CN101714864A - 一种带有温度闭环控制的超导开关 - Google Patents

一种带有温度闭环控制的超导开关 Download PDF

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Abstract

一种带有温度闭环控制的超导开关，包括超导开关本体(8)，供电电路(15)和控制电路(16)。超导开关本体(8)安装在置于在低温***内的超导磁体(14)上，供电电路(15)和控制电路(16)位于低温***外。超导开关本体(8)由超导开关骨架(1)，隔层紧绕在超导开关骨架(1)上的超导线圈(6)、加热丝线圈(7)和装嵌在超导开关骨架(1)上的温度探头(4)组成。供电电路(15)为一台电源(10)串联一个接触器(9)，供电电路(15)通过两根铜导线分别同超导开关本体(8)上的加热丝线圈(7)的输入端和输出端连接。控制电路(16)由单片机P87PC767(11)和信号放大器(12)组成。单片机P87PC767(11)根据温度探头(4)测量的超导开关本体(8)的实际温度值对接触器(9)的通断进行温度闭环控制。

Description

一种带有温度闭环控制的超导开关
技术领域
本发明涉及一种超导开关，特别涉及一种用于传导冷却超导磁体闭环运行的超导开关。
背景技术
20世纪90年代后期，传导冷却超导磁体技术发展迅速，逐渐有取代液氦浸泡超导磁体之势。与传统的液氦浸泡超导磁体***不同，传导冷却超导磁体不使用液氦来冷却，而是使用二级G-M制冷机作为冷源对超导磁体进行冷却。目前，传导冷却超导磁体主要用于提供几万高斯到十几万高斯的稳定强磁场。在传导冷却超导磁体充电完毕后，一般需要用超导开关和超导线圈组成闭环回路进行持久电流形式运行，这样可以使超导磁体获得极高稳定度的磁场，还可以降低外界噪声对超导磁体***的影响，提高磁体运行的可靠性。可见在传导冷却超导磁体应用中，超导开关是一个重要的部件。
超导开关一般是利用超导材料的超导态-正常态的转换使超导开关从无阻状态转到有阻状态，达到使电路由导通到切断的目的；与之相对应利用超导材料的正常态-超导态的转换来实现电路的导通。超导开关超导态-正常态和正常态-超导态的转换，一般采用改变超导材料的温度或背景磁场来实现超导态和正常态之间的转换，与之相对应的两种超导开关分别称之为温控超导开关和磁控超导开关。其中，温控超导开关结构相对简单，实际应用中最为广泛。
传统的温控型超导开关一般用于液氦浸泡超导磁体，通过绕制在超导开关上的加热丝的加热使超导线的温度高于临界温度Tc来实现超导态-正常态的转变。由于超导开关是浸泡在液氦中，其在正常态时向外界的传热将被液氦带走，不会对超导磁体本身造成影响。
传导冷却超导磁体***中，超导磁体和超导开关都要靠二级G-M制冷机进行冷却，而二级G-M制冷机在某一温度下的制冷量是一确定值。因此超导开关必须同超导磁体之间有较好的热连接，以确保超导开关能够冷却到临界温度Tc以下实现超导态；但另一方面，当超导开关工作于正常态时，超导开关中的加热丝产生的热量要严格控制在允许的范围内，使超导开关的温度升至临界温度Tc以上的某一合理区间，这样以确保超导开关向超导磁体的漏热处于超导磁体容许范围内，不会引起超导磁体的失超。
传导冷却磁体的冷却方式决定了其对超导开关的特殊要求，而传统的超导开关技术是难以满足的。
发明内容
本发明针对传导冷却超导磁体对超导开关的特殊要求，提出一种带有温度闭环控制的超导开关。
本发明的超导开关包括超导开关本体，供电电路和控制电路。超导开关本体安装在置于低温***内的超导磁体上，供电电路和控制电路位于低温***外，供电电路通过两根铜导线连接到超导开关本体上的加热丝线圈两端。控制电路的输入端同安装在超导开关本体上的温度探头的两根测量线连接，控制电路的输出端连接到供电电路中接触器控制线圈上，对接触器的开关进行控制。
本发明的超导开关本体主要由超导开关骨架，紧绕在超导开关骨架上的超导线圈、加热丝线圈以及装嵌在超导开关骨架上的温度探头组成。超导开关骨架是采用黄铜材料制成两端带有法兰的圆筒，超导开关骨架的一端通过一长条形黄铜板连接到超导磁体上。在超导开关骨架的外表面沿中心轴方向开一个半圆形的长槽，在长槽内装嵌一只温度探头，长槽内的缝隙采用参杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填满，温度探头采用四根测量引线连接到低温***的外面，其中两根引线同一台1mA电流源连接，另外两根测量引线连接到控制电路中。超导开关上的超导线圈和加热丝线圈都为无感线圈，所谓无感线圈就是一种感应系数为零或接近于零的线圈，目的是仅利用其阻抗效应，消除其对电路的感抗效应。无感线圈的绕制可以采用双绕法，将用于绕制的线材由中点并在一起，再将该中点固定在超导开关骨架端部某个位置，然后两股线同时绕制，绕制完后，线圈的输入端和输出端同时引出。为了使加热丝对超导线圈进行均匀的加热，超导线圈和加热丝线圈要间隔绕制在超导开关骨架上，即紧贴超导开关骨架的第一层为超导线圈，接着第二层为加热丝线圈，然后第三层又为超导线圈，以此类推。超导线圈和加热丝线圈中导线与导线之间的缝隙都使用参杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导开关本体，而且使其内传热更加均匀。
本发明的供电电路由一台电源串联一个接触器组成，供电电路通过两根铜导线分别同超导开关本体上的加热丝线圈的输入端和输出端连接。控制电路主要由单片机P87PC767和信号放大器组成，温度探头的两根测量线连接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端再连接到单片机P87PC767的管脚P0.3上，单片机P87PC767的管脚P0.4连接到供电电路中接触器的控制线圈上。
本发明的加热丝通电加热采用温度闭环控制。当所述超导开关由超导态向正常态转变时，电源给加热丝供电，供电电路中的接触器的通断使用单片机P87PC767进行控制。同时，超导开关上的温度探头测量所获得的温度信号经过放大器放大后输入到单片机P87PC767中进行采样，并转换成实际的温度值。单片机P87PC767根据超导开关的实际温度控制接触器的通断，当超导开关的温度低于Tc+ΔT1，单片机P87PC767就接通接触器，加热丝工作，产生热量使超导开关的温度上升；当超导开关的温度高于Tc+ΔT2，单片机P87PC767就关断接触器，加热丝停止加热，阻止超导开关的温度进一步上升。ΔT1和ΔT2的大小根据实际条件确定，确保在温度区间(Tc+ΔT1，Tc+ΔT2)，其中Tc为超导线圈的超导临界温度，即超导线圈由超导态向正常态转变时的温度，ΔT1和ΔT2分别为温度增量，ΔT1≤ΔT2，超导开关处于正常态，而且向超导磁体的漏热不能引起超导磁体的失超。
附图说明
图1是本发明实施例装有温度探头的超导开关骨架示意图，图中：1超导开关骨架、2长条形连接板、3半圆形长槽、4温度探头；
图2是根据本发明实施例的超导线和加热丝隔层绕制示意图，图中：6超导线圈、7加热丝线圈；
图3是根据本发明实施例的超导开关整体外观示意图，图中：5无感线圈；
图4是根据本发明实施例的超导开关加热控制电路原理图，图中：8超导开关本体、9接触器、10电源、11单片机P87PC767、12放大器、131mA电流源、14超导磁体、15供电电路、16控制电路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图4所示，本发明的超导开关包括超导开关本体8，供电电路15和控制电路16。超导开关本体8安装在置于低温***内的超导磁体14上，而供电电路15和控制电路16位于低温***外，供电电路15通过两根铜导线连接到超导开关本体8上的加热丝线圈7两端。控制电路16的输入端同装嵌在超导开关本体8上的温度探头4的两根测量线连接，控制电路16的输出端连接到供电电路15中接触器9的控制线圈上，对接触器9的开关进行控制。
如图1所示，本发明的超导开关本体8主要由超导开关骨架1，紧绕在超导开关骨架1上的超导线圈6、加热丝线圈7以及装嵌在超导开关骨架1上的温度探头4组成。超导开关骨架1是采用黄铜材料制成两端带有法兰的圆筒，温度探头4装嵌在超导开关骨架1上沿中心轴方向的一个半圆形长槽3内，长槽3与温度探头4之间的缝隙使用参杂有高导热率氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充。温度探头4采用四根测量引线连接到低温***的外面，其中两根引线同一台1mA电流源13连接，另外两根测量引线连接到控制电路16中的放大器12上。超导开关本体8通过在超导开关骨架1上端法兰边加工一长条形黄铜连接板2连接到超导磁体14上进行传导制冷。
如图2所示，超导线圈6和加热丝线圈7都为无感线圈。为了使加热丝对超导线进行均匀的加热，超导线圈6和加热丝线圈7要间隔绕制在超导开关骨架1上，即紧贴超导开关骨架1的第一层为超导线圈6，接着第二层为加热丝线圈7，然后第三层又为超导线圈6，以此类推。超导线圈6和加热丝线圈7中导线与导线之间的缝隙都使用参杂有高导热率的氮化铝
(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导开关本体8，而且使其
内传热更加均匀。完成后的超导开关本体8如图3所示。
如图4所示，本发明的供电电路15由一台电源10串联一个接触器9组成，供电电路15通过两根铜导线分别同超导开关本体8上的加热丝线圈7的输入端和输出端连接。控制电路16主要由单片机P87PC76711和信号放大器12组成，温度探头4的两根测量线连接到信号放大器12的输入端，信号放大器12的输出端再连接到单片机P87PC76711的管脚P0.3上，单片机P87PC76711的管脚P0.4连接到供电电路15中接触器9的控制线圈上。单片机P87PC76711根据温度探头4测量的温度信号对供电电路15中的接触器9进行控制。
超导开关中的超导线圈6的输入端和输出端分别连接到超导磁体14的输出端和输入端。超导开关由超导态向正常态转变时电源10给加热丝线圈7供电，接触器9使用单片机P87PC76711的管脚P0.4进行控制，单片机P87PC76711根据超导开关本体8的温度进行闭环控制。超导开关8的温度采用四引线法进行测量，将温度探头4的任意两根测量引线连接到1mA电流源13的两端，另外两根测量引线作为温度电压信号测量线接入放大器12输入端，经放大器12将电压信号放大，然后采用单片机P87PC76711的管脚P0.3对电压信号进行采样，并转换成实际的温度值。温度闭环控制的逻辑为：当超导开关的温度低于Tc+ΔT1，单片机P87PC76711就接通接触器9，加热丝线圈7工作，产生热量使超导开关本体8的温度上升；当超导开关本体8的温度高于Tc+ΔT2，单片机P87PC76711就关断接触器9，加热丝线圈7停止加热，阻止超导开关本体8的温度进一步上升。ΔT1和ΔT2的大小根据实际条件确定，确保在温度区间(Tc+ΔT1，Tc+ΔT2)，超导开关本体8处于正常态，而且向超导磁体14的漏热不能引起超导磁体14的失超；所述的Tc为超导线圈的超导临界温度，即超导线圈由超导态向正常态转变时的温度，ΔT1和ΔT2分别为温度增量，ΔT1≤ΔT2。

Claims (4)

1.一种带有温度闭环控制的超导开关，其特征是，所述的超导开关包括超导开关本体(8)，供电电路(15)和控制电路(16)；超导开关本体(8)安装在置于低温***内的超导磁体(14)上，供电电路(15)和控制电路(16)位于低温***外；超导开关本体(8)由超导开关骨架(1)，紧绕在超导开关骨架(1)上的超导线圈(6)、加热丝线圈(7)和装嵌在超导开关骨架(1)上的温度探头(4)组成；供电电路(15)由一台电源(10)串联一个接触器(9)组成，供电电路(15)通过两根铜导线分别同超导开关本体(8)上的加热丝线圈(7)的输入端和输出端连接；控制电路(16)主要由单片机P87PC767(11)和信号放大器(12)组成，温度探头(4)的两根测量线连接到信号放大器(12)的输入端，信号放大器(12)的输出端再连接到单片机P87PC767(11)的管脚P0.3上，单片机P87PC767(11)的管脚P0.4连接到供电电路(15)中接触器(9)的控制线圈上。
2.按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，温度探头(4)装嵌在超导开关骨架(1)上沿中心轴方向的一个半圆形长槽(3)内，长槽(3)与温度探头(4)之间的缝隙使用掺杂有氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充。
3.按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，超导线圈(6)和加热丝线圈(7)均采用无感绕制，超导线圈(6)和加热丝线圈(7)间隔地绕制在超导开关骨架(1)上，即紧贴超导开关骨架(1)的第一层为超导线圈(6)，接着第二层为加热丝线圈(7)，然后第三层又为超导线圈(6)，以此类推；超导线圈(6)和加热丝线圈(7)中导线与导线之间的缝隙填充掺杂有氮化铝(AlN)粉的环氧树脂。
4.按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，所述超导开关由超导态向正常态转变时，所述供电电路(15)的电源(10)给加热丝线圈(7)供电，控制电路的单片机P87PC767(11)的管脚P0.4对所述供电电路(15)的接触器(9)进行控制：单片机P87PC767(11)的管脚P0.3对温度探头(4)测量的温度电压信号进行采样，并转换成实际的温度值；单片机P87PC767(11)根据实际测得的超导开关本体(8)的温度值控制接触器(9)的通断；温度闭环控制逻辑为：当超导开关本体(8)的温度低于Tc+ΔT1，单片机P87PC767(11)接通接触器(9)，加热丝线圈(7)通电产生热量使超导开关本体(8)的温度上升；当超导开关本体(8)的温度高于Tc+ΔT2，单片机P87PC767(11)关断接触器(9)，加热丝线圈(7)停止加热，阻止超导开关本体(8)的温度进一步上升；所述的Tc为超导线圈的超导临界温度，即超导线圈由超导态向正常态转变时的温度，ΔT1和ΔT2分别为温度增量，ΔT1≤ΔT2。
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