一种磁体电源电流纹波测量装置及方法

1.本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种高稳定度磁体电源输出电流纹波的测量装置及方法。


背景技术：

2.大功率磁体是强磁场、可控核聚变、同步辐射、加速器等大科学装置中的核心设备，为这类磁体供电的直流电源不仅需要具备大功率输出，而且需要具有极高的电流稳定度和极低的电流纹波。
3.电流纹波是直流电源输出电流中的交流分量，定义为输出电流在一个工频周期(20ms即50hz)内最大值与最小值之差。
4.例如，在稳态强磁场实验装置中，高稳定度电源输出电流的大小和品质直接决定着磁场强度和磁场品质，极低电流纹波是满足高场核磁共振、磁性测量、强磁场极低温实验的必备条件之一。在同步辐射装置中，磁铁电源的低纹波电流是光源束流轨道稳定的关键；在超导托卡马克核聚变实验装置中，纵场电源低纹波电流有利于高温等离子体的稳定，低纹波也利于失超检测。
5.强磁场高稳定度水冷磁体电源的输出功率高达数十兆瓦，输出电流纹波需优于50ppm(1ppm为一百万分之一，即1ppm＝0.0001％)。相对于高精度电流传感器的额定输出电压和额定测量电流(10v/20ka)，电流传感器输出的纹波信号为微伏级别(如10ppm电流纹波，相当于电流传感器的输出电压纹波为
±
50uv)，不仅纹波信号非常小，而且大功率电源附近电磁环境复杂，电磁噪声甚至会完全掩盖纹波信号，故通过常规的方法，如高精度示波器直接测量电流传感器的输出，是无法测量和获取到电流纹波信号(从10伏直流信号中提取微伏级别的交流信号，远超过目前高精度示波器的测量能力和测量范围)。
6.目前，为了测量这类大功率、高稳定度、低纹波电源的输出电流纹波，主要依靠间接法测量电流纹波，即通过测量磁体两端的电压纹波，使用傅里叶分析得到各频段电压纹波的峰峰值，然后根据磁体的电感和电阻参数，近似计算出各频率下的电流纹波(参考文献：高稳定度大功率开关电源性能参数测量[j].电气传动自动化,2005,27(1):4.)。该方法需要确定磁体的电感和电阻参数，但大功率磁体的电感难以通过实验测量精确获取，而电压纹波也并非是单一的正弦波信号，一般含有多种频率成分的组合，不同频率下磁体感抗大小不同(感抗r
l
＝jwl＝j2πfl)，因此这种方法只能间接计算各频率下电流纹波的近似值，难以精确的测量出电流纹波大小，更无法直接获取纹波电流的实时波形数据。


技术实现要素：

[0007]
为实现这类高稳定度、低纹波磁体电源输出电流纹波的精确测量和实时显示，克服现有的常规电流纹波测量方法无法获取高精度磁体电源电流纹波信号，现有通过电压纹波间接计算电流纹波的方法精度不高，不能观测电流纹波的实时波形的缺点，本发明提供一种磁体电源电流纹波测量装置，可实现高精度磁体电源输出电流纹波的直接、精确测量。
[0008]
为实现上述功能，本发明采用如下技术方案：
[0009]
一种磁体电源电流纹波测量装置，由测量探头、测量线圈、同轴电缆、支架、限位圈、采集与计算分析系统组成。
[0010]
所述测量探头为非导磁材料制作的圆柱体，由柱体、线圈槽和端头组成，圆柱体内部通孔，内径为a，外径为b；所述柱体为测量探头的骨架主体，其上部为端头，端头下面紧接着为线圈槽；所述端头位于柱体的上部，高度为d，外径为b，端头高度方向上车有外螺纹，用于连接限位圈；所述线圈槽外径介于a和b之间，用于绕制安装测量线圈；所述柱体底部车有内螺纹，用于连接支架。
[0011]
所述测量线圈为n匝(n≥1)漆包线绕制在所述测量探头的线圈槽上，测量线圈的两端通过同轴电缆引出；
[0012]
所述同轴电缆的一端连接测量线圈的输出，另一端连接采集与计算分析系统的输入；
[0013]
由法拉第电磁感应定律可知，变化的磁场会在测量线圈内产生感应电动势，感应电动势的大小等于线圈的匝数n乘以穿过该线圈的磁通量的变化率。
[0014]
进一步地，所述支架为非导磁材料制作，一端通过外螺纹连接所述测量探头柱体底部的内螺纹；另一端固定于地面；
[0015]
进一步地，所述支架的长度为确保本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置，在测量电源输出电流纹波时，正好使得测量线圈置于磁场的中心位置；
[0016]
进一步地，所述支架可设置为伸缩结构，长度可调，以满足不同规格磁体的中心位置有差异时，测量电流纹波的需求。
[0017]
进一步地，所述限位圈为非导磁材料制作的圆柱体，内部通孔，内径为b，与上述测量探头中端头的外径一致；外径为c；高度为d，与上述测量探头中端头的高度一致；限位圈内部车有内螺纹，与所述测量探头的端头进行螺纹连接，以满足不同规格磁体的孔径有差异时，测量电流纹波的需求。
[0018]
进一步地，所述测量探头、限位圈均为聚四氟乙烯材料，该材料不导磁，具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，耐热、耐寒性能优良。
[0019]
进一步地，所述采集与计算分析系统由数据采集卡、数字积分器、纹波计算和波形显示，以及处理器及软硬件等单元组成，所述数据采集卡的输入接同轴电缆的输出，用于采集测量线圈上产生的感应电压信号，数据采集卡的采样速率应满足奈圭斯特采样定理的要求；
[0020]
所述数字积分器是使用软件程序实现对测量线圈输出的感应电压信号进行积分运算，相比较于模拟积分器，数字积分器不仅可以避免积分漂移和积分饱和，而且具有采集方便、算法设计灵活等优点；
[0021]
所述纹波计算和波形显示单元，可对数字积分器的输出数据除以相应的系数，并对所有数据实时显示，即可在显示界面上显示出电流纹波的实时数据；
[0022]
所述采集与计算分析系统可以是一台普通计算机或一台微型计算机，也可以是一个包括所述数据采集卡、处理器、数字积分器等软硬件单元的独立的控制机箱；
[0023]
所述处理器及软硬件单元包括但不限于计算机中cpu、主板、键盘、内存、硬盘、操作系统、计算机应用软件等在内的，支持数据采集卡、数字积分器、纹波计算和波形显示单
元工作的所有硬件、软件的统称。
[0024]
进一步地，所述测量线圈的漆包线线径为0.05mm，测量线圈的匝数为数千匝。
[0025]
另一方面，本发明的一种磁体电源电流纹波测量装置，采用如下测量方法：
[0026]
磁体产生的磁场强度与其通过的电流成严格的线性关系(b＝i)，而磁场强度可以通过核磁共振精确测量(即a的值可以精确测量)。通过测量磁场的波动(磁场纹波)即可反应电流的波动(即电流纹波)。由法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在测量线圈内产生感应电动势，感应电动势的大小等于线圈的匝数n乘以穿过该线圈的磁通量的变化率通过对感应电动势u进行积分运算即可得到磁场的波动(即磁场纹波)，进而可以得到电流纹波数据；
[0027]
具体的测量原理为：
[0028]
设直流电源稳场运行时，输出电流为：i＝i0 i1sin(ω1t) i2sin(ω2t) i3sin(ω3t)
…
，其中i0为直流分量，i1、i2、i3……
为各频率成分电流纹波的峰值；
[0029]
则该输出电流在磁体中产生的磁场强度为：b＝b0 b1sin(ω1t) b2sin(ω2t) b3sin(ω3t)
…
＝a
·
[i0 i1sin(ω1t) i2sin(ω2t) i3sin(ω3t)
…
]，其中a为磁体系数，单位为t/a(特斯拉/安培)；
[0030]
位于磁体中心测量线圈上产生的感应电动势的大小为：
[0031][0032]
其中ns为线圈的有效匝数面积；
[0033]
对测量线圈输出的感应电压进行积分可得：
[0034][0035]
将感应电压积分输出结果除以nsa即可得到电流纹波为：
[0036][0037]
则本发明所述一种磁体电源电流纹波测量装置的测量方法为：将绕制有测量线圈的测量探头置于磁体中心，设置磁体电源输出恒定电流为磁体供电，当磁体处于稳场运行时，根据法拉第电磁感应定律，测量线圈中会产生感应电动势，感应电动势的大小为磁场纹波的微分信号与ns的乘积，测量线圈上产生的感应电动势通过同轴电缆传输到数据采集与计算分析系统，对感应电动势数据进行积分运算并除以nsa，即可得到磁体电源电流纹波数据和电流纹波波形。
[0038]
进一步地，线圈的有效匝数面积ns可以通过测量线圈实际绕制匝数和面积的乘积获取，也可通过将其放置在标准磁场下校准测试获取；
[0039]
进一步地，磁体系数a(单位为特斯拉/安培)是稳态强磁场中每台磁体的关键参数，可通过标准的核磁共振测量仪器获取，核磁共振频率正比于磁场强度，核磁共振技术是目前公认的精密磁场测量技术，因而可以精确的确定每台磁体电源的输出电流和该磁体所产生磁场强度的关系，也即a的值可以精确获取。但核磁共振测量仪器受限于其响应速度，
无法进行快速测量磁场，因而只能测量稳态磁场强度，不能测量磁场纹波。
[0040]
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
[0041]
(1)本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量方法，可以解决当前高精度低纹波磁体电源难以直接测量和精确测量其输出电流纹波的难题；相应地，对于其它非磁体电源，只需将该直流电源的输出端接到已知磁体的两端，也可以用本发明所述的方法来测量其它直流电源的输出电流纹波。
[0042]
(2)本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置，可以精确地测量大功率、高精度、极低纹波磁体电源的输出电流纹波。相比于当前通过测量输出电压纹波间接近似计算电流纹波的方法，本发明所述装置不需要精确地确定磁体的电感和电阻参数，不需要关注和计算各频率成分的电压纹波，即可直接测量直流电源的输出电流纹波的数值大小。
[0043]
(3)本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置，不仅可以直接测量出电流纹波的大小，还可实时获取电流纹波的实时波形数据，而且测量自动化程度高，可以实现自动测量和显示，更是一台直流电源输出电流纹波测量仪器。
附图说明
[0044]
图1是一种大功率高稳定度电源为磁体供电的简化电路框图。
[0045]
图2是本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置结构示意图。
[0046]
图3是本发明所述一种磁体电源电流纹波测量装置中测量探头的结构示意图。
[0047]
图4是本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置结构示意图。
[0048]
图5是本发明所述一种磁体电源电流纹波测量装置中限位圈的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明，显然，所描述的实施实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施实例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例一：
[0051]
参见图1，一种大功率高稳定度电源为磁体供电的简化电路框图，要求该磁体电源额定输出电流20ka，电流稳定度10ppm，电流纹波50ppm(注：1ppm为一百万分之一，即1ppm＝0.0001％)，高精度电流传感器(dcct)额定输出/输入比为10v/20ka，如果想要通过电流传感器的输出直接测量电流纹波，则需要在10v信号下精确测量出微伏级的电压波动，如10ppm电流纹波，相当于电流传感器的输出电压纹波为
±
50uv，这远远超出示波器的测量范畴，而且大功率电源附近电磁环境复杂，电磁噪声甚至会完全掩盖纹波信号。
[0052]
为实现高稳定度、低纹波磁体电源输出电流纹波的精确测量和实时显示，本发明提供一种磁体电源电流纹波测量装置，采用如下技术方案：
[0053]
参见图2、图3，一种磁体电源电流纹波测量装置，由测量探头1、测量线圈2、同轴电缆4、支架3、采集与计算分析系统5组成。
[0054]
所述测量探头为非导磁材料制作的圆柱体，由柱体11、线圈槽12和端头13组成，圆柱体内部通孔，内径为a，外径为b；所述柱体为测量探头的骨架主体，其上部为端头，端头下
面紧接着为线圈槽；所述端头位于柱体的上部，高度为d，外径为b，端头高度方向上车有外螺纹，用于连接限位圈；所述线圈槽外径介于a和b之间，用于绕制安装测量线圈；所述柱体底部车有内螺纹，用于连接支架；
[0055]
具体的，所述测量探头为聚四氟乙烯材料，该材料不导磁，具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，耐热、耐寒性能优良。
[0056]
所述测量线圈为n匝(n≥1)漆包线绕制在所述测量探头的线圈槽上，测量线圈的两端通过同轴电缆引出；
[0057]
所述同轴电缆的一端连接测量线圈的输出，另一端连接采集与计算分析系统的输入；
[0058]
由法拉第电磁感应定律可知，变化的磁场会在测量线圈内产生感应电动势，感应电动势的大小等于线圈的匝数n乘以穿过该线圈的磁通量的变化率。
[0059]
所述支架为非导磁材料制作，一端通过外螺纹连接所述测量探头柱体底部的内螺纹；另一端固定于地面；
[0060]
所述支架的长度为确保本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置，在测量电源输出电流纹波时，正好使得测量线圈置于磁场的中心位置，磁场的中心位置处，磁场强度最高。
[0061]
所述支架可设置为伸缩结构，以满足不同规格磁体的中心位置有差异时，测量电流纹波的需求。
[0062]
所述采集与计算分析系统由数据采集卡、数字积分器、纹波计算和波形显示，以及处理器及软硬件等单元组成，所述数据采集卡的输入接同轴电缆的输出，用于采集测量线圈上的产生的感应电压信号，数据采集卡的采样速率应满足奈圭斯特采样定理的要求；
[0063]
所述数字积分器是使用软件程序实现对测量线圈输出的感应电压信号进行积分运算，相比较于模拟积分器，数字积分器不仅可以避免积分漂移和积分饱和，而且具有采集方便、算法设计灵活等优点；
[0064]
所述纹波计算和波形显示单元，可对数字积分器的输出数据除以相应的系数，并对所有数据实时显示，即可在显示界面上显示出电流纹波的实时数据；
[0065]
所述采集与计算分析系统可以是一台普通计算机或一台微型计算机，也可以是一个包括所述数据采集卡、处理器、数字积分器等软硬件单元的独立的控制机箱；
[0066]
所述处理器及软硬件单元包括但不限于计算机中cpu、主板、键盘、内存、硬盘、操作系统、计算机应用软件等在内的，支持数据采集卡、数字积分器、纹波计算和波形显示单元工作的所有硬件、软件的统称。
[0067]
所述测量线圈的漆包线线径为0.05mm，测量线圈的匝数为数千匝。太细的线，绕制过程中容易绷断；太粗的线，匝数就会减小，也即ns的值会减小，测量精度相对会下降。
[0068]
一种磁体电源电流纹波测量装置，采用如下测量方法：
[0069]
磁体产生的磁场强度与其通过的电流成严格的线性关系(b＝ki)，通过测量磁场的波动(磁场纹波)即可反应电流的波动(即电流纹波)。由法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在测量线圈内产生感应电动势，感应电动势的大小等于线圈的匝数n乘以穿过该线圈的磁通量的变化率通过对感应电动势u进行积分运算即可得到磁场的波
动(即磁场纹波进而可以得到电流纹波数据；
[0070]
其中，具体的测量原理为：
[0071]
设直流电源稳场运行时，输出电流为：i＝i0 i1sin(ω1t) i2sin(ω2t) i3sin(ω3t)
…
，其中i0为直流分量，i1、i2、i3……
为各频率成分电流纹波的峰值；
[0072]
则该输出电流在磁体中产生的磁场强度为：b＝b0 b1sin(ω1t) b2sin(ω2t) b3sin(ω3t)
…
＝a
·
[i0 i1sin(ω1t) i2sin(ω2t) i3sin(ω3t)
…
]，其中k为磁体系数，单位为t/a(特斯拉/安培)；
[0073]
位于磁体中心测量线圈上产生的感应电动势的大小为：
[0074][0075]
其中ns为线圈的有效匝数面积；
[0076]
对测量线圈输出的感应电压进行积分可得：
[0077][0078]
将感应电压积分输出结果除以nsa即可得到电流纹波为：
[0079][0080]
则本发明所述一种磁体电源电流纹波测量装置的测量方法为：将绕制有测量线圈的测量探头置于磁体中心，设置磁体电源输出恒定电流为磁体供电，当磁体处于稳场运行时，根据法拉第电磁感应定律，测量线圈中会产生感应电动势，感应电动势的大小为磁场纹波的微分信号与ns的乘积，测量线圈上产生的感应电动势通过同轴电缆传输到数据采集与计算分析系统，对感应电动势数据进行积分运算并除以nsa，即可得到磁体电源电流纹波数据和电流纹波波形。
[0081]
线圈的有效匝数面积ns可以通过测量线圈实际绕制匝数和面积的乘积获取，也可通过将其放置在标准磁场下校准测试获取；
[0082]
磁体系数a(单位为特斯拉/安培)是稳态强磁场中每台磁体的关键参数，已通过标准的核磁共振测量仪器获取，核磁共振频率正比于磁场强度，核磁共振技术是公认的精密磁场测量技术，但核磁共振测量仪器受限于其响应速度，无法进行快速测量磁场，因而只能测量稳态磁场强度，不能测量磁场纹波。
[0083]
实施例二：
[0084]
参见图4、图5，一种磁体电源电流纹波测量装置，由测量探头1、测量线圈2、同轴电缆4、支架3、采集与计算分析系统5、限位圈6组成。
[0085]
本实施实例与实施实例一的不同之处在于，增加了限位圈6，以满足不同规格磁体的孔径有差异时，测量电流纹波的需求。
[0086]
所述限位圈为非导磁材料制作的圆柱体，内部通孔，内径为b，与所述测量探头中端头的外径一致；外径为c；高度为d，与所述测量探头中端头的高度一致；限位圈内部车有内螺纹，与所述测量探头的端螺纹连接，从而使得测量线圈可以平稳的置于磁体中心；
[0087]
其中，所述测量探头、限位圈均为聚四氟乙烯材料，该材料不导磁，具有抗酸抗碱、
抗各种有机溶剂的特点，耐热、耐寒性能优良。
[0088]
由以上技术方案可知，本发明所述的一种磁体电源电流纹波测量装置，可以精确测量大功率、高精度、极低纹波磁体电源的电流纹波的大小，还可实时获取电流纹波的实时波形数据，而且测量自动化程度高，可以实现自动测量和显示。
[0089]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。