CN112858791B - 一种测量超导单元传输交流损耗的方法 - Google Patents

一种测量超导单元传输交流损耗的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超导电力技术领域，是一种简捷有效测量超导单元传输交流损耗的方法，包括多通道高精度数据采集卡、交流损耗求解程序模块和显示系统。工作时，所述多通道高精度数据采集卡将采集的超导模拟电压信号和超导模拟电流信号转换成数字信号传送至所述交流损耗求解程序模块，然后在所述交流损耗求解程序模块中应用统计学原理求解待测超导单元的交流损耗，最后通过显示系统实现动态可视化测量。该方法具有交流损耗计算响应时间短的特点，便于在超导实际应用中的实时测量与监控。

Description

一种测量超导单元传输交流损耗的方法
技术领域：
本发明属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种测量超导单元传输交流损耗的方法。
背景技术：
超导体的交流损耗是指在交变磁场或交变传输电流工作场所下运行产生的损耗。目前，对超导体交流损耗的实验研究，主要形成了以热测法、电测法和磁测法为主的三种测试技术。其中，由于电测法操作简单，测试速度快，是目前测量超导体交流损耗的最常用方法。最主流的电测法是通过锁相放大器以电流信号为基准“锁”住超导单元电压中与电流同相的成分，由于电流信号的不稳定因素，导致锁相放大器易“失锁”。此外，另一部分学者通过补偿信号将超导单元中的感性分量消去以达到“锁相”效果，此方法同样亦存在因电流不稳造成“锁相”失准。“锁相”原理一次只能测一个结果，带来的误差不可避免。
发明内容：
为了避免因“锁相”不稳和失准对超导交流损耗测试带来的误差，本发明提出一种基于信号调理原理实现交流损耗每秒多次计算结果，最后应用统计学原理得到超导单元的交流损耗以及不确定度，提高测量结果可信度。并且该方法具有交流损耗计算响应时间短的特点，便于在超导实际应用中的实时测量与监控。
为实现上述目的，本发明提供采用的技术方案如下：
一种测量超导单元传输交流损耗的方法，其特征在于，包括多通道高精度数据采集卡、交流损耗求解程序模块和显示系统；工作时，所述多通道高精度数据采集卡将采集的超导模拟电压信号和超导模拟电流信号转换成数字信号传送至所述交流损耗求解程序模块，然后在所述交流损耗求解程序模块中实时求解待测超导单元的交流损耗，最后通过显示系统实现动态可视化测量；所述交流损耗求解程序模块包括滤波模块、频率检测模块、基向量信号生成模块、信号调理模块、周期平均功率求解模块、交流损耗求解模块；所述滤波模块用来过滤掉转化后超导数字信号中的非主频信号；所述频率检测模块用来检测转化后超导数字信号的基准频率，为所述基向量信号生成模块提供基准；所述基向量信号生成模块根据频率检测模块提供的基准频率生成两个单位正交正弦数字信号；所述信号调理模块将转化后超导数字电压信号和超导数字电流信号分别与基向量信号生成模块生成的两个单位正交正弦数字信号相乘，得到四个调理正弦数字信号；所述周期平均功率求解模块对所述信号调理模块生成的四个调理正弦数字信号进行周期平均计算，得到四个求解变量；所述交流损耗求解模块利用所述周期平均功率模块得到的四个求解变量计算交流损耗，并利用统计学原理消除信号中噪声对求解结果的干扰，得到交流损耗平均值及相对不确定度。
优选地，所述交流损耗求解程序模块包括滤波模块、频率检测模块、基向量信号生成模块、信号调理模块、周期平均功率求解模块、交流损耗求解模块。
优选地，所述滤波模块采用带通滤波算法对转化后的超导数字电压信号和超导数字电流信号进行滤波，将数字信号中大部分的直流信号、倍频信号和非倍频信号等非主频信号滤掉，然后将滤波后的信号显示在所述显示系统。
优选地，所述基向量信号生成模块根据频率检测模块提供的基准频率f1生成两个单位正交正弦数字信号sin(2πf1t)和cos(2πf1t)。
优选地，所述信号调理模块将转化后超导数字电压信号u和超导数字电流信号i分别与基向量信号生成模块生成的两个单位正交正弦数字信号相乘，得到四个调理正弦数字信号：u*sin(2πf1t)，u*cos(2πf1t)，i*sin(2πf1t)和i*cos(2πf1t)。
优选地，所述周期平均功率求解模块对所述信号调理模块生成的四个调理正弦数字信号进行周期平均计算，得到四个求解变量U1S，U1C，I1S和I1C。
优选地，所述交流损耗求解模块利用所述周期平均功率模块得到的四个求解变量U1S，U1C，I1S和I1C，通过四则运算得到交流损耗，并利用统计学原理消除信号中各种噪声对计算结果的干扰，得到交流损耗功率平均值Paverage及其相对不确定度Ur(P)和交流损耗平均值Q和其相对不确定度Ur(Q)。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
本发明提供的一种测量超导单元传输交流损耗的方法，可以实现每秒多次计算交流损耗结果，并用统计学原理计算多次计算的平均值与不确定度，提高测量的可信度；同时该方法对交流损耗变动的响应时间短，为超导应用的实时测量与监控提供了技术手段。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例，下面对实施例中的附图作简要介绍，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是实施例提供的一种测量超导单元传输交流损耗的方法的原理图。
图2是实施例提供的应用该方法测量超导单元交流损耗与理论计算的对比结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是实施例提供的一种测量超导单元传输交流损耗的方法的原理图，包括多通道高精度数据采集卡、交流损耗求解程序模块和显示系统；首先，测量进行时，用所述多通道高精度数据采集卡将采集的超导模拟电压信号和超导模拟电流信号转换成数字信号传送至所述交流损耗求解程序模块，得到超导数字电压信号u和超导数字电流信号i
Figure GDA0003299125300000041
Figure GDA0003299125300000042
其中，U0，I0分别为电压和电流信号中的直流分量，UNS，UNC，INS和INC分别为电压信号和电流信号在频率fN下的幅值，N为正整数，当N＝1时，基准频率f1对应着4个幅值U1S，U1C，I1S和I1C。
按照交流损耗的定义，交流损耗的瞬时功率等于基准频率下超导电压与超导电流同相的乘积，即：
Figure GDA0003299125300000044
则交流损耗的平均功率为：
Figure GDA0003299125300000043
然后，转化后超导数字信号经过所述滤波模块过滤掉其中的直流信号分量：U0和I0和非主频信号分量：UNSsin(2πfNt)、UNCcos(2πfNt)、INSsin(2πfNt)和INCcos(2πfNt)，N≠1，从而得到基准频率信号分量：U1Ssin(2πf1t)+U1Ccos(2πf1t)和I1Ssin(2πf1t)+I1Ccos(2πf1t)，并显示于所述显示系统，滤波模块不对交流损耗计算产生任何作用。
同时，转化后超导数字信号经过所述频率检测模块得到基准频率f1，为所述基向量信号生成模块提供基准，并在所述基向量信号生成模块生成两个单位正交正弦数字信号sin(2πf1t)和cos(2πf1t)。紧接着，在所述信号调理模块中将转化后超导数字电压信号u和超导数字电流信号i分别与基向量信号生成模块生成的两个单位正交正弦数字信号相乘，得到四个调理正弦数字信号：u*sin(2πf1t)，u*cos(2πf1t)，i*sin(2πf1t)和i*cos(2πf1t)。
由正弦函数正交性原理知：
当N∈Z+,
Figure GDA0003299125300000051
Figure GDA0003299125300000052
当M,N∈Z+∩M＝N,
Figure GDA0003299125300000053
Figure GDA0003299125300000054
当M,N∈Z+∩M≠N,
Figure GDA0003299125300000055
Figure GDA0003299125300000056
然后，把所述信号调理模块中得到的四个调理正弦信号在所述周期平均功率求解模块进行周期平均计算，得到四个求解变量U1S，U1C，I1S和I1C：
Figure GDA0003299125300000061
Figure GDA0003299125300000062
Figure GDA0003299125300000063
Figure GDA0003299125300000064
接着，把所述周期平均功率求解模块得到的四个求解变量U1S，U1C，I1S和I1C，经过所述交流损耗求解模块进行四则运算计算得到一次交流损耗的平均功率
Figure GDA0003299125300000065
Figure GDA0003299125300000066
利用数据采集卡的高速采集及处理器的高速处理能力，可以实现每秒多次计算，然后应用统计学原理计算n次结果的平均值Paverage与相对不确定度Ur(P):
Figure GDA0003299125300000067
Figure GDA0003299125300000068
最后，得到交流损耗平均值Q和其相对不确定度Ur(Q)：
Q＝Paverage/f1/L (18)
Ur(Q)＝Ur(P)/f1/L (19)
其中，L为超导电压引线之间的距离。
图2展示的是利用该方法测试的超导单元交流损耗与Norris理论计算模型的对比验证，测试结果与理论计算具有较好的一致性，验证了该方法的有效性。
Norris理论计算模型：
Figure GDA0003299125300000071
矩形截面 (20)
Figure GDA0003299125300000072
椭圆截面 (21)
其中，IC为超导单元的临界电流，i为加载电流幅值与临界电流之比，μ为真空磁导率。
以上实施例仅用以清楚说明本发明的技术及特点，以便所属领域的普通技术人员容易理解并加以实施，并不用以限制本发明，凡是未脱离本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量超导单元传输交流损耗的方法，其特征在于，包括多通道高精度数据采集卡、交流损耗求解程序模块和显示系统；工作时，所述多通道高精度数据采集卡将采集的超导模拟电压信号和超导模拟电流信号转换成数字信号传送至所述交流损耗求解程序模块，然后在所述交流损耗求解程序模块中实时求解待测超导单元的交流损耗，最后通过所述显示系统实现动态可视化测量；所述交流损耗求解程序模块包括滤波模块、频率检测模块、基向量信号生成模块、信号调理模块、周期平均功率求解模块、交流损耗求解模块；所述滤波模块用来过滤掉转化后超导数字信号中的非主频信号；所述频率检测模块用来检测转化后超导数字信号的基准频率f1，为所述基向量信号生成模块提供基准；所述基向量信号生成模块根据所述频率检测模块提供的基准频率f1生成两个单位正交正弦数字信号sin(2πf1t)和cos(2πf1t)；所述信号调理模块将转化后超导数字电压信号u和超导数字电流信号i分别与所述基向量信号生成模块生成的两个单位正交正弦数字信号相乘，得到四个调理正弦数字信号i*sin(2πf1t)，i*cos(2πf1t)，u*sin(2πf1t)和u*cos(2πf1t)；所述周期平均功率求解模块对所述信号调理模块生成的四个调理正弦数字信号进行周期平均计算，得到四个求解变量U1S，U1C，I1S和I1C；所述交流损耗求解模块利用所述周期平均功率模块得到的四个求解变量通过四则运算计算交流损耗
Figure FDA0003301184210000011
然后将每秒多次计算的交流损耗结果应用统计学方法处理以消除信号中噪声对求解结果的干扰，得到n次计算结果的交流损耗功率平均值
Figure FDA0003301184210000012
及其相对不确定度
Figure FDA0003301184210000013
和交流损耗平均值Q＝Paverage/f1/L及其相对不确定度Ur(Q)＝Ur(P)/f1/L，其中，L为超导电压引线之间的距离。
2.如权利要求1所述的一种测量超导单元传输交流损耗的方法，其特征在于，所述滤波模块采用带通滤波算法对转化后的超导数字电压信号u和超导数字电流信号i进行滤波，将数字信号中的直流信号和非主频信号滤掉，然后将滤波后的信号显示于所述显示系统。
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