CN106706669B - 一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法，包括有待测电感、巴伦、隔离环形组件、功率源、对消处理部分和检测闭环系统，本发明采用外接式仪表方式，利用微波传输线行波探测技术来诊断超导失超现象，以提供一种可灵活配置的、外接式的备份探测手段，弥补常规手段的不足或作为应急设备使用。设备主要由四大部分组成：高稳定功率源、隔离环形组件、平衡‑不平衡变换巴伦、接收检测闭环等组成。待测电感放置于杜瓦中，该线圈通过巴仑变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0附近。通过设计不同的巴伦阻抗变换器，将传输线特性阻抗变得可以调节。

Description

一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法

技术领域

本发明涉及用于超导线圈失超探测技术领域，尤其涉及一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法。

背景技术

可控热核聚变能研究的一项重大突破，是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上。全超导托卡马克可实现稳态运行，并通过在稳态运行条件下大大改善约束，为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础。未来商用堆必须是全超导，才能实现稳态运行。

传统的超导线圈超导保护信号检测方法主要包括：电压检测法，温升检测法，压力检测,流量检测法，超生波检测等。

温升检测法通过实时检测超导线圈的温度变化或温度变化速率来判定失超，在中科院电工所超导储能系统SMSE等，这种检测方法接近物理现象的本质，检测速度快、灵敏度高。

存在多温度布点，同时要求温度传感器及后面测量系统很高的测量精度和很高的稳定性。

压力，流量检测法也是主要判别失超的依据，但存在传感器反应较慢，有延迟，同时影响因素不单一的缺点，温升检测法，压力检测法及流量检测法主要做为失超检测的后备保护和失超判别综合依据。在失超检测方法中最有效而常用的检测法就是电压检测法。

电压检测法失超判别依据：超导检测信号电压超过域值电压，并持续设定的延迟时间就认定失超发生。

最常用的电压域值判别法就是电桥法和同绕线检测法，其中电桥法主要应用于中科院等离子体所的HT-7托卡马克装置(已退役)，中科院电工所超导储能系统SMSE和日本的LHD装置等超导装置，这种失超检测法利用惠斯通电桥平衡原理，获得失超检测信号。

优点：使用方便，需要失超检测电路少，失超反应也很灵敏

缺点：一方面存在失超探测盲点；另一方面抗电磁干扰能力不强。

同绕线检测法主要应用于中科院等离子体所EAST装置，这种失超检测法利用同绕线同超导线圈同绕构成失超检测取样电路，获得的电压信号作为基准电压。同时通过传感器分别测得所有通电线圈的电流微分信号作为二次补偿电压，将二次补偿电压和基准电压按一定补偿系数进行累加，抵消自身线圈和其它快速交变线圈藕合产生的感应电压，将累加后获得的电压作为失超检测量。

优点：实现快速变化磁场环境下的失超检测，反应灵敏。

缺点：一旦同绕线断线无法修复。

超导失超检测是一个非常重要的技术，目前常用的超导线失超检测技术，存在内部故障、连线断裂等问题，容易导致检测失败，而拆卸维修不仅工作量巨大，其停机还将导致系统进度延迟。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法，包括有待测电感、巴伦、隔离环形组件、功率源、对消处理部分和检测闭环系统，所述的待测电感放置于杜瓦中，所述的对消处理部分包括有对消辅助部分、射频对消部分、载波对消部分和直流对消部分，所述的功率源分别与隔离环形组件、对消辅助部分和载波对消部分连接，所述的待测电感的阻抗通过巴伦变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0，j为虚数，经变换后的负载阻抗经过所述的隔离环形组件隔离后发送给射频对消部分，射频对消部分同时接收对消辅助部分发送来的固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，对剩余载波和变化功率同时进行放大，放大后的信号经过载波对消部分，载波对消部分将接收到的信号转换成直流电压变化信号，再经直流对消部分进一步对消处理，将处理后的信号发送给检测闭环系统，检测闭环系统实现对变化分量的检测和计算结果的输出。

所述的隔离环形组件包括有环形器以及分别与环形器连接的两个隔离器，巴伦的输出端与环形器连接，其中一个隔离器与功率源连接，另一个隔离器与射频对消部分连接。

所述的功率源是通过功率合成器合成的。

所述的检测闭环系统实现对变化分量的检测，具体如下：

载波信号数学表达为：

U_检测＝[A+Bf(t)]*cos(ωt+Δφ)

其中A为反射波的基波分量的幅值，f(t)为失超后电阻变化对反射功率的影响，B为反射波的变化功率分量的幅值，Δφ为失超后反射波相位的变化分量。由混频原理可知，进行同频混频后，其表达式为：

1/2[A+Bf(t)]*cos(Δφ)+1/2[A+Bf(t)]*cos(2ωt+Δφ)，利用滤波电路实现对2ωt高频分量的滤除，系统进行同频混频后剩余的分量主要是功率电平转换的直流分量和变化分量以及相位变化分量部分，从模拟分析中可知，相位变换分量基本在0.1度以下，因此cos(Δφ)近似等于1，系统变化分量被分成了直流分量和一个缓变分量，即最终闭环电压值为U检测＝A+Bf(t)；

没失超时，没有变化功率分量BF(t)＝0；而一旦失超后，由于负载阻值的变化造成U_检测的变化，实时监控闭环系统获得直流电压输出信号，和超导态只有基波分量直流电压值做比照，同时考虑到需要克服系统检测噪声影响，当其电压差值超过一定范围，就认定为失超。

本发明的目的是利用射频行波技术检测处于超导状态下的电感线圈内阻变化实现失超检测。通过接收隔离环形组件的反射功率，并精确测量因反射系数变化而产生的微小功率变化，将可能的功率变化(DUT内阻变化引起的反射系数变化)进行放大和检测，从而实现对失超状态的检测。

待测电感(DUT)放置于杜瓦中，该线圈通过巴仑变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0附近。通过设计不同的巴伦阻抗变换器，将传输线特性阻抗变得可以调节。

对消辅助主要实现主信号采样判断、对消信号的产生、对消信号放大、对消信号幅相控制、自身稳定度闭环等功能。

对消的主要原理是采用固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，通过放大器对剩余载波和变化功率同时进行放大，以降低系统对动态的需求，实现精度更高的采样信号。

本发明的优点是：本发明采用外接式仪表方式，利用微波传输线行波探测技术来诊断超导失超现象，以提供一种可灵活配置的、外接式的备份探测手段，弥补常规手段的不足或作为应急设备使用。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图。

图2为功率源实现框图。

图3为隔离环形组件实现框图。

图4为射频对消部分工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法，包括有待测电感1、巴伦2、隔离环形组件3、功率源4、对消处理部分5和检测闭环系统6，所述的待测电感1放置于杜瓦中，所述的对消处理部分5包括有对消辅助部分7、射频对消部分8、载波对消部分9和直流对消部分10，所述的功率源4分别与隔离环形组件3、对消辅助部分7和载波对消部分9连接，所述的待测电感1的阻抗通过巴伦2变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0，j为虚数，经变换后的负载阻抗经过所述的隔离环形组件3隔离后发送给射频对消部分8，射频对消部分8同时接收对消辅助部分7发送来的固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，对剩余载波和变化功率同时进行放大，放大后的信号经过载波对消部分，载波对消部分9将接收到的信号转换成直流电压变化信号，再经直流对消部分进一步对消处理，将处理后的信号发送给检测闭环系统6，检测闭环系统6实现对变化分量的检测和计算结果的输出。

所述的隔离环形组件3包括有环形器12以及分别与环形器12连接的两个隔离器11，巴伦2的输出端与环形器12连接，其中一个隔离器与功率源连接，另一个隔离器与射频对消部分连接。

所述的功率源是通过功率合成器合成的。

所述的检测闭环系统实现对变化分量的检测，具体如下：

载波信号数学表达为：

U_检测＝[A+Bf(t)]*cos(ωt+Δφ)

其中A为反射波的基波分量的幅值，f(t)为失超后电阻变化对反射功率的影响，B为反射波的变化功率分量的幅值，Δφ为失超后反射波相位的变化分量。由混频原理可知，进行同频混频后，其表达式为：

1/2[A+Bf(t)]*cos(Δφ)+1/2[A+Bf(t)]*cos(2ωt+Δφ)，利用滤波电路实现对2ωt高频分量的滤除，系统进行同频混频后剩余的分量主要是功率电平转换的直流分量和变化分量以及相位变化分量部分，从模拟分析中可知，相位变换分量基本在0.1度以下，因此cos(Δφ)近似等于1，系统变化分量被分成了直流分量和一个缓变分量，即最终闭环电压值为U检测＝A+Bf(t)；

没失超时，没有变化功率分量BF(t)＝0；而一旦失超后，由于负载阻值的变化造成U_检测的变化，实时监控闭环系统获得直流电压输出信号，和超导态只有基波分量直流电压值做比照，同时考虑到需要克服系统检测噪声影响，当其电压差值超过一定范围，就认定为失超。

本发明的目的是利用射频行波技术检测处于超导状态下的电感线圈内阻变化实现失超检测。通过接收隔离环形组件的反射功率，并精确测量因反射系数变化而产生的微小功率变化，将可能的功率变化(DUT内阻变化引起的反射系数变化)进行放大和检测，从而实现对失超状态的检测。

待测电感(DUT)放置于杜瓦中，该线圈通过巴仑变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0附近。通过设计不同的巴伦阻抗变换器，将传输线特性阻抗变得可以调节。

如图2所示，采用多路合成的方式实现功率源，主要目的是为了输出功率的稳定性；因为根据合成原理，单路放大器的幅相变化对总的合成功率幅相变化的贡献随着合成路数的增加而降低，并且放大器路数增加后，幅相变化的随机性会受到相互之间的抵消，除了某种外界因素影响下的统一性的变化。

同时，根据噪声理论，白噪声是不能合成的，因此合成有助于改善功率源的白噪声。

如图3所示，隔离环形组件的主要目的是隔绝因阻抗变换导致的2端口反射功率对功率源的影响，确保系统的基准存在，不至引入新的误差。

如图4所示，对消辅助主要实现主信号采样判断、对消信号的产生、对消信号放大、对消信号幅相控制、自身稳定度闭环等功能。对消的主要原理是采用固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，通过放大器对剩余载波和变化功率同时进行放大，以降低系统对动态的需求，实现精度更高的采样信号。系统首先采用固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，通过放大器对剩余载波和变化功率同时进行放大，以降低系统对动态的需求。对于射频对消来说，单次对消一般能够实现15dB左右的改善，这主要是受制于当前射频AD直采的精度、移相器、衰减器本身的精度问题。为实现较好的射频对消，必须采用多次对消方案。

载波对消实现：采用载波对消方式，将反射系数和反射相位的变化统一转换成直流电压变化，降低检测难度。

直流对消实现：为进一步降低对后续检测电路的要求，系统设计了一级直流对消，主要是利用高灵敏度的运放进一步降低基波变换来的直流电平A与Bf(t)之间的幅度比值差异。

检测闭环实现：检测闭环电路主要由ADC、FPGA和DAC等组成，通过对整个系统的闭环控制，实现对变化分量的检测和计算结果的输出。

Claims (1)

1.一种利用射频波技术进行超导磁体失超检测的方法，其特征在于：包括有待测电感、巴伦、隔离环形组件、功率源、对消处理部分和检测闭环系统，所述的待测电感放置于杜瓦中，所述的对消处理部分包括有对消辅助部分、射频对消部分、载波对消部分和直流对消部分，所述的功率源分别与隔离环形组件、对消辅助部分和载波对消部分连接，所述的待测电感的阻抗通过巴伦变换后，使负载阻抗从杜瓦出口处的0+j∞变换到0+j0，j为虚数，经变换后的负载阻抗经过所述的隔离环形组件隔离后发送给射频对消部分，射频对消部分同时接收对消辅助部分发送来的固有的对消信号，抵消载波中不变换的部分，对剩余载波和变化功率同时进行放大，放大后的信号经过载波对消部分，载波对消部分将接收到的信号转换成直流电压变化信号，再经直流对消部分进一步对消处理，将处理后的信号发送给检测闭环系统，检测闭环系统实现对变化分量的检测和计算结果的输出；

所述的隔离环形组件包括有环形器以及分别与环形器连接的两个隔离器，巴伦的输出端与环形器连接，其中一个隔离器与功率源连接，另一个隔离器与射频对消部分连接；

所述的功率源是通过功率合成器合成的；

所述的检测闭环系统实现对变化分量的检测，具体如下：

载波信号数学表达为：

U_检测＝[A+Bf(t)]*cos(ωt+Δφ)

其中A为反射波的基波分量的幅值，f(t)为失超后电阻变化对反射功率的影响，B为反射波的变化功率分量的幅值，Δφ为失超后反射波相位的变化分量，由混频原理可知，进行同频混频后，其表达式为：

利用滤波电路实现对2ωt高频分量的滤除，系统进行同频混频后剩余的分量主要是功率电平转换的直流分量和变化分量以及相位变化分量部分，从模拟分析中可知，相位变换分量基本在0.1度以下，因此cos(Δφ)近似等于1，系统变化分量被分成了直流分量和一个缓变分量，即最终闭环电压值为U_检测＝A+Bf(t)；

没失超时，没有变化功率分量BF(t)＝0；而一旦失超后，由于负载阻值的变化造成U_检测的变化，实时监控闭环系统获得直流电压输出信号，和超导态只有基波分量直流电压值做比照，同时考虑到需要克服系统检测噪声影响，当其电压差值超过一定范围，就认定为失超。

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