DE2839787A1 - Quench-detektor - Google Patents

Quench-detektor

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DE2839787A1 DE19782839787 DE2839787A DE2839787A1 DE 2839787 A1 DE2839787 A1 DE 2839787A1 DE 19782839787 DE19782839787 DE 19782839787 DE 2839787 A DE2839787 A DE 2839787A DE 2839787 A1 DE2839787 A1 DE 2839787A1
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Description

Kernforschungszentrum ^ Karlsruhe, den 7.9.1978 Karlsruhe GmbH PLA 7842 Hä/wk
Quench Detektor
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Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Quench Detektor zum Überwachen einer supraleitenden Spule auf Änderungen ihrer Leitfähigkeit und zum Überwachen der Meßleitungen auf Leiterbruch.
In supraleitenden Magneten treten durch lokale Feldüberhöhungen oder Leiterbewegungen normalleitende Bereiche auf, die sich wegen der damit verbundenen Aufheizung rasch über den ganzen Magneten ausbreiten. Nach einem.solchen Übergang muß möglichst rasch die Energiezufuhr unterbrochen und der Strom auf Null gebracht werden, da sonst der Magnet ausbrennen kann. Der sichere Betrieb eines supraleitenden Magneten erfordert deshalb das frühzeitige Erkennen eines Überganges zur Normalleitung.
Es sind Quench Detektoren bekannt (Fundstellen siehe Erfindungsmeldung Punkt 4b), bei denen die supraleitende Spule durch eine Mittelanzapfung in zwei Teilwiderstände aufgeteilt ist, die in eine Brückenschaltung integriert sind, mit der die Symmetrie der Teilspannungen überwacht wird.
Der Nachteil dieser bekann teil Einrichtungen besteht insbesondere darin, daß der Bruch einer oder mehrerer mit der zu überwachenden supraleitenden Spule verbundenen Meßleitungen nicht erkennbar ist und deshalb ein möglicher Normalleitungsübergang in einem Teilbereich der supraleitenden Spule nicht rechtzeitig erkannt und deren Zerstörung nicht mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Quench Detektoren dahingehend zu verbessern, daß deren Eigensicherheit wesentlich erhöht und dadurch eine Verbesserung der Betriebssicherheit von supraleitenden Spulen erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene Schaltungsanordnung gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nicht nur Änderungen der Teilwiderstände der supraleitenden Spule sondern auch Störungen im Meßkreis, wie Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Ausfälle des Operationsverstärkers, eine Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung bewirken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.Es zeigen Figur 1 Prinzipschaltbild eines Quench Detektors Figur 2 Quench Detektor mit überwachung der Meßleitungen und der Verstärkerfunktion
Figur 3 Eingangsschaltung eines Quench Detektors mit Potentiometern
Figur 4 Supraleitende Spule mit normalleitender Koppelspule Figur 5 Supraleitende Spule mit in Reihe geschaltetem Lufttransformator.
Das Prinzipschaltbild eines Quench Detektors ist in Figur 1 dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht das Erkennen von normalleitenden Zonen in supraleitenden Magneten. Der Quench Detektor ist als Brückenschaltung ausgebildet, deren einer Zweig aus der zu überwachenden supraleitenden Spule 1 besteht, die von einem Strom J durchflossen ist und die durch eine Mittelanzapfung 2 in zwei gleich große Teilspulen 3, 4 gegliedert ist. Der andere Brückenzweig ist aus einem Festwiderstand 5 und einem einstellbaren Widerstand 6 gebildet, mit dem eine Unsymmetrie der Teilwiderstände 3, 4 ausgleichbar ist.
Im supraleitenden Zustand der Spule 1 sind die Teilspannungen an den Teilwiderständen 3, 4 rein induktiv und in Phase und die Spannung in der Brückendiagonalen, also zwischen der Mittelanzapfung 2 und dem Diagonalpunkt 7, ist Null.
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Auftreten eines normalleitenden Bezirkes in einer der Teilspulen 3, 4 verschiebt sich die Spannung an der Mittelanzapfung 2 gegen die Spannung am Diagonalpunkt 7, so ist in der Brückendiagonalen eine Spannung meßbar.
Diese Brückenspannung wird mit einem Operationsverstärker 8 verstärkt und dann mit einem Fensterdiskriminator9geprüft. Beim Überschreiten eines zulässigen Bereiches wird eine Flipflop-Stufe 10 getriggert und am Ausgang 11 eines Ausgangsverstärkers 12 ein Signal zum Abschalten- der supraleitenden Spule 1 erzeugt.
Ein Bruch oder Kurzschluß in den mit der supraleitenden Spule 1 verbundenen Meßleitungen M wird mit diesem Quench Detektor entweder nur bei Änderung des Laststromes J, also mit erheblicher Verzögerung, oder überhaupt nicht erkannt, so daß das Auftreten eines Normalleitungsbereiches unbemerkt bleiben kann und zur Zerstörung der supraleitenden Spule führt.
Dieser Nachteil wird beseitigt durch den in Figur 2 vereinfacht dargestellten Quench Detektor, mit dem nicht nur das Auftraten normalleitender Zonen in der supraleitenden Spule, sondern auch Unterbrechungen und Kurzschlüsse in den Meßleitungon M und Ausfälle des Verstärkers detektiert werden und eine Spulenabschaltung bewirken.
Die durch eine Anzapfung 22 gebildeten Teilspulen 23, 24 der supraleitenden Spule 21 und die Widerstände 25, 26 einer ersten Brückenschaltung zum Messen der Spannungen an den Teilspulen sind als erster Teilwiderstand in den ersten Zweig einer zweiten übergeordneten Brückenschaltung geschaltet. Eine Nachbildung des Realteiles dieses ersten Teilwiderstandes bestehend aas den oh::int;hon Widerständen 27, 28 ist als zweiter Teilwiderstand in den zweiten Zweig der Meßbereiche geschaltet. Der erste und der zweite Teilwiderstand ist durch einen dritten Teilwiderstand, bestehend aus den.Widerständen 29, 30, und
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einen vierten Teilwiderstand, bestehend aus den Widerständen 31, 32, zu einer vollständigen Brückenschaltung ergänzt. In der Brückendiagonalen ist an den Punkten A und B ein Operationsverstärker 33 angeschlossen. Der aus den Widerständen 27, 28, 31, 32 gebildete Brückenzweig wird aus einer Spannungsquelle
34 mit einer Prüfspannung U versorgt. Der aus den Widerständen 25, 26, 29, 30 bestehende Brückenzweig ist an die am Ausgang
35 des Operationsverstärkers 33 anstehende Spannung U gelegt.
Am Ausgang 35 des Operationsverstärkers 33 stellt sich eine Spannung U ein, wenn die Widerstände 3 0 und 32, sowie 26 und 28 einander gleich sind, in der supraleitenden Spule 21 keine normalleitenden Bezirke auftreten und die Meßleitungen M frei sind von Unterbrechungen und Kurzschlüssen.Dadurch wird der Operationsverstärker 33 in die Überwachung einbezogen. Die Bedingung der Übereinstimmung der einstellbaren Widerstände wird in einfacher Weise dadurch erfüllt, daß die Stelleinrichtungen der Widerstände 26 und 28 ebenso wie die der Widerstände 3 0 und 32 mechanisch gekoppelt sind. Der einstellbare Widerstand 31 ermöglicht Korrekturen von möglichen Abweichungen im Gleichlauf der Stelleinrichtungen der Widerstände.
Im Falle eines Quenches wirkt die Anordnung wie ein Umkehrverstärker mit der Verstärkung (R., +R„g)/R„, oder (R^o+R2g)/R35. Die überlagerte Spannung U wird durch Verschiebung des Fensters des der Brücke nachgeschalteten Diskriminators 36 um diese Spannung U berücksichtigt.
Beim Bruch einer der Meßleitungen M verschiebt sich die Spannung am Ausgang 35 des Operationsverstärkers 33. Durch geeignete Wahl der Verstärkung, der Fensterbreite 2AU und der Brücken-Speise-Spannung U hat sowohl ein normalleitender Bereich in der supraleitenden Spule 21, als auch ein Bruch oder Kurzschluß in den Meßleitungen M oder auch ein Ausfall des Verstärkers 33 eine ausreichend große Verschiebung der Spannung am Ausgang 3 des Operationsverstärkers 33 und damit eine Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung zur Folge.
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Zum erstmaligen Anpassen des Quench Detektors an eine supraleitende Spule wird diese mit einem kleinen Strom von etwa dreieckförmigem Zeitverlauf betrieben und mit den Widerständen 30 und 32 zunächst eine minimale Verstärkung eingestellt. Dann wird durch entsprechendes Einstellen der Widerstände 26 und 28 der Ausschlag des Drehspulmeßgerätes 37 auf Hüll gestellt und eine evt. notwendige Nullkorrektur mit dem Widerstand 31 vorgenommen. Anschließend kann schrittweise mit den Widerständen 30 und 32 die Verstärkung erhöht und die anschließenden Abgleichvorgänge wiederholt werden bis die maximale Verstärkung erreicht ist.
Durch die mechanische Kopplung der Trimmwiderstände wird die Brückenschaltung immer zu einem abgeglichenen Zustand erhalten und die Einstellungen können voneinander unabhängig ausgeführt werden.
Der Einfluß von Gleichlaufungenauigkeiten der einstellbaren Widerstände kann durch die in Figur 3 dargestellten Konfiguration des ersten und des zweiten Bruckenzweig.es weiter herabgesetzt werden. Die links von den Punkten A, B der Brückendiagonalen in Figur 2 dargestellten Widerstände 25, 26, 27, 28 sind ersetzt durch -Poteiiit&oraster 4Q und 43^ deren schleifer 41,
42 auf die Diagonalpunkte A, B geschaltet und mechanisch gekoppelt sind. D®s erste Potentiometer 40 ist mi t den Be_ grenzungswiderjtänden 38 und 39, das zweite Potentiometer
43 mit den Begr-:-r.zungswiderständen 44 und 45 in Reihe g-'.-.chaltet. &sfc?©i ist vorausgesetzt, daß jedes der Potentiometer 4o 43 wesentlich kleiner ist als seine Begrenzungswiderstände 38, 39 bzw. 44, 45. Durch einen, dem ersten Potentiometer 4o parallelgeschaiteten Varistor 46 werden Überspannungen von diesem ferngehalten.
Wenn es nicht möglich ist, an der supraleitenden Spule 21 einen Abgriff anzubringen, kann nach Figur 4 mit einer eng angekoppelten normalleitenden Spule 47 eine Brückenschaltung aufgebaut werden.
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In diesem Falle ist es auch möglich, entsprechend Figur 5 der supraleitenden Spule 21 einen Lufttransformator 48 nachzuschalten, deren Primärspule 49 von dem Strom J der supraleitenden Spule 21 durchflossen wird.
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Claims (6)

  1. Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 7.9.1978
    Karlsruhe GmbH PLA 7842 Hä/wk
    Patentansprüche;
    \ 1 ./ Schaltungsanordnung (Quench Detektor) zum Überwachen einer supraleitenden Spule auf Änderungen ihrer Leitfähigkeit und zum Überwachen der Meß leitungen auf Leiterbruch, dadurch gekennzeichnet,
    daß die durch eine Anzapfung (22) gebildeten Teilspulen (23, 24) der supraleitenden Spul«e (21) und die Widerstände (25, 26) einer ersten Brückenschaltung zum Messen der Spannungen an den Teilspulen (23, 24) als erster Teilwiderstand in den ersten Zweig einer zweiten Brückenschaltung geschaltet sind, daß eine Nachbildung (27, 28) des Realteiles des ersten Teilwiderstandes als zweiter Teilwiderstand in den zweiten Zweig der Meßbrücke geschaltet ist, daß der erste und der zweite Teilwiderstand durch einen dritten Teilwiderstand (29, 30) und einen vierten Teilwiderstand (31, 32) zu einer vollständigen Brückenschaltung ergänzt ist,
    daß in die Diagonale (A, B) der zweiten Brückenschaltung, also zwischen den ersten und den dritten und zwischen den zweiten und den vierten Teilwiderstand ein Operationsverstärker (33) geschaltet ist, und
    daß der eine Zweig der zweiten Brückenschaltung aus dem Operationsverstärker (33) und der andere Zweig aus einer anderen Spannungsquell (34) mit einer Prüfspannung (U) versorgt wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Widerstand (26) des ersten Teilwiderstandes (25, 26) im ersten Zweig und ein zweiter Widerstand (28) des zweiten Teilwiderstandes (27, 28) im zweiten Zweig der zweiten Brückenschaltung als erster und zweiter einstellbarer Widerstand (26, 28) ausgebildet sind, und daß die Stelleinrichtungen der beiden Widerstände (26, 28) miteinander gekoppelt sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Teilwiderstand aus einem Festwiderstand (29) und einem dritten einstellbaren Widerstand (30) besteht, daß der vierte Teilwidefstand aus einem vierten und einem fünften einstellbaren Widerstand (31, 32) besteht, und daß die Stelleinrichtungen des dritten und des fünften einstellbaren Widerstandes (30, 32) miteinander gekoppelt sind.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilwiderstand im ersten Zweig der zweiten Brückenschaltung aus den durch die Anzapfung (22) gebildeten Teilspulen (23, 24) der supraleitenden Spule (21) und der Parallelschaltung einer Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Festwiderstand (38, 39) und einem ersten zwischen die Festwiderstände (38, 39) geschalteten ersten Schiebewiderstand (40) besteht, dessen Schleifer (41) mit dem Schleifer (42) eines zweiten Schiebewiderstandes (43) verbunden ist, der in dem zweiten Teilwiderstand im zweiten Zweig der zweiten Brückenschaltung integriert ist und dem ein erster Begrenzungswiderstand (44) vor und ein zweiter Begrenzungswiderstand (45) nachgeschaltet ist, daß der erste Schiebewiderstand (40) gegen Überspannungen durch einen parallelgeschalteten Vasistor (46) gerichtet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche
    1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Anzapfung (22) der supraleitenden Spule (21) eine an die supraleitende Spule (21) eing angekoppelte normalleitende Spule (47) verwendet wird.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche
    1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Anzapfung (22) der supraleitenden Spule (21) ein Lufttransformator (48) verwendet wird, dessen Primärspule (49) vom Strom J der supraleitenden Spule (21) durchflossen wird.
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