一种对撞区特种磁铁线圈保护装置及电子对撞机

摘要

本发明涉及一种对撞区特种磁铁线圈保护装置及电子对撞机，其中，线圈保护装置包括电压采集器、模拟信号处理模块和数字信号处理模块；电压采集器与对撞机磁铁各线圈连接，用于采集线圈电压值；所述模拟信号处理模块用于对所述电压值进行信号隔离和一次滤波；数字信号处理模块用于对经过一次滤波后的电压值进行模数转换、二次滤波和归一化处理后与设置的过温判断阈值进行比较，判断过温故障进行过温保护。本发明通过数字滤波避免干扰信号造成的误报警；通过对多个线圈进行归一化处理，通过与设置的阈值进行比较，发现温升异常，可以在线圈温度上升到75℃时给出断电信号，在0.02秒内切断磁铁电源输出电流，对加速器磁铁线圈有效实现可靠及时的保护。

说明书

技术领域

本发明涉及对撞机技术领域，尤其是一种对撞区特种磁铁线圈保护装置及电子对撞机。

背景技术

如图1所示，正负电子对撞机(BEPCII)对撞区特种磁铁分别为Q1a、Q1b(切割型四极磁铁)和ISPB磁铁(切割型二级磁铁),由于磁铁安装设计条件所限，线圈的电流密度高达50A/mm2，是普通线圈的十倍。特种磁铁线圈为铜导体，具有正温度系数的特点，给磁铁供电为直流大电流电源,当通工作电流时线圈导体发热，阻值会相应升高，每块磁铁的线圈都用冷却水路并联冷却。当磁铁绕组通工作电流时如果冷却水路出现断路或阻塞，绕组将会迅速发热并烧毁，不仅付出昂贵的设备重造费用而且会造成对撞机停止供束，浪费对撞机时。

对于磁铁线圈的过温保护，国内加速器通常有两种方式，一种是采用温控开关温度控制器KSD301、302，通过PLC采集触点信号串行扫描，一种是pt100的温度传感器把温度变化转换为电阻值,再通过引线把信号传递到计算机控制装置，无论是哪种方式，其响应时间都要超过3s，对于对撞区特种铁温度保护20ms的指标是不可能满足的。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种对撞区特种磁铁线圈保护装置及电子对撞机，检测和判断对撞机特种线圈的温度是否超温，并实现快速有效的保护。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种对撞区特种磁铁线圈过温保护装置，包括，电压采集器、模拟信号处理模块和数字信号处理模块；

所述电压采集器与对撞机磁铁各线圈连接，用于采集对撞机磁铁各路线圈电压值U_线i，i＝1,···,N,N为磁铁线圈的路数；

所述模拟信号处理模块与所述电压采集器连接，用于对所述电压值U_线i进行信号隔离和一次滤波；

所述数字信号处理模块与模拟信号处理模块连接，用于对经过一次滤波后的各线圈电压值进行模数转换、二次滤波和归一化处理后，得到归一化数字电压值U_归i，并将所述数字电压值U_归i与设置的过温判断阈值进行比较，判断过温故障，输出控制信号断开磁铁电源进行过温保护。

进一步地，所述数字信号处理模块包括模数转换模块、数字滤波模块、归一化模块、阈值生成模块、过温判断模块和指令输出模块；

所述模数转换模块与模拟信号处理模块连接，用于对模拟信号处理模块输出的各线圈电压值进行模数转换得到各线圈的数字电压值；

所述数字滤波模块与所述模数转换模块连接，用于各线圈的数字电压值进行二次滤波，输出数字电压值U_滤i；

所述归一化模块与所述数字滤波模块连接，用于对数字电压值U_滤i进行归一化处理得到各线圈的归一化数字电压U_归i；

所述阈值生成模块，用于生成判断过温故障的阈值；

所述过温判断模块与所述归一化模块和所述阈值生成模块分别连接，通过将归一化数字电压U_归i与判断过温故障的阈值进行比较，判断过温故障输出过温保护指令；

所述指令输出模块与磁铁电源的开关驱动器连接，用于将所述过温保护指令输出到磁铁电源的开关驱动器，控制磁铁电源断开进行过温保护。

进一步地，所述数字滤波模块采用FIR滤波器。

进一步地，所述归一化模块采用的归一化公式为U_归i＝U_滤i×k_i；式中，T_i为第i个线圈的温度实际测量值；U_i为该线圈在温度T_i时经滤波处理后的线圈电压值；I_测为磁铁电源DCCT电流的实际测量值；I_设为磁铁电源DCCT电流的设定值。

进一步地，所述阈值生成模块包括第一阈值生成模块、第二阈值生成模块和第三阈值生成模块；

所述第一阈值生成模块，用于生成判断是否发生水路阻塞故障的第一阈值U_阈1；

所述第二阈值生成模块，用于生成判断是否发生完全断水故障的第二阈值U_阈2；

所述第三阈值生成模块，用于生成判断是否发生断线故障的第三阈值U_阈3。

进一步地，所述第一阈值生成模块包括均值模块和乘法器；

所述均值模块与归一化模块连接，用于计算所述各线圈的归一化数字电压U_归i的均值

所述乘法器与所述均值模块连接，用于将预制的第一阈值系数与相乘，得到第一阈值U_阈1，输出到过温判断模块；所述第一阈值系数为110％；

所述第二阈值生成模块，接收经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的数字电压值，与预制的第二阈值系数相乘，得到第二阈值U_阈2，输出到过温判断模块；所述第二阈值系数为110％；

所述第二阈值生成模块，接收经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的数字电压值，与预制的第三阈值系数相乘，得到第三阈值U_阈3，输出到过温判断模块；所述第三阈值系数为50％。

进一步地，所述过温判断模块包括第一故障判断模块、第二故障判断模块和第三故障判断模块；

所述第一故障判断模块与归一化模块和第一阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＞U_阈1时，则输出过温保护指令和过温报警日志；

所述第二故障判断模块与归一化模块和第二阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＞U_阈2时，则输出过温保护指令和过温报警日志；

所述第三故障判断模块与归一化模块和第三阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＜U_阈3时，则生成过温保护指令和过温报警日志；

所述过温报警日志包括过温故障线圈编号和故障类型在内的故障信息。

进一步地，还包括人机交互模块；

所述人机交互模块与所述归一化模块连接，接收归一化数字电压进行显示，用于操作人员进行电压监管；

所述人机交互模块与过温判断模块连接，接收所述过温判断模块生成的过温报警日志，用于操作人员判断过温故障原因和确定故障线圈。

进一步地，所述数字信号处理模块为cRIO模块。

一种对电子对撞机，包括上述任一对撞区特种磁铁线圈过温保护装置。

本发明有益效果如下：

本发明通过数字滤波避免干扰信号造成的误报警；通过对多个线圈进行归一化处理，使各路不同长度的线圈阈值得到统一；通过与设置的阈值进行比较，发现温升异常，可以在线圈温度上升到75℃时给出断电信号，在0.02秒内切断磁铁电源输出电流，对加速器磁铁线圈有效实现可靠及时的保护。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为对撞区磁铁安装条件实物图；

图2为本发明实施例中的对撞机磁铁线圈过温保护装置组成连接图；

图3为本发明实施例中的500mV磁铁线圈信号上叠加300mV干扰信号波形图；

图4为本发明实施例中的数字信号处理模块组成连接图；

图5为本发明实施例中的FIR滤波器转置型结构图；

图6为本发明实施例中的数字滤波后的信号波形图；

图7为本发明实施例中的DCCT与线圈电压倍数关系图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种对撞区特种磁铁线圈保护装置，如图2所示，包括，电压采集器、模拟信号处理模块和数字信号处理模块；

所述电压采集器与对撞机磁铁各线圈连接，用于采集对撞机磁铁各路线圈电压值U_线i，i＝1,···,N,N为磁铁线圈的路数；

根据对撞区磁铁线圈的实际测量，发现叠加在有用信号上的干扰信号很大，如图3所示，需要对采集的电压值U_线i进行滤波处理；

所述模拟信号处理模块与所述电压采集器连接，

包括隔离器和RC滤波器；

隔离器，用于对磁铁线圈的强电流信号与数字信号处理模块进行隔离，防止强电流损坏数字信号处理模块；

RC滤波器，用于对电压采集器采集的各线圈电压值U_线i进行一次滤波。

所述数字信号处理模块与模拟信号处理模块连接，用于对经过一次滤波后的各线圈电压值进行模数转换、二次滤波和归一化处理后得到归一化数字电压值U_归i，并将所述电压值U_归i与设置的过温判断阈值进行比较，判断过温故障，输出控制信号断开磁铁电源进行过温保护。

可选的，所述数字信号处理模块采用cRIO模块。

具体的，如图4所示，所述数字信号处理模块包括模数转换模块、数字滤波模块、归一化模块、阈值生成模块、过温判断模块和指令输出模块；

所述模数转换模块与模拟信号处理模块连接，用于对模拟信号处理模块输出的各线圈电压值进行模数转换得到各线圈的数字电压值；

所述数字滤波模块与所述模数转换模块连接，用于各线圈的数字电压值进行二次滤波，输出数字电压值U_滤i；

所述归一化模块与所述数字滤波模块连接，用于对二次滤波后的数字电压值进行归一化处理得到个线圈的归一化数字电压U_归i；

所述阈值生成模块，用于生成判断过温故障的阈值；

所述过温判断模块与所述归一化模块和所述阈值生成模块分别连接，通过将归一化数字电压U_归i与过温故障的阈值进行比较，判断过温故障输出过温保护指令；

所述指令输出模块与磁铁电源的开关驱动器连接，用于将所述过温保护指令输出到磁铁电源的开关驱动器，控制磁铁电源断开进行过温保护。

优选的，所述数字滤波模块采用FIR滤波器。

FIR滤波器采用的N阶差分方程式中，h(n)为单位样值响应输出序列，h(n-k)为输出信号延时，x(k)为滤波器系数。

FIR滤波器最重要的特点为能够得到具有线性相位的滤波器，设计滤波器即确定x(k)系数。

设FIR数字滤波器的单位冲激响应h(n)为一个N点序列，0≤n≤N-1，则滤波器的系数函数为：式中，H(z)为系统函数，h(n)为系统单位样值响应输出序列，就是说，它有(N-1)阶极点在z＝0处，有(N-1)个零点位于有限z平面的任何位置。

特殊的，本实施例选用的FIR滤波器的阶数为208。

由于，对过渡带的带宽和下降陡度要求比较高,通过本实施例的208阶的FIR滤波器，200Hz以上的信号基本被滤掉,滤波以后的信号峰峰值只有1mv，折算到温度值为0.06度,有效提高报警精确度,减少误报警。

具体的，通过仿真软件对FIR滤波器系数矩阵x(k)进行确定为：

[-0.0000628642737865447999,-0.0000343248248100280762,-0.0000434331595897674561,-0.0000539310276508331299,-0.0000659190118312835694,-0.00007950514554977417,-0.0000947713851928710938,-0.000111814588308334351,-0.000130712985992431641,-0.000151533633470535278,-0.000174332410097122192,-0.00019916146993637085,-0.000226031988859176636,-0.000255003571510314942,-0.0002859458327293396,-0.000319041311740875244,-0.000353999435901641846,-0.000390864908695220948,-0.000429574400186538697,-0.000469911843538284302,-0.000511702150106430054,-0.000554788857698440552,-0.000598959624767303467,-0.000643931329250335694,-0.000689387321472167969,-0.000734988600015640259,-0.000780384987592697144,-0.000825170427560806275,-0.000868920236825942994,-0.00091110914945602417,-0.000951252877712249756,-0.000988785177469253541,-0.001023121178150177,-0.00105367973446846008,-0.00107981264591217041,-0.00110083445906639099,-0.00111605972051620483,-0.00112476944923400879,-0.00112623348832130432,-0.00111970305442810059,-0.00110442563891410828,-0.00107965618371963501,-0.00104460865259170532,-0.00099853426218032837,-0.000940658152103424073,-0.000870253890752792359,-0.000786598771810531617,-0.000688988715410232544,-0.000576753169298171997,-0.000449266284704208374,-0.000305928289890289307,-0.000146187841892242432,0.0000304505228996276856,0.000224433839321136475,0.000436145812273025513,0.000665906816720962525,0.000913940370082855225,0.00118042528629302979,0.00146544352173805237,0.00176899880170822144,0.00209100916981697083,0.00243130326271057129,0.00278961285948753357,0.00316558033227920532,0.00355874374508857727,0.00396854802966117859,0.00439435243606567383,0.00483539700508117676,0.00529084354639053345,0.00575974583625793457,0.0062410794198513031,0.00673370808362960816,0.00723643973469734192,0.00774798169732093811,0.00826696306467056275,0.00879194214940071106,0.00932141393423080445,0.00985380262136459351,0.0103874877095222473,0.0109208002686500549,0.0114520229399204254,0.011979423463344574,0.0125012323260307312,0.0130156762897968292,0.0135209634900093079,0.0140153206884860992,0.014496970921754837,0.0149641707539558411,0.0154152028262615204,0.0158483944833278656,0.0162621140480041504,0.0166547968983650208,0.0170249342918395996,0.0173710957169532776,0.0176919437944889069,0.0179862119257450104,0.0182527452707290649,0.0184904932975769043,0.0186985097825527191,0.018875952810049057,0.0190221220254898071,0.019136425107717514,0.0192184038460254669,0.0192677229642868042,0.0192841850221157074,0.0192677229642868042,0.0192184038460254669,0.019136425107717514,0.0190221220254898071,0.018875952810049057,0.0186985097825527191,0.0184904932975769043,0.0182527452707290649,0.0179862119257450104,0.0176919437944889069,0.0173710957169532776,0.0170249342918395996,0.0166547968983650208,0.0162621140480041504,0.0158483944833278656,0.0154152028262615204,0.0149641707539558411,0.014496970921754837,0.0140153206884860992,0.0135209634900093079,0.0130156762897968292,0.0125012323260307312,0.011979423463344574,0.0114520229399204254,0.0109208002686500549,0.0103874877095222473,0.00985380262136459351,0.00932141393423080445,0.00879194214940071106,0.00826696306467056275,0.00774798169732093811,0.00723643973469734192,0.00673370808362960816,0.0062410794198513031,0.00575974583625793457,0.00529084354639053345,0.00483539700508117676,0.00439435243606567383,0.00396854802966117859,0.00355874374508857727,0.00316558033227920532,0.00278961285948753357,0.00243130326271057129,0.00209100916981697083,0.00176899880170822144,0.00146544352173805237,0.00118042528629302979,0.000913940370082855225,0.000665906816720962525,0.000436145812273025513,0.000224433839321136475,0.0000304505228996276856,-0.000146187841892242432,-0.000305928289890289307,-0.000449266284704208374,-0.000576753169298171997,-0.000688988715410232544,-0.000786598771810531617,-0.000870253890752792359,-0.000940658152103424073,-0.00099853426218032837,-0.00104460865259170532,-0.00107965618371963501,-0.00110442563891410828,-0.00111970305442810059,-0.00112623348832130432,-0.00112476944923400879,-0.00111605972051620483,-0.00110083445906639099,-0.00107981264591217041,-0.00105367973446846008,-0.001023121178150177,-0.000988785177469253541,-0.000951252877712249756,-0.00091110914945602417,-0.000868920236825942994,-0.000825170427560806275,-0.000780384987592697144,-0.000734988600015640259,-0.000689387321472167969,-0.000643931329250335694,-0.000598959624767303467,-0.000554788857698440552,-0.000511702150106430054,-0.000469911843538284302,-0.000429574400186538697,-0.000390864908695220948,-0.000353999435901641846,-0.000319041311740875244,-0.0002859458327293396,-0.000255003571510314942,-0.000226031988859176636,-0.00019916146993637085,-0.000174332410097122192,-0.000151533633470535278,-0.000130712985992431641,-0.000111814588308334351,-0.0000947713851928710938,-0.00007950514554977417,-0.0000659190118312835694,-0.0000539310276508331299,-0.0000434331595897674561,-0.0000343248248100280762,-0.0000628642737865447999]。

优选的，通过FPGA实现FIR滤波器。具体的，对应转置型结构的FIR滤波器在FPGA中，如图5所示。

经过数字滤波后的信号如图6所示，滤波以后的信号峰峰值只有1mv，根据电压与温度的对应关系，折算到温度值为0.06度。

具体的，本实施例中采用的归一化模块采用的归一化公式为U_归i＝U_滤i×k_i；式中，

T_i为第i个线圈的温度实际测量值；

U_i为该线圈在温度T_i时经滤波处理后的线圈电压值；

I_测为磁铁电源DCCT电流的实际测量值；

I_设为磁铁电源DCCT电流的设定值；

4‰为铜导体在20℃时的温度系数。

3为假设磁铁电源在1500A设定值时，磁铁线圈电压值为3v；

通过代入每一路磁铁线圈的电压U_i、温度值T_i，即可得到每一路对应的归一化系数，将不等长的磁铁线圈的电压值分别乘以该系数，即得到一组归一化后的磁铁线圈的电压值，就可以与同一阈值进行比较。

具体的，本实施例采用的阈值生成模块包括第一阈值生成模块、第二阈值生成模块和第三阈值生成模块；

所述第一阈值生成模块，用于生成判断是否发生水路阻塞故障的第一阈值U_阈1；

所述第二阈值生成模块，用于生成判断是否发生完全断水故障的第二阈值U_阈2；

所述第三阈值生成模块，用于生成判断是否发生断线故障的第三阈值U_阈3。

进一步地，所述第一阈值生成模块包括均值模块和乘法器；

所述均值模块与归一化模块连接，用于计算所述各线圈的归一化数字电压U_归i的均值

所述乘法器与所述均值模块连接，用于将预制的第一阈值系数与相乘，得到第一阈值U_阈1，输出到过温判断模块；所述第一阈值系数为110％；

所述第二阈值生成模块，接收经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的数字电压值，与预制的第二阈值系数相乘，得到第二阈值U_阈2，输出到过温判断模块；所述第二阈值系数为110％；

所述第二阈值生成模块，接收经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的数字电压值，与预制的第三阈值系数相乘，得到第三阈值U_阈3，输出到过温判断模块；所述第三阈值系数为50％。

本实施例中，磁铁线圈电阻20度时的温度系数是0.00393/℃；线包出口处的温度为20度，当线圈达到75度报警阈值时，电阻计算公式为：

这里，ρ为电阻率0.0182(20℃)；α为电阻温度系数0.00393/℃；ΔT为温升；

电阻变化值：ΔR＝4‰×R1×ΔT；

式中，R1为初始电阻值；

线圈两端的电压可以表示为:

R是线圈20度时的电阻值；

ΔR是当线圈温升引起的电阻变化；

是线圈的感应电压(很小)，可以忽略不计；

因磁铁电源给线圈的电流是恒定的，那么线圈上电压变化量为：ΔV＝I×ΔR。

通过测量每段线圈上的电压值的变化可以得到线圈的温度值的变化，由于每段线圈的长度不一样，所以初始电阻值和电压变化量都不一样，为了与同一阈值比较，将对撞区磁铁136路线圈电压进行了归一化处理，再将平均值×110％作为冷却水阻塞时的报警阈值。

在本实施例,以各路线圈电压的平均值为正常值，设定超温报警阈值为75度；以ISPB磁铁为例，当各线圈同时在1400A的电流下工作时，其中一路线圈电压约为1.7V；而在温度为75度时，这路线圈电压会升高到1.87V，为各线圈电压平均值的110％。

如果冷却水系统发生完全断水的情况，那么所有线圈的温度都会迅速升高,各线圈的电压值都会上升，这时再以各线圈电压的平均值作为报警阈值的基准，就会出现很大的误差；

因此，本实施例采用与水温变化关联不大的磁铁电源DCCT的输出值为报警阈值的基准，以磁铁电源DCCT输出值×110％为阈值，根据不同电流值下DCCT输出值与磁铁线圈测量值拟合出两者的倍数关系，如图6所示，从而得到断水情况下的阈值。

通常情况下，断线检测应该测量电阻值，但是开机后隧道是封闭的，开机后断线的可能性比较小，我们并没有为此专门检测电阻值，开机时没有报警并且每路回采都正常，我们就认为连线正常。检测线断开后，有可能信号测试端短路，有可能搭在旁路线圈，这时，断线的这一路电压值会很小，为防止误报警将阈值设为，以磁铁电源DCCT输出值×50％为阈值。

具体的，本实施例中的过温判断模块包括第一故障判断模块、第二故障判断模块和第三故障判断模块；

所述第一故障判断模块与归一化模块和第一阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＞U_阈1时，则输出过温保护指令和过温报警日志；

所述第二故障判断模块与归一化模块和第二阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＞U_阈2时，则输出过温保护指令和过温报警日志；

所述第三故障判断模块与归一化模块和第三阈值生成模块连接；当归一化模块输出的第i路归一化数字电压U_归i＜U_阈3时，则生成断线保护指令和过温报警日志；

所述过温报警日志包括过温故障线圈编号和故障类型在内的故障信息。

具体的，本实施例中的保护装置还包括人机交互模块；

所述人机交互模块与所述归一化模块连接，接收归一化数字电压进行显示，用于操作人员进行电压监管；

所述人机交互模块与过温判断模块连接，接收所述过温判断模块生成的过温报警日志，用于操作人员判断过温故障原因和确定故障线圈。

本实施例还公开了一种电子对撞机，所述电子对撞机的对撞区特种磁铁设置有如上述实施例中所述的线圈保护装置，包括电压采集器、模拟信号处理模块和数字信号处理模块；电压采集器采集对撞区特种磁铁的电压信号，通过模拟信号处理模块的隔离和RC滤波后，在输入信号处理模块中进行模数转换、二次滤波和归一化处理后，得到归一化数字电压值U_归i，并将所述数字电压值U_归i与设置的过温判断阈值进行比较，判断过温故障，输出控制信号断开磁铁电源进行过温保护。

可以在线圈温度上升到75℃时给出断电信号，在0.02秒内切断磁铁电源输出电流，对加速器磁铁线圈有效实现可靠及时的保护。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。