一种高温超导磁体的在线监测系统的制作方法
【专利摘要】一种高温超导磁体的在线监测系统，包括：1)高温超导磁体系统；2)传导冷却制冷系统，该制冷系统包括制冷机冷头、铜导冷连接盘及铜导冷骨架；3)低温杜瓦系统；4)测试装置、数字电压表、渗碳陶瓷温度传感器、测量用锰铜线、包覆在铜导冷骨架上的导热绝缘层、温度变送器、光纤转换器、光纤；压接铜片，以及低温高真空脂。测试装置包括计算机和电流传感器。测量用锰铜线的中间部分缠绕在导热绝缘层上。渗碳陶瓷温度传感器直接压靠在高温超导带材的表面，两端通过焊接直接固定到高温超导带材的表面。低温高真空脂填充在压接铜片与渗碳陶瓷温度传感器和高温超导带材之间的缝隙中，用于辅助固定渗碳陶瓷温度传感器并导热。
【专利说明】一种高温超导磁体的在线监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温超导磁体的监测系统。
【背景技术】
[0002]1911年，荷兰物理学家卡麦林.昂尼斯发现了超导体。超导体具有零电阻、完全抗磁性和量子隧道效应等奇特的物理特性，超导体自从其被发现一来，超导电性及其应用一直是当代科学技术中最活跃的前沿研究领域之一，在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防以及重大科学工程等方面均具有重要的应用价值。
[0003]超导电性是1911年由荷兰物理学家Onnes首先在汞中发现的。它指超导体在温度下降到某一值时，电阻突然消失的现象。这个特征温度被定义为临界转变温度Tc。自从那时起，物理学家和材料科学家们在超导电性的实验和理论研究方面进行了不懈的努力。超导体具有三种基本特性:零电阻、抗磁性和宏观量子特性。1986年以前，人们发现的Tc最高的超导体是Nb3Ge, 23.2K。1986年4月Bednorz和Muller发现了 LaBaCuO超导体，其Tc超过30K，随后发现了 Tc高于90K的YBCO超导体，从而揭开了超导电性研究的新纪元。
[0004]超导材料是超导技术得以广泛应用的基础，超导材料主要分为低温超导材料(以NbTi和Nb3Sn为代表)和高温超导材料(以YBCO、BSCCO、TBCCO等为代表)。几十年来的努力使超导材料研究和实用化都取得了很大进展。传统的低温超导材料，特别是以NbTi合金和Nb3Sn合金为主的低温超导材料，由于其具有优良的机械加工性能及超导电性，从上实际80年代开始一直处于超导市场的主导地位。一些科研工程项目，如加速器、热核聚变堆以及质子对撞机等都需要大量的NbTi和Nb3Sn超导材料；目前，医学核磁共振成像的磁体大都用的是低温超导材料。但是，由于低温超导材料只能工作在4.2K的液氦温区，低温环境成为超导技术大规模应用的瓶颈。
[0005]以YBC0、BSCC0、TBCC0等为代表的高温超导材料可以工作在液氮温区(77K)、甚至液化天然气温区(113K)，由于氮气资源的极其丰富以及77K的液氮温区比液氦温度高出73度，带来制冷成本的大大降低，使得超导技术的大规模工业化应用成为可能。目前以BSCCO高温超导带材为代表的第一代高温超导带材已经进入产业化阶段，并开始用于实用化超导设备及装置研发。以YBCO涂层导体为代表的第二代高温超导带材，由于其在高场下载流能力大大优于第一代BSCCO高温超导带材，在近年来成为超导材料领域的研究热点，美国和日本相继开展了大规模研究计划，投入了大量的人力物力，同时也取得了很好的研究成果。
[0006]超导电力技术是利用超导体的无阻高密度载流能力及超导体的超导态-正常态相变的物理特性发展起来的应用技术。近二十年来，采用超导电力技术，已在超导输电，限流器，变压器，储能，电机等超导电力装置的研制与示范应用方面取得了良好的成绩。利用超导电力技术，不仅可以明显改善电能的质量，提高电力系统运行的稳定性和可靠性，降低电压等级，提高电网的安全性，使超大规模电网的实现成为可能，而且还可以大大提高单机容量和电网的输送容量，并大大降低电网的损耗。不仅如此，通过超导储能还可以大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。
[0007]近年来，我国也在超导电力技术方面取得了重大进展，在高温超导限流器方面，先后研制出10.5kV/l.5kA三相改进桥路型、35kV/90MVA饱和铁芯型和220kV/800A饱和铁芯型高温超导限流器样机，并挂网试验运行；在高温超导变压器方面，先后研制成功了我国首台630kVA、10.5kV/400V三相变压器和300kVA、25kV/860V单相变压器样机；以及在高温超导储能方面，先后研制出100kJ/25kV、500kJ/150kVA和35kJ/7kW的高温超导储能样机等等。而以上这些高温超导电力装置的核心部件，就是高温超导磁体系统。
[0008]随着高温超导技术的不断发展，以及第二代高温超导带材制备技术的突破，基于第二代高温超导带材所研发的高温超导磁体系统正在进入实用化的新阶段，并具有广泛的应用前景。而第二代高温超导带材所绕制的高温超导磁体局部过热是可能导致高温超导磁体失超或者烧毁的关键因素，从而有侧重的对高温超导磁体内部的温度薄弱点进行监控，以及快速、准确的对其内部高温超导带材上的电流、电压进行监视，对于基于第二代高温超导带材所研制的高温超导磁体来说非常重要。然而，高温超导磁体的主要构成部分高温超导带材一般都处于高电压、强磁场的环境下，对于温度、电流、电压的监测比较困难。尤其对于传导冷却条件下的高温超导磁体，不但需要对其进行快速、准确的监控，而且监控系统的本身要保证不能随便引入外部热量，而加剧潜在的过热点的危险性，因为针对第二代高温超导带材，带材本身超导层非常薄，单位长度超导带材体积小，从而热容小，失超时温度上升快，一旦温度过热，非常容易烧断，从而导致整个磁体系统的失超并烧毁。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出开发一种用于高电压、强磁场、低温传导冷却条件下的高温超导磁体的在线监测系统。本发明能够更精确和方便地进行在高电压、强磁场、低温传导冷却条件下的高温超导磁体内部的高温超导带材上的温度、电流、电压的监测。
[0010]本发明用于高温超导磁体的在线监测系统，包括:
[0011]I)高温超导磁体系统，所述高温超导磁体系统包括:高温超导带材、传导冷却超导磁体骨架、第一电流引线和第二电流引线；所述高温超导带材绕制在所述传导冷却超导磁体骨架上；所述的第一电流引线的一端与所述高温超导带材的第一个端头通过焊接而彼此连接，所述的第一电流引线的另一端与外接电源的第一端相连；所述的第二电流引线的一端与所述高温超导带材的第二个端头通过焊接而彼此连接，所述第二电流引线的另一端与外接电源的第二端相连；
[0012]2)传导冷却制冷系统，所述传导冷却制冷系统包括:制冷机冷头、铜导冷连接盘、第一铜导冷骨架和第二铜导冷骨架；所述制冷机冷头与所述铜导冷连接盘连接；所述第一铜导冷骨架的一端和所述第二铜导冷骨架的一端分别与所述铜导冷连接盘连接，所述第一铜导冷骨架和所述第二铜导冷骨架都用于对所述高温超导磁体系统进行传导冷却；
[0013]3)低温杜瓦系统，所述低温杜瓦系统包括:低温杜瓦和低温杜瓦盖板；所述的高温超导带材、传导冷却超导磁体骨架、制冷机冷头、铜导冷连接盘、第一铜导冷骨架和第二铜导冷骨架置于所述的低温杜瓦内；所述的低温杜瓦盖板覆盖在所述低温杜瓦的开口上，形成真空密封结构；所述的第一电流引线和第二电流引线与所述的高温超导带材相连接的一端，位于所述的低温杜瓦内，另一端通过所述的低温杜瓦盖板延伸至所述的低温杜瓦外，并与外接电源相连；
[0014]4)测试装置，
[0015]所述测试装置包括:
[0016]A)计算机；
[0017]B)电流测试装置，所述电流测试装置包括:
[0018]电流传感器，所述电流传感器套在所述第一电流引线的外周上，所述电流传感器用于检测所述高温超导带材上流经的电流值；
[0019]第一数字电压表，所述第一数字电压表通过信号线与所述电流传感器电连接，所述第一数字电压表用于检测所述电流传感器上的输出电压信号；
[0020]第一光纤转换器，所述第一光纤转换器通过信号线与所述第一数字电压表电连接，所述第一光纤转换器用于将电信号转化成光信号；
[0021]第一光纤，所述第一光纤的一端与所述第一光纤转换器光连接，所述第一光纤用于进行光信号的传输；
[0022]第二光纤转换器，所述第一光纤的另一端与所述第二光纤转换器光连接，所述第二光纤转换器用于将光信号再转化为电信号，所述计算机通过信号线与所述第二光纤转换器电连接，用于对由所述第二光纤转换器转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理；
[0023]C)电压测试装置，所述电压测试装置包括:
[0024]第一电压测量用锰铜线，在所述高温超导带材上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材第一端头与所述第一电流引线的焊接点三倍于所述高温超导带材宽度的距离点，焊接所述第一电压测量用锰铜线的一端；
[0025]第二电压测量用锰铜线，在所述高温超导带材上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材第二端头与所述第二电流引线的焊接点三倍于所述高温超导带材宽度的距离点，焊接所述第二电压测量用锰铜线的一端；
[0026]第一导热绝缘层，所述第一导热绝缘层包覆在所述第一铜导冷骨架的外周上，所述第一电压测量用锰铜线和所述第二电压测量用锰铜线中间部分以大致螺旋形状缠绕在所述第一导热绝缘层上；
[0027]第二数字电压表，所述第一电压测量用锰铜线和所述第二电压测量用锰铜线的另一端分别与所述第二数字电压表电连接；
[0028]第三光纤转换器，所述第三光纤转换器通过信号线与所述第二数字电压表电连接，所述第三光纤转换器用于将电信号转化成光信号；
[0029]第二光纤，所述第二光纤的一端与所述第三光纤转换器光连接，所述第二光纤用于进行光信号的传输；
[0030]第四光纤转换器，所述第二光纤的另一端与所述第四光纤转换器光连接，所述第四光纤转换器用于将光信号再转化为电信号，所述计算机通过信号线与所述第四光纤转换器电连接，用于对由所述第四光纤转换器转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理。
[0031]优选地，所述测试装置还包括温度测试装置，所述温度测试装置包括安装在所述高温超导带材的表面的渗碳陶瓷温度传感器。在所述高温超导带材绕制完毕，并且安装渗碳陶瓷温度传感器后，用环氧固化剂对所述传导冷却超导磁体骨架、所述高温超导带材和所述渗碳陶瓷温度传感器进行浸溃固化。
[0032]优选地，所述测试装置还包括:
[0033]温度测量用锰铜线，所述温度测量用锰铜线的一端与所述渗碳陶瓷温度传感器的引出线通过焊接连接；
[0034]第二导热绝缘层，所述第二导热绝缘层包覆在所述第二铜导冷骨架的外周上，所述温度测量用锰铜线的中间部分以大致螺旋形状缠绕在所述第二导热绝缘层上；
[0035]温度变送器，所述温度测量用锰铜线的另一端和所述温度变送器电连接；
[0036]第五光纤转换器，所述第五光纤转换器通过信号线与所述温度变送器电连接，所述第五光纤转换器用于将电信号转化成光信号；
[0037]第三光纤，所述第三光纤的一端与所述第五光纤转换器光连接，所述第三光纤用于进行光信号的传输；
[0038]第六光纤转换器，所述第三光纤的另一端与所述第六光纤转换器光连接，所述第六光纤转换器用于将光信号再转化为电信号，所述计算机通过信号线与所述第六光纤转换器电连接，用于对由所述第六光纤转换器转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理；
[0039]压接铜片，所述压接铜片的中间部分将所述渗碳陶瓷温度传感器直接压靠在所述高温超导带材的表面，所述压接铜片的两端通过焊接被直接固定到所述高温超导带材的表面，用以将所述渗碳陶瓷温度传感器紧固在所述高温超导带材的表面；
[0040]低温高真空脂，所述低温高真空脂填充在所述压接铜片与所述渗碳陶瓷温度传感器和所述高温超导带材之间的缝隙中，用于辅助固定所述渗碳陶瓷温度传感器并且起到导热作用。
[0041]优选地，所述第一导热绝缘层和所述第二导热绝缘层均由环氧树脂掺杂氮化铝粉末的混合物制作。
[0042]优选地，所述低温杜瓦盖板中密封安装有第一真空过渡插头和第二真空过渡插头，所述第一电压测量用锰铜线和所述第二电压测量用锰铜线分别密封固定到所述第一真空过渡插头并且通过所述第一真空过渡插头和所述第二数字电压表电连接，所述温度测量用锰铜线密封固定到所述第二真空过渡插头并且通过所述第二真空过渡插头和所述温度变送器电连接。
[0043]在本发明中，由于渗碳陶瓷温度传感器在6T与4.5K条件下，温度测量误差小于1%，所以通过设置渗碳陶瓷温度传感器，确保了在强磁场环境下的温度监测的精确性。通过设置压接铜片，并且填充低温高真空脂，保证了渗碳陶瓷温度传感器能够紧密贴合在高温超导带材的表面，以确保渗碳陶瓷温度传感器和所测试的高温超导带材之间的温度的一致性，从而可以更直接、精确地对高温超导磁体内部的高温超导带材上的温度进行精准的测量。通过设置第一电压测量用锰铜线和第二电压测量用锰铜线中间部分被大致螺旋形状地缠绕在第一导热绝缘层上，以及温度测量用锰铜线的中间部分以大致螺旋形状缠绕在第二导热绝缘层上。这一方面相当于设置了热沉，所述热沉即是所述第一铜导冷骨架和第一导热绝缘层的组合，以及第二铜导冷骨架和第二导热绝缘层的组合，可以促进热交换，另一方面可以防止引线受力拉断。具体而言，对于传导冷却高温超导磁体，不但必须考虑测量线传导热对测量精度的影响，还要尽量减少通过测量线从外部引入的热量，如果从外部引入的热量过大，有可能引起传导冷却制冷系统的总体效率下降，使得高温超导磁体不能够被冷却到预定温度，另外还可能对于局部导热点引发高温超导带材的局部温升，增加高温超导带材被烧断的危险，所以，一方面需要使用导热率低、电阻率高的锰铜线作为测量用引线，一方面必须要在测量用锰铜线上设置热沉，促使测量用锰铜线与热沉充分进行热交换，避免外部热量的导入，防止测量线传导热的影响。热沉必须置于导冷路径的上游端，尽量远离高温超导磁体，尽量保证传导至高温超导带材及渗碳陶瓷温度传感器上的热负荷为O，确保了在传导冷却环境下的温度、电压监测的精确性。用大致螺旋形状缠绕方式固定在所述热绝缘层上，则增加了测量用锰铜线的安全裕度，可以有效地防止因热胀冷缩引起的测量线受力拉断的危险。通过设置第一导热绝缘层和第二导热绝缘层，并且它们的材料都是由环氧树脂掺杂氮化铝粉末的混合物制作的。氮化铝粉末是一种热导率高、热膨胀系数小，电绝缘性能良好的陶瓷材料，用在环氧树脂中掺杂氮化铝粉末制作的混合物，不但可以有效地将测量用锰铜线上的热量导出到铜导冷骨架上，还可以有效地对第一电压测量用锰铜线和第二电压测量用锰铜线与第一铜导冷骨架之间，以及温度测量用锰铜线和第二铜导冷骨架之间进行绝缘，以起到高电压隔离的作用，第一电压测量用锰铜线、第二电压测量用锰铜线、温度测量用锰铜线和高温超导磁体系统处于高电压端，第一铜导冷骨架、第二铜导冷骨架及传导冷却制冷系统所包含的其它部分都处于低电压端，通过设置光纤和成对的光纤转换器，实现了电信号与光信号之间的转化，并通过光信号的传递，也起到了高电压隔离的作用，第一光纤转换器、第三光纤转换器、第五光纤转换器以及上游的第一数字电压表、第二数字电压表和温度变送器部分为高电压端，第二光纤转换器、第四光纤转换器、第六光纤转换器以及下游的计算机处于低电压端，这些结构确保了在高电压环境下的温度监测的安全性。
[0044]本发明适用于高电压、强磁场、低温传导冷却条件下的高温超导磁体的在线监测。本发明可以快速、直接、精确的对在高电压、强磁场、传导冷却条件下的高温超导磁体内部的高温超导带材上的温度、电流、电压进行监测，并确保不会因为监测系统的安装而引入外部热量。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1是本发明的一种高温超导磁体的在线监测系统的总体结构的示意图，其中显示出了高电压、强磁场、低温传导冷却条件下的高温超导磁体温度监测装置、电压监测装置和电流监测装置的连接配置情况。
[0046]图2是本发明的超导磁体部分的正视图，也就是图1中的高温超导磁体系统的放大图，其中显示出了温度传感器的安装方式以及电流引线、电压测量线与高温超导带材之间的连接情况。
[0047]图3是本发明的温度传感器的安装情况的侧视图，其中从侧面显示出了温度传感器的安装方式。
【具体实施方式】
[0048]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明详细描述本发明。
[0049]图1?图3所示出为本发明的高温超导磁体的在线监测系统。
[0050]图1所示，本发明在线监测系统包括:
[0051]I)高温超导磁体系统6，所述高温超导磁体系统6包括:高温超导带材1、传导冷却超导磁体骨架2、第一电流引线21和第二电流引线21’;所述高温超导带材I绕制在所述传导冷却超导磁体骨架2上；所述的第一电流引线21的一端与所述高温超导带材I的第一个端头通过焊接而彼此连接，所述的第一电流引线21的另一端与外接电源的第一端相连；所述的第二电流引线21’的一端与所述高温超导带材I的第二个端头通过焊接而彼此连接，所述第二电流引线21’的另一端与外接电源的第二端相连；
[0052]所述第一电流引线21和所述第二电流引线21’一般采用大电流低温超导引线，是本领域内的已知术语，本领域普通技术人员能够理解其含义，它能够传输较大电流给高温超导磁体；
[0053]2)传导冷却制冷系统，所述传导冷却制冷系统包括:制冷机冷头10、铜导冷连接盘9、第一铜导冷骨架8”和第二铜导冷骨架8 ;所述制冷机冷头10与所述铜导冷连接盘9连接；所述第一铜导冷骨架8”的一端和所述第二铜导冷骨架8的一端分别与所述铜导冷连接盘9连接，所述第一铜导冷骨架8”和所述第二铜导冷骨架8都用于对所述高温超导磁体系统6进行传导冷却；
[0054]3)低温杜瓦系统，如图1所示，所述低温杜瓦系统包括:低温杜瓦13和低温杜瓦盖板12 ;所述的高温超导带材1、传导冷却超导磁体骨架2、制冷机冷头10、铜导冷连接盘
9、第一铜导冷骨架8”和第二铜导冷骨架8置于所述的低温杜瓦13内；所述的低温杜瓦盖板12覆盖在所述低温杜瓦13的开口上，形成真空密封结构；所述的第一电流引线21和第二电流引线21’与所述的高温超导带材I相连接的一端，位于所述的低温杜瓦13内，另一端通过所述的低温杜瓦盖板12延伸至所述的低温杜瓦13外，并与外接电源相连；
[0055]4)测试装置，
[0056]所述测试装置包括:
[0057]A)计算机18，用于采集、显示、分析和处理信号；；
[0058]B)电流测试装置，所述电流测试装置包括:
[0059]电流传感器22，所述电流传感器22套在所述第一电流引线21的外周上，所述电流传感器22用于检测所述高温超导带材I上流经的电流值，在实际使用中所述电流传感器22由电池供电或者用隔离电源供电；
[0060]第一数字电压表23，所述第一数字电压表23通过信号线与所述电流传感器22电连接，所述第一数字电压表23用于检测所述电流传感器22上的输出电压信号，在实际使用中所述第一数字电压表23由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0061]第一光纤转换器15’，所述第一光纤转换器15’通过信号线与所述第一数字电压表23电连接，所述第一光纤转换器15’用于将电信号转化成光信号，在实际使用中所述第一光纤转化器15’也是由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0062]第一光纤16’，所述第一光纤16’的一端与所述第一光纤转换器15’光连接，所述第一光纤16’用于进行光信号的传输；
[0063]第二光纤转换器17’，所述第一光纤16’的另一端与所述第二光纤转换器17’光连接，所述第二光纤转换器17’用于将光信号再转化为电信号，所述的第一光纤转换器15’、第一光纤16’、第二光纤转换器17’实现了光信号的传递，通过光信号的传递则起到了高电压隔离的作用，并且由于光纤传输距离能达几十公里，则通过光纤传输可以将第二光纤转换器17’及下游设备放置于远离被测信号的地方，所述计算机18通过信号线与所述第二光纤转换器17’电连接，用于对由所述第二光纤转换器17’转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理；
[0064]C)电压测试装置，所述电压测试装置包括:
[0065]第一电压测量用锰铜线5’，在所述高温超导带材I上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材I第一个端头与所述第一电流引线21的焊接点三倍于所述高温超导带材I宽度的距离点焊接所述第一电压测量用锰铜线5’的一端；
[0066]第二电压测量用锰铜线5”，在所述高温超导带材I上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材I第二个端头与所述第二电流引线21’的焊接点三倍于所述高温超导带材I宽度的距离点焊接所述第二电压测量用锰铜线5”的一端；
[0067]第一导热绝缘层7”，所述第一导热绝缘层7”包覆在所述第一铜导冷骨架8”的外周上，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”中间部分被大致螺旋形状地缠绕在所述第一导热绝缘层7”上，所述第一导热绝缘层7”是导热性能非常好的绝缘层，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”建议采用双绞的结构，用以降低信号的干扰；
[0068]第二数字电压表24，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”的另一端分别与所述第二数字电压表24电连接，在实际使用中所述第二数字电压表24由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0069]第三光纤转换器15”，所述第三光纤转换器15”通过信号线与所述第二数字电压表24电连接，所述第三光纤转换器15”用于将电信号转化成光信号，在实际使用中所述第三光纤转换器15”也是由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0070]第二光纤16”，所述第二光纤16”的一端与所述第三光纤转换器15”光连接，所述第二光纤16”用于进行光信号的传输；
[0071]第四光纤转换器17”，所述第二光纤16”的另一端与所述第四光纤转换器17”光连接，所述第四光纤转换器17”用于将光信号再转化为电信号，所述的第三光纤转换器15”、第二光纤16”、第四光纤转换器17”实现了光信号的传递，通过光信号的传递则起到了高电压隔离的作用，所述计算机18通过信号线与所述第四光纤转换器17”电连接，用于对由所述第四光纤转换器17”转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理。
[0072]D)温度测试装置，所述温度测试装置包括:
[0073]安装在所述高温超导带材I的表面的渗碳陶瓷温度传感器4，在所述高温超导带材I绕制完毕并且安装所述渗碳陶瓷温度传感器4后，用环氧固化剂3对所述传导冷却超导磁体骨架2、所述高温超导带材I和所述渗碳陶瓷温度传感器4进行浸溃固化，从而形成一个整体，图1是所述碳陶瓷温度传感器4的安装示意图，具体安装方式如图2和图3 ;
[0074]温度测量用锰铜线5，如图1和图2所示，所述温度测量用锰铜线5的一端与所述渗碳陶瓷温度传感器4的引出线通过焊接而彼此连接，所述测量用锰铜线5为4根，即用四引线法与所述渗碳陶瓷温度传感器4连接，并可以选用非双绞结构或双绞结构，建议选用双绞结构来降低信号的干扰，此处所述温度测量用锰铜线5与所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”分别不能交叉重叠，图1和图2仅为示意图。；
[0075]第二导热绝缘层7，所述第二导热绝缘层7包覆在所述第二铜导冷骨架8的外周上，所述温度测量用锰铜线5的中间部分以大致螺旋形状缠绕在所述第二导热绝缘层7上，所述第二导热绝缘层7是导热性能非常好的绝缘层；
[0076]温度变送器14，所述温度测量用锰铜线5的另一端和所述温度变送器14电连接，在实际使用中所述温度变送器14由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0077]第五光纤转换器15，所述第五光纤转换器15通过信号线与所述温度变送器14电连接，所述第五光纤转换器15用于将电信号转化成光信号，在实际使用中所述第五光纤转化器15由电池供电或者用隔离电源供电，并可以用加屏蔽室的方法，以保证强磁场条件下测试数据的精确性；
[0078]第三光纤16，所述第三光纤16的一端与所述第五光纤转换器15光连接，所述第三光纤16用于进行光信号的传输；
[0079]第六光纤转换器17，所述第三光纤16的另一端与所述第六光纤转换器17光连接，所述第六光纤转换器17用于将光信号再转化为电信号，所述的第五光纤转换器15、第三光纤16、第六光纤转换器17实现了光信号的传递，通过光信号的传递则起到了高电压隔离的作用，所述计算机18通过信号线与所述第六光纤转换器17电连接，用于对由所述第六光纤转换器17转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理；
[0080]压接铜片19，如图2和图3所示，所述压接铜片19的中间部分将所述渗碳陶瓷温度传感器4直接压靠在所述高温超导带材I的表面，所述压接铜片19的两端通过焊接被直接固定到所述高温超导带材I的表面，用以将所述渗碳陶瓷温度传感器4紧固在所述高温超导带材I的表面；
[0081 ] 低温高真空脂20，如图3所示，所述低温高真空脂20填充在所述压接铜片19与所述渗碳陶瓷温度传感器4和所述高温超导带材I之间的缝隙中，用于辅助固定所述渗碳陶瓷温度传感器4并且起到导热作用。
[0082]本发明设置了压接铜片19，并且填充了低温高真空脂20，是为了保证使渗碳陶瓷温度传感器4紧密贴合在高温超导带材I的表面，以确保渗碳陶瓷温度传感器4和所测试的高温超导带材I之间的温度的一致性，从而可以直接、精确地对高温超导带材I上的温度进行精准的测量。
[0083]所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”中间部分被大致螺旋形状地缠绕在第一导热绝缘层7”上，以及温度测量用锰铜线5的中间部分以大致螺旋形状缠绕在第二导热绝缘层7上。这一方面相当于设置了热沉，所述热沉即是所述第一铜导冷骨架8”和第一导热绝缘层7”的组合，以及第二铜导冷骨架8和第二导热绝缘层7的组合，可以促进热交换，另一方面可以防止引线受力拉断。具体而言，对于传导冷却高温超导磁体，不但必须考虑测量线传导热对测量精度的影响，还要尽量减少通过测量线从外部引入的热量，如果从外部引入的热量过大，有可能引起传导冷却制冷系统的总体效率下降，使得高温超导磁体不能够被冷却到预定温度，另外还可能对于局部导热点引发高温超导带材的局部温升，增加高温超导带材被烧断的危险，所以，一方面需要使用导热率低、电阻率高的锰铜线作为测量用引线，一方面必须要在测量用锰铜线上设置热沉，促使测量用锰铜线与热沉充分进行热交换，避免外部热量的导入，防止测量线传导热的影响。热沉必须置于导冷路径的上游端，尽量远离高温超导磁体，尽量保证传导至高温超导带材及渗碳陶瓷温度传感器上的热负荷为O。用大致螺旋形状缠绕方式固定在所述第一导热绝缘层7”和第二导热绝缘层7上，则增加了第一电压测量用锰铜线5’和第二电压测量用锰铜线5”以及温度测量用锰铜线5的安全裕度，可以有效地防止因热胀冷缩引起的测量线受力拉断的危险。所述的“大致螺旋形状”是指第一电压测量用锰铜线5’和第二电压测量用锰铜线5”以及温度测量用锰铜线5的延伸路径可以是严格的螺旋形状，也可以是稍微偏离严格的螺旋形状，只要满足测量用锰铜线不彼此重叠且缠绕在导热绝缘层上，并从导热绝缘层的一端附近延伸到另外一端附近即可。
[0084]进一步，所述第一导热绝缘层7”和所述第二导热绝缘层7均由环氧树脂掺杂氮化铝粉末的混合物制作。氮化铝粉末是一种热导率高、热膨胀系数小，电绝缘性能良好的陶瓷材料，用在环氧树脂中掺杂氮化铝粉末制作的混合物，不但可以有效地将第一电压测量用锰铜线5’和第二电压测量用锰铜线5”上的热量导出到所述第一铜导冷骨架8”上，以及将温度测量用锰铜线5上的热量导出到所述第二铜导冷骨架8上，还可以有效地对第一电压测量用锰铜线5’和第二电压测量用锰铜线5”与第一铜导冷骨架8”之间，以及温度测量用锰铜线5和第二铜导冷骨架8之间进行绝缘，以起到高电压隔离的作用，所述的第一电压测量用锰铜线5’、第二电压测量用锰铜线5”、温度测量用锰铜线5和高温超导磁体系统6处于高电压端，第一铜导冷骨架8”、第二铜导冷骨架8及传导冷却制冷系统所包含的其它部分都处于低电压端。
[0085]如图1所示，所述低温杜瓦盖板12中密封安装有第一真空过渡插头11”和第二真空过渡插头11，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”分别密封固定到所述第一真空过渡插头11”上，并且通过所述第一真空过渡插头11”和所述第二数字电压表24电连接，所述温度测量用锰铜线5密封固定到所述第二真空过渡插头11并且通过所述第二真空过渡插头11和所述温度变送器14电连接。所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”分别密封固定到所述第一真空过渡插头11”上，并且通过所述第一真空过渡插头11”和所述第二数字电压表24电连接，即，在本发明中，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”的一端分别与高温超导带材I的两端焊接到一起；进而所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”的接下来的中间部分被缠绕在所述导第一导热绝缘层7”上，所述第一导热绝缘层7”包覆在所述第一铜导冷骨架(8”)的外周上；然而，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”分别密封固定到所述第一真空过渡插头11”上，此处密封固定方法是焊接或者环氧浸溃固定，所述第一真空过渡插头11”密封安装在所述低温杜瓦盖板12中；之后，所述第一电压测量用锰铜线5’和所述第二电压测量用锰铜线5”的另一端和所述第二数字电压表24电连接；所述温度变送器14与第二真空过渡插头11电连接，本发明中的温度测试可以通过四引线法进行。即，在本发明中，所述温度测量用锰铜线5的一端与所述渗碳陶瓷温度传感器4的引出线焊接到一起；进而所述温度测量用锰铜线5的接下来的中间部分被缠绕在所述第二导热绝缘层7上，所述第二导热绝缘层7包覆在所述第二铜导冷骨架8的外周上；然后，所述温度测量用锰铜线5密封固定到所述第二真空过渡插头11上，此处密封固定方法是焊接或者环氧浸溃固定，所述第二真空过渡插头11也是密封安装在所述低温杜瓦盖板12中；之后，所述温度测量用锰铜线5的另一端和所述温度变送器14电连接；所述高温超导带材1、传导冷却超导磁体骨架2、渗碳陶瓷温度传感器4、压接铜片19、低温高真空脂20、所述制冷机冷头10、所述铜导冷连接盘9、所述第一导热绝缘层7”、所述第二导热绝缘层7、所述第一铜导冷骨架8”以及所述第二铜导冷骨架8容纳在低温杜瓦13内，而所述电流传感器22、所述第一数字电压表23、所述第二数字电压表24、所述温度变送器14以及所述第一光纤转换器15’、所述第一光纤16’、所述第二光纤转换器17’、所述第三光纤转换器15”、所述第二光纤16”、所述第四光纤转换器17”、所述第五光纤转换器15、所述第三光纤16、所述第六光纤转换器17和所述计算机18则位于所述低温杜瓦13之外。
[0086]低温高真空脂是本领域内的已知术语，本领域普通技术人员能够理解其含义，它能将制冷系统的冷量快速传递给超导磁体、低温恒温器、温度传感器或其它需要快速获得低温的系统，并且能够起到固定作用。
[0087]本发明中的环氧固化剂3由环氧树脂构成。
[0088]低温杜瓦是本领域内的已知术语，本领域普通技术人员能够理解其含义，它是用于维持低温的一种本领域内的已知的容器。
【权利要求】
1.一种高温超导磁体的在线监测系统，包括: 1)高温超导磁体系统￠)，所述高温超导磁体系统(6)包括:高温超导带材(I)、传导冷却超导磁体骨架(2)、第一电流引线(21)和第二电流引线(21’)；所述高温超导带材(I)绕制在所述传导冷却超导磁体骨架(2)上；所述的第一电流引线(21)的一端与所述高温超导带材(I)的第一端头通过焊接连接，所述的第一电流引线(21)的另一端与外接电源的第一端相连；所述的第二电流引线(21’)的一端与所述高温超导带材(I)的第二端头通过焊接连接，所述第二电流引线(21’ )的另一端与外接电源的第二端相连； 2)传导冷却制冷系统，所述传导冷却制冷系统包括:制冷机冷头(10)、铜导冷连接盘(9)、第一铜导冷骨架(8”)和第二铜导冷骨架(8);所述制冷机冷头(10)与所述铜导冷连接盘(9)连接；所述第一铜导冷骨架(8”)的一端和所述第二铜导冷骨架(8)的一端分别与所述铜导冷连接盘(9)连接，所述第一铜导冷骨架(8”)和所述第二铜导冷骨架(8)都用于对所述高温超导磁体系统(6)进行传导冷却； 3)低温杜瓦系统，所述低温杜瓦系统包括:低温杜瓦(13)和低温杜瓦盖板(12);所述的高温超导带材(I)、传导冷却超导磁体骨架(2)、制冷机冷头(10)、铜导冷连接盘(9)、第一铜导冷骨架(8”)和第二铜导冷骨架(8)置于所述的低温杜瓦(13)内；所述的低温杜瓦盖板(12)覆盖在所述低温杜瓦(13)的开口上，形成真空密封结构；所述的第一电流引线(21)和第二电流引线(21’ )与所述的高温超导带材(I)相连接的一端位于所述的低温杜瓦(13)内，所述的第一电流引线(21)和第二电流引线(21’)不与所述的高温超导带材(I)相连接的另一端通过所述的低温杜瓦盖板(12)延伸至所述的低温杜瓦(13)外，并与外接电源相连； 4)测试装置； 其特征在于，所述测试装置包括: A)计算机(18)； B)电流测试装置，所述电流测试装置包括: 电流传感器(22)，所述电流传感器(22)套装在所述第一电流引线(21)的外周上，所述电流传感器(22)用于检测所述高温超导带材(I)上流经的电流值； 第一数字电压表(23)，所述第一数字电压表(23)通过信号线与所述电流传感器(22)电连接，所述第一数字电压表(23)用于检测所述电流传感器(22)上的输出电压信号； 第一光纤转换器(15’)，所述第一光纤转换器(15’ )通过信号线与所述第一数字电压表(23)电连接，所述第一光纤转换器(15’ )用于将电信号转化成光信号； 第一光纤(16’)，所述第一光纤(16’ )的一端与所述第一光纤转换器(15’ )光连接，所述第一光纤(16’ )用于进行光信号的传输； 第二光纤转换器(17’)，所述第一光纤(16’ )的另一端与所述第二光纤转换器(17’ )光连接，所述第二光纤转换器(17’ )用于将光信号再转化为电信号，所述计算机(18)通过信号线与所述第二光纤转换器(17’)电连接，用于对由所述第二光纤转换器(17’)转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理； C)电压测试装置，所述电压测试装置包括: 第一电压测量用锰铜线(5’)，在所述高温超导带材(I)上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材(I)第一端头与所述第一电流引线(21)的焊接点三倍于所述高温超导带材(I)宽度的距离点，焊接所述第一电压测量用锰铜线(5’ )的一端； 第二电压测量用锰铜线(5”)，在所述高温超导带材(I)上向远离端头的方向，距离所述高温超导带材(I)第二个端头与所述第二电流引线(21’)的焊接点三倍于所述高温超导带材(I)宽度的距离点，焊接所述第二电压测量用锰铜线(5”)的一端； 第一导热绝缘层(7”)，所述第一导热绝缘层(7”)包覆在所述第一铜导冷骨架(8”)的外周上，所述第一电压测量用锰铜线(5’)和所述第二电压测量用锰铜线(5”)中间部分以大致螺旋形状缠绕在所述第一导热绝缘层(7”)上； 第二数字电压表(24)，所述第一电压测量用锰铜线(5，)和所述第二电压测量用锰铜线(5”)的另一端分别与所述第二数字电压表(24)电连接； 第三光纤转换器(15”)，所述第三光纤转换器(15”)通过信号线与所述第二数字电压表(24)电连接，所述第三光纤转换器(15”)用于将电信号转化成光信号； 第二光纤(16”)，所述第二光纤(16”)的一端与所述第三光纤转换器(15”)光连接，所述第二光纤(16”)用于进行光信号的传输； 第四光纤转换器(17”)，所述第二光纤(16”)的另一端与所述第四光纤转换器(17”)光连接，所述第四光纤转换器(17”)用于将光信号再转化为电信号，所述计算机(18)通过信号线与所述第四光纤转换器(17”)电连接，用于对由所述第四光纤转换器(17”)转换来的电信号进行采集、显示、分析和处理。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体的在线监测系统，其特征在于， 所述测试装置还包括温度测试装置， 所述温度测试装置包括: 安装在所述高温超导带材(I)的表面的渗碳陶瓷温度传感器(4)，在所述高温超导带材(I)绕制完毕并且所述渗碳陶瓷温度传感器(4)安装后，用环氧固化剂(3)对所述传导冷却超导磁体骨架(2)、所述高温超导带材(I)和所述渗碳陶瓷温度传感器(4)进行浸溃固化； 温度测量用锰铜线(5)，所述温度测量用锰铜线(5)的一端与所述渗碳陶瓷温度传感器(4)的引出线通过焊接而彼此连接； 第二导热绝缘层(7)，所述第二导热绝缘层(7)包覆在所述第二铜导冷骨架(8)的外周上，所述温度测量用锰铜线(5)的中间部分以大致螺旋形状缠绕在所述第二导热绝缘层(7)上； 温度变送器(14)，所述温度测量用锰铜线(5)的另一端和所述温度变送器(14)电连接; 第五光纤转换器(15)，所述第五光纤转换器(15)通过信号线与所述温度变送器(14)电连接，所述第五光纤转换器(15)用于将电信号转化成光信号； 第三光纤(16)，所述第三光纤(16)的一端与所述第五光纤转换器(15)光连接，所述第三光纤(16)用于进行光信号的传输； 第六光纤转换器(17)，所述第三光纤(16)的另一端与所述第六光纤转换器(17)光连接，所述第六光纤转换器(17)用于将光信号再转化为电信号，所述计算机(18)通过信号线与所述第六光纤转换器(17)电连接，用于对由所述第六光纤转换器(17)转化过来的电信号进行采集、显示、分析和处理； 压接铜片(19)，所述压接铜片(19)的中间部分将所述渗碳陶瓷温度传感器(4)直接压靠在所述高温超导带材(I)的表面，所述压接铜片(19)的两端通过焊接直接固定在所述高温超导带材(I)的表面，用以将所述渗碳陶瓷温度传感器(4)紧固在所述高温超导带材(I)的表面； 低温高真空脂(20)，所述低温高真空脂(20)填充在所述压接铜片(19)与所述渗碳陶瓷温度传感器(4)和所述高温超导带材(I)之间的缝隙中，用于辅助固定所述渗碳陶瓷温度传感器(4)，并且起到导热作用。
3.根据权利要求1或2所述的一种高温超导磁体的在线监测系统，其特征在于，所述第一导热绝缘层(7”)和所述第二导热绝缘层(7)均由环氧树脂掺杂氮化铝粉末的混合物制作。
4.根据权利要求1或2所述的一种高温超导磁体的在线监测系统，其特征在于，所述低温杜瓦盖板(12)中密封安装有第一真空过渡插头(11”)和第二真空过渡插头(11)，所述第一电压测量用锰铜线(5，)和所述第二电压测量用锰铜线(5”)分别密封固定到所述第一真空过渡插头(11”)上，并且通过所述第一真空过渡插头(11”)和所述第二数字电压表(24)电连接，所述温度测量用锰铜线(5)密封固定到所述第二真空过渡插头(11)上，并且通过所述第二真空过渡插头(11)和所述温度变送器(14)电连接。
【文档编号】G01R19/25GK104198803SQ201410448697
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】许熙, 马韬, 李侠, 郭文勇, 牛帅, 张京业, 王玉平, 戴少涛 申请人:中国科学院电工研究所, 中国西电电气股份有限公司