CN109813745A - 基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外热成像在线测量超导电缆退扭时节距变化的无损测量方法，在相同的透照条件下，利用获得子缆之间的红外节距影像，进而实现对电缆节距变化的测量，再通过公式换算获得电缆退扭角度。本发明在不破坏导体的情况下，通过测量底片上子缆间红外间隙影像的大小，来确定子缆节距的长度及变化，最终计算出退扭角度的准确值，具有误差小、效率高的优点。

Description

基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法

技术领域

本发明涉及核聚变装置导体测量方法领域，具体是一种基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法。

背景技术

Nb₃Sn超导线材因其在高背景场(>12T)仍具有较高载流能力而被广泛应用于强场磁体***的管内电缆导体，如磁约束核聚变装置，强磁场，加速器磁体等。

而Nb3Sn CICC导体作为超导强电技术领域传统的导体，已被广泛应用于ITER TF导体，CS导体，中国强磁场装置等。在所有装置中，超导导体是在多场耦合的条件下运行。未来的聚变示范堆DEMO(功率>2GW，磁场>15T，电流>100kA，)乃至商用堆，对超导磁体磁场强度、超导线圈应力应变容许特性有更高的要求，导体将承载高达150吨/米的电磁力以及多达数十万次的电磁循环，这些会导致导体性能的急剧退化。

退扭作为Nb₃Sn导体性能退化的新现象，引起了ITER IO的高度关注。2012年，ITER国际组发现了退扭会引起Nb₃Sn导体的性能退化，各方在ITER国际组的帮助下，首先开展了导体退扭率的测试，即测量退扭角度。由于导体表面有不锈钢护套，电缆表面有不锈钢包带，难以直接测量。现行通用的测试导体退扭的方法是通过破坏性实验进行电缆节距检测，并且无法在线实时检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法，以解决现有技术核聚变装置中Nb₃Sn导体的退扭测量无法在线检测的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法，其特征在于：利用红外探测器和光学成像物镜采集在线工作时被测超导电缆上的热分布场，从而获得超导电缆的红外热像图；子缆之间的节距将会以彩色区分显示在图像中，利用相邻子缆间的红外影像，测量其间距，通过基准样品进行比，可获得电缆节距的变化量，再通过相关公式换算可获得电缆的退扭率即退扭角度，具体包括以下步骤：

(1)、取样：首先选取一段未经穿缆的电缆作为未经退扭时的基准样品；Nb₃Sn导体在穿缆成型的过程中，由于受到拉应力和压应力的作用，电缆的退扭率会增大，因此分别选取穿缆成型后的Nb₃Sn导体两端的直线段作为后续对比样品；前端一段导体标记作为第一样品，同时选取穿缆成型的Nb₃Sn导体后端两段连续的导体分别标记作为第二样品、第三样品，第一样品、第二样品和第三样品的长度与基准样品长度一致；

(2)、红外热成像采集图像：Nb₃Sn导体线圈在线通电工作时，利用红外探测器和光学成像物镜接受Nb₃Sn导体的红外辐射能量分布图形，从而获得Nb₃Sn导体的红外热像图，红外热图像中以不同颜色区分导体的表面不同温度区域以及导体中各个子缆之间节距；

(3)、测量：根据步骤(2)得到的红外热图像中子缆的红外影像，测出第一样品中电缆的红外影像之间的节距大小d1、d2、d3，保持相同的测量参数，分别测出第二样品电缆节距的大小d11、d21、d31，以及第三样品电缆节距的大小d12、d22、d32；

(4)、计算电缆节距变化量：将步骤(3)测量所得的结果，分别与基准样品的节距做差值，最终以三个样品的差值的平均值为节距的变化量，记为Δd；

(5)、计算电缆退扭角度：根据步骤(4)中的电缆节距变化量Δd，根据公式(1)计算出电缆退扭角度：

公式(1)中R是未发生退扭时电缆半径。

本发明提出了一种基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法。热成像是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。子缆之间的节距将会以彩色区分显示在图像中，利用相邻子缆间的红外影像，测量其间距，通过基准样品进行比，可获得电缆节距的变化率，再通过相关公式换算可获得电缆的退扭率，即退扭角度。

附图说明

图1是本发明测量原理图。

图2是本发明Nb₃Sn导体收揽成型后第一、第二、第三样品取样示意图。

图3是本发明利用红外影像进行节距测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法，包括以下步骤：

(1)、取样：首先，选取一段未经穿缆的电缆作为未经扭转时的基准样品；Nb₃Sn导体在穿缆成型的过程中，由于受到拉应力和压应力的作用，电缆的退扭率会增大，因此分别选取穿缆成型后的Nb₃Sn导体两端的直线段作为后续对比样品。如图2所示，前端一段导体标记作为第一样品，同时选取收缆成型的Nb₃Sn导体后端两段连续的导体分别标记作为第二样品、第三样品，第一样品、第二样品和第三样品的长度与基准样品长度一致；

(2)、红外热成像采集图像：Nb₃Sn导体在线通电工作时，利用红外探测器和光学成像物镜接受Nb₃Sn导体的红外辐射能量分布图形，从而获得Nb₃Sn导体的红外热像图，红外热图像中以不同颜色区分导体的表面不同温度区域以及导体中各个子缆之间节距；

(3)、测量：根据步骤(2)得到的红外热图像中子缆的红外影像，测出第一样品中电缆的红外影像之间的节距大小d1、d2、d3，保持相同的测量参数，分别第二样品电缆节距的大小d11、d21、d31，以及第三样品电缆节距的大小d12、d22、d32，如图3所示。

(4)、计算电缆节距变化量：将步骤(3)测量所得的结果，分别与基准样品的节距做差值，最终以三个样品的差值的平均值为节距的变化量，记为Δd。

(5)计算电缆退扭角度：根据步骤(4)中的电缆节距变化量Δd，根据公式(1)计算出电缆退扭率即扭转角度：

公式(1)中R是未发生退扭时电缆半径。

Claims (1)

1.基于红外热成像在线测量超导电缆退扭角度的无损测量方法，其特征在于：利用红外探测器和光学成像物镜采集在线工作时被测超导电缆上的热分布场，从而获得超导电缆的红外热像图；子缆之间的节距将会以彩色区分显示在图像中，利用相邻子缆间的红外影像，测量其间距，通过基准样品进行比，可获得电缆节距的变化量，再通过相关公式换算可获得电缆的退扭率即退扭角度，具体包括以下步骤：

(1)、取样：首先选取一段未经穿缆的电缆作为未经退扭时的基准样品；Nb₃Sn导体在穿缆成型的过程中，由于受到拉应力和压应力的作用，电缆的退扭率会增大，因此分别选取穿缆成型后的Nb₃Sn导体两端的直线段作为后续对比样品；前端一段导体标记作为第一样品，同时选取穿缆成型的Nb₃Sn导体后端两段连续的导体分别标记作为第二样品、第三样品，第一样品、第二样品和第三样品的长度与基准样品长度一致；

(2)、红外热成像采集图像：Nb₃Sn导体线圈在线通电工作时，利用红外探测器和光学成像物镜接受Nb₃Sn导体的红外辐射能量分布图形，从而获得Nb₃Sn导体的红外热像图，红外热图像中以不同颜色区分导体的表面不同温度区域以及导体中各个子缆之间节距；

(3)、测量：根据步骤(2)得到的红外热图像中子缆的红外影像，测出第一样品中电缆的红外影像之间的节距大小d1、d2、d3，保持相同的测量参数，分别测出第二样品电缆节距的大小d11、d21、d31，以及第三样品电缆节距的大小d12、d22、d32；

(4)、计算电缆节距变化量：将步骤(3)测量所得的结果，分别与基准样品的节距做差值，最终以三个样品的差值的平均值为节距的变化量，记为Δd；

(5)、计算电缆退扭角度：根据步骤(4)中的电缆节距变化量Δd，根据公式(1)计算出电缆退扭角度：

公式(1)中R是未发生退扭时电缆半径。