CN110031702A - 一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统，其包括：低温容器、绝缘支架、两根并联的超导带材、直流驱动电源、多个电流传感器、直流脉冲电源、加热电阻丝、多个铂电阻、多通道数据采集装置以及计算装置，可以获得并联结构超导带材失超传播特征。本发明还公开了一种并联结构超导带材失超传播特征的测量方法。实施本发明，可以快速准确地测量并联结构超导带材失超传播特征。

Description

一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及超导带材测量技术应用领域，具体涉及一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法。

背景技术

由于高温超导材料的超导芯为陶瓷材料，在制备，运输和绕制成电缆或磁体的过程中，难免会受到拉伸，弯曲和扭曲等应变的影响。这些应变可能会造成超导带材的局部缺陷，在电缆或磁体运行的过程中，由于局部缺陷的存在将会导致电流经过缺陷位置时会产生一定的热量，当该热量大于热传导带走的热量之后，由于局部的温升，会导致超导体在该位置由超导态转变为正常态，表现为超导体出现失超现象，进而由于自身发热、电磁耦合等原因造成失超区域扩大，最后导致整个超导装置失超。

目前对于失超传播特性的研究主要包括最小失超能量和失超传播特性两种。最小失超能量指的是不同的通流大小下，引起带材局部失超的最小外界干扰能量。目前常用的测试方法是通过在超导带材上安装电阻丝，测量引起带材失超所需的发热量。失超传播速度目前主要采用电压测量和温度测量两种。电压测量是指在待测超导带材上按照固定的间隔布置多根电压引线，通过测量引线间的电压判断两引线间的导体区域是否失超，再由各导体区域的失超时间差和引线距离计算得到待测超导带材的失超传播速度；温度测量是通过各导体区域的温度判断失超，其余操作与电压测量相同。

电压测量方法一方面要求测量点足够密集，并且根据目前国际通行的失超判别准则1微伏/厘米，还要求对多通道微伏级电压信号进行同步测量。温度测量相比电压测量更直观，但温度信号的测量速度较慢，而且低温环境下快速、准确测量温度较为困难。

由于单根超导带材承载电流的能力是有限的，在实际的使用中，需要多根带材进行并联或者复合使用。目前对超导带材的失超传播特性测试都是针对单根带材，对于多根带材并联结构的失超传播特性尚未产生公认的测试方法。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，提供一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法，可以快速准确地测量并联结构超导带材失超传播特征。

为了解决上述技术问题，本发明的一方面提供一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统，其包括：

低温容器，所述低温容器中设置有一个绝缘支架；

两根并联的超导带材，固定设置在所述绝缘支架上，所述并联的超导带材两端引出电流引线，并与一直流驱动电源相连接；

多个电流传感器，用于分别测量每一超导带材以及两根超导带材并联后的电流；

直流脉冲电源，连接有一加热电阻丝，所述加热电阻丝固定设置于其中一个超导带材上；

多个铂电阻，间隔设置与每一超导带材上；

多通道数据采集装置，与间隔设置于每一超导带材上的多根电压引线、铂电阻相连接，用于采集获得每一超导带材上每一间隔的电压差、温度差；

计算装置，用于根据所述多通道数据采集装置采集的电压差或/及温度差，来计算获得所述并联结构超导带材失超传播特征。

优选地，通过所述直流脉冲电源使所述加热电阻丝加热，在待测超导带材上产生一个初始局部热点，根据最小失超时电阻丝的总发热量获得所述并联结构超导带材的最小失超能量。

优选地，所述绝缘支架为环氧材料制作而成的绝缘板，其两端分别安装有两个铜排作为电流引线接口，每一待测超导带材两端分别与一铜排固定连接；

在所述安装有待测超导带材的绝缘支架外围包裹有绝热材料；

在所述低温容器内注入有液氮，且液氮液面高于待测超导带材。

优选地，所述电流传感器的数量比所述待测超导带材多一个，其中，每一待测超导带材分别连接有一个电流传感器，且并联后的待测超导带材连接一个电流传感器，且所述多个电流传感器的型号规格相同。

优选地，所述的多通道数据采集装置与各电压引线、铂电阻、电流传感器相连，用于同步采集各电压引线的输出。

优选地，所述的铂电阻采用低温胶固定在待测超导带材表面，用于监测超导带材的冷却过程，并作为检测超导体失超的备用手段。

优选地，所述计算装置进一步根据所述多通道数据采集装置同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流和各测量间隔的电压，结合待测间隔区间的长度，将待测超导带材的间隔区域长度除以相邻测量间隔达到失超状态的时间差，从而得到待测并联结构超导带材的失超传播速度。

相应地，本发明的另一方面，还提供一种测量并联结构超导带材失超传播特征的方法，其采用前述的测量并联结构超导带材失超传播特征的系统来实现，所述方法包括如下步骤：

步骤S10，向低温容器内注入液氮，观察铂电阻的测量温度是否接近临界温度，确保待测超导带材降温到进入超导态；

步骤S11，通过电流引线依次给每根待测超导带材加一个上升率较低的小电流，记录每根待测超导带材的临界电流，以及并联结构超导带材的总临界电流；

步骤S12，在临界电流测试后等待待测超导带材冷却预定时间，通过电流引线给待测超导体通接近临界电流的电流，然后在电阻丝上施加一个短时间的脉冲电流，观察待测区域是否失超；若带材未失超则增大脉冲电流，若带材失超则减小脉冲电流，直至找到使带材失超的最小脉冲电流，此时的电阻丝发热量即为最小失超能量；

步骤S13，电阻丝发热使得待测超导带材失超，各待测间隔区域逐步失超，导致待测超导带材电压升高；

步骤S14，通过多通道数据采集装置同步采集各带材的电流和各测量区域的电压及温度，结合待测间隔区间的长度，则可以计算获得待测超导带材的失超传播速度。

优选地，所述步骤S14具体包括：

根据所述多通道数据采集装置同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流和各测量间隔的电压，结合待测间隔区间的长度，将待测超导带材的间隔区域长度除以相邻测量间隔达到失超状态的时间差，从而得到待测并联结构超导带材的失超传播速度。

优选地，所述临界温度为77K (-196.15℃) ；所述上升率较低小电流具体为不超过0.3A/s； 所述临界电流为电压达到1微伏/厘米时的电流值；所述接近临界电流的电流为30%~80%的临界电流；所述预定时间为3~5min。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明提供的一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法，结合了电压测量和温度测量两种失超测试方法，温度测量不仅可以辅助判断超导带材是否失超，还可以监测待测带材的冷却情况，确保整个测试均处于超导态。本发明的测量装置为多根并联结构的超导带材失超传播特性提供了一种可行的测试方法，相对于针对单根超导带材进行失超传播测试，测试结果对实际的超导装置更具有参考价值；

本发明通过在两根并联连接超导带材的其中一根上安装电阻丝，测量产生局部热点的超导带材以及与其并联的其他带材的失超传播速度，本发明采用在待测超导带材上沿固定间隔布置电压引线，以其电压变化为依据作为失超判别准则，同时在每两根电流引线中间安装一个铂电阻，以温度作为辅助失超判别标准，可以测试并联结构带材在出现局部热点时其他正常通流带材的分流情况，需要分别测量并联结构中每根带材所通电流，测量准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中低温容器中更详细的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统的一个实施例的结构示意图；一并结合图2所示，在本实施例中，所述系统包括：

低温容器1，所述低温容器1中设置有一个绝缘支架15；在一个例子中，所述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10；低温容器尺寸可依据待测超导带材10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；

两根并联的超导带材10，固定设置在所述绝缘支架15上，所述并联的超导带材两端引出电流引线7，并与一直流驱动电源3相连接，所述直流驱动电源3为并联的超导带材10提供其稳态运行所需的驱动电流，具体地，在一个例子中，所述绝缘支架15为环氧材料制作而成的绝缘板，其两端分别安装有两个铜排16作为电流引线的接口，每一待测超导带材10两端分别与一铜排16固定连接；可以理解的是，采用环氧制作的绝缘板，由于绝缘板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10会发生应力变化；

多个电流传感器13，用于分别测量每一超导带材10以及两根超导带材并联后的电流，具体地，所述电流传感器13的数量比所述待测超导带材10多一个，其中，每一待测超导带材10分别连接有一个电流传感器13，且并联后的待测超导带材13连接一个电流传感器，且所述多个电流传感器13的型号规格相同，避免对并联超导体的分流情况产生影响；在本实施例中，所述待测超导带材10的数量为两个，故所述电流传感器13的数量为三个；

直流脉冲电源2，连接有一加热电阻丝12，所述加热电阻丝12固定设置于其中一个超导带材10上；

多个铂电阻11，间隔设置与每一超导带材10上；

多通道数据采集装置7，与间隔设置于每一超导带材上的多根电压引线6、铂电阻11相连接，用于采集获得每一超导带材上每一间隔的电压差、温度差；在一个实施例中，所述多通道数据采集装置7可以选用Keithey 3706多通道数据采集装置，其最高可检测10nV直流电压，能够满足测试要求；

计算装置5，用于根据所述多通道数据采集装置7采集的电压差或/及温度差，来计算获得所述并联结构超导带材的失超传播特征。

可以理解的是，所述的电压引线6是沿待测超导带材4长度方向上按照预定的间隔焊接或用导电胶粘结在待测超导带材10表面，用于测量待测超导带材失超时的电压。具体地，随着失超的传播，各测量间隔内待测超导带材10逐渐出现电阻，其上连接的电压引线6测得的电压逐渐升高。 例如，对于临界电流150A 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。如选择总长为20cm的超导带材，电压引线间隔选择3cm。 此时，当检测到带材电压升高量达到3微伏时可认为带材失超。通过多通道数据采集装置4连续同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流以及各测量间隔的电压，则可以得到不同时刻超导体各间隔所处的状态。各测量间隔的失超判断标准为电压上升量达到1微伏/厘米×间隔距离。由于商业化的多通道数据采集装置测量电压精度可以达到納伏级，因此可以准确测量出各测量间隔的电压变化构成，进而根据间隔长度、各间隔电压上升量达到失超标准的时间，则能够得到整个测量长度不同时刻待测并联结构超导带材10失超传播的动态特性及其传播速度。

更加具体地，通过所述直流脉冲电源2使所述加热电阻丝2加热，在待测超导带材上产生一个初始局部热点，根据最小失超时电阻丝的总发热量获得所述并联结构超导带材的最小失超能量。

在所述安装有待测超导带材10的绝缘支架15外围包裹有绝热材料（未示出），具体地，可以是诸如泡沫板，以保证与外界的电热绝缘；所述的泡沫板完全包裹安装完待测超导带材10的绝缘板15，用于增强绝热能力，确保加热电阻丝12产生的热量大部分作用于待测超导带材10，提高最小失超能量的测量精度。

在所述低温容器1内注入有液氮，且液氮液面高于待测超导带材10，例如至少高出1-2cm。所述液氮用于为待测超导带材10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10。

具体地，所述的多通道数据采集装置4与各电压引线、铂电阻、电流传感器相连，用于同步采集各电压引线6的输出、各铂电阻11的输出以及各电流传感器13的输出。

具体地，所述的铂电阻11采用低温胶固定在待测超导带材10表面，用于监测超导带材的冷却过程，负责监测待测样品的温度是否达到超导要求以及辅助判断各测量间隔的状态，以作为检测超导体失超的备用手段。可以理解的是，在其他一些实施例中，所述铂电阻11也可以不连接多通道数据采集装置4，而单独连接温度记录仪。

具体地，在本发明实施例中，所述计算装置进一步根据所述多通道数据采集装置采集的电压差、各电压引线输出信号的延时和待测超导带材间隔长度，计算出所述并联结构超导带材的失超传播速度。

可以理解的是，本发明实施例同时提供一种测量并联结构超导带材失超传播特征的方法，其采用前述图1和图2描述的一种测量并联结构超导带材失超传播特征的系统来实现，所述方法包括如下步骤：

步骤S10，向低温容器内注入液氮，观察铂电阻的测量温度是否接近77K(-196.15℃)，确保待测超导带材降温到进入超导态；当所有测温数值达到77K后开始实验。

步骤S11，通过电流引线依次给每根待测超导带材加一个上升率较低（不超过0.3A/s）的小电流，记录带材电压达到1微伏/厘米时的电流值，即带材的临界电流。最后按照以上操作测量并联结构超导带材的总临界电流；

步骤S12，临界电流测试后等待待测超导带材冷却3~5min，通过电流引线给待测超导体通接近临界电流的电流（约30%~80%临界电流），然后在电阻丝上施加一个短时间的脉冲电流，观察待测区域是否失超。若带材未失超则增大脉冲电流，若带材失超则减小脉冲电流，直至找到使带材失超的最小脉冲电流，此时的电阻丝发热量即为最小失超能量；

步骤S13，电阻丝发热使得待测超导带材失超，各待测间隔区域逐步失超，导致待测超导带材电压升高；

步骤S14，多通道数据采集装置同步采集各带材的电流和各测量区域的电压及温度，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。具体地，多通道数据采集装置4同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流和各测量间隔的电压（如图2中的U1-U8），结合待测间隔区间的长度，将待测超导带材10的间隔区域长度除以相邻测量间隔达到失超状态的时间差，则可以得到待测并联结构超导带材10的失超传播速度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明提供的一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统及方法，结合了电压测量和温度测量两种失超测试方法，温度测量不仅可以辅助判断超导带材是否失超，还可以监测待测带材的冷却情况，确保整个测试均处于超导态。本发明的测量装置为多根并联结构的超导带材失超传播特性提供了一种可行的测试方法，相对于针对单根超导带材进行失超传播测试，测试结果对实际的超导装置更具有参考价值；

本发明通过在两根并联连接超导带材的其中一根上安装电阻丝，测量产生局部热点的超导带材以及与其并联的其他带材的失超传播速度，本发明采用在待测超导带材上沿固定间隔布置电压引线，以其电压变化为依据作为失超判别准则，同时在每两根电流引线中间安装一个铂电阻，以温度作为辅助失超判别标准，可以测试并联结构带材在出现局部热点时其他正常通流带材的分流情况，需要分别测量并联结构中每根带材所通电流，测量准确可靠。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种并联结构超导带材失超传播特征的测量系统，其特征在于，包括：

低温容器，所述低温容器中设置有一个绝缘支架；

两根并联的超导带材，固定设置在所述绝缘支架上，所述并联的超导带材两端引出电流引线，并与一直流驱动电源相连接；

多个电流传感器，用于分别测量每一超导带材以及两根超导带材并联后的电流；

直流脉冲电源，连接有一加热电阻丝，所述加热电阻丝固定设置于其中一个超导带材上；

多个铂电阻，间隔设置与每一超导带材上；

多通道数据采集装置，与间隔设置于每一超导带材上的多根电压引线、铂电阻相连接，用于采集获得每一超导带材上每一间隔的电压差、温度差；

计算装置，用于根据所述多通道数据采集装置采集的电压差或/及温度差，来计算获得所述并联结构超导带材失超传播特征。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过所述直流脉冲电源使所述加热电阻丝加热，在待测超导带材上产生一个初始局部热点，根据最小失超时电阻丝的总发热量获得所述并联结构超导带材的最小失超能量。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述绝缘支架为环氧材料制作而成的绝缘板，其两端分别安装有两个铜排作为电流引线接口，每一待测超导带材两端分别与一铜排固定连接；

在所述安装有待测超导带材的绝缘支架外围包裹有绝热材料；

在所述低温容器内注入有液氮，且液氮液面高于待测超导带材。

4.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述电流传感器的数量比所述待测超导带材多一个，其中，每一待测超导带材分别连接有一个电流传感器，且并联后的待测超导带材连接一个电流传感器，且所述多个电流传感器的型号规格相同。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的多通道数据采集装置与各电压引线、铂电阻、电流传感器相连，用于同步采集各电压引线的输出。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的铂电阻采用低温胶固定在待测超导带材表面。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述计算装置进一步根据所述多通道数据采集装置同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流和各测量间隔的电压，结合待测间隔区间的长度，将待测超导带材的间隔区域长度除以相邻测量间隔达到失超状态的时间差，从而得到待测并联结构超导带材的失超传播速度。

8.一种测量并联结构超导带材失超传播特征的方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项的测量并联结构超导带材失超传播特征的系统来实现，所述方法包括如下步骤：

步骤S10，向低温容器内注入液氮，观察铂电阻的测量温度是否接近临界温度，确保待测超导带材降温到进入超导态；

步骤S11，通过电流引线依次给每根待测超导带材加一个上升率较低的小电流，记录每根待测超导带材的临界电流，以及并联结构超导带材的总临界电流；

步骤S12，在临界电流测试后等待待测超导带材冷却预定时间，通过电流引线给待测超导体通接近临界电流的电流，然后在电阻丝上施加一个短时间的脉冲电流，观察待测区域是否失超；若带材未失超则增大脉冲电流，若带材失超则减小脉冲电流，直至找到使带材失超的最小脉冲电流，此时的电阻丝发热量即为最小失超能量；

步骤S13，电阻丝发热使得待测超导带材失超，各待测间隔区域逐步失超，导致待测超导带材电压升高；

步骤S14，通过多通道数据采集装置同步采集各带材的电流和各测量区域的电压及温度，结合待测间隔区间的长度，则可以计算获得待测超导带材的失超传播速度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S14具体包括：

根据所述多通道数据采集装置同步采集并联结构超导带材的总电流、每根待测带材的电流和各测量间隔的电压，结合待测间隔区间的长度，将待测超导带材的间隔区域长度除以相邻测量间隔达到失超状态的时间差，从而得到待测并联结构超导带材的失超传播速度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述临界温度为77K；所述上升率较低小电流具体为不超过0.3A/s； 所述临界电流为电压达到1微伏/厘米时的电流值；所述接近临界电流的电流为30%~80%的临界电流；所述预定时间为3~5min。