KR101099659B1 - 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 선재의 임계전류를 비접촉 방식으로 측정하는 방법에 관한 것으로, 전자석과 홀센서 사이에 초전도 선재가 이송되도록 설치하고, 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하여 자기장을 측정하고, 측정이 끝나면 상기 초전도 선재를 일정한 간격으로 이송하여 다시 홀센서 스캔을 반복적으로 실시하여 일정한 간격으로 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법을 기술적 요지로 한다. 또한, 초전도 선재의 상하측에 각각 전자석과 홀센서를 설치하되, 상기 홀센서를 일정 거리 d만큼 이격되게 상기 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 다수개 배치시킨 후, 상기 각각의 홀센서에서 측정된 자기장과 상기 거리 d를 곱하여 합산하면서, 상기 초전도 선재를 일정 방향으로 연속적으로 이송시킴으로써, 연속적인 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법을 또 다른 기술적 요지로 한다. 이에 의해 비접촉 방식으로 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있으며, 결함 등에 의한 전류분포의 왜곡 측정 염려가 없어 정확한 임계전류의 측정이 신속하게 이루어지게 되어 효율적이면서 경제적인 초전도 선재의 임계전류 측정이 가능한 효과가 있다.

초전도 선재 임계전류 비접촉 홀센서 앙페에르 법칙

Description

초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법{Non-contact critical current measurement method of superconducting coated conductor}

본 발명은 초전도 선재의 임계전류를 비접촉 방식으로 측정하는 방법에 관한 것으로, 초전도 선재에 전류방향에 따른 적분구간을 형성하고, 홀센서를 장착하여 이를 수평이동시키거나, 홀센서를 다수개 배치하여 측정된 자기장 분포로 부터 초전도 선재의 임계전류를 측정할 수 있는 효율적이면서 경제적인 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법에 관한 것이다.

초전도 선재가 산업화되는 시점에 있어서 빠른 제조속도가 요구되고 있고, 이와 병행하여 초전도 선재의 품질을 결정하는 빠르면서 정확한 측정방법이 요구되고 있다. 초전도 선재에 손상을 주지 않고 빠르고 정확하게 품질을 측정할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

기존의 초전도 선재의 임계전류 측정방법으로는 4단자 임계전류 측정방법으로서, 초전도 선재에 전류단자 2개와 그 사이에 전압단자 2개를 배치하고 전류단자에 전류를 통전시켜 임계전류를 측정하는 것이다.

이러한 방법은 직접 선재에 통전시키므로 비교적 정확한 임계전류를 얻을 수 있는 반면에, 임계전류 측정시 과전류, 전류, 전압단자에 의한 선재에 가하는 하중 등에 의하여 초전도 선재가 손상되기 쉬운 단점이 있다.

또한 홀센서(Hall sensor)를 이용한 비접촉 임계전류 측정방법으로서, 이는 비접촉 임계전류 측정방법으로써 선재에 손상이 전혀 없으며, 빠른 속도로 측정이 가능하고, 미소한 결함의 위치를 찾아낼 수 있지만, 빈(Bean) 모델을 사용한 간접방법이므로 결함에 의하여 초전도 전류분포가 왜곡될 경우 실제 임계전류값과 오차가 발생하는 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초전도 선재에 임의의 폐곡선을 형성하고, 초전도 선재에 전류방향에 따른 적분구간을 형성하고, 홀센서를 장착하여 이를 수평이동시키거나, 홀센서를 다수개 배치하여 측정된 자기장 분포로 부터 초전도 선재의 임계전류를 측정할 수 있는 효율적이면서 경제적인 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전자석과 홀센서 사이에 초전도 선재가 이송되도록 설치하고, 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하여 자기장을 측정하고, 측정이 끝나면 상기 초전도 선재를 일정한 간격으로 이송하여 다시 홀센서 스캔을 반복적으로 실시하여 일정한 간격으로 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하면 초전도 선재의 중앙을 중심으로 전류방향이 반대가 되어 생성되는 앙페에르 법칙에 따른 두개의 적분구간으로부터 적분값을 산정하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 너비에 대해 적분구간 두께 거리를 무시할 수 없는 경우(d/a≒1)에는 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있는 홀센서를 설치하고, 상기 홀센서를 a의 정수배로 이동하면서 측정한 후 그 값을 합하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우(d/a≒1)에는, 초전도 선재 중심에서 수직 자기장의 적분값은 초전도 선재 중심에서 떨어진 거리, na(n은 1,2,3,...) 지점에서 먼 거리까지 수평자장의 적분값들의 합을 이용하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 초전도 선재의 상하측에 각각 전자석과 홀센서를 설치하되, 상기 홀센서를 일정 거리 d만큼 이격되게 상기 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 다수개 배치시킨 후, 상기 각각의 홀센서에서 측정된 자기장과 상기 거리 d를 곱하여 합산하면서, 상기 초전도 선재를 일정 방향으로 연속적으로 이송시킴으로써, 연속적인 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우(d/a≒1)에는 z방향 즉 초전도 선재의 두께 방향으로 홀센서를 설치하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해 본 발명은, 초전도 선재에 전류방향에 따른 적분구간을 형 성하고, 상기 초전도 선재에 인접하여 홀센서를 장착하여 이를 수평이동시키거나, 홀센서를 다수개 배치하여 측정된 자기장 분포로 부터 초전도 선재의 임계전류를 측정할 수 있도록 하는 것으로, 이는 비접촉 방식으로 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있으며, 결함 등에 의한 전류분포의 왜곡 측정 염려가 없어 정확한 임계전류의 측정이 신속하게 이루어지게 되어 효율적이면서 경제적인 초전도 선재의 임계전류 측정이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 초전도 선재의 임계전류를 비접촉 방식으로 측정하고자 하는 것으로, 기본 원리는 앙페에르 법칙을 이용하여 초전도 선재 주변에 전류분포에 따른 폐곡선을 형성하여 홀센서를 이용하여 자기장을 측정한 후 이를 상기 폐곡선을 따라 적분하여 임계전류 분포를 얻고자 하는 것이다.

이는 비접촉 방식으로 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있으며, 결함 등에 의한 전류분포의 왜곡 측정 염려가 없어 정확한 임계전류의 측정이 신속하게 이루어지게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

일반적으로 초전도 선재를 액체 질소에 넣고 외부에서 수직으로 자기장을 가하면 도 1과 같은 원형의 초전류 분포가 형성된다. 이 초전류 크기가 초전도 선재 품질의 가장 핵심적인 평가 기준이 되게 된다. 본 발명은 이러한 초전류의 크기를 측정하기 위한 것으로 기본적인 원리는 앙페에르 법칙을 이용한 것이다.

앙페에르 법칙은 다음 수학식 1과 같이 도선에 전류가 흐르고 있을 때 도선 주위로 가상의 폐곡선을 정하여 경로 방향으로 자기장을 적분하면 그 크기는 내부에 흐르는 전류의 값에 비례한다는 것이다.

<수학식 1>

도 1의 초전도 선재의 종단면을 보면 도 2에 나타낸 바와 같은 전류분포가 형성된다. 따라서, 초전도 선재의 중앙을 중심으로 전류방향이 반대가 되어, 적분구간을 두 부분으로 나눌 수 있다.

본 발명은 이러한 앙페에르 법칙을 이용하여 초전도 선재의 위치에 따른 자기장 분포를 측정하기 위해 초전도 선재의 상하측에 각각 전자석과 홀센서를 설치하고, 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하여 이로부터 전류량을 측정하고, 측정이 끝나면 상기 초전도 선재를 일정한 간격으로 이송하여 다시 홀센서 스캔을 반복적으로 실시하여 일정한 간격으로 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것이다.

이를 상세히 살펴보면 초전도 선재의 상측 또는 하측에 각각 전자석과 홀센서가 위치되어 있고, 그 사이로 초전도 선재가 지나가도록 설치한다. 홀센서를 최대한 초전도 선재에 근접시켜 자기장을 측정하여야 하며, 홀센서 스캔을 실시하여 위치에 따른 수평 자기장 분포를 측정한다.

그리고, 초전도 선재가 일정한 간격으로 이동한 뒤 멈추면 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 선형이동장치를 이용하여 홀센서 스캔하여 자기장을 측정하게 되고 측정이 끝나면 초전도 선재가 다시 일정한 간격을 지나가도록 한다. 이를 반복적으로 실시하여 위치에 따른 자기장을 측정하게 된다. 이런식으로 일정한 간격으로 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정할 수 있게 되는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 적분구간을 두 부분으로 나누어, 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 1)d/a≪1인 경우, 2)d/a≒1인 경우에 대해 살펴보고자 한다.

1)d/a≪1인 경우(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 있는 경우)

적분구간을 두 부분으로 나누면 되는데, 먼저 전류가 나오는 방향의 값을 구하면 1+2+3+4의 적분값을 구하면 되고, 1은 사각형 적분구간을 왼쪽으로 멀게 확장하면 전류소스에서 멀어지므로 거의 0(zero)이 되며, 2는 A+B가 되고, 4도 대칭이므로 A+B가 된다. 나머지 3은 만약 초전도 선재의 두께가 아주 얇고 홀센서가 표면에 거의 접촉한 상태에서 적분하면 무시할 수 있지만 그렇지 않으면 적분값을 구해야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, e구간(3구간)의 적분값은 두 적분구간에 의한 자기장 방향이 같은 방향이므로 c+f의 적분값으로 근사할 수 있다. 먼저 c의 적분값을 구하여 보면 가상의 적분영역을 a+b+c+d로 정해졌을 경우 내부에 전류가 없으므로 앙페에르 법칙에 의하여 0이 된다. 따라서 c=-b-d-a가 되고 a는 0이므로 적분값은 2A(도 2에서 b의 적분값을 A라고 정의)가 된다. e구간에서는 두 적분구간에 의한 자기장이 방향이 같으므로 적분값은 2A+2D가 된다.

따라서 전체 전류값은 다음 수학식 2가 된다.

<수학식 2>

2)d/a≒1인 경우(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우)

이 경우 초전도 선재의 중심을 통과하는 자기장을 적분해야지 정확한 값을 얻을 수 있다. 그러나 실제로 초전도 선재의 중심을 뚫어 적분할 수 없으므로 다음과 같은 과정에 의해 간접적으로 이 값을 측정할 수 있다. 이를 도 4에 도시하였다. 먼저, 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있는 홀센서를 설치한다. 그리고 초전도 선재 중심에서 초전도 선재 가장자리까지 거리를 a라고 했을 때 p점(선재 중심에서 a 만큼 떨어진 위치)에서 z방향으로 자기장의 z성분을 적분하면 크게 두 종류의 값으로 나눌 수 있다. 즉 전류가 나오는 구간에 의한 적분값과 전류가 들어가는 구간에 의한 적분값으로 나눌 수 있다. 즉, 적분값 I=f(0)-f(a), 여기서 0 및 a는 측정센서와 전류구간과의 거리이다. 여기에서 f(0)는 전류가 들어가는 구간에서의 적분값이고, -f(a)는 전류가 나오는 구간에서의 적분값으로, 전류방향이 반대이므로 부호가 반대이다. q지점(선재 중심에서 2a만큼 떨어진 위치)에서 적분하면 I=f(a)-f(2a)이다. na 지점(선재 중심에서 na만큼 떨어진 위치) 에서 적분하면 I(na)=f(na-a)-f(na)이다. 이런 식으로 측정센서를 a의 정수배로 이동하면서 측정한 후 그 값을 합하면 I(a)+I(2a)+I(3a)+... = f(0)-f(a)+f(a)-f(2a)+f(2a)- f(3a)+...가 된다. 거리가 멀어지면 적분값이 작아지므로 결국 I=f(0)가 된다. 실제 중심을 관통해서 적분하면 2f(0)가 되므로, 2f(0)= 2 (I(a)+I(2a)+I(3a)+...) 가 된다. 상기 방식으로 값을 구하면 2f(0)의 값을 구할 수 있다. 따라서 전체 전류값은 다음 수학식 3과 같다.

<수학식 3>

여기에서 I(na)는 na 위치에서 z 방향 적분값으로, n은 1,2,3,...이다.

또한, 두께를 무시할 수 없는 경우 또 다른 임계전류 측정방법으로, 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있는 홀센서를 설치하지 않고, 수평자장의 적분값들의 합을 이용하는 것이다. 즉, I(na)는 초전도 선재 중심에서 수직 자기장의 적분값을 구해야 되는데, 이는 초전도 선재 중심에서 떨어진 거리, na(n은 1,2,3,...) 지점에서 먼 거리까지 수평자장의 적분값들의 합을 이용하여 구할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 na위치에서 z성분 적분값 I(na)의 값을 구하기 위하여, I(na)+I(2)+I(3)+I(4)의 적분값은 0이므로 가로방향 적분길이가 충분히 크다면 I(3)의 적분값은 0이 된다. 따라서, I(na)=-I(2)-I(4)가 되므로, I(2)=I(4)가 되어, I(na)=2xI(4)가 된다. 상기 수학식 3의 적분값에서 I(na)는 위의 방법으로도 구할 수 있게 된다.

또한, 초전도 선재의 임계전류 분포를 연속적이면서 그리고 빠르게 측정하기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 폐곡선에 대응되는 지점에 거리 d만큼 서로 이격된 홀센서를 상기 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 다수개 배치시킨 후, 상기 각각의 홀센서에서 측정된 자기장과 상기 거리 d를 곱하여 각 폐곡선의 경로방향으로 합산하여 초전도 선재의 임계전류를 측정할 수도 있다.

즉, 적분값은 센서값에서 홀센서 거리 d만 곱해주면 되므로 기계적으로 움직여야 하는 스캔보다 훨씬 빠르게 측정할 수 있게 되며, 실제 상황에서는 초전도 선재는 일정한 속도로 이동하고 측정을 짧은 시간 간격으로 한다면 짧은 거리별로 전류값을 알게 되고, 훨씬 빠른 속도로 측정이 이루어지게 된다. 이론적인 원리는 상기 홀센서 스캔과 동일하다. 또한, 너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이 z방향 자기장을 측정할 수 있는 홀센서를 추가로 설치하면 된다.

이와 같이 본 발명은 초전도 선재에 가해지는 외부 자기장에 대해 발생되는 전류의 방향에 따라 초전도 선재의 중앙을 중심으로 두개의 적분구간을 형성하고, 홀센서를 장착하여 이를 수평이동시켜 측정된 자기장 분포로 부터 초전도 선재의 임계전류를 측정하거나, 또한, 홀센서를 다수개 배치하여 측정된 자기장으로부터 초전도 선재의 임계전류를 측정할 수 있도록 하는 것으로, 보다 정밀하고 신속한 임계전류 측정방법일 뿐만 아니라 비접촉 방식이라 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있어 효율적이면서 경제적인 초전도 선재의 임계전류 측정방법이 된다.

도 1 - 본 발명에 따른 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 초전도 선재에 발생되는 전류의 방향 및 그에 따른 자기장 분포를 나타낸 모식도.

도 3 - 본 발명에 따른 초전도 선재에 발생되는 전류의 방향을 나타낸 모식도(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 있는 경우).

도 4 - 본 발명에 따른 초전도 선재에 발생되는 전류의 방향을 나타낸 모식도(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우).

도 5 - 본 발명에 따른 초전도 선재에 발생되는 전류의 방향을 나타낸 모식도(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없을 때 수평자장의 적분값을 이용하는 경우).

도 6 - 본 발명에 따른 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법에 있어서, 홀센서가 다수개 배치된 형태에 대한 모식도.

도 7 - 본 발명에 따른 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법에 있어서, 홀센서가 다수개 배치된 형태에 대한 모식도(너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우).

Claims (6)

1. 전자석과 홀센서 사이에 초전도 선재가 이송되도록 설치하고, 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하여 자기장을 측정하고, 측정이 끝나면 상기 초전도 선재를 일정한 간격으로 이송하여 다시 홀센서 스캔을 반복적으로 실시하여 일정한 간격으로 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하되,

   상기 초전도 선재의 진행방향에 대해 수직으로 홀센서 스캔을 실시하면 초전도 선재의 중앙을 중심으로 전류방향이 반대가 되어 생성되는 앙페에르 법칙에 따른 두개의 적분구간으로부터 적분값을 산정하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우(d/a≒1)에는, 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있는 홀센서를 설치하고, 상기 홀센서를 a의 정수배로 이동하면서 측정한 후 그 값을 합하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 초전도 선재의 중심에서부터 폭의 너비를 a, 적분구간 두께인 거리를 d라고 했을 때, 너비에 대해 적분구간 두께를 무시할 수 없는 경우(d/a≒1)에는, 초전도 선재 중심에서 수직 자기장의 적분값은 초전도 선재 중심에서 떨어진 거리, na(n은 1,2,3,...) 지점에서 먼 거리까지 수평자장의 적분값들의 합을 이용하여 초전도 선재의 임계전류 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 임계전류 비접촉 측정방법.
5. 삭제
6. 삭제

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