CC BY
50
Теоретична електротехніка
УДК 621.3.01 В.М. Боев
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ. ЧАСТЬ 2. СХЕМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Обговорюється можлива технологія вимірювань зовнішнього магнітного поля електроустаткування за схемами надпровідних точкових датчиків і контурних обмоток.
Обсуждается возможная технология измерений внешнего магнитного поля электрооборудования по схемам сверхпроводящих точечных датчиков и контурных обмоток.
Прежде всего, рассмотрим вопрос о том, какая часть измеряемого магнитного потока проникает в сверхпроводящий сердечник элемента Мейснера, используемого в качестве точечных датчиков измерительной системы из четырех датчиков, рис. 1, если он выполнен из сверхпроводника второго рода.
Рис. 1
Сверхпроводники второго рода имеют два критических поля Нк1 и Нк2 и в этом диапазоне сверхпроводник находится в "смешанном" состоянии, когда магнитное поле проникает в сверхпроводник отдельными квантами потока Ф0=2,07-10- Гссм2 = 2,07-10-15 Вб [1]. Поскольку с увеличением глубины проникновения поля (например при Т^ТГ) величина Як2 растет, а Як1 уменьшается [2], то вполне вероятно, что измеряемое внешнее магнитное поле электрооборудования окажется в диапазоне Дд < Н < Нк2. Автор вихревой решетки проникающих в сверхпроводник второго рода квантов Ф0 Абрикосов A.A. в работе [2] приводит размеры таких вихрей: находящаяся в нормальном состоянии "сердцевина" размером е (длина когерентности или размер куперов-ской пары) с магнитным потоком Ф0 и внешняя область размером X (глубина проникновения) со сверхпроводящим током вихря. При увеличении магнитного поля плотность вихрей возрастает, а расстояние ме^ду ними сокращается и при величине поля Нк2 вихри соприкасаются своими нормальными сердцевинами и происходит фазовый переход второго рода - сверхпроводник переходит в нормальное состояние [1]. Период квадратной вихревой решетки £0 можно определить из формулы Bto =Ф0(Ж02=Ф0) [2]. Если измеряемое поле находится в пределах (0,1^1) Э, то
i0 = (1,44-103^4,55-104) см. Определим какой процент измеряемого магнитного потока в элементе Мейснера составит поле вихревой решетки при магнитном поле Я=1Э=103/4я А/м. Например прямоугольный сердечник размером сечения axb = (2x2) см2 будет содержать n=m2 вихрей с потоком Ф0, где m=a/€0=b/€0=2/10-4-4,55 =
0,44-104. Тогда суммарный магнитный поток n вихрей будет равен Ф0п= 2,07-10 15-0,442-108 = 0,4-10 7Вб, а весь измеряемый магнитный поток Ф=/и0-Н-а-Ь = 4л-10-7-103/4л-4-10-4=0,4-10-7Вб. Таким образом, в смешанном
состоянии через сверхпроводник второго рода проходит весь измеряемый поток (в виде п вихрей, несущих квант магнитного потока Ф0 каждый). Из этого обстоятельства следует, что использование сверхпроводников второго рода в качестве сердечника элементов Мейснера в измерительной системе четырех точечных датчиков целесообразно в том случае, когда измеряемое поле меньше первого критического поля материала сверхпроводника ЯК1 (а значит реализуется эффект Мейснера при уменьшении температуры до Т<ТК - выталкивание магнитного поля из тела сердечника).
Более предпочтительными являются контурные измерительные системы, которые исключают из измерений три следующие за диполем пространственные гармоники [3], что позволяет приблизить ИС к объекту и тем самым улучшить соотношение сигнал-помеха.
На рис. 2 представлены две кольцевые обмотки, которые при включении на диполь (п = 1) и соотношении размеров I = г, исключают из измеряемого поля три, следующих за диполем мультиполя (квадру-поль п = 2, октуполь п = 3 и п = 4). Создаваемый охватываемым такой ИС объектом магнитный поток может быть измерен при переводе колец в нормальное состояние в собранном виде или по отдельности. В зависимости от формы и габаритов измеряемого объ-екта наряду с кольцевыми контурными ИС могут использоваться седлообразные или квадратные ИС [3].
1.Возможная технология измерений
1.1. Измерения поля остаточной и индуцированной намагниченности
а) Измерение с помощью помехозащищенной системы четырех точечных датчиков Мейснера (рис. 1), которая позволяет исключить из измерений поле Земли и промышленных помех. Стрелками на рисунке обозначено направление магнитной оси датчиков. После установки технического объекта в центре измерительной системы перевести датчики в режим сверхпроводимости (магнитное поле выталкивается из датчиков) и одновременно измерить ЭДС. Затем перевести датчики в нормальное состояние (магнитный поток проходит через датчики) и измерить ЭДС.
© Боев В.М.
50
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2013. №1
Затем повернуть объект на 180° и повторить измерения. Сумма показаний при двух положениях объекта (различие 180°) дает индуцированную намагниченность, разность - остаточную. Следует отдельно определить индуцированную и остаточную намагниченности при переходе датчиков из нормального состояния в сверхпроводящее и отдельно при обратном переходе, затем взять полусумму. Вышеописанная схема измерений может составить конкуренцию измерениям остаточных и индуцированных полей магнитометром с четырьмя датчиками.
Примечания. Основными препятствиями к реализации вышеописанной измерительной системы будут:
1. Необходимости выполнения многовитковых обмоток для датчиков.
2. Возможная неодновременность сверхпроводящего перехода в различных датчиках системы.
Оба фактора могут существенно повлиять на погрешность измерений. Однако, во втором случае возможны измерения для каждого из датчиков в отдельности с последующим расчетом в соответствии со схемой соединения датчиков.
б) Измерение с помощью двух включенных на диполь (размещенных для измерения диполя) контурных сверхпроводящих колец (используется эффект Оннеса). Расстояние ме^ду кольцами равно радиусу колец.
Перевести кольца в сверхпроводящее состояние и удалить измеряемый объект. Измерить захваченный кольцами магнитный поток (например, измерив ток в кольцах). Переводом колец из сверхпроводящего состояния в нормальное, также можно измерить захваченный поток каждого из колец (ЭДС от исчезающего потока). Результаты измерений для каждого из колец складываются, т.к. включение - на диполь. Затем установить измеряемый объект в противоположном направлении (с поворотом на 180° относительно предыдущего положения) и повторить измерения. Сумма данных измерений прямого и обратного положения дает удвоенное значение индуцированного поля объекта. Поле земли (и постоянные во времени помехи) не наводит ЭДС, так как остается сцепленным с кольцами и после перевода их в нормальное состояние. Разность данных измерений прямого и обратного положения даст удвоенное значение поля остаточного намагничивания.
Примечание. При этом следует иметь в виду, что магнитный поток, захваченный кольцами, может измеряться отдельно в каждом кольце, в том числе, перенесенном в другое место (захваченный поток сохраняется). При условии точного измерения потоков колец, точность измерений в целом будет высокой.
1.2. Измерение внешнего магнитного поля электрооборудования от постоянных токов.
а) Измерение с помощью помехозащитной системы четырех датчиков Мейснера.
Включить измеряемое оборудование, установленное в центре измерительной системы, перевести датчики в сверхпроводящее состояние и измерить возникающую при этом ЭДС. Затем перевести датчики в нормальное состояние и измерить ЭДС. Результат определяется как полусумма значений поля, вычисленных по ЭДС вхождения датчиков в сверхпроводящее состояние и выхода из него.
б) Измерение с помощью двух сверхпроводящих контурных колец (размещенных в соответствии с раз-
мерами измерительных контурных обмоток предназначенных для измерения дипольных магнитных моментов). После установки измеряемого электрооборудования в центре системы двух контурных колец установить требуемый режим работы электрооборудования. Затем перевести контурные кольца в сверхпроводящее состояние и выключить электрооборудование. Измерить захваченный каждым из колец магнитный поток (например, измерив величину сверхпроводящего тока или путем перевода колец в нор -мальное состояние и измерения ЭДС от исчезающего магнитного потока). Результаты измерений по каждому из колец складываются (измеряется дипольное поле). При этом магнитное поле Земли, поле остаточной и индукционной намагниченности и поле постоянных во времени промышленных помех не входят в измеряемый захваченный поток, т.к. все время остаются сцепленными с кольцами.
Примечание. В случае использования для определения потока закона Фарадея, предварительно должна быть исследована взаимосвязь ЭДС (несинусоидального, апериодического характера) с захваченным магнитным потоком (при переводе колец в нормальное состояние). Если захваченный поток измерить точно, то и точность измерений в целом будет высокой.
Таким образом, основным преимуществом сверхпроводящих измерительных систем является возможность исключения из измерений поля промышленных помех и магнитного поля Земли, что может существенно повысить точность измерений. К недостаткам следует отнести общеизвестные неудобства, связанные с низкотемпературными установками (даже если они работают при температуре жидкого азота 77 °К).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. - М.: Наука, 1982. - 240 с.
2. Абрикосов А.А. Сверхпроводники второго рода и вихревая решетка. - УФН. - 2004. - № 11. - С. 1234-1239.
3. Боев В.М. Экспериментальное определение распределения полей рассеяния электрооборудования в окружающем пространстве. - ИВУЗ, Энергетика. - 1981. - № 6. - С. 32-37.
Bibliography (transliterated): 1. Shmidt V.V. Vvedenie v fiziku sverhprovodnikov. - M.: Nauka, 1982. - 240 s. 2. Abrikosov A.A. Sverhprovodniki vtorogo roda i vihrevaya reshetka. - UFN. - 2004. - № 11. - S. 1234-1239. 3. Boev V.M. 'Eksperimental'noe opredelenie raspre-deleniya polej rasseyaniya 'elektrooborudovaniya v okruzhayuschem prostranstve. - IVUZ, 'Energetika. - 1981. - № 6. - S. 32-37.
Поступила 29.05.2012
БоевВячеславМихайлович, д.т.н., проф.
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"
Кафедра "Теоретические основы электротехники"
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21 тел/факс (057) 7076961
Boev V.M.
Superconductivity and measurement of external magnetic fields of electrical equipment. Part 2. Circuits and measuring technology.
A feasible measuring technology for external magnetic field of electrical equipment with application of circuits of superconducting point sensors and loop windings is discussed. Key words - magnetic field, superconductivity, measuring technology.
ISSN 2074-272X. Електротехтка i Електромехатка. 2013. Ml
51
