CN108152763B

CN108152763B - 直流磁屏蔽效能的测量装置及测量方法

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Publication number: CN108152763B
Application number: CN201711464519.5A
Authority: CN
Inventors: 周力任; 潘洋; 朱力
Original assignee: Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108152763A

Abstract

本发明提供了一种直流磁屏蔽效能的测量装置，包括：直流电流源，为所述测量装置提供直流电源；电流母线，跨接于所述直流电流源输出端的正负极之间，与所述直流电流源共同形成闭合回路；磁屏蔽体，设置于由所述电流母线和直流电流源围合的磁场中；磁场探测仪，用于测量磁场强度。同时，提供了相应的测量方法，包括如下操作：P1、取走所述磁屏蔽体，使用所述磁场探测仪对无磁屏蔽的测量点A进行磁感应强度测量，并记录数据B₀；P2、在磁场中放入所述磁屏蔽体，使用所述磁场探测仪对有磁屏蔽的测量点A再次进行磁感应强度测量，并记录数据B₁；P3、计算直流磁屏蔽效能S。本发明简单易行，大幅提高测量准确度。

Description

直流磁屏蔽效能的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种直流磁屏蔽效能的测量装置及相应测量方法。

背景技术

直流大电流测量技术广泛应用于工业生产和科学研究中，例如，直流高压输电、金属电解、高铁机车、电动汽车等产业都需要准确测量直流大电流，以测量线路损耗、电流效率或进行安全监控；在核动力和高能物理等科学研究中，需要高准确度地测量、控制和稳定直流大电流进行科学实验。工业生产和科学研究中对直流电流测量的大小和准确度差异很大，工业生产往往需要大电流，电流范围最大可达几十万安培的量级，科学研究对准确度要求较高，误差允许往往限制在百万分之一的量级，甚至更高。因此，发展出了很多测量方法，包括分流器法、直流互感器法、磁位计法、核磁共振法、霍尔电流传感器法、磁光效应法、电流比较仪法等，上述各种方法利用了不同的原理，各有利弊与着重点。

总的来说，“准”是解决直流大电流计量溯源的第一要务。目前，直流大电流测量最准确的方法是利用直流电流比较仪(DCC)进行测量和计算。直流电流比较仪(DCC)是在20世纪60年代由加拿大国家计量院(NRC)首先研制成功并实现商业化生产的。基于倍频磁调制器原理的DCC通过调制和检测双铁芯中的差动磁势，经过解调、放大、反馈控制二次电流，实现铁芯中一、二次磁势(安匝数)平衡，将通过DCC穿孔的一次单匝大电流变换为流过二次绕组的二次小电流，方便测量。但是，由于受大电流强磁场干扰和在实际工作状态下校准技术的限制，DCC发明50多年来，国际上直流大电流计量标准一直都难以突破10^-6水平，仅与商品化产品相当，限制了产业技术发展，影响了国防军工、电力等行业计量标准的溯源。

但是，由于泄漏磁场和杂散磁场干扰了主铁芯的正常工作，严重影响DCC测量的比例准确度。因此，必须进行磁屏蔽优化设计，并且测量直流磁屏蔽效能，分析以及阻断干扰磁场进入主铁芯的途径。但是现有的测量方法普遍存爱测量过程繁琐，测量结果误差较大且不具备通用性的缺陷。

发明内容

为了解决解决上述技术问题，本发明利用高导磁材料制作磁屏蔽体，设计了一种结构简单的直流磁屏蔽效能的测量装置，该装置的使用方法简单，测量结果准确，可以便捷的测量不同磁场的磁场中使用不同材料制作的磁屏蔽体的直流磁屏蔽效能。

本发明提出了一种直流磁屏蔽效能的测量装置，包括：

直流电流源，为所述测量装置提供直流电源；

电流母线，跨接于所述直流电流源输出端的正负极之间，与所述直流电流源共同形成闭合回路；

磁屏蔽体，设置于由所述电流母线和直流电流源围合的磁场中；

磁场探测仪，用于测量所述磁场强度。

上述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其中，所述电流母线为单匝或多匝绕制。

上述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其中，所述磁屏蔽体为圆筒状。

上述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其中，所述直流电流源为连续可调电源，输出电流可调范围为0.1A～1000A，稳定度优于1×10^-5/分钟，准确度优于1×10^-4。

上述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其中，所述圆筒状的磁屏蔽体由软磁合金板卷绕而成。

本发明还提供一种直流磁屏蔽效能的测量方法，采用上述的装置进行直流磁屏蔽效能测量，包括如下操作：

使用所述磁场探测仪对未设置有磁屏蔽体的测量点测量磁感应强度；

使用所述磁场探测仪对设置有所述磁屏蔽体的所述测量点测量磁感应强度；以及

根据未设置有磁屏蔽体时的磁感应强度与设置有所述磁屏蔽体时的磁感应强度获取直流磁屏蔽效能。

上述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其中，所述直流磁屏蔽效能的计算公式为：

其中，S为直流磁屏蔽效能，B为测量点未设置所述磁屏蔽体时的磁感应强度，B’为测量点设置有所述磁屏蔽体时的磁感应强度。

上述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其中，所述测量点设置于由所述电流母线和直流电流源围合的磁场中。

上述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其中，所述圆筒状的磁屏蔽体水平或竖直设置于由所述电流母线和直流电流源围合的磁场中。

上述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其中，所述磁屏蔽体设置于由所述电流母线和直流电流源围合的磁场中心位置。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、由直流电流源、电流母线和磁屏蔽体构成的测量装置能有效还原直流电流比较仪(DCC)工作时屏蔽铁芯的实际工作环境，为完善磁屏蔽设计提供可靠的数据支撑，从而提高DCC的比例准确度。

2、通过调整直流母线绕制匝数的方式调整磁场强度，使测量装置提供稳定、宽范围的直流磁场。

3、磁屏蔽体能以任意姿态设置于磁场中的任意位置，获取任意点的磁屏蔽效能，(一般取磁场中心点和磁屏蔽体轴向/径向设置)，为DCC测量系统完善磁屏蔽设计提供充分的数据支撑，从而提高DCC测量的比例准确度。

4、由直流电流源、电流母线和磁屏蔽体构成的测量装置结构简单，测试方法简单易行。

附图说明

图1是本发明一实施例直流磁屏蔽效能的测量装置的示意图之一。

图2是本发明一实施例直流磁屏蔽效能的测量装置的示意图之二。

具体实施方式

如背景技术所述，由于泄漏磁场和杂散磁场的存在，将干扰主铁芯的正常工作，严重影响了直流电流比较仪(DCC)的比例准确度，因此有必要进行磁屏蔽优化设计，并且测量直流磁屏蔽效能，分析以及阻断干扰磁场进入主铁芯的途径。为此，发明人尝试采用如下方式：

第一种方法：数学公式计算。推导磁屏蔽体轴向和径向的直流磁屏蔽效能计算公式，将各个参数的数值代入公式中，求得直流磁屏蔽效能。这就需要准确测量各种材料的磁导率，然而同种材料制成的铁芯的各点磁导率也不尽相同，这会给测量结果带来误差。

第二种方法：软件仿真计算。利用仿真软件计算直流磁屏蔽效能，建立数学模型，用数学公式计算，所涉及参数的误差会造成最终测量结果的误差，特别是进行不同材料直流磁屏蔽效能的比较时，仿真结果与实际情况有明显差异。

第三种方法：实验电路测量。在主铁芯上绕制激励绕组和检测绕组，用屏蔽铁芯保护好主铁芯，制成完整的磁调制器，然后置于外加干扰磁场的实验电路中，测量屏蔽前后检测绕组的感应电压，计算两者的比值，以此得到直流磁屏蔽效能值。此种方法大大增加了测量的时间，为了得到不同材料、不同磁屏蔽厚度的直流磁屏蔽效能，都需要重新制作磁调制器再进行测量。

基于上述分析，本发明提出了一种直流磁屏蔽效能的测量装置，包括直流电流源、电流母线、磁屏蔽体和磁场探测仪。所述电流母线一端连接所述直流电流源的正输出端，一端连接所述直流电流源的负输出端，直接构成一大电流回路，从而模拟出直流磁场。根据对直流磁场强度要求的不同，所述电流母线可以是单圈也可以多匝绕制。所述磁屏蔽体两端开放，内部中空，为一筒状体。使用所述磁场探测仪对所述直流磁场内的同一测量点分别测试不设置所述磁屏蔽体时和设置所述磁屏蔽体时的磁场强度，并利用两个所述的磁场强度计算得出所述测量点的磁屏蔽效能。

进一步地，所述直流电流源为高稳直流电流源。其中，所述高稳直流电流源输出电流的实际电流值相对预设电流值的误差优于1×10^-4；所述高稳直流电流源输出电流的稳定度优于1×10^-5/分钟。

进一步地，所述电流母线绕制的匝数根据测量装置的需求调整，绕制的匝数越多，其所在磁场的磁通量越多。

进一步地，所述磁屏蔽体的外形可以为方筒状、圆筒状、椭圆筒状等多种筒形。考虑到制作工程的简便程度，优选圆筒状。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

如图1和图2所示，直流磁屏蔽效能的测量装置包括：直流电流源1、电流母线3、磁屏蔽体2和磁场探测仪(图中未示出)。

本实施例中，直流电流源1为所述测量装置提供0.1A-1000A连续可调的直流电源。优选的，所述的直流电流源1的输出电流稳定度大于或等于1×10^-5/分钟，所述的直流电流源1的输出电流准确度大于或等于1×10^-4。电流母线3可承载的额定电流为1000A，截面积为200mm²，长度为5m。所述电流母线3跨接于所述直流电流源1的正负极之间，与所述直流电流源1共同形成闭合回路。电流母线3可进行最大五匝的等安匝绕制，以扩大安匝数值，降低对直流电流源功率的要求。本实施例中，所述直流电流源1和电流母线3相互配合，输出的安匝数最大可达到5000AT，可还原额定电流5000A的直流电流比较仪(DCC)的屏蔽铁芯的实际工作环境。

磁屏蔽体2设置于由所述电流母线3和直流电流源1围合构成的磁场中，磁屏蔽体2例如为两端开放内部中空的筒状物体。在同一测量点A处，设置或取走所述磁屏蔽体2，获取有/无屏蔽时的磁感应强度数据，从而可计算测量点A的直流磁屏蔽效能。所述磁屏蔽体2的材料通常为导磁材料，优选高导磁的软磁合金。本实施例中，可按照《GB/T32286.1-2015软磁合金第1部分：铁镍合金附录A》推荐的试样热处理制度进行退火处理，然后将其卷绕定型为圆筒状。为了在试验过程中能顺利移入或移出所述磁屏蔽体2，本实施例中，磁屏蔽体2优选直径为15cm，高度为25cm的圆筒状。

由所述电流母线3和直流电流源1围合的区域是本发明测量直流磁屏蔽效能的主要区域，一般选取所述区域的中心位置为测量点。本实施例中，如图1和图2中所示，测量点A选取所述电流母线3的圆心位置，所述磁场探测仪用于测量磁场强度，所述磁场探测仪的探针固定设置在测量点A。所述磁场探测仪分高、中、低三个量程，测量范围：(0-2)T，分辨率为100nT，覆盖本实施例所能达到的安匝数(0-5000)AT范围所对应的磁场，测量结果的不确定度优于0.2％。

相应于上述的直流磁屏蔽效能的测量装置，本发明还提供了一种直流磁屏蔽效能的测量方法。该方法使用上述的测量装置，对没有磁屏蔽体2和设有磁屏蔽体2的同一测量点分别测量磁感应强度，并通过计算求得测量点的直流磁屏蔽效能。选取由所述电流母线3和直流电流源1围合的区域的中心位置为测量点A。测量直流磁屏蔽效能的具体操作如下：

将所述磁场探测仪的探头固定在所述测量点A，保持不移动；

取走所述磁屏蔽体2，使用所述磁场探测仪测量测量点A的磁感应强度B；

将所述磁屏蔽体2轻轻移入磁场中测量点A的位置，令所述磁场探测仪的探头位于所述磁屏蔽体2的内部，使用所述磁场探测仪再次测量测量点A的磁感应强度B’；

计算直流磁屏蔽效能S，S的计算公式为：

其中，S为直流磁屏蔽效能，B为测量点A无磁屏蔽时的磁感应强度，B’为测量点A有磁屏蔽时的磁感应强度。

本实施例着重考察磁屏蔽体2水平设置于磁场中(图1)和竖直设置于磁场中(图2)两种情况下的磁场屏蔽效能。图1中，外加磁场方向与磁屏蔽体2的轴线垂直；图2中，外加磁场方向与磁屏蔽体2的轴线平行。下列的表1和表2分别列出了按图1和图2测量直流磁屏蔽效能的结果。表1和表2中，B为无磁屏蔽时的磁感应强度，B’₁为磁屏蔽体的材料为坡莫合金时的磁感应强度，B’₂为磁屏蔽体的材料为硅钢片时的磁感应强度。

表1 外加磁场方向与磁屏蔽体的轴线垂直时的直流磁屏蔽效能

表2 外加磁场方向与磁屏蔽体的轴线平行时的直流磁屏蔽效能

由表1和表2可知，电流母线的安匝数(电流母线与绕制匝数的乘积)、磁屏蔽体的层数(相当于磁屏蔽体有效厚度)和磁屏蔽体摆放的方向都对直流磁屏蔽效能有影响。实际应用时可根据试验目的调整上述参数。

本发明适用于任何磁屏蔽材料的直流磁屏蔽效能测量，磁屏蔽体在磁场中的位置可调，直流磁屏蔽效能的探测点亦可变。

上述的直流磁屏蔽效能测量装置及相应的测量方法准确、高效、易行，能提供稳定度高、范围宽的直流磁场，还原直流电流比较仪(DCC)测量时屏蔽铁芯的实际工作环境，能测量任意位置轴向和径向磁场直流磁屏蔽效能，为完善磁屏蔽设计提供可靠、充分的数据支撑，从而提高DCC的比例准确度。经试验表明，本发明直流磁屏蔽效能的测量方法有效解决了测量过程繁琐、测量结果误差大的技术问题。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种直流磁屏蔽效能的测量装置，其特征在于，包括：

直流电流源(1)，为所述测量装置提供直流电源；

电流母线(3)，跨接于所述直流电流源(1)输出端的正负极之间，与所述直流电流源(1)共同形成闭合回路；

磁屏蔽体(2)，设置于由所述电流母线(3)和直流电流源(1)围合的磁场中；以及

磁场探测仪，用于测量所述磁场的强度。

2.如权利要求1所述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其特征在于，所述电流母线(3)为单匝或多匝绕制。

3.如权利要求1所述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽体(2)为圆筒状。

4.如权利要求1所述的直流磁屏蔽效能的测量装置，其特征在于，所述直流电流源(1)为连续可调电源，输出电流可调范围为0.1A～1000A，稳定度优于1×10^-5/分钟，准确度优于1×10^-4。

5.如权利要求1-4所述的任一直流磁屏蔽效能的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽体(2)由软磁合金板卷绕而成。

6.一种直流磁屏蔽效能的测量方法，其特征在于，采用上述权利要求1～5任一项所述的装置进行磁屏蔽效能测量，包括：

使用所述磁场探测仪对未设置有磁屏蔽体(2)的测量点测量磁感应强度；

使用所述磁场探测仪对设置有所述磁屏蔽体(2)的所述测量点测量磁感应强度；以及

7.如权利要求6所述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其特征在于，所述直流磁屏蔽效能的计算公式为：

其中，S为直流磁屏蔽效能，B为测量点未设置所述磁屏蔽体(2)时的磁感应强度，B’为测量点设置有所述磁屏蔽体(2)时的磁感应强度。

8.如权利要求6或7所述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其特征在于，所述测量点设置于由所述电流母线(3)和直流电流源(1)围合的磁场中。

9.如权利要求6或7所述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其特征在于，所述磁屏蔽体(2)水平或竖直设置于由所述电流母线(3)和直流电流源(1)围合的磁场中。

10.如权利要求9所述的直流磁屏蔽效能的测量方法，其特征在于，所述磁屏蔽体(2)设置于由所述电流母线(3)和直流电流源(1)围合的磁场中心位置。