CN104133100A - 高温超导带材临界电流连续测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超导带材的临界电流连续测量装置，包含液氮槽、设置在液氮槽内的测量支架，以及设置在测量支架上的超导带材运动机构和测量机构。采用压接的四引线方法测量超导带材的临界电流，利用动力机构驱动电流端子和电压端子上下运动，使电流端子和电压端子压在超导带材上，与超导带材紧密接触，测量电流信号和电压信号，计算临界电流。利用长度调节装置调整两个测量点之间超导带材的长度。利用升降机构带动若干动轮上下运动，从而调整两个测量点之间超导带材的长度。本发明采用压接的四引线方法测量临界电流，测量装置结构紧凑、简单，使用方便，能快速、准确的测量超导带材的临界电流，并获得高温超导长带的均匀性和缺陷等信息。

Description

高温超导带材临界电流连续测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种超导带材临界电流的测量装置和测量方法，特别是连续的临界电流测量装置和测量方法。

背景技术

1911 年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在低温下具有“零”电阻的“超导电性”，从而开创了超导新纪元。现在，整整一个世纪过去了，超导材料发展早已日新月异，尤其是1986年后，高临界温度( 77K 以上) 超导材料获得突破性进展，将超导实际应用可能推至液氮温区，具有重大的实际意义。特别是随着90 年代中后期以来第一代Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x( Bi-2223，Bi 系)以及第二代高温超导材料YBa₂Cu₃O_x(YBCO，Y-123) 已经实现了规模化生产并开始逐步扩大应用范围，结合低温与制冷技术的迅速发展，人们看到了高温超导材料走入实际应用的曙光，超导电机、超导限流器、超导电缆、超导变压器、超导磁分离系统、超导储能系统、超导量子干涉仪等超导应用研究得到了空前的重视，并取得了显著进步。

国内外研究小组已成功研制出长度超过100m，最长达到1000 m且能够传输100 A 以上超导电流的第二代高温超导带材，使氧化物高温超导材料在电力领域的广泛应用成为可能。随着应用领域更为广泛、未来成本更低的第二代高温超导带材的产业化进程不断加快，超导材料的应用前景将逐步明晰起来，如36.5 MW 高温超导电机的研制成功、国内外多个超导电缆示范项目的演示成功、数十个故障限流器的成功挂网运行等，世界各地的超导应用项目正如火如荼地进行。

临界电流是表征超导体载流能力的重要参量，也是衡量超导材料质量的主要技术指标，研究其测量手段不仅可以探索材料自身特性，还能为材料应用与开发服务。大多数临界电流的获得采用磁感法，经计算间接得到，避免或减少了电流电极在大电流下的发热问题，但这样的方法只可以粗略测量临界电流，且使用范围有限。最直观、最能真实反映材料本身实用载流能力的测量方法应为稳态直流传输方法，即直接利用四引线法（所谓四引线测量方法就是通过两根引线由电流源对样品提供电流，通过另外两根引线利用纳伏电压计测量电压降，进而换算出样品的电阻值）测得V－I曲线，然后来确定临界电流。

目前，超导长带的测量，一是采用焊接的方法，将焊点放在带材的两端，测量整根的临界电流，无法得知带材的均匀性和缺陷等有关信息，并且焊接部分的带材不能继续使用；二是采用磁感法测量长带的临界电流，这种测量方法只能间接测量临界电流，测量值不准确不直观。

目前，在超导带材的产业化阶段，需要制造快速和准确的测量装置和方法来测量超导带材的质量。

发明内容

本发明提供的一种高温超导长带的临界电流连续测量装置及测量方法，采用压接的四引线方法测量临界电流，测量装置结构紧凑、简单，使用方便，能快速、准确的测量超导带材的临界电流，并获得高温超导长带的均匀性和缺陷等信息。

为了实现上述目的，本发明提供一种超导带材的临界电流连续测量装置，该测量装置包含：

液氮槽、设置在液氮槽内的测量支架，以及设置在测量支架上的超导带材运动机构和测量机构；

所述的超导带材运动机构包含依次设置的放料盘、长度调节装置和收料盘，所述的放料盘和收料盘设置在液氮槽外，长度调节装置设置在液氮槽内部；

所述的长度调节装置包含进口测量定轮、出口测量定轮、设置在进口测量定轮和出口测量定轮之间的若干调节定轮和若干动轮，设置在测量支架上并连接若干动轮的升降机构和设置在测量支架上并连接升降机构的动力装置；所述的进口测量定轮设置在靠近放料盘的一侧，所述的出口测量定轮设置在靠近收料盘的一侧，所述的动轮与调节定轮间隔设置，调节定轮位置固定，动轮可随升降机构上下运动，从而调整超导带材的长度；

所述的测量机构包含设置在长度调节装置两侧的第一测量组件和第二测量组件，每个测量组件包含电流端子、电压端子、设置在测量支架上并连接电流端子和电压端子的动力机构、以及安装在测量支架上的底板；电流端子和电压端子可随动力机构上下运动，使电流端子和电压端子接触超导带材或者远离超导带材；

缠绕在放料盘上的超导带材依次经过进口测量定轮、接触第一测量组件中的底板、然后间隔地缠绕在若干调节定轮和动轮上、接触第二测量组件中的底板、经过出口测量定轮、最后缠绕在收料盘上。

所述的液氮槽上设置有进液口和出液口。

所述的超导带材运动机构还包含设置在液氮槽外的步进电机、分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个编码器、以及分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个加热器，步进电机分别连接放料盘和收料盘的中心轴，编码器电性连接步进电机，编码器上缠绕超导带材，加热器设置在超导带材下部。

所述的第一测量组件中的底板设置在进口测量定轮和调节定轮之间，以及所述的第二测量组件中的底板设置在调节定轮和出口测量定轮之间，所述的电流端子和电压端子位于底板上方。

所述的电流端子连接电流源，所述的电压端子连接电压源，电流端子和电压端子的测量信号传输给外部计算软件。

本发明还提供一种利用超导带材的临界电流连续测量装置进行的超导带材的临界电流连续测量方法，采用压接的四引线方法测量超导带材的临界电流，利用动力机构驱动电流端子和电压端子上下运动，使电流端子和电压端子压在超导带材上，与超导带材紧密接触，测量电流信号和电压信号，计算临界电流。

利用长度调节装置调整两个测量点之间超导带材的长度；

利用升降机构带动若干动轮上下运动，从而调整两个测量点之间超导带材的长度。

超导带材运动机构带动超导带材运动，实现连续测量。

该测量方法包含以下步骤：

步骤1、将超导带材装到超导带材运动机构上；

将超导带材连续缠绕在放料盘上，再将超导带材的一端，依次经过放料盘一侧的编码器、进口测量定轮、接触第一测量组件中的底板、然后间隔地缠绕在若干调节定轮和动轮上，再接触第二测量组件中的底板、经过出口测量定轮和收料盘一侧的编码器，最后缠绕在收料盘上；

步骤2、通过动力装置带动升降机构上下运动，带动动轮运动到预定位置，从而调整两个测量组件之间超导带材的长度达到预设长度；

步骤3、从进液口处往液氮槽中加入液氮，使液面没过液氮槽中的超导带材；

步骤4、开启步进电机，驱使超导带材在超导带材运动机构上运动；

步骤5、启动动力机构，带动电流端子和电压端子下降，将超导带材压在底板上，使电压端子和电流端子与超导带材紧紧接触；

步骤6、开启与电流端子和电压端子相连的电流源、电压源和计算软件，开始采用四引线法测量位于测量组件之间的超导带材的临界电流；

步骤7、测量完毕后，启动动力机构，带动电流端子和电压端子上升，使电流端子和电压端子与超导带材分开；

步骤8、开启步进电机，驱使超导带材在超导带材运动机构上运动，运动预设距离后停止，重复步骤5～步骤7，测量下一段超导带材的临界电流，直至整根超导带材测量完毕；

步骤9、整根超导带材都测完后，将液氮从出液口中回收到液氮罐中以备下次使用。

本发明具有以下优点：

1、装置结构简单，设计合理，制造成本低，能够实现1米长以上特别是公里级超导带材的临界电流连续测量。

2、能快速、准确的测量超导带材的临界电流及长带的均匀性和缺陷等。

3、能够根据动轮调节，测量不同长度间隔的超导长带的均匀性，一方面测量方便，另一方面能节省设备成本。

4、测量方法简单、直观，能准确测量超导带材的临界电流，适宜于批量化的超导带材的检测，具有良好的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明提供的高温超导带材临界电流连续测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1，具体说明本发明的实施例。

如图1所示，本发明提供一种超导带材的临界电流连续测量装置，该测量装置包含：

液氮槽1、设置在液氮槽1内的测量支架2，以及设置在测量支架2上的超导带材运动机构和测量机构。

所述的液氮槽1上设置有进液口11和出液口12。

所述的超导带材运动机构包含依次设置的放料盘3、长度调节装置和收料盘4，所述的放料盘3和收料盘4设置在液氮槽1外，长度调节装置设置在液氮槽1内部。

所述的长度调节装置包含进口测量定轮91、出口测量定轮93、设置在进口测量定轮91和出口测量定轮93之间的若干调节定轮92和若干动轮10，设置在测量支架上并连接若干动轮的升降机构16和设置在测量支架上并连接升降机构的动力装置15（本实施例中，动力装置15采用伺服电机）。所述的进口测量定轮91设置在靠近放料盘3的一侧，所述的出口测量定轮93设置在靠近收料盘4的一侧，所述的动轮10与调节定轮9间隔设置，调节定轮9位置固定，动轮10可随升降机构上下运动，从而调整两个测量点之间超导带材8的长度。

所述的超导带材运动机构还包含设置在液氮槽外的步进电机18、分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个编码器17、以及分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个加热器5，步进电机18分别连接放料盘3和收料盘4的中心轴，编码器17电性连接步进电机18，编码器17上缠绕超导带材，加热器5设置在超导带材下部。缠绕在放料盘3上的超导带材8依次经过编码器17、进口测量定轮91、接触底板13、然后间隔地缠绕在若干调节定轮9和动轮10上、接触底板13、经过出口测量定轮93、再经过编码器17，最后缠绕在收料盘4上。

所述的测量机构包含设置在长度调节装置两侧的第一测量组件和第二测量组件，每个测量组件包含电流端子6、电压端子7、设置在测量支架上并连接电流端子和电压端子的动力机构14（本实施例中，动力机构14采用气缸）、以及安装在测量支架上的底板13。所述的底板13分别设置在进口测量定轮91和调节定轮92之间，以及设置在调节定轮92和出口测量定轮93之间，所述的电流端子6和电压端子7位于底板13上方，电流端子6和电压端子7可随动力机构14上下运动，使电流端子6和电压端子7接触超导带材8或者远离超导带材8，所述的电流端子6连接电流源，所述的电压端子7连接电压源，电流端子6和电压端子7的测量信号传输给外部计算软件。

编码器17的主要作用是用来控制速度，因为放料盘3和收料盘4的半径在转动过程中会连续变化，故若保持转速恒定，则超导带材的实际线速度会一直在变化，编码器17可以将测到的实际带材线速度实时反馈给步进电机18，步进电机18通过调节转速，达到测量时保持带材的速度恒定。

加热器5的作用是去除超导带材上的水蒸气，位于收料盘之前的加热器是去除经过液氮槽后的水蒸气，位于放料盘之后的加热器也是去除水蒸气防止结冰的目的：其一，由于超导带材具有优良的导热性，液氮槽前端的带材温度较低，容易结冰，尤其是在开始测量前处于静止状态的准备阶段；其二，带材在测量过程中，需要倒带或反方向运动。

所述的加热器可以采用灯泡加热，也可以采用电阻丝加热，并且可以控制温度，主要用于加热超导带材，去除超导带材经过液氮槽后表面的水蒸气。

所述的底板为G10板， G10是一种由玻璃纤维布与环氧数脂所合成的复合材料。“G”代表glass fiber（玻璃纤维） “10”是指玻璃纤维在其中含10%。 G10材料有绝缘，耐腐蚀，耐磨，耐低温的特点。

所述的电流端子6和电压端子7下端焊接有柔性的铟材料，因为金属铟的熔点很低，非常柔软，这样电流端子和电压端子下端与超导带材接触时不仅接触电阻小，而且还不会对超导带材造成机械损伤。

本发明还提供一种超导带材的临界电流连续测量方法，包含以下步骤：

步骤1、将超导带材8装到超导带材运动机构上；

将超导带材8连续缠绕在放料盘3上，再焊接一段引带到超导带材8的一端，将引带的外端头依次经过编码器17、进口测量定轮91、接触第一测量组件中的底板13、然后间隔地缠绕在若干调节定轮9和动轮10上，再接触第二测量组件中的底板13、经过出口测量定轮93和编码器17，最后缠绕在收料盘4上；

步骤2、通过动力装置15带动升降机构16上下运动，带动动轮10运动到预定位置，从而调整两个测量组件之间超导带材8的长度达到预设长度；

步骤3、从进液口11处往液氮槽1中加入液氮，使液面没过液氮槽1中的超导带材8；

步骤4、开启步进电机18，驱使超导带材8在超导带材运动机构上运动；

步骤5、启动动力机构14，带动电流端子6和电压端子7下降，将超导带材8压在底板13上，使电压端子7和电流端子6与超导带材8紧紧接触；

步骤6、开启与电流端子6和电压端子7相连的电流源、电压源和计算软件，开始采用四引线法测量位于测量组件之间的超导带材8的临界电流；

步骤7、测量完毕后，启动动力机构14，带动电流端子6和电压端子7上升，使电流端子6和电压端子7与超导带材8分开；

步骤8、开启步进电机，驱使超导带材8在超导带材运动机构上运动，运动预设距离后停止，重复步骤5～步骤7，测量下一段超导带材8的临界电流，直至整根超导带材8测量完毕；

步骤9、整根超导带材8都测完后，将液氮从出液口12中回收到液氮罐中以备下次使用。

实施例1

步骤1、将超导带材8装到超导带材运动机构上；

步骤2、通过动力装置15带动升降机构16上下运动，带动动轮10运动，调整两个测量组件之间的超导带材8的长度为1米；

步骤3、从进液口11处往液氮槽1中加入液氮，使液面没过液氮槽1中的超导带材；

步骤4、开启步进电机，驱使超导带材8在超导带材运动机构上运动；

步骤5、启动动力机构14，带动电流端子6和电压端子7下降，将超导带材8压在底板13上，使电压端子7和电流端子6与超导带材8紧紧接触；

步骤6、开启与电流端子6和电压端子7相连的电流源、电压源和计算软件，开始采用四引线法测量位于测量组件之间的超导带材8的临界电流；

步骤7、测量完毕后，启动动力机构14，带动电流端子6和电压端子7上升，使电流端子6和电压端子7与超导带材8分开。

步骤8、开启步进电机，驱使超导带材8在超导带材运动机构上运动，运动预设距离后停止，重复步骤5～步骤7，测量下一段超导带材8的临界电流，直至整根超导带材8测量完毕；

步骤9、整根超导带材8都测完后，将液氮从出液口12中回收到液氮罐中以备下次使用。

实施例2

本实施例与实施例1方法相同，其中不同之处在于：步骤2、通过动力装置15带动升降机构16上下运动，带动动轮10运动，调整两个测量组件之间的超导带材8的长度为2米；

本实施例可实现公里级超导带材2米间隔的临界电流均匀性测量。

实施例3

本实施例与实施例1方法相同，其中不同之处在于：步骤2、通过动力装置15带动升降机构16上下运动，带动动轮10运动，调整两个测量组件之间的超导带材8的长度为5米；

本实施例可实现公里级超导带材5米间隔的临界电流均匀性测量。

本发明还可以测量到超导带材中存在的电流低点或死点，完成缺陷检测。

本发明装置结构简单，设计合理，制造成本低，能够实现1米长以上特别是公里级超导带材的临界电流连续测量。能快速、准确的测量超导带材的临界电流及长带的均匀性和缺陷等。能够根据动轮调节，测量不同长度间隔的超导长带的均匀性，一方面测量方便，另一方面能节省设备成本。测量方法简单、直观，能准确测量超导带材的临界电流，适宜于批量化的超导带材的检测，具有良好的工程实用价值。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种超导带材的临界电流连续测量装置，其特征在于，该测量装置包含：

液氮槽（1）、设置在液氮槽（1）内的测量支架（2），以及设置在测量支架（2）上的超导带材运动机构和测量机构；

所述的超导带材运动机构包含依次设置的放料盘（3）、长度调节装置和收料盘（4），所述的放料盘（3）和收料盘（4）设置在液氮槽（1）外，长度调节装置设置在液氮槽（1）内部；

所述的长度调节装置包含进口测量定轮（91）、出口测量定轮（93）、设置在进口测量定轮（91）和出口测量定轮（93）之间的若干调节定轮（92）和若干动轮（10），设置在测量支架上并连接若干动轮的升降机构（16）和设置在测量支架上并连接升降机构的动力装置（15）；所述的进口测量定轮（91）设置在靠近放料盘（3）的一侧，所述的出口测量定轮（93）设置在靠近收料盘（4）的一侧，所述的动轮（10）与调节定轮（9）间隔设置，所述的若干调节定轮（9）的位置固定，所述的若干动轮（10）可随升降机构（16）上下运动，从而调整超导带材（8）的长度；

所述的测量机构包含设置在长度调节装置两侧的第一测量组件和第二测量组件，每个测量组件包含电流端子（6）、电压端子（7）、设置在测量支架上并连接电流端子和电压端子的动力机构（14）、以及安装在测量支架（2）上的底板（13）；电流端子（6）和电压端子（7）可随动力机构（14）上下运动，使电流端子（6）和电压端子（7）接触超导带材（8）或者远离超导带材（8）；

缠绕在放料盘（3）上的超导带材（8）依次经过进口测量定轮（91）、接触第一测量组件中的底板（13）、然后间隔地缠绕在若干调节定轮（9）和若干动轮（10）上、接触第二测量组件中的底板（1 3）、经过出口测量定轮（93）、最后缠绕在收料盘（4）上。

2.如权利要求1所述的超导带材的临界电流连续测量装置，其特征在于，所述的液氮槽（1）上设置有进液口（11）和出液口（12）。

3.如权利要求2所述的超导带材的临界电流连续测量装置，其特征在于，所述的超导带材运动机构还包含设置在液氮槽外的步进电机（18）、分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个编码器（17）、以及分别设置在放料盘一侧和收料盘一侧的两个加热器（5）；所述的步进电机（18）分别连接放料盘（3）和收料盘（4）的中心轴，所述的编码器（17）电性连接步进电机（18），编码器（17）上缠绕超导带材（8），所述的加热器（5）设置在超导带材下部。

4.如权利要求3所述的超导带材的临界电流连续测量装置，其特征在于，所述的第一测量组件中的底板（13）设置在进口测量定轮（91）和调节定轮（92）之间，以及所述的第二测量组件中的底板（13）设置在调节定轮（92）和出口测量定轮（93）之间，所述的电流端子（6）和电压端子（7）位于底板（13）上方。

5.如权利要求4所述的超导带材的临界电流连续测量装置，其特征在于，所述的电流端子（6）连接电流源，所述的电压端子（7）连接电压源，电流端子（6）和电压端子（7）的测量信号传输给外部计算软件。

6.一种利用如权利要求1-5中任意一个所述的超导带材的临界电流连续测量装置进行的超导带材的临界电流连续测量方法，其特征在于，采用压接的四引线方法测量超导带材的临界电流，利用动力机构（14）驱动电流端子（6）和电压端子（7）上下运动，使电流端子（6）和电压端子（7）压在超导带材（8）上，与超导带材（8）紧密接触，测量电流信号和电压信号，计算临界电流。

7.如权利要求6所述的超导带材的临界电流连续测量方法，其特征在于，利用长度调节装置调整两个测量点之间超导带材的长度；

利用升降机构（16）带动若干动轮（10）上下运动，从而调整两个测量点之间超导带材的长度。

8.如权利要求7所述的超导带材的临界电流连续测量方法，其特征在于，超导带材运动机构带动超导带材（8）运动，实现连续测量。

9.如权利要求8所述的超导带材的临界电流连续测量方法，其特征在于，该测量方法包含以下步骤：

步骤1、将超导带材装到超导带材运动机构上；

将超导带材（8）连续缠绕在放料盘上，再将超导带材（8）的一端，依次经过放料盘一侧的编码器（17）、进口测量定轮（91）、接触第一测量组件中的底板（13）、然后间隔地缠绕在若干调节定轮（9）和若干动轮（10）上，再接触第二测量组件中的底板（13）、经过出口测量定轮（93）和收料盘一侧的编码器（17），最后缠绕在收料盘（4）上；

步骤2、通过动力装置（15）带动升降机构（16）上下运动，带动动轮（10）运动到预定位置，从而调整两个测量组件之间超导带材（8）的长度达到预设长度；

步骤3、从进液口（11）处往液氮槽（1）中加入液氮，使液面没过液氮槽（1）中的超导带材（8）；

步骤4、开启步进电机（18），驱使超导带材（8）在超导带材运动机构上运动；

步骤5、启动动力机构（14），带动电流端子（6）和电压端子（7）下降，将超导带材（8）压在底板（13）上，使电压端子（7）和电流端子（6）与超导带材（8）紧紧接触；

步骤6、开启与电流端子（6）和电压端子（7）相连的电流源、电压源和计算软件，开始采用四引线法测量位于测量组件之间的超导带材（8）的临界电流；

步骤7、测量完毕后，启动动力机构（14），带动电流端子（6）和电压端子（7）上升，使电流端子（6）和电压端子（7）与超导带材（8）分开；

步骤8、开启步进电机，驱使超导带材（8）在超导带材运动机构上运动，运动预设距离后停止，重复步骤5～步骤7，测量下一段超导带材（8）的临界电流，直至整根超导带材（8）测量完毕；

步骤9、整根超导带材（8）都测完后，将液氮从出液口（12）中回收到液氮罐中以备下次使用。