一种测量超导体交流损耗的综合系统

1.本实用新型属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种测量超导体交流损耗的综合系统。


背景技术：

2.超导电力技术是基于超导材料在电力能源领域内的应用而发展出来的一门科学，主要研究如何将超导电力装置应用于电力系统，超导电力装置具有小型化、轻量化和低能耗等特性，对于提高电力系统的稳定性、可靠性和电能质量具有重要意义。超导带材和超导磁体是超导电力装置的核心部件，保证超导带材和超导磁体的稳定性和可靠性对于超导电力装置至关重要。
3.超导体有三个临界参数：临界电流、临界磁场和临界温度，超导电力装置必须运行在这三个参数构成的临界曲面之内，任何参数超过临界曲面，超导体都会失去超导电性，严重时可能导致超导电力装置烧毁。超导电力装置通常运行在复杂的电磁热环境当中，工作环境中的热扰动或电磁扰动都可能导致这三个参数中的一个或多个超出临界曲面，致使超导体失超，其中超导电力装置运行在动态电流或动态磁场环境下而产生的热损耗(交流损耗)是决定其失超的主要因素。超导体的交流损耗包括：超导体的磁滞损耗、超导丝之间的耦合损耗、金属层的涡流损耗以及基底层的铁磁损耗。交流损耗广泛存在于超导电力装置之中，是保证超导电力装置安全稳定运行无法回避的问题。
4.交流损耗的存在对超导电力装置的安全平稳运行有着重要影响，主要体现在：
①
交流损耗产生的热量会加剧冷却剂的挥发，增加运行成本；
②
传导冷却系统的设计必须考虑交流损耗的分布情况；
③
测温系统也必须重点考虑交流损耗分布较为集中的部位；
④
超导磁体的电磁设计也需要考虑如何尽量减小交流损耗对磁体运行稳定性的影响；
⑤
交流损耗产生的热量如果不能被制冷系统产生的冷量平衡，则可能使超导体的温度持续上升，导致其失去超导电性，严重时可能导致超导磁体发生永久性破坏。总之，交流损耗是超导电力装置电磁设计、结构设计、制冷系统设计、失超监测系统设计和保护系统设计中必须要考虑的因素，对超导电力装置运行过程中的交流损耗进行评估，寻求快速准确测量交流损耗的方法是超导电力装置广泛应用的前提条件。
5.交流损耗的实验测量旨在获取超导电力装置在实际工作状态下的损耗值，为制冷系统、失超监测系统和保护系统提供数据支持，同时验证超导体数值仿真模型的准确性。超导体交流损耗的实验测量方法主要包括电测法、磁测法和热测法。其中，基于电测法的交流损耗测量系统通常有两种测量方式，一是通过锁相放大器测量传输电流的有效值和电阻性电压分量来获得超导体的交流损耗，二是通过数据采集器快速精准地采集超导体在单位周期内的电流和电压数据，并通过数字积分方法计算交流损耗。锁相放大器具有较高的分辨率，但允许输入的最大电压通常不超过1v，无法适用于工作电压较大的超导体的交流损耗测量；数据采集器的分辨率略低于锁相放大器，其允许的最大输入电压仅为42v，无法适用于工作电压更大的超导体的交流损耗测量。因此，对于不同工作电压下的超导体的交流损
耗测量，单独使用锁相放大器或数据采集器难以保证测量结果的准确度，并且可测量的对象和电压范围较窄。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种测量超导体交流损耗的综合系统，用以解决传统交流损耗测量系统无法以较高的测量精度实现不同工作电压下的超导体的交流损耗测量的技术问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种测量超导体交流损耗的综合系统，包括：锁相放大器、数据采集器、功率分析仪和上位机；其中，锁相放大器、数据采集器和功率分析仪均与上位机相连；
8.待测超导体的类型为超导带材、工作电压处于0～42v之间的超导磁体以及工作电压大于42v的超导磁体中的一种或多种；
9.锁相放大器用于采集超导带材在交流工况下的电流信号和电压信号，进而得到超导带材的电流有效值和电阻性电压，并上传至上位机；
10.数据采集器用于以固定的采样率，采集工作电压处于0～42v之间的超导磁体在交流工况下的电流信号和电压信号，并上传至上位机；
11.功率分析仪用于以固定的采样率，采集工作电压大于42v的超导磁体在交流工况下的电流信号和电压信号，进而得到工作电压大于42v的超导磁体的交流损耗，并上传至上位机；
12.上位机用于分别控制锁相放大器、数据采集器和功率分析仪的启停；且当接收到锁相放大器上传的电流有效值和电阻性电压后，基于电流有效值和电阻性电压计算得到超导带材的交流损耗，并显示；当接收到数据采集器上传的电流信号和电压信号后，基于电流信号和电压信号计算得到工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗，并显示；当接收到功率分析仪上传的工作电压大于42v的超导磁体的交流损耗后，直接进行显示。
13.进一步优选地，上位机包括：第一驱动模块、第一计算模块、第二驱动模块、第二计算模块、第三驱动模块以及显示模块；
14.第一驱动模块的输出端与锁相放大器相连，用于控制锁相放大器的启停；
15.第一计算模块的输入端与锁相放大器相连，用于接收锁相放大器上传的电流有效值和电阻性电压，并基于电流有效值和电阻性电压计算得到超导带材的交流损耗；
16.第二驱动模块的输出端与数据采集器相连，用于控制数据采集器的启停；
17.第二计算模块的输入端与数据采集器相连，用于接收数据采集器上传的电流信号和电压信号，并基于电流信号和电压信号计算得到工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗；
18.第三驱动模块的输出端与功率分析仪相连，用于控制功率分析仪的启停；
19.显示模块分别与第一计算模块、第二计算模块以及功率分析仪的输出端相连，用于显示待测超导体的交流损耗。
20.进一步优选地，上述上位机为labview上位机。
21.进一步优选地，锁相放大器的通讯端通过gpib或rs-232通讯线与上位机相连。
22.进一步优选地，数据采集器的通讯端通过mxi-express线缆与上位机相连。
23.进一步优选地，功率分析仪的lan接口通过网线与上位机相连，或者功率分析仪的d-sub9针连接器通过rs-232c电缆与上位机相连。
24.进一步优选地，锁相放大器包括两根bnc线缆，分别用于输入锁相放大器的参考信号和待测信号；其中，参考信号为超导带材的电流信号，待测信号为超导带材的电压信号。
25.进一步优选地，数据采集器包括两根双绞绝缘铜线，分别用于输入工作电压处于0～42v之间的超导磁体的电流信号和电压信号。
26.进一步优选地，功率分析仪包括：一根bnc线缆和一对l1000电压线；bnc线缆用于输入工作电压大于42v的超导磁体的电流信号；l1000电压线用于输入工作电压大于42v的超导磁体的电压信号。
27.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
28.1、本实用新型提供了一种测量超导体交流损耗的综合系统，将分别适用于不同工作电压下的超导体信号采集的锁相放大器、数据采集器和功率分析仪整合组装在一起，并通过上位机对各测量仪器进行在线控制，并对各测量仪器所采集的数据进行处理，能够以较高的测量精度实现不同工作电压下的超导体的交流损耗测量，是一个集超导带材和超导磁体交流损耗测量功能于一体的综合测量系统，扩展了交流损耗测量的对象和电压范围。
29.2、本实用新型所提供的测量超导体交流损耗的综合系统中，通过labview分别对锁相放大器、数据采集器和功率分析仪进行相应的控制，并对采集到的数据进行处理，实现了不同工作电压下的超导体交流损耗的在线测量，本实用新型提供了一个良好的人机交互界面，控制更加方便灵活，可扩展性较强，自动化程度也较高。
附图说明
30.图1为本实用新型提供的测量超导体交流损耗的综合系统的结构示意图；
31.图2为本实用新型的一种可选实施方式所提供的测量超导体交流损耗的综合系统的结构示意图。
具体实施方式
32.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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。
33.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种测量超导体交流损耗的综合系统，如图1所示，包括：锁相放大器1、数据采集器2、功率分析仪3和上位机4；其中，锁相放大器1、数据采集器2和功率分析仪3均与上位机4相连；优选地，锁相放大器的通讯端通过gpib或rs-232通讯线与上位机相连；数据采集器的通讯端通过mxi-express线缆与上位机相连；功率分析仪的lan接口通过网线与上位机相连，或者功率分析仪的d-sub9针连接器通过rs-232c电缆与上位机相连。
34.本实用新型中的待测超导体的类型为超导带材、工作电压处于0～42v之间的超导磁体以及工作电压大于42v的超导磁体中的一种或多种；
35.锁相放大器1用于采集超导带材在交流工况下的电流信号和电压信号，进而得到
超导带材的电流有效值和电阻性电压，并上传至上位机4；优选地，锁相放大器包括两根bnc线缆，分别用于输入锁相放大器的参考信号和待测信号；其中，参考信号为超导带材的电流信号，待测信号为超导带材的电压信号。
36.数据采集器2用于以固定的采样率，采集工作电压处于0～42v之间的超导磁体在交流工况下的电流信号和电压信号，并上传至上位机4；优选地，数据采集器包括两根双绞绝缘铜线，分别用于输入所测超导体的电流信号和电压信号。
37.功率分析仪3用于以固定的采样率，采集工作电压大于42v的超导磁体在交流工况下的电流信号和电压信号，进而得到工作电压大于42v的超导磁体的有功功率，即交流损耗，并上传至上位机4；优选地，功率分析仪包括：一根bnc线缆和一对l1000电压线；bnc线缆用于输入所测超导体的电流信号；l1000电压线用于输入所测超导体的电压信号。
38.上位机4用于根据待测超导体的类型，分别控制锁相放大器1、数据采集器2和功率分析仪3的启停；且当接收到锁相放大器1上传的电流有效值和电阻性电压后，基于电流有效值和电阻性电压计算得到超导带材的交流损耗，并显示；当接收到数据采集器2上传的电流信号和电压信号后，基于电流信号和电压信号计算得到工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗，并显示；当接收到功率分析仪3上传的工作电压大于42v的超导磁体的交流损耗后，直接进行显示。具体地，当锁相放大器接入超导带材的电流信号和电压信号时，上位机驱动锁相放大器开始工作，当接收到锁相放大器上传的电流有效值和电阻性电压后，基于电流有效值和电阻性电压计算得到超导带材的交流损耗，并显示。当数据采集器接入工作电压处于0～42v之间的超导磁体的电流信号和电压信号时，上位机驱动数据采集器开始工作，当接收到数据采集器上传的电流信号和电压信号后，基于电流信号和电压信号计算得到所测超导磁体的交流损耗，并显示。当功率分析仪接入工作电压大于42v的超导磁体的电流信号和电压信号时，上位机驱动功率分析仪开始工作，当接收到功率分析仪上传的交流损耗后，直接进行显示。
39.优选地，如图2所示，在一种可选实施方式中，上位机包括：第一驱动模块41、第一计算模块42、第二驱动模块43、第二计算模块44、第三驱动模块45以及显示模块46；
40.第一驱动模块41的输出端与锁相放大器1相连，用于控制锁相放大器1的启停；
41.第一计算模块42的输入端与锁相放大器1相连，用于接收锁相放大器1上传的电流有效值和电阻性电压，并基于电流有效值和电阻性电压计算得到超导带材的交流损耗；具体地，第一计算模块42计算交流损耗的方法可采用任意一种现有方法，在此不做限定，例如：可参考“高温超导ybco带材、线圈及磁体的交流损耗特性研究”(作者：王壮，公开时间：2017年)中公开的方法，将电流有效值和电阻性电压相乘从而得到所测超导体的交流损耗。
42.第二驱动模块43的输出端与数据采集器2相连，用于控制数据采集器2的启停；
43.第二计算模块44的输入端与数据采集器2相连，用于接收数据采集器2上传的电流信号和电压信号，并基于电流信号和电压信号计算得到工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗；具体地，第二计算模块44计算交流损耗的方法可采用任意一种现有方法，在此不做限定，例如：可参考“高温超导带材交流损耗的理论分析与实验测量”(作者：贾晨曦，公开时间：2016年)中公开的方法，基于数据采集器实时采集的电流信号和电压信号，对电流信号和电压信号进行功率积分计算得到交流损耗。
44.第三驱动模块45的输出端与功率分析仪相连，用于控制功率分析仪3的启停；
45.显示模块46分别与第一计算模块42、第二计算模块44以及功率分析仪3的输出端相连，用于显示待测超导体的交流损耗。
46.优选地，上述上位机为labview上位机，此时，上述第一驱动模块41、第一计算模块42、第二驱动模块43、第二计算模块44和第三驱动模块45为基于labview平台的软件模块；上述显示模块46为labview显示界面，在一种可选界面中，集成有锁相放大器、数据采集器和功率分析仪的启停控制按键，以及不同类型的超导体的交流损耗显示图表。需要说明的是，labview是图形化的编程语言，包含了大量的控件、工具和函数，用于数据采集、分析、显示和存储等操作，可以利用数据采集设备采集各自传感器输出的模拟信号，且可对采集的信号进行分析处理，常用于测控技术领域，本领域技术人员能够操作实现，在此不再详述。
47.以下以三个具体的实施例对本实用新型进行详细说明。
48.实施例1为上位机通过labview软件在线控制锁相放大器测量超导带材交流损耗的过程。本实施例测量了一根长为50cm的高温超导带材在电流幅值为30a的正弦电流(50hz)下的交流损耗，超导带材采用液氮浸泡冷却，77k下的自场临界电流为106a；将超导带材与锁相放大器相连后，采用信号发生器和双极性电源供给超导带材30a幅值的正弦交流电流；此时，测量超导体交流损耗的综合系统的工作过程如下：
49.上位机中的第一驱动模块驱动锁相放大器开始工作；在这个过程中，选择通讯接口的名称和输入源的类型，并设置串行配置的参数；
50.锁相放大器开始采集超导带材的电流信号和电压信号，超导带材的电流信号经由锁相放大器的参考信号输入接口输入至锁相放大器中，超导带材的电压信号经由锁相放大器的待测信号输入接口输入至锁相放大器中，经由锁相放大器进行处理后得到超导带材的电流有效值和电阻性电压，并上传至上位机的ram缓存区；
51.上位机中的第一计算模块基于电流有效值和电阻性电压实时计算出超导带材的交流损耗；
52.在这个过程中，超导带材电压的有效值为0.993mv，感性电压有效值为0.992mv，阻性电压有效值为0.0194mv，相位角为88.88
°
，电流有效值为21.2a，测量得到的超导带材在30a幅值正弦电流下的交流损耗为0.411mw。
53.实施例2为上位机通过labview软件在线控制数据采集器测量工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗的过程。本实施例测量了一个线圈匝数为30匝的超导磁体在电流幅值为3a的正弦电流(50hz)下的交流损耗，超导磁体采用液氮浸泡冷却；将超导磁体的电流信号接至数据采集器pxie-4305采集板卡的0号输入端，超导磁体的电压信号接至pxie-4305采集板卡的1号输入端；采用信号发生器和双极性电源供给该超导磁体3a幅值的正弦交流电流；此时，测量超导体交流损耗的综合系统的工作过程如下：
54.上位机中的第二驱动模块驱动数据采集器开始工作；在这个过程中，对数据存储文件的名称进行命名，设置数据采集器的采样率和每通道采样数，设定允许测量电压的最大值和最小值，输入超导磁体的电流频率，并选择电流信号和电压信号的接入通道；本实施例中，电流频率设置为“50hz”；采样率设置和每通道采样数均设置为“5000”，即每个电流周期内采集100个数据点；采样电压最大值和最小值设置为pxie-4305采集板卡能够测量的最大范围即
“±
42v”；“通道选择”选择pxie-4305采集板卡的0号和1号通道，即超导磁体电流信号和电压信号的接入通道；
55.数据采集器开始以固定的采样率采集超导磁体的电流信号和电压信号，将所采集到的电流信号和电压信号存储到数据采集器的fifo缓存区内，并上传至上位机的ram缓存区；
56.上位机中的第二计算模块基于电流信号和电压信号计算得到工作电压处于0～42v之间的超导磁体的交流损耗；
57.在这个过程中，超导磁体的电流信号为幅值3a的正弦电流，电压信号为幅值1.96v的正弦电压，超导磁体在每个电流周期内的损耗曲线近似为一条直线(最小值约0.938w，最大值约0.948w)，测量得到的超导磁体在1s时间内的交流损耗为0.942w。
58.实施例3为上位机通过labview软件在线控制功率分析仪测量工作电压大于42v的超导磁体的交流损耗的过程。本实施例测量了超导磁体在电流幅值为54a的正弦电流(50hz)下的交流损耗，超导磁体采用液氮浸泡冷却；并将超导磁体的电流信号接至功率分析仪ch1的电流信号接入口，超导磁体的电压信号接至功率分析仪ch1的电压信号接入口，根据电流传感器的输入输出比例/型号，在功率分析仪的设置界面选择相对应的电流传感器的输入输出比例；采用信号发生器和双极性电源供给超导磁体54a幅值的正弦交流电流；此时，测量超导体交流损耗的综合系统的工作过程如下：
59.上位机中的第三驱动模块驱动控制功率分析仪开始工作；在这个过程中，选择通讯的方式(lan连接或rs-232c连接)，然后设置电流和电压接入通道的测量范围，最后选择波形图表显示的电气参数(含超导磁体的交流损耗)；本实施例中，将功率分析仪的初始参数设置为：comtype选择“tcp-ip”(光纤通讯)；address设置为该功率分析仪的通讯地址：192.168.1.1；volt(电压)部分的ch1通道开启auto(自动量程)，curr(电流)部分的ch1通道开启auto(自动量程)；mode选择为type1(单相两线模式)；item部分ch全部选择为通道1，graph 1选择为upk (电压幅值)，graph 2选择为ipk (电流幅值)，graph 3选择为f(电流频率)，graph4选择为irms(电流有效值)，graph 5择为urms(电压有效值)，graph 6择为p(有功功率即交流损耗值)
60.功率分析仪采集超导磁体在交流工况下的电流信号和电压信号，进而得到超导磁体的交流损耗，并上传至上位机；所得超导磁体在54a幅值的正弦交变电流下的交流损耗在7w左右。
61.需要说明的是，实施例1、实施例2和实施例3可以分别进行，也可以同时进行，不做限制。
62.结合实施例1-3可知，本实用新型所提供的测量超导体交流损耗的综合系统整合组装了超导体交流损耗测量平台的硬件部分，并通过labview软件实现了上位机对各个硬件部分的在线控制，是一个集超导带材和超导磁体的交流损耗测量功能于一体的综合软硬件平台，不仅实现了超导体交流损耗的在线测量，还极大地拓展了交流损耗测量的对象和电压范围。具体地，上位机首先通过数据通讯线连接各个测量仪器，并基于labview软件，根据各个测量仪器的驱动程序，在线控制锁相放大器、数据采集器和功率分析仪采集超导体的电流信号和电压信号，并将计算和测量的数据实时传输至上位机，进行交流损耗的实时计算和在线显示。本实用新型所提供的综合系统不仅自动化程度较高，还能实现交流损耗的在线测量，并且与传统的测量平台相比，该综合测量平台的测量对象和范围更广。
63.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不
用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。