一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统的制作方法

本实用新型实施例涉及监控技术，尤其涉及一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统。

背景技术：

超导技术目前在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防和重大科学工程等领域具有广泛而重要的应用，其中主要集中在超导电力、超导储能以及医学诊断和研究登录领域，而在交通运输以及材料加工工业、科学探测等领域的应用也在不断发展。

目前，超导磁体系统运行的低温环境主要由三种方式提供，分别是低温液体浸泡式冷却、再冷凝式冷却和制冷机传导冷却。其中液氦浸泡式超导磁体需要耗费较多液氦，因此工业使用的超导磁体一般采用无液氦制冷机传导冷却或者再冷凝式冷却。

采用传导冷却方式的超导磁体冷却操作及维护简单，但是超导磁体冷却到超导状态时间较长，不利于连续运行的需求；采用液氦浸泡零挥发式的超导磁体结构设计相对传导冷却方式较为简单，降温冷却过程快速，超导磁体冷却充分完全，但是对超导磁体稳定运行安全性的要求提升，若超导磁体存在运行安全问题，重新输液冷却操作较为复杂，给用户带来不便。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统，以实现保证超导磁体的安全稳定运行。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统，包括：超导磁体、制冷机和监控器；其中，所述超导磁体包括线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏；所述线圈处于所述液氦容器内部，所述液氦容器设置于所述内冷屏和外冷屏内部；

还包括：设置于所述外冷屏外壁上的第一温度计，设置于所述内冷屏内壁上的第二温度计，设置于所述制冷机外表面一级位置处的第三温度计，设置于所述制冷机外表面二级位置处的第四温度计；设置于所述液氦容器腔体内的第一液位计；设置于所述液氦容器壁顶部的压力传感器；

所述监控器与所述第一温度计、第二温度计、第三温度计、第四温度计、第一液位计和压力传感器相连，所述监控器具有用于获取第一温度计采集的温度值的第一输入端，用于获取第二温度计采集的温度值的第二输入端、用于获取第三温度计采集的温度值的第三输入端、用于获取第四温度计采集的温度值的第四输入端、用于获取第一液位计采集的液位值的第五输入端和用于获取压力传感器采集的压力值的第六输入端，所述第一温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第二温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第三温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第四温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第一液位计具有用于输出采集的液位值的输出端，所述压力传感器具有用于输出采集的压力值的输出端；所述第一温度计的输出端与所述监控器的第一输入端相连，所述第二温度计的输出端与所述监控器的第二输入端相连，所述第三温度计的输出端与所述监控器的第三输入端相连，所述第四温度计的输出端与所述监控器的第四输入端相连，所述第一液位计的输出端与所述监控器的第五输入端相连，所述压力传感器的输出端与所述监控器的第六输入端相连。

进一步的，所述第一液位计为柔性液位计。

进一步的，所述压力传感器为气体压力传感器。

进一步的，还包括：加热器，所述加热器与所述监控器和所述超导磁体相连，用于在所述压力传感器采集的压力值超出安全范围时，对所述超导磁体进行加热，以使得所述液氦容器内的氦气压力值恢复至安全范围以内。

进一步的，还包括：紧急失超装置，其中，所述紧急失超装置与所述加热器和所述监控器相连，用于在接收到外部触发信号时，向所述加热器发送加热信号，以使得所述加热器加热所述超导磁体直至所述超导磁体失超

进一步的，所述第一温度计设置于所述外冷屏外壁Z向中间位置，其中，X向和Y向为所述外冷屏径向。

进一步的，所述第一液位计沿着所述液氦容器壁设置。

进一步的，还包括：第五温度计，所述第五温度计设置于所述外冷屏外壁上，或者所述第五温度计设置于所述内冷屏内壁上。

进一步的，还包括：第二液位计，所述第二液位计设置于所述液氦容器腔体内。

进一步的，还包括：报警装置；

所述报警装置与所述监控器相连，用于在所述第一温度计采集的温度值、第二温度计采集的温度值、第三温度计采集的温度值、第四温度计采集的温度值、第一液位计采集的液位值和压力传感器采集的压力值中至少一项满足报警条件时，进行报警。

进一步的，还包括：显示屏；

所述显示屏与所述监控器相连，用于显示所述第一温度计采集的温度值、第二温度计采集的温度值、第三温度计采集的温度值、第四温度计采集的温度值、第一液位计采集的液位值和压力传感器采集的压力值中至少一项。

本实用新型实施例通过超导磁体、制冷机和监控器；其中，超导磁体包括线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏；线圈处于液氦容器内部，液氦容器设置于内冷屏和外冷屏内部；还包括：设置于外冷屏外壁上的第一温度计，设置于内冷屏内壁上的第二温度计，设置于制冷机外表面一级位置处的第三温度计，设置于制冷机外表面二级位置处的第四温度计；设置于液氦容器腔体内的第一液位计；设置于液氦容器壁顶部的压力传感器；监控器与第一温度计、第二温度计、第三温度计、第四温度计、第一液位计和压力传感器相连，监控器具有用于获取第一温度计采集的温度值的第一输入端，用于获取第二温度计采集的温度值的第二输入端、用于获取第三温度计采集的温度值的第三输入端、用于获取第四温度计采集的温度值的第四输入端、用于获取第一液位计采集的液位值的第五输入端和用于获取压力传感器采集的压力值的第六输入端，第一温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第二温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第三温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第四温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第一液位计具有用于输出采集的液位值的输出端，压力传感器具有用于输出采集的压力值的输出端；第一温度计的输出端与监控器的第一输入端相连，第二温度计的输出端与监控器的第二输入端相连，第三温度计的输出端与监控器的第三输入端相连，第四温度计的输出端与监控器的第四输入端相连，第一液位计的输出端与监控器的第五输入端相连，压力传感器的输出端与监控器的第六输入端相连，以实现保证超导磁体的安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例一中的一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一中的超导磁体的图示；

图3是本实用新型实施例一中的一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统的图示；

图4是本实用新型实施例一中的温度测量电路图；

图5是本实用新型实施例一中的液位测量电路图；

图6是本实用新型实施例一中的压力测量电路图；

图7是本实用新型实施例一中的一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

图1为本实用新型实施例一中的一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：超导磁体110、制冷机120和监控器130；

其中，所述超导磁体包括线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏；所述线圈处于所述液氦容器内部，所述液氦容器设置于所述内冷屏和外冷屏内部；

具体的，所述线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏的排布如图2所示，所述线圈处于所述液氦容器内部，所述液氦容器设置于所述内冷屏和外冷屏内部。所述线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏之间存在真空夹层。所述超导磁体还包括室温容器，室温容器处于最外层。

还包括：设置于所述外冷屏外壁上的第一温度计，设置于所述内冷屏内壁上的第二温度计，设置于所述制冷机外表面一级位置处的第三温度计，设置于所述制冷机外表面二级位置处的第四温度计；设置于所述液氦容器腔体内的第一液位计；设置于所述液氦容器壁顶部的压力传感器；

所述监控器与所述第一温度计、第二温度计、第三温度计、第四温度计、第一液位计和压力传感器相连，所述监控器具有用于获取第一温度计采集的温度值的第一输入端，用于获取第二温度计采集的温度值的第二输入端、用于获取第三温度计采集的温度值的第三输入端、用于获取第四温度计采集的温度值的第四输入端、用于获取第一液位计采集的液位值的第五输入端和用于获取压力传感器采集的压力值的第六输入端，所述第一温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第二温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第三温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第四温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，所述第一液位计具有用于输出采集的液位值的输出端，所述压力传感器具有用于输出采集的压力值的输出端；所述第一温度计的输出端与所述监控器的第一输入端相连，所述第二温度计的输出端与所述监控器的第二输入端相连，所述第三温度计的输出端与所述监控器的第三输入端相连，所述第四温度计的输出端与所述监控器的第四输入端相连，所述第一液位计的输出端与所述监控器的第五输入端相连，所述压力传感器的输出端与所述监控器的第六输入端相连。

具体的，对于液氦浸泡零挥发式的超导磁体系统，超导磁体被放置在液氦容器中，而液氦容器被放置在一个真空腔体内，真空腔体与液氦容器之间的空间被抽成真空。通常在真空腔体与液氦容器之间设置热辐射屏蔽件，即冷屏，冷屏与外部室温杜瓦之间也被抽成真空。为了保证超导磁体的安全稳定运行，必须对超导磁体运行过程中的温度、液氦液位、液氦容器内部氦气压力等进行连续测量监控，当这些测量参数超出设定的安全阈值后进行适当的处置，应保证超导磁体系统的安全。

可选的，所述第一液位计为柔性液位计。

可选的，所述压力传感器为气体压力传感器。

可选的，还包括：加热器，所述加热器与所述监控器和所述超导磁体相连，用于在所述压力传感器采集的压力值超出安全范围时，对所述超导磁体进行加热，以使得所述液氦容器内的氦气压力值恢复至安全范围以内。

可选的，还包括：紧急失超装置，其中，所述紧急失超装置与所述加热器和所述监控器相连，用于在接收到外部触发信号时，向所述加热器发送加热信号，以使得所述加热器加热所述超导磁体直至所述超导磁体失超

可选的，所述第一温度计设置于所述外冷屏外壁Z向中间位置，其中，X向和Y向为所述外冷屏径向。

可选的，所述第一液位计沿着所述液氦容器壁设置。

可选的，还包括：第五温度计，所述第五温度计设置于所述外冷屏外壁上，或者所述第五温度计设置于所述内冷屏内壁上。

可选的，还包括：第二液位计，所述第二液位计设置于所述液氦容器腔体内。

可选的，还包括：报警装置；

所述报警装置与所述监控器相连，用于在所述第一温度计采集的温度值、第二温度计采集的温度值、第三温度计采集的温度值、第四温度计采集的温度值、第一液位计采集的液位值和压力传感器采集的压力值中至少一项满足报警条件时，进行报警。

可选的，还包括：显示屏；

所述显示屏与所述监控器相连，用于显示所述第一温度计采集的温度值、第二温度计采集的温度值、第三温度计采集的温度值、第四温度计采集的温度值、第一液位计采集的液位值和压力传感器采集的压力值中至少一项。

具体的，运行状态监控系统对超导磁体系统温度、液氦液面、液氦容器内部压力等进行监控；同时，监控器安装紧急失超按钮，在超导磁体系统运行过程中出现异常情况时对超导磁体进行加热，诱发超导磁体失超快速退磁，以对异常情况进行应急处理。

具体的，通过运行状态监控系统可对超导磁体运行状态，包括温度、液氦液面、氦气压力等参数进行持续监控，通过控制器将液氦容器内的氦气压力控制在安全范围以内，保证超导磁体的安全运行；同时可在紧急情况下快速退出超导磁体电流及磁场，便于快速进行应急处理。

监控器包含5路恒流源输出模块，5路10μA恒流源为5个温度计测量提供电源，3个温度计在冷屏上监控冷屏的温度，另外两个温度计在制冷机上用于判定制冷机的性能状况。液位计是用两路75mA恒流源，压力控制加热器用两路200mA恒流源，输出电流为10μA，电流精度为±0.1％，可为超导磁体低温环境中使用的二极管温度计或氧化钌温度计提供激励电流。温度测量单元完成温度计电压测量，实现信号调理和AD转换。采集到的电压信号换算成温度计电阻值后，根据温度计电阻-温度对照表在液晶屏上显示对应温度计的温度值。温度测量设置温度报警功能，当测量的温度值超过报警值上限或者下限时，通过报警模块进行报警。温度报警值的下限和上限通过键盘进行设置，各个温度传感器的报警值可以通过键盘分别设置，设备断电重启后不会丢失设置。温度测量由程序控制以一定时间间隔自动测量，在设定的间隔时间内刷新测量数据同时记录测量数据，数据存储至SD卡，并可以进行查阅或者调取。可以通过键盘进行手动触发温度测量，测量值在显示屏上实时显示。监控器包含2路恒流源输出模块，输出电流为75mA，为液位计提供激励电流。通过液位计采集到的电压信号换算成液位计电阻值后，根据液位计电阻-长度对照表在液晶屏上显示对应液位计的液位值(以百分比形式显示)。液位测量设置液位报警功能，当测量的液位值超过报警值上限或者下限时，通过报警模块进行报警。液位报警值的下限和上限通过键盘进行设置。液位测量默认为自动模式测量，测量数据保存至SD卡。液位测量可分别由两路液位计传感器测量完成(主、辅)，正常情况主液位计通道测量，当主通道异常(例如开路)，监控程序自动切换到辅通道进行液位测量。可以通过键盘手工切换主、辅通道。同时可以通过键盘进行手动触发液位测量，测量值在显示屏上实时显示。监控器包含液氦容器压力控制恒流源输出模块，输出电流为200mA，为2路氦气压力控制加热器提供激励电流。监控器通过压力传感器实时监控液氦容器内的氦气压力，给加热器通电加热液氦以控制氦气压力在设定的压力值范围内。压力传感器连续检测压力值，压力阈值可通过键盘进行设置。当压力值小于设定下限值时，分别向两个加热器同时输入200mA工作电流；当压力测量信号大于设定上限值时，关闭加热器供电。压力测量由程序控制以一定时间间隔自动测量，在设定的间隔时间内刷新测量数据同时记录测量数据，数据存储至SD卡，并可以进行查阅或者调取。可以通过键盘进行手动触发压力测量，测量值在显示屏上实时显示。还包括紧急失超装置，主要完成紧急失超的启动和复位，记录事件发生的时间和次数，保存至SD卡，可在屏幕查询。失超是超导磁体由超导状态转变为非超导状态。通过加热器加热使超导线圈的局部温度超过临界温度，这部分线圈就会有电阻，进而产生焦耳热，热量会逐渐传播到整个线圈，实现了失超。临界温度是超导材料由非超导态转换成超导态的温度。紧急失超装置通过防触碰自锁按钮提供外部触发信号，加热超导磁体失超。在紧急状态下，按下紧急失超按钮，开关动作提供短路接点信号，触发恒流源模块提供给失超加热器励磁电流，加热超导磁体直至失超。还包括：报警模块，完成各种紧急状态的报警及复位，报警模块包括LED指示灯、蜂鸣器、蜂鸣器开关、短信提醒功能等。监控器接收到的第一温度计采集的温度值、第二温度计采集的温度值、第三温度计采集的温度值、第四温度计采集的温度值、第一液位计采集的液位值和压力传感器采集的压力值中至少一项超出设定阈值时，蜂鸣器报警发出声音，屏幕显示对应的故障代码。可以通过蜂鸣器的开关，关闭蜂鸣器，报警指示灯依旧常亮，直到异常解除。报警信号通过短信功能向手机发送报警短信，短信发送的时间设置为报警时开始发送提示短信，5分钟后再次发送，后续每隔12小时发送，直到指标恢复正常。监控器包含24V备用锂电池单元，锂电池在监控器上电工作时自动充电。锂电池电压低于23V并持续24小时，则报警提示更换锂电池。监控器在无外电情况下由锂电池供电，按下紧急失超开关，由锂电池向加热器提供电流对超导磁体进行加热。运行状态监控系统包括：液晶显示屏，完成主要信息的显示；键盘单元，完成设置及显示的输入及切换等功能；冷量裕度计算，可以根据压力控制输出功率计算超导磁体制冷功率裕度；SD卡存储单元，完成测量数据和操作过程的记录；RTC实时时钟模块，保证监控器重启后时钟数值保持正常；GSM单元，实现监控报警时进行手机短信提示；NET接口，计算机可以通过Internet远程接入监控查看和测量磁体的当前状态信息。

在一个具体的例子中，如图3所示，液晶显示屏2可显示温度、液面、压力、报警等信息，同时可显示设定值。键盘单元7用于对液晶显示屏2所显示的菜单操作以及设定值的输入。LED指示灯5包括运行、状态报警、电池、压力等报警指示，当出现报警信号时，在屏幕显示相应的报警代码。紧急失超按钮1使用防护壳结构，在遇紧急情况时打开保护壳再按下按钮，当按钮按下后，监控器将进入待机状态，直到失超开关复位。备用锂电池11在监控器失去电源供电时为监控器提供临时供电需要；自锁按钮10为监控器电源开关；插口9为监控器标准AC220V电源线输入插口。连接端口8为监控器输入输出信号线连接端口，包括连接至超导磁体12内部的温度计、液面计、加热器的信号电缆接口13。通讯接口6为标准RS-232通讯接口，用于监控器的数据传输。蜂鸣器3在监控器检测到故障时进行声音报警，可通过复位按钮4消除蜂鸣器3的报警声音。

在另一个具体的例子中，如图4所示，对于电阻型温度计恒流源给I+、I-通过10μA电流，然后测量V+、V-两端电压，计算出电阻值，然后根据电阻-温度的对应关系得到相应的温度值。对于二极管温度计，恒流源给I+、I-通过10μA电流，然后测量V+、V-两端电压，通过导通电压-温度对应关系得到相应的温度值。如图5所示，恒流源给I+、I-通过10μA电流，然后测量V+、V-两端电压，计算出电阻值，然后再换算成对应的液位高度。如图6所示，通过测量负载两端的电压来换算成实际压力。

在另一个具体的例子中，如图7所示，在监控器开机后，开始进行监测，检查压力传感器、液位计以及温度计发送至监控器的信号是否异常，若异常进行报警，每隔固定时间进行压力测量，通过加热器将压力值控制在上下阈值之间；每隔固定时间进行液位测量，若液位高度低于工作液位，则进行报警；每隔固定时间进行温度测量，若所述测量温度高于温度阈值，则进行报警。

本实用新型提出了一种液氦再冷凝式超导磁体运行状态监控系统，可对超导磁体的运行过程中的温度、液面、压力进行连续检测及控制，各个检测物理量可以分别设置报警阈值，当超导磁体运行出现异常时，可现场或者通过网络、短信等进行报警，及时排除故障，保证超导磁体的安全运行。监控器设计使用备用锂电池，可以在监控器失去供电时保证监控器正常运行及紧急失超操作，保证超导磁体及相关设备的运行安全。

本实用新型也可以采用分离式检测的方式分别对温度、液面、压力等进行监测及控制。

本实用新型实施例的技术方案能够对超导磁体运行过程中的温度、液面、压力等进行持续监测并具有数据存储功能；具有主动诱发超导磁体失超功能；具有多种报警功能；监控器配备有备用锂电池。本实用新型实施例的技术方案，通过超导磁体、制冷机和监控器；其中，超导磁体包括线圈、液氦容器、内冷屏和外冷屏；线圈处于液氦容器内部，液氦容器设置于内冷屏和外冷屏内部；还包括：设置于外冷屏外壁上的第一温度计，设置于内冷屏内壁上的第二温度计，设置于制冷机外表面一级位置处的第三温度计，设置于制冷机外表面二级位置处的第四温度计；设置于液氦容器腔体内的第一液位计；设置于液氦容器壁顶部的压力传感器；监控器与第一温度计、第二温度计、第三温度计、第四温度计、第一液位计和压力传感器相连，监控器具有用于获取第一温度计采集的温度值的第一输入端，用于获取第二温度计采集的温度值的第二输入端、用于获取第三温度计采集的温度值的第三输入端、用于获取第四温度计采集的温度值的第四输入端、用于获取第一液位计采集的液位值的第五输入端和用于获取压力传感器采集的压力值的第六输入端，第一温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第二温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第三温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第四温度计具有用于输出采集的温度值的输出端，第一液位计具有用于输出采集的液位值的输出端，压力传感器具有用于输出采集的压力值的输出端；第一温度计的输出端与监控器的第一输入端相连，第二温度计的输出端与监控器的第二输入端相连，第三温度计的输出端与监控器的第三输入端相连，第四温度计的输出端与监控器的第四输入端相连，第一液位计的输出端与监控器的第五输入端相连，压力传感器的输出端与监控器的第六输入端相连，以实现保证超导磁体的安全稳定运行。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。