CN112665762A - 一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置及方法，通过热阻丝的发热功率来标定液氮的气体流量，从而获得发热功率与对应的气体流量的拟合关系式，再通过获得不同的背景磁场下的液氮对应所蒸发的气体流量，并获得稳定状态下的液氮气体流量平均值，根据拟合关系式和液氮气体流量平均值计算得到损耗功率值，提高了测试精度，其响应速度相较于传统热测装置较为迅速，可以作为车载实时监测系统应用于磁悬浮列车上。
Description
技术领域
本申请涉及电力测量技术领域，尤其涉及一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置及方法。
背景技术
近年来，二代高温超导材料(REBCO涂层导体)因其无直流电阻损耗和高传导电流密度的特性，成为了电力设备领域的研究热点，相关应用发展迅速，如超导电缆、超导储能、超导变压器、超导限流器、超导电机等，由于其较高的上临界磁场，在强场磁体应用方面具有巨大的优势。
无绝缘线圈是由超导带材直接绕制而成，带材之间没有任何绝缘，电流可以在各个匝之间任意流动，因此，其具有较高的热稳定性和鲁棒性，在高速磁悬浮系统中具有广阔的应用前景。但是，无绝缘线圈在高速磁悬浮列车中作为动子磁体，不可避免地会在不同程度的交变磁场下运行，产生额外的交流损耗，导致设备发热加重系统制冷负担，进而影响列车运行的稳定性。因此交流损耗成为评估无绝缘线圈性能的重要指标之一。
业界内最常用且具有良好的可重复性的测试磁化交流损耗的方法有磁测法、电测法和热测法，磁测法和电测法具有较高的灵敏度和较快的响应速度，但在较为复杂的电磁环境下，磁测法和电测法的计算过程相对困难，造成测量效率低下。而热测法是通过计算损耗产生的热量来测量损耗量值，一般分为三种：通过测量液氮蒸发量来计算热量；通过测量液氮环境的温升来计算热量；通过测量流动的液氮进出口端温度差来计算热量。这几种热测法可以测量较为复杂电磁环境下的损耗量值，但都需要一定的响应时间使系统达到热平衡，且测量精度都低于电测法和磁测法。
另外，由于无绝缘线圈存在集肤效应，线圈内侧会被外侧屏蔽，内部区域的磁场会出现一个“真空区”，在无绝缘线圈通电运行的情况下，电磁环境会更加复杂。如果用磁测法来测量损耗，对霍尔探头的精度、分辨率要求较高，计算也更加复杂；如果用电测法来测量损耗，则会干扰无绝缘线圈的正常运行的的动态环境中。因此，在高速磁浮系统中，想要在磁体运行时实时监测无绝缘线圈的动态损耗，需要精度更高、响应速度更快的量热测试系统。
发明内容
本申请提供了一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置及方法，用于解决量热测试精度低且响应速度较慢的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，包括气体流量测量模块、背景磁场模块和标定模块；
所述气体流量测量模块包括密闭腔体、气体流量计、导气管和示波器；
所述密闭腔体内装有液氮和待测无绝缘线圈，所述待测无绝缘线圈浸没于所述液氮中；
所述导气管与所述密闭腔体内部连通，所述气体流量计设于所述导气管上，所述示波器的输入端与所述气体流量计的输出端电连接；
所述背景磁场模块包括空心电抗器和交流电源，所述交流电源与所述空心电抗器电连接，所述空心电抗器设于所述密闭腔体外部，以为所述待测无绝缘线圈提供背景磁场；
所述标定模块包括热阻丝和直流电源，所述热阻丝和所述直流电源电连接构成回路，所述热阻丝围绕于所述待测无绝缘线圈外周且浸没于所述密闭腔体内的所述液氮中。
优选地，所述密闭腔体由环氧材料制成。
优选地，所述密闭腔体内的所述液氮为全充满状态。
优选地，所述密闭腔体和所述空心电抗器均置于液氮环境内。
优选地，所述液氮环境内的液氮和所述密闭腔体内的所述液氮均为77K液氮。
优选地，所述热阻丝采用Cr20Ni80镍铬发热电阻丝。
优选地，所述直流电源在0～3A范围内可调。
另一方面，本申请还提供了一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法，应用上述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，包括以下步骤：
在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之前，背景磁场保持恒定，通过直流电源向热阻丝通入不同的直流电流以使所述热阻丝获得不同的发热功率，通过示波器获取液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据；
通过对所述示波器获取的所述液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据进行拟合，获得发热功率与气体流量的拟合关系式；
在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之后，所述热阻丝的发热功率保持恒定，通过交流电源向空心电抗器通入由低至高的交流电流以获得不同的背景磁场，通过所述示波器获取所述液氮在不同的背景磁场下对应所蒸发的气体流量；
当所述示波器获取的所述气体流量波动达到稳定状态时，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值；
根据所述拟合关系式和所述气体流量平均值计算损耗功率值。
优选地，所述拟合关系式为P＝31.59·ΔV+2.31，式中，P为损耗功率值，ΔV为气体流量值。
优选地，所述当所述示波器获取的所述气体流量波动达到稳定状态时，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值具体为当所述示波器获取的所述气体流量波动幅值为-0.2～0.2lpm且气体流量计的数值波动幅值为-0.1～0.1lpm范围时，则判定气体流量波动为稳定状态，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本发明提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置及方法，通过热阻丝的发热功率来标定液氮的气体流量，从而获得发热功率与对应的气体流量的拟合关系式，再通过获得不同的背景磁场下的液氮对应所蒸发的气体流量，并获得稳定状态下的液氮气体流量平均值，根据拟合关系式和液氮气体流量平均值计算得到损耗功率值，提高了测试精度，其响应速度相较于传统热测装置较为迅速，可以作为车载实时监测系统应用于磁悬浮列车上。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的气体流量计气体波动波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，包括气体流量测量模块、背景磁场模块和标定模块；
气体流量测量模块包括密闭腔体10、气体流量计11、导气管12和示波器；
密闭腔体10内装有液氮和待测无绝缘线圈13，待测无绝缘线圈13浸没于液氮中；
导气管12与密闭腔体10内部连通，气体流量计11设于导气管12上，示波器的输入端与气体流量计11的输出端电连接；
在本实施例中，密闭腔体10由环氧材料制成，同时，密闭腔体10可通过若干个环氧材料粘接而成。
同时，导气管12采用硅胶管，导气管12与密闭腔体10由卡箍连接，并在其两者的连接处添加密封封泥以保证密闭腔体10具有良好的气密性。
为了具有更好的气密性，密封腔体制作完成和连接导气管12后应放入水中，然后由进气口充气看水中是否有气泡冒出，以完成检漏过程。
在本实施例中，气体流量计11的型号为TSM-D220SY，以提高检测气体流量精度，同时，气体流量计11的固定量程为0～2公升/分钟，且量程须大于气体最大流量，优选接近于气体最大流量，以使得测量结果更精确。
在本实施例中，气体流量计11的输出信号为4～20mA电流信号，可采用标准100欧姆电阻丝转化为0.4-2V电压信号接入示波器。
背景磁场模块包括空心电抗器21和交流电源22，交流电源22与空心电抗器21电连接，空心电抗器21设于密闭腔体10外部，以为待测无绝缘线圈13提供背景磁场；
在本实施例中，空心电抗器21采用150匝的4mm×1mm扁铜线绕制固化而成，可以在液氮环境下能够获得较大的磁场，使无绝缘线圈磁化损耗发热更加明显。
同时，交流电源22可产生50Hz电流信号输入到空心电抗器21中产生交变磁场。
标定模块包括热阻丝31和直流电源32，热阻丝31和直流电源32电连接构成回路，热阻丝31围绕于待测无绝缘线圈13外周且浸没于密闭腔体10内的液氮中。
在本实施例中，热阻丝31采用Cr20Ni80镍铬发热电阻丝。
可以理解的是，Cr20Ni80镍铬发热电阻丝的发热功率较大，提高检测准确度。
在本实施例中，直流电源32在0～3A范围内可调。
进一步地，密闭腔体10内的液氮为全充满状态。
进一步地，密闭腔体10和空心电抗器21均置于液氮环境内。
可以理解的是，密闭腔体10的内外部均在在液氮环境中，以减少腔体内外的热交换，提高测量准确度。
进一步地，液氮环境内的液氮和密闭腔体10内的液氮均为77K液氮。
本实施例的工作过程为：
1)在待测无绝缘线圈13放入密闭腔体10内之前，背景磁场保持恒定，通过直流电源32在0～3A范围内向热阻丝31通入不同的直流电流以使热阻丝31获得不同的发热功率，通过示波器获取液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量，从而获得多组热阻丝31不同发热功率与对应的气体流量的数据；
2)通过对多组热阻丝31不同发热功率与对应的气体流量的数据进行拟合，获得发热功率与气体流量的拟合关系式，拟合关系式为P＝31.59·ΔV+2.31，式中，P为损耗功率值，ΔV为气体流量值，损耗功率值单位为W，气体流量值单位为lpm；
3)在待测无绝缘线圈13放入密闭腔体10内之后，热阻丝31的发热功率保持恒定，通过交流电源22向空心电抗器21通入由低至高的交流电流以获得不同的背景磁场，通过示波器获取液氮在不同的背景磁场下对应所蒸发的气体流量；
4)当所述示波器获取的所述气体流量波动幅值为-0.2～0.2lpm且气体流量计的数值波动幅值为-0.1～0.1lpm范围时，则判定气体流量波动为稳定状态，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值；
在实际应用中，30秒以内就可以达到稳定状态。
5)根据拟合关系式和气体流量平均值计算损耗功率值。
可以理解的是，本发明实施例提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，通过热阻丝的发热功率来标定液氮的气体流量，从而获得发热功率与对应的气体流量的拟合关系式，再通过获得不同的背景磁场下的液氮对应所蒸发的气体流量，并获得稳定状态下的液氮气体流量平均值，根据拟合关系式和液氮气体流量平均值计算得到损耗功率值，提高了测试精度，其响应速度相较于传统热测装置较为迅速，可以作为车载实时监测系统应用于磁悬浮列车上。
以上为本发明提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置的一个实施例的详细描述，以下本发明提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法的一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参阅图2，本实施例提供的一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法，应用上述实施例的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，包括以下步骤：
S1：在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之前，背景磁场保持恒定，通过直流电源向热阻丝通入不同的直流电流以使热阻丝获得不同的发热功率，通过示波器获取液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据；
在本实施例中，直流电流的调整范围为0～3A。
S2：通过对示波器获取的液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据进行拟合，获得发热功率与气体流量的拟合关系式；
在本实施例中，拟合关系式为P＝31.59·ΔV+2.31，式中，P为损耗功率值，ΔV为气体流量值，损耗功率值单位为W，气体流量值单位为lpm。
S3：在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之后，热阻丝的发热功率保持恒定，通过交流电源向空心电抗器通入由低至高的交流电流以获得不同的背景磁场，通过示波器获取液氮在不同的背景磁场下对应所蒸发的气体流量；
S4：当示波器获取的气体流量波动达到稳定状态时，获取稳定状态对应的气体流量平均值；
具体地，如图3所示，当一定幅值的外磁场施加后气体流量有明显升高，且在一段时间后达到稳定状态。在现有的实验条件下，由于实验系统误差以及流量计测量波动会引起一定的系统误差，因此，当示波器获取的气体流量波动幅值为-0.2～0.2lpm且气体流量计的数值波动幅值为-0.1～0.1lpm范围时，则判定气体流量波动为稳定状态，之后，获取稳定状态对应的气体流量平均值。
S5：根据拟合关系式和气体流量平均值计算损耗功率值。
在本实施例中，通过热阻丝的发热功率来标定液氮的气体流量，从而获得发热功率与对应的气体流量的拟合关系式，再通过获得不同的背景磁场下的液氮对应所蒸发的气体流量，并获得稳定状态下的液氮气体流量平均值，根据拟合关系式和液氮气体流量平均值计算得到损耗功率值，提高了测试精度，其响应速度相较于传统热测装置较为迅速，可以作为车载实时监测系统应用于磁悬浮列车上。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，包括气体流量测量模块、背景磁场模块和标定模块；
所述气体流量测量模块包括密闭腔体、气体流量计、导气管和示波器；
所述密闭腔体内装有液氮和待测无绝缘线圈，所述待测无绝缘线圈浸没于所述液氮中；
所述导气管与所述密闭腔体内部连通，所述气体流量计设于所述导气管上，所述示波器的输入端与所述气体流量计的输出端电连接；
所述背景磁场模块包括空心电抗器和交流电源，所述交流电源与所述空心电抗器电连接，所述空心电抗器设于所述密闭腔体外部，以为所述待测无绝缘线圈提供背景磁场；
所述标定模块包括热阻丝和直流电源，所述热阻丝和所述直流电源电连接构成回路，所述热阻丝围绕于所述待测无绝缘线圈外周且浸没于所述密闭腔体内的所述液氮中。
2.根据权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述密闭腔体由环氧材料制成。
3.根据权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述密闭腔体内的所述液氮为全充满状态。
4.根据权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述密闭腔体和所述空心电抗器均置于液氮环境内。
5.根据权利要求4所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述液氮环境内的液氮和所述密闭腔体内的所述液氮均为77K液氮。
6.根据权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述热阻丝采用Cr20Ni80镍铬发热电阻丝。
7.根据权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，所述直流电源在0～3A范围内可调。
8.一种无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法，应用权利要求1所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试装置，其特征在于，包括以下步骤：
在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之前，背景磁场保持恒定，通过直流电源向热阻丝通入不同的直流电流以使所述热阻丝获得不同的发热功率，通过示波器获取液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据；
通过对所述示波器获取的所述液氮在不同的发热功率下对应所蒸发的气体流量的数据进行拟合，获得发热功率与气体流量的拟合关系式；
在待测无绝缘线圈放入密闭腔体内之后，所述热阻丝的发热功率保持恒定，通过交流电源向空心电抗器通入由低至高的交流电流以获得不同的背景磁场，通过所述示波器获取所述液氮在不同的背景磁场下对应所蒸发的气体流量；
当所述示波器获取的所述气体流量波动达到稳定状态时，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值；
根据所述拟合关系式和所述气体流量平均值计算损耗功率值。
9.根据权利要求8所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法，其特征在于，所述拟合关系式为P＝31.59·ΔV+2.31，式中，P为损耗功率值，ΔV为气体流量值。
10.根据权利要求8所述的无绝缘线圈交流磁化损耗的量热测试方法，其特征在于，所述当所述示波器获取的所述气体流量波动达到稳定状态时，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值具体为当所述示波器获取的所述气体流量波动幅值为-0.2～0.2lpm且气体流量计的数值波动幅值为-0.1～0.1lpm范围时，则判定气体流量波动为稳定状态，获取所述稳定状态对应的气体流量平均值。
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