一种高温超导块材发热量的检测方法及装置与流程

本发明涉及高温超导磁悬浮技术，特别涉及一种高温超导块材发热量的检测方法及装置。

背景技术：

与以电磁吸力和电磁斥力为基础的电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)技术相比，高温超导磁悬浮技术依靠高温超导体块材与外部磁场之间的磁通钉扎作用实现无源自稳定悬浮。高温超导磁悬浮技术通过将超导块材浸泡在液氮中，使其温度降低进入超导状态，进入超导态的超导块材与外磁场作用可达到稳定悬浮。该技术无需主动控制，且结构简单，因此已经成为实用磁悬浮技术的理想选择之一。

西南交通大学于2000年研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车，此后开展的大量针对悬浮、导向和驱动方面的研究工作大大推进了高温超导磁悬浮列车的实用化发展。在高温超导磁悬浮技术中，悬浮力是反映高温超导体悬浮特性的重要特征量，同时也是磁悬浮系统设计中的关键参数之一。在实际应用中，永磁轨道表面存在一定的不平整性，轨道磁场也存在一定的不均匀性，因此使得高温超导磁悬浮列车在轨道上高速运行时，车载超导体处于变化的磁场环境中。变化的外磁场会加剧超导体内部磁力线的运动，从而导致超导体局部温升较大，临界电流密度减小，最终影响其悬浮性能甚至引起失超。超导体一旦失超将导致列车失去悬浮力，和轨道发生摩擦甚至脱轨。因此，需要对工作于变化外磁场环境下的高温超导体发热情况进行研究。

但是，由于高温超导块材在投入应用时是完全浸泡在液氮里面的，所以使用温度传感器直接测量块材表面温度以得到高温超导体块材的发热量的方法无法得以实现。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种高温超导块材发热量的检测方法及装置，从而可以对设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材的发热量进行准确的估算。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种高温超导块材发热量的检测方法，该方法包括：

预先在稳定磁场下，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量；

当处于变化磁场中时，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在所述预设时长内的第二液氮损耗量；

根据第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，计算得到设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量。

较佳的，所述计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量或第二液氮损耗量包括：

根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，从而分别得到所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度；

根据所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值；

根据所述液面下降值计算得到第一液氮损耗量或第二液氮损耗量。

较佳的，所述根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度包括：

A、预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

B、通过设置在灌注液氮的容器内顶部的传感器测量得到当前的温度数据；

C、根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到容器内的当前液面高度的估计值；

D、通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，在上述步骤D之后，还进一步包括：

当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤B；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。

较佳的，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：

预先根据不同工况下静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程；

预先对灌注液氮的容器进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程；

根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型。

较佳的，所述系统状态转移方程为：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1；

其中，h为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列；Δh为液氮液面的下降速度，ξ_k-1为系统噪声。

较佳的，所述系统状态转移方程为：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k；

其中，T_k为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器在第k个时刻所测得的温度，T_LN为液氮温度，a为温度分布系数，η_k为观测噪声。

较佳的，通过如下的公式来计算得到所述高温超导体块材在所述预设时长内的发热量：

Q＝r_LN*(m_c-m_uc)；

其中，Q为所述高温超导体块材在所述预设时长内的发热量，r_LN为液氮的汽化潜热参数，m_c为第二液氮损耗量，m_uc为第一液氮损耗量。

较佳的，所述设置在灌注液氮的容器顶部的传感器为铂电阻温度传感器。

本发明还提出了一种高温超导块材发热量的检测装置，该装置包括：至少两个传感器、信号采集单元、数据发送单元、发热量估计单元和存储器；

所述传感器分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部；

信号采集单元，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据存储在存储器中并发送给所述数据发送单元；

所述数据发送单元，用于将温度数据发送给发热量估计单元；

所述发热量估计单元，用于预先在稳定磁场下，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量；当处于变化磁场中时，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在所述预设时长内的第二液氮损耗量；根据第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，计算得到设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量；

所述存储器，用于存储温度数据。

较佳的，所述发热量估计单元进一步包括：液面高度估计模块和发热量计算模块；

所述液面高度估计模块，用于根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，从而分别得到所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度；

所述发热量计算模块，用于根据所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值；根据所述液面下降值计算得到第一液氮损耗量或第二液氮损耗量。

较佳的，所述液面高度估计模块还进一步包括：模型生成子模块、计算子模块和修正子模块；

所述模型生成子模块，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

所述计算子模块，用于根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；

所述修正子模块，用于通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，所述传感器为铂电阻温度传感器。

较佳的，所述数据发送单元为无线传输装置或有线传输装置。

如上可见，在本发明所提供的高温超导块材发热量的检测方法及装置中，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，并根据温度数据得到稳定磁场下和变化磁场下的容器内的液氮损耗量的差值，再根据液氮损耗量的差值计算得到处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量，因此可以通过测量容器顶部温度的变化得到液氮液位的变化，从而计算得到一段时间内的液氮消耗量，然后再对比该时间内稳定磁场下和变化磁场下的容器内的液氮损耗量的差值，得到高温超导体块材发热引起的液氮损耗，并最终可根据液氮损耗计算得到该时间内高温超导体块材的发热量，从而可以对设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材的发热量进行准确的估算。上述的检测方法及装置可以用于高温超导块材发热量研究的需求，有助于了解变化磁场对悬浮系统的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。

图4为本发明另一实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

当处于变化磁场下时，高温超导块材内部磁力线运动加剧，导致超导体局部温升较大。本发明中提出了一种高温超导块材发热量的检测方法，采用对比变化磁场下和稳定磁场下液氮蒸发量的方式，间接测量得到变化磁场下高温超导块材发热情况。基于单位时间内液氮稳定蒸发量不变的特性，对比一段时间内变化磁场下和稳定磁场下液氮蒸发量的差值，即可得到该时间内因超导块材发热而引起的的液氮损耗量。

图1为本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测装置主要包括：至少两个传感器11、信号采集单元12、数据发送单元13、发热量估计单元14和存储器15；

所述传感器11分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部；

信号采集单元12，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器11测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据存储在存储器15中并发送给所述数据发送单元13；

所述数据发送单元13，用于将温度数据发送给发热量估计单元14；

所述发热量估计单元14，用于预先在稳定磁场下，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量；当处于变化磁场中时，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在所述预设时长内的第二液氮损耗量；根据第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，计算得到设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量；

所述存储器15，用于存储温度数据。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述发热量估计单元14可进一步包括：液面高度估计模块141和发热量计算模块142；

所述液面高度估计模块141，用于根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，从而分别得到所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度；

所述发热量计算模块142，用于根据所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值；根据所述液面下降值计算得到第一液氮损耗量或第二液氮损耗量。

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述液面高度估计模块141还可进一步包括：模型生成子模块、计算子模块和修正子模块(图1中未示出)；

所述模型生成子模块，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

所述计算子模块，用于根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；

所述修正子模块，用于通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述传感器31为铂电阻温度传感器。相对于铂电阻液位计，本发明中所使用的铂电阻温度传感器的数量可以更少，而且性能更稳定、测量精度更高。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述数据发送单元33可以是无线传输装置，也可以是有线传输装置，本发明中对此并不进行限定。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述发热量估计单元可以是个人电脑、服务器或其它形式的计算机等计算设备。

另外，本发明中还提出了一种高温超导块材发热量的检测方法。

图2为本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的高温超导块材发热量的检测方法主要包括如下所述的步骤：

步骤21，预先在稳定磁场下，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量。

在本步骤中，首先需要预先计算得到当处于稳定磁场中时，容器中在预设时长内的第一液氮损耗量。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当处于稳定磁场中时，可以先根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值，然后再根据液面下降值计算得到第一液氮损耗量。

另外，在本发明的技术方案中，所述预设时长的长度可以根据实际应用情况的需要预先进行设置。例如，所述预设时长可以是10分钟、30分钟、1小时或2小时等。

步骤22，当处于变化磁场中时，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在所述预设时长内的第二液氮损耗量；

在本步骤中，可以实时计算当处于稳定磁场中时，所述容器在所述预设时长内的第二液氮损耗量。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当处于稳定磁场中时，可以根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值，然后再根据液面下降值计算得到所述第二液氮损耗量。

步骤23，根据第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，计算得到设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量。

由于单位时间内液氮稳定蒸发量不变，而高温超导体块材是设置在容器内并浸泡在液氮中的，在变化磁场下，高温超导体块材的发热会导致液氮蒸发速度加快，因此，上述第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，就是所述预设时长内由于高温超导体块材发热而引起的的液氮损耗量。也就是说，上述差值就是超出稳定磁场下平稳蒸发而多消耗的部分液氮，其蒸发所吸收的热量就是高温超导体块材在所述预设时长内的发热量。所以，根据第一液氮损耗量和第二液氮损耗量的差值，即可计算得到所述高温超导体块材在所述预设时长内的发热量。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以通过如下所述的公式来计算得到所述高温超导体块材在所述预设时长内的发热量：

Q＝r_LN*(m_c-m_uc)

其中，Q为所述高温超导体块材在所述预设时长内的发热量，r_LN为液氮的汽化潜热参数，m_c为变化磁场下液氮蒸发量(即第二液氮损耗量)，m_uc为稳定磁场下液氮蒸发量(即第一液氮损耗量)。

此外，在本发明的技术方案中，可以通过多种方式来实现上述步骤21和22，以下将以其中的一种具体方式为例，对本发明的技术方案进行详细介绍。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的温度数据，计算得到所述容器在预设时长内的第一液氮损耗量或第二液氮损耗量可以包括如下所述的步骤：

步骤31，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，从而分别得到所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度。

步骤32，根据所述预设时长的起始时刻和终止时刻的液面高度，计算得到在预设时长内容器内的液面下降值；

步骤33，根据所述液面下降值计算得到第一液氮损耗量或第二液氮损耗量。

在本发明的技术方案中，可以通过多种方式来实现上述的步骤31，以下将以其中的一种具体方式为例，对本发明的技术方案进行详细介绍。

图3为本发明实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。例如，较佳的，如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，上述的步骤31中的根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度可以包括如下所述的步骤：

步骤41，预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，即生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集。

在本发明的技术方案中，在进行当前液面高度的计算之前，需要预先建立一个状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集，即进行粒子集初始化。

在本发明的技术方案中，可以有多种具体实现方式来实现上述的步骤41。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，较佳的，在本发明的技术方案中，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：

步骤411，预先根据不同工况下(例如，不同环境温度、不同容器)静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程。

步骤412，预先对灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程。

步骤413，根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统状态转移方程可以是：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1

其中，h为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列，即表示不同时刻，例如，h_k表示第k个时刻的h的值，h_k-1表示第(k－1)个时刻的h的值；Δh为液氮液面的下降速度，ξ_k-1为系统噪声。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统状态转移方程可以是：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k

其中，T_k为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器在第k个时刻所测得的温度，T_LN为液氮温度，a为温度分布系数，η_k为观测噪声。

在本发明的技术方案中，可以基于液氮蒸发在近似环境下基本呈线性的特点，建立包含干扰噪声和线性变量的液氮液位变化模型(即状态空间模型)，从而可以根据状态空间模型完成对液位的预测。

因此，通过上述的步骤411～413，根据上述的所述系统状态转移方程和系统观测方程，即可建立状态空间模型。当然，所述状态空间模型中的各种参数的取值(例如，杜瓦尺寸、环境温度等)可能会根据实际应用环境的变化而变化，在此不再赘述。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，在进行粒子集的初始化时，所述粒子集中的各个粒子是根据液位先验概率分布生成的，因此所述粒子集中的各个粒子的分布特征满足液位先验概率分布。

较佳的，在本发明的技术方案中，可以通过实际的实验测量数据预先获取液位先验概率分布。

步骤42，通过设置在灌注液氮的容器内顶部的传感器测量得到当前的温度数据。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的传感器可以是铂电阻温度传感器，也可以是其它的温度传感器。

步骤43，根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到容器内的当前液面高度的估计值。

在本发明的技术方案中，由于在步骤41中已经建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，而在步骤42中测量得到了当前的温度数据，因此在本步骤中，即可根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，使用粒子滤波的方法计算得到容器内的当前液面高度的估计值。

步骤44，通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

由于粒子滤波算法本身就是对偏差信号进行加权修正的一种方法，因此，在本步骤中，可以通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

通过上述的步骤41～44，即可得到修正后的当前液面高度的估计值，从而得到精度较高的实时液面高度。因此，通过上述的方法，可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。

另外，图4为本发明另一实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。例如，较佳的，如图4所示，在本发明的另一个具体实施例中，上述步骤44之后还可以进一步包括：

步骤45，当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤42；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。

在本步骤中，将根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权(即根据修正后的当前液面高度的计算值对粒子集进行筛选，例如，可以通过加权的方式使得小概率事件的粒子的权重小，从而降低小概率事件的粒子对最后结果的影响)，对粒子集进行更新，然后再返回执行步骤42，进行下一个时间点采样，即使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，计算下一时刻的当前液面高度。依此类推，每更新一次粒子集，就重新计算一次，得到一个当前液面高度的计算值，直到对最后一个采样点完成上述操作，即对所有采样点完成计算，从而可以对液面高度进行实时而精确的监测，实时得到容器内的当前液面高度。

综上可知，在本发明所提供的高温超导块材发热量的检测方法及装置中，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，并根据温度数据得到稳定磁场下和变化磁场下的容器内的液氮损耗量的差值，再根据液氮损耗量的差值计算得到处于变化磁场下的高温超导体块材在所述预设时长内的发热量，因此可以通过测量容器顶部温度的变化得到液氮液位的变化，从而计算得到一段时间内的液氮消耗量，然后再对比该时间内稳定磁场下和变化磁场下的容器内的液氮损耗量的差值，得到高温超导体块材发热引起的液氮损耗，并最终可根据液氮损耗计算得到该时间内高温超导体块材的发热量，从而可以对设置在容器内并浸泡在液氮中且处于变化磁场下的高温超导体块材的发热量进行准确的估算。上述的检测方法及装置可以用于高温超导块材发热量研究的需求，有助于了解变化磁场对悬浮系统的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。