，能抵消所述感应线圈所包围的空气产生的磁感应强度，提高了测量精度；增加了环路线圈，使线框结构能满足安培环路电流法的测量条件。

对应上述电工钢连续铁损测量装置，本发明的技术方案还包括一种电工钢连续铁损测量方法，采用上述电工钢连续铁损测量装置，其与上述电工钢连续铁损测量装置的技术特征一一对应，具体包括：

步骤1，测量线框对硅钢片进行交流磁化；

步骤2，测量线框采集次级电压信号和初级电流信号，并传输给主测量仪器；

步骤3，主测量仪器接收和处理次级电压信号和初级电流信号，并根据处理结果对测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿。

附图说明

图1为本发明所述电工钢连续铁损测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述电工钢连续铁损测量方法的流程示意图；

图3为本发明所述信号分析单元的结构示意图；

图4为本发明所述信号同步控制单元的结构示意图；

图5为本发明所述信号同步模块的结构示意图；

图6为本发明所述直流磁场补偿单元的结构示意图；

图7为本发明所述测量线框的结构示意图；

图8为本发明所述测量线框应用于环路线圈电流法的工作原理示意图；

图9为本发明所述电工钢连续铁损测量装置利用伏安法进行铁损测量的原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、主测量仪器，2、测量线框，3、生产线，4、厚度仪，5、张力仪，6、温度仪，7、增量编码器，8、焊点装置，11、信号分析单元，12、信号同步控制单元，13、功放单元，14、上位机系统，15、在线校准核查系统，16、直流磁场补偿单元，21、骨架，22、空气磁通补偿线圈，23、感应线圈，24、励磁线圈，25、直流磁场补偿线圈，26、环路线圈，27、温度传感单元，111、第一多路模数转换器，112、FPGA，113、第一微处理器，114、第一多路数模转换器，115、次级电压正弦反馈电路，116、第一显示装置，121、信号隔离放大器，122、信号同步模块，123、第二多路模数转换器，124、第二微处理器，125、第二多路数模转换器，126、报警装置，127、第二显示装置，128、复位电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，实施例一给出了一种电工钢连续铁损测量装置，包括主测量仪器1和测量线框2，且测量线框2横向安装在生产线3上；

所述主测量仪器1，其与所述测量线框2连接，用于接收和处理所述测量线框2采集的次级电压信号和初级电流信号，并对所述测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿；

所述测量线框2，其与所述主测量仪器1连接，用于采集次级电压信号和初级电流信号，并将采集的信号传输给所述主测量仪器1，还用于通过所述主测量仪器1的励磁控制实现对硅钢片的交流磁化。

另外，该电工钢连续铁损测量装置外还设有厚度仪4、张力仪5、温度仪6、增量编码器7及焊点装置8，这些装置用于测量生产线3上的硅钢带的相应信号。

如图2所示，对应上述电工钢连续铁损测量装置，本实施例还给出一种电工钢连续铁损测量方法，其与上述电工钢连续铁损测量装置的技术方案一一对应，具体包括：

步骤1，测量线框对硅钢片进行交流磁化；

步骤2，测量线框采集次级电压信号和初级电流信号，并传输给主测量仪器；

步骤3，主测量仪器接收和处理次级电压信号和初级电流信号，并根据处理结果对测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿。

现从主测量仪器和测量线框两个方面具体说明本实施例所述的电工钢连续铁损测量装置及方法的细节。

一、主测量仪器

如图1所示，所述主测量仪器1包括信号分析单元11、信号同步控制单元12、功放单元13、上位机系统14、在线校准核查系统15和直流磁场补偿单元16。

所述信号分析单元11，其连接信号同步控制单元12、功放单元13、在线校准核查系统15和测量线框2，用于对所述测量线框传输的次级电压信号和初级电流信号进行测量分析，获得硅钢片信号，并将硅钢片信号传输给所述信号同步控制单元;还用于进行次级电压正弦反馈处理，获得工频正弦信号与次级电压信号的波形差值信号，再将工频正弦信号与波形差值信号叠加后传输给所述功放单元。

所述信号同步控制单元12，其连接信号分析单元11、上位机系统14和在线核查校准系统15，用于接收所述上位机系统14传输的测量参数要求、所述信号分析单元11传输的硅钢片信号以及对硅钢片进行测量获得的厚度信号、张力信号、温度信号及长度信号，对接收的信号进行同步处理及计算，并将计算结果输出至上位机系统。

所述功放单元13，其连接信号分析单元11和测量线框2，用于对从所述信号分析单元11接收的信号进行功放处理，并利用功放处理后的信号来驱动所述测量线框对硅钢片的交流磁化。

所述上位机系统14，其连接信号同步控制单元12，用于输入测量参数要求和存储计算结果。

所述在线校准核查系统15，其连接信号分析单元11和信号同步控制单元12，用于对电工钢连续铁损装置进行在线校准和核查。

所述直流磁场补偿单元16，其连接所述测量线框，用于在所述测量线框的补偿线圈内产生直流磁场，实现对测量线框的直流磁场补偿。

本实施例给出了主测量仪器的各部件的设计方案，具体如下。

1）信号分析单元

信号分析单元11与信号同步控制单元12、测量线框2及功放单元13配合使用，是电工钢连接铁损测量装置的重要部件，主要用于对电工钢连续铁损测量中的次级电压信号和初级电流信号进行分析，并将经分析过程中产生的电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率等参数传输给信号同步控制单元进行处理，同时还用于保证次级电压波形正弦。测量线框的次级电压信号和初级电流信号分别经次级电压放大器和初级电流放大器放大后传输至所述信号分析单元中进行处理，信号分析单元中也可直接集成次级电压放大器和初级电流放大器。

如图3所示，该信号分析单元包括第一多路模数转换器111、FPGA112、第一微处理器113、第一多路数模转换器114和次级电压正弦反馈电路115。

所述第一多路模数转换器111，用于将次级电压信号和初级电流信号转换成数字量，并将转换后的次级电压信号及初级电流信号传输给FPGA。

所述FPGA112，用于对次级电压信号和初级电流信号的数字量进行实时计算，并将次级电压信号、初级电流信号和实时计算获得的硅钢片信号传输给所述第一微处理器。所述FPGA实时计算获得的硅钢片信号包括：电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率。

所述第一微处理器113，用于实时读取和处理所述FPGA传输的信号，并将读取和处理的信号传输给所述多路数模转换器。所述第一微处理器还用于：根据次级电压信号序列计算出磁感应强度序列，根据初级电流信号计算出磁场序列，再由磁感应强度序列和磁场序列描绘出磁滞回线，并将读取和处理的信号及磁滞回线传输给连接的第一显示装置116进行显示。

所述第一多路数模转换器114，用于将所述第一微处理器传输的信号转换成模拟量并输出。

所述次级电压正弦反馈电路115，其用于产生工频正弦信号和接收次级电压信号，并分别测量次级电压信号和工频正弦信号的相位，再对次级电压信号进行移相处理，获得与工频正弦信号相位相同的信号，再将工频正弦信号与移相后的次级电压信号之间的波形差值放大后，叠加在工频正弦信号上输出。

结合上述分析，可知输出的信号包括次级电压信号、初级电流信号以及实时计算获得的硅钢片信号，如电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率等，这些信号进入电工钢连续铁损测量装置的信号同步控制单元，进行信号同步处理，以保证能实时地反映硅钢片性能。

同样地，如图3所示，所述次级电压正弦反馈电路115包括正弦信号发生器、相位测量模块、模数转换器、数字移相器、数模转换器、波形差值放大器和加法器，各模块的具体功能如下所述。

所述正弦信号发生器，用于产生工频正弦信号，并将产生的工频正弦信号传输给相位测量模块、波形差值放大器和加法器。

所述相位测量模块，其用于测量次级电压信号和工频正弦信号的相位，并将测量的相位值传输给所述数字移相器。

所述模数转换器，其用于将次级电压信号转换为数字量并传输给数字移相器。

所述数字移相器，其连接所述模数转换器和所述相位测量模块，用于将次级电压信号的数字量实时转换为与工频正弦信号相位相同的信号，并输出给所述数模转换器。

所述数模转换器，其连接所述数字移相器和波形差值放大器，用于对移相后的次级电压信号进行数模转换。

所述波形差值放大器，其连接所述正弦信号发生器和所述加法器，用于将工频正弦信号与移相后的次级电压信号之间的波形差值放大，得到波形差值信号，并将波形差值信号输出至加法器。

所述加法器，其连接所述正弦信号发生器和所述波形差值放大器，用于叠加工频正弦信号与波形差值信号，叠加后的信号送入功放单元中进行处理。

设一个周期内电压采样点为[V1…Vi…Vn],电流采样点[I1…Ii…In]，则电压有效值、平均值、电流有效值、峰值和有功功率有如下公式：

$\mathrm{Vrms}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vi}\·\mathrm{Vi}}$

$\mathrm{Vavg}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Vi}\right|$

$\mathrm{Irms}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ii}\·\mathrm{Ii}}$

$\mathrm{Im\; ax}=\frac{\mathrm{MAX}\left\{\mathrm{Ii}\right\}-\mathrm{MIN}\left\{\mathrm{Ii}\right\}}{2}$

$P=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vi}\·\mathrm{Vi}$

根据上述公式，在FPGA中综合了乘法器、累加器、绝对值器、开平方器等硬件电路，实时不间断地测量并计算电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率，每周期更新一次上述参数，实现真实地测量连续运动的硅钢片性能。

第一微处理器读取了每周期的电压电流采样点，每0.5秒显示电压电流波形，并对电压序列进行梯形数值积分可得磁感应强度序列[B1…Bi…Bn]，其中：

B1=k*V1,B2=B1+k*V2,Bi=Bi-1+k*Vi，……

经过上述累加后，根据正峰值和负峰值对序列调整，使得序列正负对称由此可得磁感应强度序列，对[I1…Ii…In]计算可得磁场序列[H1…Hi…Hn],由此可描绘磁滞回线。

2）信号同步控制单元

如图4所示，信号同步控制单元12与安装在电工钢连续铁损测量装置外的厚度仪、张力仪、温度仪、增量编码器及焊点装置连接，对应接收厚度信号、张力信号、温度信号、增量编码器信号和焊点信号，其结构包括信号隔离放大器121、信号同步模块122、第二多路模数转换器123、第二微处理器124和第二多路数模转换器125。

所述信号隔离放大器121，用于接收和隔离分别由所述厚度仪、张力仪和温度仪传输的厚度信号、张力信号和温度信号，并将隔离后的信号传输给多路模数转换器。

所述信号同步模块122，用于接收所述增量编码器和所述焊点装置传输的增量编码器信号和焊点信号，并将增量编码器信号和焊点信号进行同步处理，获得长度信号。

所述第二多路模数转换器123，用于将接收的厚度信号、张力信号、温度信号、长度信号及电工钢连续铁损测量装置测量的硅钢片信号转换成数字量，并传输给所述第二微处理器。这里，电工钢连续铁损测量装置测量的硅钢片信号包括电压平均值、电压有效值、电流峰值、电流有效值、H信号和功率信号，且这些硅钢片信号是由电工钢连续铁损测量中的信号分析单元进行信号分析获得的。

所述第二微处理器124，其用于根据接收的多路数字量，计算出信号源调节信号、厚度偏差信号、速度信号和厚度信号，并同时计算出磁感信号或比总损耗信号，再将计算出的信号传输给所述多路数模转换器，具体为：根据同步后的多路数字量，在磁感信号为固定值时，实时计算出比总损耗信号，或在磁场为固定值时，实时计算出磁感信号；用温度信号值和张力信号值对计算出的比总损耗信号进行补偿，获得信号源调节信号、厚度偏差信号、厚度信号和补偿后的比总损耗信号，并用厚度偏差信号实时对信号源调节信号进行补偿；根据长度信号计算出速度信号。这里，经第二微处理器处理后获得的厚度信号为与信号源调节信号等同步的信号，不同于通过厚度仪直接采集到的厚度信号。

所述第二多路数模转换器125，其用于将所述第二微处理器计算出的信号转换成模拟量输出，即获得信号源调节信号、厚度偏差信号、厚度信号、磁感信号、比总损耗信号等的模拟量。经数模处理后，同样如图1所示，厚度信号实时对信号源调节信号进行补偿的实现过程为：信号源调节信号与厚度偏差信号经过乘法器处理后，送入电工钢连续铁损测量中的信号分析单元中进行分析处理。

其中，所述第二微处理器124为该信号同步控制单元的核心部件，其还用于实时监控厚度信号、比总损耗、生产线运行速度、电流/电源过载以及模块间通讯状态，且所述微处理器连接有报警装置，用于在监控到异常时，通过报警装置进行报警126。报警装置可采用蜂鸣器，且设置有复位电路128，用于消除报警。此外，所述第二微处理器还连接有第二显示装置127，该显示装置可以是上位机、触摸屏和/或LR记录仪，采用了三重冗余设计，而经同步后的厚度信号、比总损耗和/或磁感信号送入LR记录仪中进行记录，其他信号则直接送入上位机。

报警装置127的设计是本实施例的一个突出特点，其可以防止出现严重的仪器故障，集合了多种报警措施，能提前发现问题所在，预防故障的发生。本实施例中主要有以下几种报警方式

(a).PLG报警：当生产线停止时，触摸屏和上位机会显示报警，但蜂鸣器不会响。当生产线恢复运行时，报警消除。

(b).H过载报警：当H信号超过设定的上限值时，触摸屏和上位机会显示报警，当H过载超过20米时，测试点依照P1.7→P1.5→P1.3→P1.0顺序进行设定。

(c).电流过载报警：该功能设计为硬件报警。当励磁电流过大，多功能单元自动停止。

(d).功率源过载报警：该报警设计为硬件报警。当功率源中电流过大报警，测量自动停止。

综上，本实施例进行信号同步控制的原理为：将速度和焊点信号，转换成一米一个脉冲，设一米内,功率采样点为[P1…Pi…Pn]，电压平均值采样点[V1…Vi…Vn]，温度采样点[T1…Ti…Tn]，张力采样点[N1…Ni…Nn]，则比总损耗和磁感计算有如下公式：

$\begin{array}{c}{P}_s=\frac{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Pi}\right|}{m_e}\·\frac{N_1}{N_2}\\ B_m=\frac{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Vi}\right|}{4f{N}_{2}S}\end{array}---\left(1\right)$

本实施例根据上述公式（1），微处理器实时不间断地采集并计算比总损耗和磁感，每周期更新一次上述参数，能够真实的测量连续运动的硅钢片的比总损耗和磁感。

由于生产线中的硅钢片动态变化，根据下述公式（2），通过温度对比总损耗进行修正。

${P^{\′}}_s=\left|\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right|T_i|-T_{\mathrm{std}}|\·(1+\mathrm{\α})\·P_s---\left(2\right)$

硅钢比总损耗的大小与硅钢卷带内部承受的张应力呈现非线性关系。每一个脉冲周期计算出温度对比总损耗的修正数值后，第二微处理器通过下述公式（3）得到张力数值，并根据数值查询所对应的张力ROM表得到张力修正系数得到张力修正系数，并对比总损耗进行修正，如公式（4）。

$N=\left|\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right|N_i\left|\right|---\left(3\right)$

P''_s=(1+β)·P_s              （4）

在硅钢片的动态测量中，对温度、张力修正后，其比总损耗可得到较正确的数值。

在生产线中，测量温度信号、张力信号、厚度信号、电压平均值/有效值、电流峰值/有效值、H信号、功率信号等信号都不是在同一个时间内进行测量，因此为得到硅钢片同一位置的比总损耗需要将上述信号进行同步。

如图5所示，所述信号同步模块122具体包括锁相环、分频器、相位累加器、高速脉冲计数器和频率寄存器。

所述锁相环包括两个输入端和一个输出端，一个输入端用于输入增量编码器信号，另一个输入端连接所述分频器的输出端，且输出端作为所述分频器的输入端；

所述锁相环的输出端同时连接所述相位累加器，所述相位累加器同时接收所述频率寄存器输出的预设值，并将处理后的信号输出给所述高速脉冲计数器，所述高速脉冲计数器同时接收焊点信号，其对焊点信号和相位累加信号进行处理，得到长度信号。

为提高频率输出范围以及提高输出精度，将增量编码器信号输入锁相环的第一输入端。经分频器，使锁相环第二输入端等于Mclk/28，锁相环的工作状态是第一输入端频率等于第二输入端频率,那么Mclk就等于28×f_增量，然后将其输入到32位相位累加器中进行循环累加。这里，Mclk为锁相环输出端的频率。

可通过触摸屏向频率寄存器存入预设值，将预设值Δphase送入32为相位累加器，即可得到硅钢生产线每运行1米，发出一个脉冲，其计算公式如下述公式（5）

$f=\frac{\mathrm{\Δphase}\×\mathrm{Mclk}}{2^{32}}---\left(5\right)$

高速脉冲计数器记录生产线运行的米数，当焊点信号来时，将米数清零，代表运行新的一卷，并将其送入多路模数转换器进行模数转换成数字量。

3）直流磁场补偿单元

如图6所示，直流磁场补偿单元16的主要功能是处理电工钢连续铁损测量装置中的测量线框的初级电流信号，且测量线框的初级电流信号需经初级电流放大器放大后才能输入至本实施例的直流磁场补偿单元，初级电流放大器也可集成在该直流磁场补偿单元中。该直流磁场补偿单元包括正峰值检测电路、负峰值检测电路、积分器和压控电流源。

所述正峰值检测电路，其用于检测初级电流信号的正峰值，并将检测到的正峰值传输给所述积分器；

所述负峰值检测电路，其用于检测初级电流信号的负峰值，并将检测到的负峰值传输给所述积分器；

所述积分器，其用于对初级电流信号的正峰值与负峰值之差进行放大，并用放大后的信号驱动所述压控电流源；

所述压控电流源，其用于在所述积分器输出信号的驱动下，在所述测量线框的补偿线圈内产生直流磁场。这里，所述压控电流源，作为补偿线圈的交流负载，其阻抗足够大，因此可忽略对铁损测量的影响。

本实施例中，如图6所示，所述积分器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一运算放大器A1和电容C。

所述第一运算放大器A1的反相输出端分别连接所述第一电阻R1和第二电阻R2，且所述第一电阻R1和第二电阻R2的另一端分别作为所述积分器的第一输入端与第二输入端，所述积分器的第一输入端连接所述正峰值检测电路的输出端，所述积分器的第二输入端连接所述负峰值检测电路的输出端，且所述第一运算放大器A1的正相输入端接地。

所述第一运算放大器A1的输出端作为所述积分器的输出端，且在所述第一运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接有电容C。

所述的压控电流源为双极电流源，采用OCL互补输出方式进行设计，可优选以下设计，如图6所示，包括：第二运算放大器A2、OCL互补输出电路和反馈电阻Rs。

所述第二运算放大器A2的正相输入端连接所述积分器的输出端，并作为所述压控电流源的输入端；所述第二运算放大器A2的反相输入端通过反馈电阻Rs接地，且所述第二运算放大器A2的反相输入端作为所述压控电流源的第一输出端；所述第二运算放大器A2的输出端连接所述OCL互补输出电路的输入端，且所述OCL互补输出电路的输出端为所述压控电流源的第二输出端；所述压控电流源的第一输出端与第二输出端均连接所述测量线框。

另外，所述OCL互补输出电路采用常用OCL功率放大电路即可，如图6所示，可优选的设计方案为：采用NPN型晶体管T1、PNP型晶体管T2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管D1和第二二极管D2。

所述NPN型晶体管T1和PNP型晶体管T2的基极相连，且作为所述OCL互补输出电路的输入端与所述第二运算放大器A2的输出端连接；所述NPN型晶体管T1和PNP型晶体管T2的集电极分别与所述第二运算放大器A2的正电源V+及负电源V-连接；所述NPN型晶体管T1和PNP型晶体管T2的发射极分别连接第三电阻R3和第四电阻R4后连接在一起，作为所述OCL互补输出电路的输出端，所述输出端分别连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极，且所述第一二极管D1的阴极连接所述NPN型晶体管T1的集电极，所述第二二极管D2的阳极连接所述PNP型晶体管T2的集电极。

本实施例中，所述第二运算放大器A2的正电源V+，其电压值大于测量线框的补偿线圈两端的电压正峰值，用于确保第一二极管D1始终处在反向电压下；所述第二运算放大器A2的负电源V-，其电压值小于测量线框的补偿线圈两端的电压负峰值，用于确保第二二极管D2始终处在反向电压下。

4）其余部件

实际应用中，电工钢连续铁损测量的另一难点在于处理测量过程中的动态效应，必须对外部条件的影响做深入细致的实验研究，除需进行动态地磁场补偿技术研究外，还要进行单变量外部条件影响实验研究。

单变量外部条件影响实验研究又具体包括生产线速度的影响、硅钢带宽变化的影响、张力和温度变化影响。因此，所述上位机系统还连接有一个动态环境修正数据库，且所述动态环境修正数据库涵盖的因素包括速度、带宽、温度、张力和地磁场。该数据库的建立过程为：对各单环境因素之间进行数据相关性分析，按照权重进行排列，并对其建立输入变量之间的关联，按照环境因素变量间的权重或经验关系将硅钢板厚、带宽、带速、内应力、温度和地磁场等与磁感应强度和铁损关系进行集成，建立总的数据库，再开展充分的实验，以调整和完善修正技术。

这里，修正技术的完善又具体包括：将多变量环境因素数据库应用于本实施例的电工钢连续铁损测量装置，同时进行生产线应用仪器测量结果与取样爱泼斯坦的结果进行比对，采取误差反向传播（BP）计算来处理两者间的误差，不断地对校正参数表进行优化调整，直至将两者的标准差降低至应用单位可接受范围内，获得最终的输出值。

另外，本实施例进行铁损的动态测量过程中，用户可以通过在线校准核查系统提供的校准接口群实现定期校准和量值溯源，可以随时通过在线校准核查系统，查看当前测量结果是否存在异常。本实施例中的校准接口群包括有电流校准接口、电压校准接口、功率校准接口和温度校准接口。

二、测量线框

如图7所示，测量线框2横向安装在硅钢片的生产线3上，且其安装在生产线上时，需要采用与其重量相适应的固定台架作为支撑。所述测量线框由里到外依次包括骨架21、空气磁通补偿线圈22、感应线圈23、励磁线圈24、直流磁场补偿线圈25、环路线圈26和温度传感单元27，各线圈间通过绝缘层隔离。

所述骨架21，其开口尺寸需使生产线上的硅钢片能从骨架的空腔中穿过；

所述空气磁通补偿线圈22，其用于抵消所述感应线圈所包围的空气产生的磁感应强度；

所述感应线圈23，其用于感应硅钢片的磁感应强度；

所述励磁线圈24，其用于对硅钢片施加励磁场；

所述直流磁场补偿线圈25，所述直流磁场补偿线圈，其用于对硅钢片施加与环境场相反方向且动态可调节的直流磁场；

所述环路线圈26，其用于测量环路磁场的大小；

所述温度传感单元27，其安装在所述骨架中心的外侧位置，可以采用铂电阻温度传感器。

本实施例中，所述骨架的开口尺寸至少大于硅钢片宽度的20%，且厚度大于80mm；所述骨架采用合成树脂板，且其侧板为铝材。另外，所述骨架的一端侧板上安装有接线端子盒，用于通过接线端子盒中的屏蔽双绞线连接至铁损仪。

此外，所述空气磁通补偿线圈22、感应线圈23、励磁线圈24、直流磁场补偿线圈25和环路线圈26均包括两个完全相同的线圈，且所述感应线圈23、直流磁场补偿线圈25和环路线圈26均匀对称地缠绕在骨架21上下两侧的中央位置，所述空气磁通补偿线圈22和励磁线圈24则绕满整个骨架21。另外，所述空气磁通补偿线圈22和所述环路线圈26均包括两个完全相同且串联反接的线圈。

本实施例的测量线框适用于环路线圈电流法（也称为有效磁路长度实时测量法），如图8所示，因为线框中材料非均匀磁化，选取中间最均匀一段构建安培环路，即图中A至F所示的环路，为更清楚地说明环路线圈电流法的工作原理，图中仅显示出骨架21、励磁线圈24、环路线圈26和处于中间位置的生产线上的硅钢片。图中所示环路满足安培环路定理，有如下公式：

$\begin{array}{c}N\·I=H\·L_{\mathrm{AB}}+H_1\·L_{\mathrm{CD}}+\underset{\mathrm{BC}}{\∫}h\·\mathrm{dl}+\underset{\mathrm{DA}}{\∫}h\·\mathrm{dl}\\ N\·I=H\·L_{\mathrm{AB}}+H_2\·L_{\mathrm{EF}}+\underset{\mathrm{BE}}{\∫}h\·\mathrm{dl}+\underset{\mathrm{FA}}{\∫}h\·\mathrm{dl}\\ H=\frac{N\·I-(H_1+H_2)/2-K/2}{L_{\mathrm{AB}}}\\ K=\underset{\mathrm{BC}}{\∫}h\·\mathrm{dl}+\underset{\mathrm{DA}}{\∫}h\·\mathrm{dl}+\underset{\mathrm{BE}}{\∫}h\·\mathrm{dl}\underset{\mathrm{FA}}{\∫}h\·\mathrm{dl}=K_{1}I+X\end{array}---\left(6\right)$

其中H为硅钢片内部磁场（在AB范围内均匀分布），H₁为CD范围内实测的平均磁场，H₂为EF范围内实测的平均磁场，N为在AB范围内励磁线圈匝数，I为励磁电流，K是垂直硅钢片方向上的磁势。式中K包含的四个磁势是不能互相抵消的，这是由于励磁线圈长度有限造成的，幸运的是因为其与硅钢片垂直，硅钢片的退磁场磁力线的影响X是个小量，K主要来源于励磁线圈的电流，可通过空心线圈测量，并且与电流成线性关系，X是与硅钢片磁导率相关的，磁导率是非线性的，故可通过感应电压近似修正。利用上下两个安培环路相加计算磁场可有效防止由于硅钢生产过程中抖动带来影响，且测量结果受样品宽度、厚度、磁导率、抖动等动态条件的影响也不明显。

基于上述描述，如图9所示，采用本实施例的电工钢连续铁损装置进行伏安法硅钢片铁损测量的基本原理如下：

分别根据安培环路定理和磁感应定理计算磁场H，磁感应强度B：

$H=\frac{N_{1}I}{l_m}---\left(7\right)$

$B=\frac{1}{N_{2}S}\∫\mathrm{Vdt}---\left(8\right)$

铁损的最基本的公式表达为：P_m=f·∮HdB                  (9)

式中，∮HdB为磁化一周的体积比总损耗。

用质量比总损耗表达为：

由于：

$\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=\frac{u_2}{N_{2}S}---\left(11\right)$

则：

$P_s=\frac{f}{m_e}\∫\frac{N_1}{N_2}\·i_{1.}{N}_{2}S\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}---\left(12\right)$

而磁场

$H=\frac{N_1{i}_1}{l_m}---\left(13\right)$

因此，损耗的测量可以转化为功率表测量交流电功率，数学表达式为：

$P=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{i}_1{u}_2\mathrm{dt}=f\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{i}_1{u}_2\mathrm{dt}---\left(14\right)$

前述：

即为次级感应电压，(15)

即为初级励磁电流(16)

$m_e=m\·\frac{l_m}{l},---\left(17\right)$

其中m为试样总质量，l为试样总长度。N₁为初级绕组匝数，N₂为次级绕组匝数，l_m为样品有效磁路长度，S为样品截面积，d为试样的密度，f为磁化频率。

基于上述电工钢连续铁损装置的结构及其基本原理，本实施例的实际测量过程如下：生产线上运行的硅钢带首先通过厚度仪测厚、张力仪探测钢带内部张力，温度仪探测硅钢带内部温度，然后通过收集增量编码器信号计算硅钢带从测厚及测张力点到达测量线框处所用的时间Δt，从而将正在测量的硅钢带与先期测量的厚度、温度和张力值对应起来，一方面用于磁感和磁场强度峰值的锁定，另一方面将其影响作为铁损修正量的参考条件。操作人员通过上位机系统将测量参数要求传送给信号同步控制单元，后者控制信号分析单元开启（调节）功放单元的励磁功能，通过测量线框实现对样品的交流磁化。信号分析单元同时通过测量线框采集功率、初级电流和次级电压信号，并将此信号送至信号同步控制单元，信号同步控制单元将这些信号转化为铁损、磁场强度、磁感应强度等测量结果，同时直接输出模拟量至记录仪和上位机系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，包括主测量仪器和测量线框；

所述主测量仪器，其与所述测量线框连接，用于接收和处理所述测量线框采集的次级电压信号和初级电流信号，并对所述测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿；

所述测量线框，其与所述主测量仪器连接，用于采集次级电压信号和初级电流信号，并将采集的信号传输给所述主测量仪器，还用于通过所述主测量仪器的励磁控制实现对硅钢片的交流磁化。

2.根据权利要求1所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述主测量仪器包括信号分析单元、信号同步控制单元、功放单元、直流磁场补偿单元、上位机系统和在线校准核查系统；

所述信号分析单元，其连接信号同步控制单元、功放单元、在线校准核查系统和测量线框，用于对所述测量线框传输的次级电压信号和初级电流信号进行测量分析，获得硅钢片信号，并将硅钢片信号传输给所述信号同步控制单元;还用于进行次级电压正弦反馈处理，获得工频正弦信号与次级电压信号的波形差值信号，再将工频正弦信号与波形差值信号叠加后传输给所述功放单元;

所述信号同步控制单元，其连接信号分析单元、上位机系统和在线核查校准系统，用于接收所述上位机系统传输的测量参数要求、所述信号分析单元传输的硅钢片信号以及对硅钢片进行测量获得的厚度信号、张力信号、温度信号及长度信号，对接收的信号进行同步处理及计算，并将计算结果输出至上位机系统；

所述功放单元，其连接信号分析单元和测量线框，用于对从所述信号分析单元接收的信号进行功放处理，并利用功放处理后的信号来驱动所述测量线框对硅钢片的交流磁化；

所述直流磁场补偿单元，其连接所述测量线框，用于在所述测量线框的补偿线圈内产生直流磁场，实现对测量线框的直流磁场补偿；

所述上位机系统，其连接信号同步控制单元，用于输入测量参数要求和存储计算结果；

所述在线校准核查系统，其连接信号分析单元和信号同步控制单元，用于对电工钢连续铁损装置进行在线校准和核查。

3.根据权利要求2所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述信号分析单元包括第一多路模数转换器、现场可编程门阵列FPGA、第一微处理器、第一多路数模转换器和次级电压正弦反馈电路；

所述第一多路模数转换器，用于将次级电压信号和初级电流信号转换成数字量，并将转换后的次级电压信号及初级电流信号传输给FPGA；

所述FPGA，用于对次级电压信号和初级电流信号的数字量进行实时计算，并将次级电压信号、初级电流信号和实时计算获得的硅钢片信号传输给所述第一微处理器；

所述第一微处理器，用于实时读取和处理所述FPGA传输的硅钢片信号，并将读取和处理的硅钢片信号传输给所述多路数模转换器；

所述第一多路数模转换器，用于将所述第一微处理器传输的硅钢片信号转换成模拟量并输出给所述信号同步控制单元;

所述次级电压正弦反馈电路，其用于产生工频正弦信号和接收次级电压信号，并分别测量次级电压信号和工频正弦信号的相位，再对次级电压信号进行移相处理，获得与工频正弦信号相位相同的信号，再将工频正弦信号与移相后的次级电压信号之间的波形差值放大后，叠加在工频正弦信号上，并输出给所述功放单元。

4.根据权利要求2所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述信号同步控制单元包括信号隔离放大器、信号同步模块、第二多路模数转换器、第二微处理器和第二多路数模转换器；

所述信号隔离放大器，用于接收和隔离厚度信号、张力信号和温度信号，并将隔离后的信号传输给第二多路模数转换器；

所述信号同步模块，用于接收增量编码器信号和焊点信号，并将增量编码器信号和焊点信号进行同步处理，获得长度信号，并传输给第二多路模数转换器；

所述第二多路模数转换器，用于接收厚度信号、张力信号、温度信号、长度信号，并同时接收所述信号分析单元的硅钢片信号，将接收的所有信号转换成数字量，并传输给所述第二微处理器；

所述第二微处理器，其用于根据接收的多路数字量，计算出信号源调节信号、厚度偏差信号、速度信号和厚度信号，并同时计算出磁感信号或比总损耗信号，再将计算出的信号传输给所述多路数模转换器；

所述第二多路数模转换器，其用于将所述第二微处理器计算出的信号转换成模拟量输出。

5.根据权利要求2、3或4所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述硅钢片信号包括电压有效值、电压平均值、电流有效值、电流峰值、H信号和功率。

6.根据权利要求2所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述上位机系统连接有一个动态环境修正数据库，且所述动态环境修正数据库涵盖的因素包括速度、带宽、温度、张力和地磁场。

7.根据权利要求2所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述在线校准核查系统包括电流校准接口、电压校准接口、功率校准接口和温度校准接口。

8.根据权利要求2所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述直流磁场补偿单元包括正峰值检测电路、负峰值检测电路、积分器和压控电流源；

所述正峰值检测电路，其用于检测初级电流信号的正峰值，并将检测到的正峰值传输给所述积分器；

所述负峰值检测电路，其用于检测初级电流信号的负峰值，并将检测到的负峰值传输给所述积分器；

所述积分器，其用于对初级电流信号的正峰值与负峰值之差进行放大，并用放大后的信号驱动所述压控电流源；

所述压控电流源，其用于在所述积分器输出信号的驱动下，在所述测量线框的补偿线圈内产生直流磁场。

9.根据权利要求1所述的电工钢连续铁损测量装置，其特征在于，所述测量线框横向安装在硅钢片生产线上，由里到外依次包括骨架、空气磁通补偿线圈、感应线圈、励磁线圈、直流磁场补偿线圈和环路线圈，且各线圈间通过绝缘层隔离；

所述骨架，其开口尺寸需使生产线上的硅钢片能从骨架的空腔中穿过；

所述空气磁通补偿线圈，其用于抵消所述感应线圈所包围的空气产生的磁感应强度；

所述感应线圈，其用于感应硅钢片的磁感应强度；

所述励磁线圈，其用于对硅钢片施加励磁场；

所述直流磁场补偿线圈，其用于对硅钢片施加与环境场相反方向且动态可调节的直流磁场；

所述环路线圈，其用于测量环路磁场的大小。

10.一种电工钢连续铁损测量方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一所述的电工钢连续铁损测量装置，包括；

步骤1，测量线框对硅钢片进行交流磁化；

步骤2，测量线框采集次级电压信号和初级电流信号，并传输给主测量仪器；

步骤3，主测量仪器接收和处理次级电压信号和初级电流信号，并根据处理结果对测量线框进行励磁控制和直流磁场补偿。

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