СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ ВТСП КОЛЬЦА Российский патент 2006 года по МПК G01R31/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики кольцевых элементов высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) устройств.

Известны способы измерения индуктивности, использующие резонансные свойства колебательных контуров, содержащие эталонный конденсатор и исследуемую индуктивность [1, с.343-346]. Эти способы предполагают включение индуктивности в электрическую цепь, т.е. деформацию кольца, а следовательно, изменение его индуктивности.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения индуктивности, при котором по индуктивному элементу пропускают переменный ток и затем определяют индуктивность по величине тока, падения напряжения и частоты [1, с.338-339].

Этот способ также предполагает создание электрических контактов на измеряемом элементе и его деформацию (формирование разреза), т.е. является разрушающим. Кроме того, действие переменного тока приводит к перераспределению тока в ВТСП кольце и появлению соответствующей погрешности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и упрощение способа измерения индуктивности ВТСП колец за счет использования бесконтактного возбуждения и регистрации тока в кольце, а также использования постоянного тока и графического метода его определения.

Указанный технический результат достигается тем, что кольцо надевают на соленоид с датчиком Холла внутри, постоянный ток в ВТСП кольце индуцируют с помощью магнитного поля соленоида и регистрируют с помощью датчика Холла по измерению разности магнитных полей соленоида и кольца. Измерение проводят, оценивая зависимость напряжения U_H Холла от тока соленоида i при изменении тока от 0 до максимального значения и обратно до 0 с постоянной, малой скоростью v=di/dt. Скорость выбирается настолько малой, что последующее его уменьшение на порядок не приводит к заметным изменениям характера кривой U_H(i).

Ход кривой объясняется следующим образом. По мере увеличения тока соленоида возрастает создаваемое им магнитное поле и соответствующий ему поток индукции Ф_s(i), пронизывающий соленоид, а вместе с ним и кольцо. В силу закона сохранения магнитного потока (индукции) в кольце возникает экранирующий сверхпроводящий (СП) ток I, такой, чтобы суммарный поток через кольцо оставался равным начальному, т. е. нулевому. При этом выполняется равенство

где Ф(I) - поток магнитной индукции через кольцо от его собственного тока.

С учетом известных соотношений

где L - индуктивность кольца в СП состоянии;

μ₀ - магнитная постоянная;

n - число витков соленоида на единице длины;

S - площадь поперечного сечения соленоида,

из (1) находим

или

Согласно известной формуле индукция магнитного поля кольца в его центре В(0,I) (в области датчика Холла), созданная протекающим током I, может иметь вид

где R - средний радиус кольца, R=(R₁+R₂)/2;

R₁ - внешний радиус;

R₂ - внутренний радиус.

Магнитное поле в центре кольца (и соленоида) определяется разностью поля соленоида и кольца

Эта разность создает напряжение на датчике Холла ΔU_H

где - напряжение Холла в отсутствии СП кольца;

U_H - напряжение Холла с участием ослабляющего поля СП кольца, определяется из графика U_H(i);

k_H - чувствительность датчика Холла.

Выражение (8) с учетом (6) и (4) может быть записано в виде:

Из (9) получим выражение для индуктивности

Формула (10) позволяет с помощью измерения ΔU_Н(i) для каждого значения тока соленоида (т.е. магнитного поля) вычислить индуктивность СП кольца.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ток в кольце индуцируют с помощью магнитного поля соленоида, а индуктивность определяют, учитывая ток с помощью графика U_H(i), по формуле (10). Таким образом, заявленный способ соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в области измерения индуктивности ВТСП кольца показал, что бесконтактные способы измерения индуктивности кольца, при которых ток индуцируют магнитным полем соленоида, а индуктивность определяют, учитывая ток с помощью графика U_H(i) по формуле (10), не известны, кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительными признаками позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных, свойства, к числу которых можно отнести следующие:

- повышение точности метода и его упрощение за счет отсутствия операции контактирования;

- повышение точности метода при использовании постоянного тока в кольце;

- возможность определения индуктивности кольца с учетом внутреннего распределения токов;

- неразрушающий характер метода;

- упрощение метода за счет использования графиков.

Таким образом, иные, в отличие от известных, свойства, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 представлен разрез устройства для бесконтактного измерения индуктивности ВТСП кольца, на фиг.2 приведена схема соединения устройства, на фиг.3 приведен график зависимости напряжения датчика Холла от тока соленоида.

Предлагаемый способ бесконтактного измерения индуктивности ВТСП кольца был реализован следующим образом. Соленоид 1 (фиг.1): наружный диаметр 5,8 мм, внутренний диаметр 5 мм, высота 100 мм, n=2,78·10³ м^-1. Датчик Холла 2 - HITACHI, k_H=0,16 В/Тл (77К). ВТСП кольца 3 получены из порошка состава Bi₂PbCa₂Sr₂Cu₃О_у двухсторонним прессованием при давлении 1 ГПа и спеканием при 845°С в течение 150 часов. Параметры ВТСП: Т_c=106 К; плотность критического тока j_c2=1350 А/см² (77 К), ток - I_c2=27 А; размеры: R₁=3,6 мм, R₂=6,15 мм, Н=1,6 мм.

Внутрь в центре соленоида 1 помещали датчик Холла 2, снаружи одевали ВТСП кольцо 3. Устройство помещали в криостат с жидким азотом (на фиг.1 условно не показан). Соленоид подключали к источнику тока 4 (фиг.2) через сопротивление R (источник WAVETEK 29). Датчик Холла подключали к источнику тока 5. Падение напряжения с R (пропорциональное току соленоида) подавали на вход "X" двухкоординатного графопостроителя (ROHDE & SCHWARZ ZSК2), на вход "Y" подавали напряжение Холла. При увеличении тока соленоида изменялось напряжение Холла (фиг.3). В случае отсутствия кольца, а - график функции является линейным, как и следовало ожидать. При измерениях с ВТСП кольцом функция U_H(i) (фиг.3, b) становится более сложной и ее поведение можно интерпретировать следующим образом. На участке 0-1 СП ток кольца проникает только в приповерхностном слое толщиной λ (равной лондоновской глубине проникновения), создаваемое им магнитное поле занимает окружающее пространство и лишь на глубину λ заходит в объем кольца. Индуктивность в этом диапазоне остается постоянной. В точке 1 собственное магнитное поле на внутренней поверхности кольца сравнивается с полем проникновения и начинается проникновение магнитного поля в виде абрикосовских вихрей в объем кольца.

Это проникновение и ток в кольце достигают максимума, индуктивность также достигает максимума и не меняется на участке 2-3. Более высокий ток привел бы к переходу кольца в нормальное состояние, т.е. к потере сверхпроводимости.

Из графиков определяли и подставляли в (10), получали зависимость L(i), а вернее L(I). Для точки начала СП перехода 1 индуктивность составила L₁=0,032·10^-7 Гн. Оценка индуктивности кольца с помощью известных в литературе формул дала близкие результаты (0,044·10^-7 Гн). Необходимо помнить, что использованные выражения выводились для проводникового кольца. Для состояния 2 индуктивность составила L₂=0,051·10^-7 Гн.

Использование предлагаемого способа бесконтактного измерения индуктивности ВТСП кольца позволяет по сравнению с существующим повысить точность и упростить способ измерения индуктивности ВТСП колец.

Источники информации

1. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника. - Л.: Энергия, 1978. - 408 с.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения индуктивности высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) устройств. Технический результат - повышение точности. Для достижения данного результата в индуктивном кольце создают ток и по его величине рассчитывают индуктивность. При этом на соленоид с датчиком Холла надевают кольцо. Постоянный ток индуцируют с помощью магнитного поля соленоида, а индуктивность кольца определяют с помощью графиков зависимости напряжения от тока. 3 ил.

Способ бесконтактного измерения индуктивности ВТСП кольца, при котором в кольце создают ток и по его величине рассчитывают индуктивность, отличающийся тем, что на соленоид с датчиком Холла внутри надевают кольцо, постоянный ток индуцируют с помощью магнитного поля соленоида, а индуктивность L определяют, учитывая ток с помощью графиков U_H(i), по формуле

L=k_Hμ² ₀nSi/[(R₁+R₂)ΔU_H(i)],

где k_H - чувствительность датчика Холла;

μ₀ - магнитная постоянная;

n - число витков соленоида на единицу длины;

i - ток в соленоиде;

R₁, R₂ - радиусы кольца;

ΔU_H(i) - разность напряжений Холла в поле соленоида без кольца и с кольцом, определяемая из экспериментальных графиков U_H(i).