CN111830326A - 适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置及系统。该测量装置包括施加电流机构、样片压紧机构、测量平台、热电偶和测量电压机构。该系统包括所述的测量装置、数字信号处理单元、温度控制单元和数据采集单元；所述数字信号处理单元分别与温度控制单元和数据采集单元连接；测量装置放置于温度控制单元内部，用于控制样片的温度；测量装置的热电偶、电流引线和电压引线分别与数据采集单元连接。本发明对所测材料种类做了进一步拓展，并将温度工况整合到一个测量系统中，能够实现常规条件和施加不同温度条件下各种尺寸、不同种类的带状电工材料的电导率测量，测量结果准确，对后续工序具有指导意义。

Description

适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置及系统

技术领域

本发明涉及电工材料电导率测量领域，具体一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置及系统。

背景技术

在电工领域，磁性材料与相关的金属合金类材料的电学参数如电导率等对于电工装备的整体性能有着极为重要的影响，由电学参数可直接影响到铜耗及相关铁芯损耗的大小。此外，由于电磁耦合的不可分割性，与材料电导率密切相关的涡流效应会对装置中的磁性材料等磁场环境产生较为严重的影响。这些因素的改变将带来装备的温升与散热以及绝缘寿命等各种问题。

对于实际工况条件下的电工装备，可能时刻处于不同的温度环境中，这将会导致电工材料的电导率等电学参数发生相应的改变，进而对涡流效应等产生不同程度的影响，引起损耗变化及装置的整体性能发生相应的波动。在不同温度下测量得到的金属及合金材料电导率能够替换目前有限元软件中所使用的恒定的电导率参数，提升计算准确性和性能预测水平。

目前已有的电导率测量设备对于样品形状及材料本质属性的要求较高，需要专门定制相应形状的材料样品，不利于提升实验室及工程实际的工作效率。同时，对于已有的测量装置大都不能兼顾材料种类的多样性，不适用于其他尺寸规格以及较薄、较脆等其他物理特性各异的材料，测量样品种类较为单一，且存在不同工况条件下的测量设备较少、温度施加峰值难以满足实际需要等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置及系统。

本发明解决所述测量装置技术问题的技术方案是，提供一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于该测量装置包括施加电流机构、样片压紧机构、测量平台、热电偶和测量电压机构；所述施加电流机构包括压杆调节座、高度调节螺丝、压杆、通电机构和调节座固定螺丝；

两个压杆调节座通过调节座固定螺丝固定于测量平台的两侧；至少两根压杆设置于两个压杆调节座之间，压杆的两端分别伸入其两端的压杆调节座中；高度调节螺丝螺纹连接于压杆调节座中，端部与各自的压杆的端部接触，用于调节压杆在压杆调节座中的高度位置；两个通电机构设置于两个压杆调节座之间，顶部与压杆绝缘接触，底部与样片导电接触，用于对样片施加电流；

至少一个热电偶放置于测量平台上，位于两个压杆调节座之间，用于测量样片的准确温度；测量平台上设置有样片压紧机构滑槽和测量电压机构滑槽；至少一个样片压紧机构可滑动地安装于样片压紧机构滑槽中，能够沿样片压紧机构滑槽滑动并定位于适当位置，用于压紧样片，保证样片的平整和固定；两个测量电压机构可滑动地安装于测量电压机构滑槽中，能够沿测量电压机构滑槽滑动并定位于适当位置，用于测量样片的电压。

本发明解决所述测量系统技术问题的技术方案是，提供一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量系统，其特征在于该测量系统包括所述的测量装置、数字信号处理单元、温度控制单元和数据采集单元；所述数字信号处理单元分别与温度控制单元和数据采集单元连接；测量装置放置于温度控制单元内部，用于控制样片的温度；测量装置的热电偶、电流引线和电压引线分别与数据采集单元连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本测量系统基于国际标准IEC404-13所述的范德堡四点法带材电导率测量原理，对所测材料种类做了进一步拓展，并将温度工况整合到一个测量系统中，能够实现常规条件和施加不同温度条件下各种尺寸、不同种类的带状电工材料的电导率测量，测量结果准确，对后续工序具有指导意义。

(2)本发明所测样品材料种类为适用于国际标准IEC60404-2(国家标准为GB/T3655-2008)的爱波斯坦方圈(300mm×30mm)样品尺寸或不同宽度、长度的各种类型电工硅钢片、铁氧体、非晶及纳米晶合金等一系列带状电工材料及其他金属材料，导磁材料与非导磁材料均可测量，免去需另外制作特定尺寸硅钢片样品的繁琐过程。同时对于材料的不同宽度及长度具有较好的适用范围，从而解决了非晶及纳米晶合金等样品制作难度较大、难以适配测量装置要求的问题，使得测量约束性减弱，更加便于测量。

(3)施加电流机构采用双端同步固定方式，通过压杆调节座与高度调节螺丝的配合共同调节压杆对通电机构中的弹簧的压力，进而控制通电块与样片贴合的紧密程度，同时可以通过改变压杆对通电块两端的压力解决因样片与通电块宽度不一致导致的不能完全水平贴合的问题。

(4)样片压紧机构通过自身的压块底座螺丝与测量平台中的燕尾槽配合可以自由调节样片压紧机构的位置，以适应不同样片的尺寸和施加电流机构的位置，同时压块底座与旋转调节螺丝的螺纹连接口为开放式结构，可根据样片厚度调节样片压块的水平高度以保证其与样片的紧密贴合。

(5)测量电压机构采用灵活可控的可移动结构，可以在底座燕尾槽上进行位置调节以满足不同的测量需要；其次，导电块相对样片边缘的贴合紧密程度可通过导电块固定螺母灵活调节，这样可根据样片的材质特性适度调节贴合的紧密，防止材料形变或破碎；同时导电块采用等腰直角三角形结构，两边的直角边靠近内侧以扩大测量范围，可有效提高样品尺寸的适应程度。

(6)为了更好的适应材料样品的不同宽度，增加测量的可靠性，减小因通电机构与样片接触不牢固造成的测量误差，本发明将通电机构的上部设计成可以嵌入压杆的直角形状以便能够固定通电机构的位置避免夹紧时的上下摆动，另外将通电块下部与样片接触的区域设计成圆形倒角形状以便更好的贴合样品的端部，保证与非绝缘面的良好接触。

(7)本发明为了确保测量在特定温度下的材料电导率，在测量平台上表面嵌入了多个耐温最高可达980℃的XS-K-20-IB二氧化硅K型热电偶，为了保证能够监测不同尺寸的样品温度，设置了不同的位置分布，用于实时测量并反馈给数据处理单元样片当前的温度大小。

附图说明

图1为本发明一种实施例的测量系统结构示意框图；

图2为本发明一种实施例的测量装置的整体结构立体示意图；

图3为本发明一种实施例的测量装置的整体结构俯视示意图；

图4为本发明一种实施例的施加电流机构的结构示意图；

图5为本发明一种实施例的通电机构的结构示意图；

图6为本发明一种实施例的样片压紧机构的结构示意图；

图7为本发明一种实施例的测量电压机构的结构示意图。

图中1、测量装置；2、数字信号处理单元；3、温度控制单元；4、数据采集单元；5、样片；

11、施加电流机构；12、样片压紧机构；13、测量平台；14、热电偶；15、测量电压机构；

111、压杆调节座；112、高度调节螺丝；113、压杆；114、通电机构；115、调节座固定螺丝；

121、样片压块；122、旋转调节螺丝；123、压块底座螺丝；124、压块底座；125、压块底座螺母；

131、样片压紧机构滑槽；132、测量电压机构滑槽；

151、电压引线固定螺丝；152、电压引线；153、导电块绝缘底座；154、导电块绝缘底座螺丝；155、导电块绝缘底座螺母；156、导电块固定螺母；157、导电块；

1141、绝缘伸缩固定杆；1142、压杆支撑块；1143、弹簧绝缘底座；1144、弹簧；1145、电流引线固定螺丝；1146、电流引线；1147、通电块。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种适用于不同温度下带状电工材料的电导率测量装置(简称测量装置)，其特征在于该测量装置1包括施加电流机构11、样片压紧机构12、测量平台13、热电偶14和测量电压机构15；所述施加电流机构11包括压杆调节座111、高度调节螺丝112、压杆113、通电机构114和调节座固定螺丝115；

两个压杆调节座111通过调节座固定螺丝115固定于测量平台13的两侧；至少两根压杆113设置于两个压杆调节座111之间，压杆113的两端分别伸入其两端的压杆调节座111中；高度调节螺丝112螺纹连接于压杆调节座111中，端部与各自的压杆113的端部接触，用于调节压杆113在压杆调节座111中的高度位置；两个通电机构114设置于两个压杆调节座111之间，顶部与压杆113绝缘接触，底部与样片5导电接触，用于对样片5施加电流；通过高度调节螺丝112的调节，压杆113在压杆调节座111内竖直上下移动，压紧或松弛通电机构114，进而实现通电机构114与样片5的接触通电或者分离断电；

至少一个热电偶14放置于测量平台13的凹槽内，均布于两个压杆调节座111之间，用于测量样片5的准确温度，保证样片5温度均匀；测量平台13上设置有样片压紧机构滑槽131和测量电压机构滑槽132；至少一个样片压紧机构12可滑动地安装于样片压紧机构滑槽131中，能够沿样片压紧机构滑槽131滑动并定位于适当位置，用于压紧样片5，保证样片5的平整和固定；两个测量电压机构15可滑动地安装于测量电压机构滑槽132中，能够沿测量电压机构滑槽132滑动并定位于适当位置，用于测量样片5的电压。

优选地，样片压紧机构12位于两个通电机构114之间；两个测量电压机构15均位于两个通电机构114之间。

优选地，测量时，两个测量电压机构15位于样片5的一侧，与样片5接触的测量点位于同一条水平线上；样片5的中轴线与两个测量电压机构15的对称轴和两个通电机构114的对称轴均共线。

优选地，所述通电机构114包括绝缘伸缩固定杆1141、压杆支撑块1142、弹簧绝缘底座1143、弹簧1144、电流引线固定螺丝1145、电流引线1146和通电块1147；电流引线1146通过电流引线固定螺丝1145固定于通电块1147上；至少两个弹簧绝缘底座1143各自通过至少两个绝缘伸缩固定杆1141固定于通电块1147上；压杆支撑块1142可滑动地安装于绝缘伸缩固定杆1141上，分别通过绝缘伸缩固定杆1141的端部和弹簧绝缘底座1143限位；若干个弹簧1144均匀设置于压杆支撑块1142和弹簧绝缘底座1143之间，一端放置于弹簧绝缘底座1143的弹簧放置孔中，另一端与压杆支撑块1142接触。

优选地，通电块1147上设置有导电的凸台；凸台为断路结构，绝缘伸缩固定杆1141连接于凸台中；绝缘伸缩固定杆1141连接于凸台上，而不是通电块1147，这样设计能够尽量避免由于固定弹簧绝缘底座1143及以上的部件与通电块1147的连接导致对通电块1147通电部分的结构干扰，确保电流信号较好的传导至样片两侧非绝缘区域。

优选地，至少两个弹簧绝缘底座1143位于电流引线1146的两侧；弹簧1144设置于绝缘伸缩固定杆1141之间；压杆支撑块1142的数量与压杆113的数量相同。

优选地，所述样片压紧机构12包括样片压块121、旋转调节螺丝122、压块底座螺丝123、压块底座124和压块底座螺母125；压块底座螺丝123穿过压块底座124，末端螺纹连接有压块底座螺母125；样片压紧机构滑槽131为燕尾槽，压块底座螺母125和压块底座124的底部放置于样片压紧机构滑槽131中，通过压块底座螺丝123的松紧状态实现压块底座螺母125和压块底座124的底部沿样片压紧机构滑槽131的滑动并定位于适当位置；样片压块121通过旋转调节螺丝122可转动地安装于压块底座124中，通过旋转调节螺丝122的松紧状态实现样片压块121沿旋转调节螺丝122的转动并定位于适当位置，用于压紧或者松弛样片5。

优选地，所述测量电压机构15包括电压引线固定螺丝151、电压引线152、导电块绝缘固定底座153、导电块绝缘底座螺丝154、导电块绝缘底座螺母155、导电块固定螺母156和导电块157；电压引线152通过电压引线固定螺丝151固定于导电块157上；导电块157的一侧面上设置有螺纹圆柱(根据电流流通的规律，螺纹圆柱不会影响电压信号的正常采集)，螺纹连接于导电块绝缘固定底座153上，末端设置有导电块固定螺母156；导电块绝缘底座螺丝154穿过导电块绝缘固定底座153，末端螺纹连接有导电块绝缘底座螺母155；测量电压机构滑槽132为燕尾槽，导电块绝缘底座螺母155和导电块绝缘底座153的底部放置于测量电压机构滑槽132中，通过导电块绝缘底座螺丝154的松紧状态实现导电块绝缘底座螺母155和导电块绝缘底座153的底部沿测量电压机构滑槽132的滑动并定位于适当位置。

优选地，导电块157的截面为三角形，尖端与样片5接触，接触面积小易于接触，使得测量结果更加准确。

优选地，压杆调节座111、高度调节螺丝112、压杆113、绝缘伸缩固定杆1141、压杆支撑块1142、弹簧绝缘底座1143、调节座固定螺丝115、样片压块121、压块底座螺丝123、压块底座124、压块底座螺母125、测量平台13、样片压块14、导电块绝缘底座153、导电块绝缘底座螺丝154、导电块绝缘底座螺母155和导电块固定螺母156均选用具有高硬度、高热导率、绝缘破坏强度大且耐温最高达1500℃的陶瓷材质(优选氧化铝99瓷)，该材料可承载较强的机械强度和导热性，保证在测量过程中最大限度的减小误差。

优选地，弹簧1144和旋转调节螺丝122选用机械强度高、耐高温的304不锈钢材质。

优选地，通电块1147、电流引线固定螺丝1145、电流引线1146、导电块157、电压引线固定螺丝151和电压引线152选用具有良好导电性和导热性的紫铜材质(工业纯铜)，该材料极大的电导率能够最大限度的减小对所测样片电导率精确性的影响。

优选地，热电偶14选用耐温最高可达980℃的XS-K-20-IB二氧化硅K型热电偶，可用于极端温度下材料电导率的测量。

本发明同时提供了一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量系统(简称测量系统)，其特征在于该测量系统包括所述测量装置1、数字信号处理单元2、温度控制单元3和数据采集单元4；所述数字信号处理单元2分别与温度控制单元3和数据采集单元4连接；测量装置1放置于温度控制单元3内部，用于控制样片5的温度；测量装置1的热电偶14、电流引线1146和电压引线152分别与数据采集单元4连接；

所述数字信号处理单元2是安装有LabVIEW软件的NI计算机或电脑等上位机，用于分析处理通过数据采集单元4传来的电压和电流数据，计算出当前材料的电导率；同时对热电偶14测得的样片5所加温度数据进行分析，与数字信号处理单元2中的温度预设值进行对比，进而通过温度控制单元3对测量装置1的环境温度进行控制，达到控制样片5温度的目的；

优选地，温度控制单元3为苏珀DHG500-03高温加热箱；

优选地，数据采集单元4为Keithley Model 2002八位半高精度数字万用表，具有范德堡四点测量电阻的功能，即两个输出端口能够作为恒流源输出端通过通电机构114给样片5的两端施加均匀的电流信号，两个输入端口通过测量电压机构15在样片5的一侧的一定距离处进行高精度电压测量，并将测量的电信号由数据采集单元4传输至数字信号处理单元2，能够满足范德堡四点测量法的要求。

本发明的工作原理和工作流程是：

测量前，将样片5放置于测量平台13的载物台上，用耐高温绝缘胶带将热电偶14与样片5电隔离，且样片5的非绝缘区域(优选边缘的非绝缘区域)与导电块157接触良好；移动测量电压机构滑槽132内的导电块绝缘底座螺母155以调节好两个测量电压机构15的距离，旋紧导电块绝缘底座螺丝154以固定其位置；移动样片压紧机构滑槽131内的压块底座螺母125至样片5的上方，旋紧压块底座螺丝123以固定其位置；将样片压块121压紧于样片5上并通过旋转调节螺丝122旋紧，实现样片压紧机构12将样片5压紧固定，保持样片5的位置和形状不轻易发生改变；旋松高度调节螺丝112，使得通电机构114能够移动至其通电块1147与样片5的非绝缘区域(优选两端的非绝缘区域)能够接触的位置；旋紧高度调节螺丝112，使得压杆113压紧通电机构114通过弹簧1144的弹力进而使得通电块1147与样片5的非绝缘区域(优选两端的非绝缘区域)接触良好；

测量时，将测量装置1整体放入温度控制单元3中，然后将电流引线1146和电压引线152引出并连接数据采集单元4；在数字信号处理单元2中设定温度预设值，将数字信号转换为模拟信号传递给温度控制单元3用于对测量装置1的温度进行控制，对样片5进行加热操作；同时热电偶14实时测量样片5的温度值并通过数据采集单元4反馈给数字信号处理单元2，使用LabVIEW软件进行运算产生调节信号，再次传递给温度控制单元3对测量装置1的温度进行PID调节控制；当样片5上的温度值到达预设值后，数据采集单元4通过电流引线1146和通电块1147在样片5的两端施加特定大小的恒定电流值信号，通过两个导电块157测量电压值，将测量的电信号由数据采集单元4传输至数字信号处理单元2经LabVIEW软件进行数据处理后，得出材料在特定温度条件下的电导率值。

通过改变温度预设值，可以得到不同温度条件下对应的电导率值，得出温度与电导率的关系。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于该测量装置包括施加电流机构、样片压紧机构、测量平台、热电偶和测量电压机构；所述施加电流机构包括压杆调节座、高度调节螺丝、压杆、通电机构和调节座固定螺丝；

两个压杆调节座通过调节座固定螺丝固定于测量平台的两侧；至少两根压杆设置于两个压杆调节座之间，压杆的两端分别伸入其两端的压杆调节座中；高度调节螺丝螺纹连接于压杆调节座中，端部与各自的压杆的端部接触，用于调节压杆在压杆调节座中的高度位置；两个通电机构设置于两个压杆调节座之间，顶部与压杆绝缘接触，底部与样片导电接触，用于对样片施加电流；

至少一个热电偶放置于测量平台上，位于两个压杆调节座之间，用于测量样片的准确温度；测量平台上设置有样片压紧机构滑槽和测量电压机构滑槽；至少一个样片压紧机构可滑动地安装于样片压紧机构滑槽中，能够沿样片压紧机构滑槽滑动并定位于适当位置，用于压紧样片，保证样片的平整和固定；两个测量电压机构可滑动地安装于测量电压机构滑槽中，能够沿测量电压机构滑槽滑动并定位于适当位置，用于测量样片的电压。

2.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于至少一个热电偶均匀放置于测量平台的凹槽内，位于两个压杆调节座之间，用于测量样片的准确温度。

3.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于样片压紧机构位于两个通电机构之间；两个测量电压机构均位于两个通电机构之间。

4.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于测量时，两个测量电压机构位于样片的一侧，与样片接触的测量点位于同一条水平线上；样片的中轴线与两个测量电压机构的对称轴和两个通电机构的对称轴均共线。

5.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于所述通电机构包括绝缘伸缩固定杆、压杆支撑块、弹簧绝缘底座、弹簧、电流引线固定螺丝、电流引线和通电块；电流引线通过电流引线固定螺丝固定于通电块上；至少两个弹簧绝缘底座各自通过至少两个绝缘伸缩固定杆固定于通电块上；压杆支撑块可滑动地安装于绝缘伸缩固定杆上，分别通过绝缘伸缩固定杆的端部和弹簧绝缘底座限位；若干个弹簧设置于压杆支撑块和弹簧绝缘底座之间。

6.根据权利要求5所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于通电块上设置有导电的凸台；凸台为断路结构，绝缘伸缩固定杆连接于凸台中。

7.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于至少两个弹簧绝缘底座位于电流引线的两侧；弹簧设置于绝缘伸缩固定杆之间；压杆支撑块的数量与压杆的数量相同。

8.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于所述样片压紧机构包括样片压块、旋转调节螺丝、压块底座螺丝、压块底座和压块底座螺母；压块底座螺丝穿过压块底座，末端螺纹连接有压块底座螺母；样片压紧机构滑槽为燕尾槽，压块底座螺母和压块底座的底部放置于样片压紧机构滑槽中，通过压块底座螺丝的松紧状态实现压块底座螺母和压块底座的底部沿样片压紧机构滑槽的滑动并定位于适当位置；样片压块通过旋转调节螺丝可转动地安装于压块底座中，通过旋转调节螺丝的松紧状态实现样片压块沿旋转调节螺丝的转动并定位于适当位置，用于压紧或者松弛样片。

9.根据权利要求1所述的适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量装置，其特征在于所述测量电压机构包括电压引线固定螺丝、电压引线、导电块绝缘固定底座、导电块绝缘底座螺丝、导电块绝缘底座螺母、导电块固定螺母和导电块；电压引线通过电压引线固定螺丝固定于导电块上；导电块的一侧面上设置有螺纹圆柱，螺纹连接于导电块绝缘固定底座上，末端设置有导电块固定螺母；导电块绝缘底座螺丝穿过导电块绝缘固定底座，末端螺纹连接有导电块绝缘底座螺母；测量电压机构滑槽为燕尾槽，导电块绝缘底座螺母和导电块绝缘底座的底部放置于测量电压机构滑槽中，通过导电块绝缘底座螺丝的松紧状态实现导电块绝缘底座螺母和导电块绝缘底座的底部沿测量电压机构滑槽的滑动并定位于适当位置；导电块的截面为三角形，尖端与样片接触。

10.一种适用于不同温度下的带状电工材料电导率测量系统，其特征在于该测量系统包括权利要求1-9任一所述的测量装置、数字信号处理单元、温度控制单元和数据采集单元；所述数字信号处理单元分别与温度控制单元和数据采集单元连接；测量装置放置于温度控制单元内部，用于控制样片的温度；测量装置的热电偶、电流引线和电压引线分别与数据采集单元连接。

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