一种测量磁性材料在交变磁场中热效应的装置及方法

摘要

本发明涉及一种测量磁性材料在交变磁场中热效应的装置及方法，装置包括交变磁场发生装置、恒温装置及测温元件，该方法为将待测样品置于盛装有测量介质的样品杯中，将测量介质的温度调整到预定值，放入恒温室中，待热平衡达到稳定后，通交变电流，施加交变磁场，采用测温元件监测一定时间间隔内样品杯内测量介质的温度变化，即可确定待测样品的发热功率。该测量装置和方法具有交变磁场强度连续可调、磁场交变频率和测量温度可调及结构简单的特点，具有操作简便、测量数据真实可靠、重复性好、运行成本低的优点，对防覆冰用磁性材料的筛选具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于热效应测量领域，特别是一种测量磁性材料在交变磁场中热效应的装置及方法，可以测量磁性材料在一定温度条件下、一定强度交变磁场中的热效应，特别适用于输电导线防覆冰用磁性材料的筛选。

背景技术

线路覆冰是严重威胁电力系统安全运行的自然灾害之一。据不完全统计，从1954年12月到2006年底止，中国各地6千伏及以上电压等级的电网(包括输电线路和变电站)发生各种各样的覆冰灾害有1000多起，其中35千伏及以上规模较大并引起电网严重故障的覆冰灾害就有86起以上。特别是2008年初，我国南方大部分地区和西北地区东部出现了有气象记录以来最严重的冰冻灾害，给电网造成了严重破坏，直接经济损失超过600亿，间接损失则达到3000亿以上。因此，如何防止输电线路覆冰已成为保障电力系统安全运行的一项重要课题。

关于覆冰线路的除冰方法，国内外进行了广泛而深入的研究，先后出现了多种不同机制的除冰方法，其中，低居里点磁性材料融冰法以其优异的特性引起了广泛关注。通过选用居里温度较低的磁性材料，将其包覆到输电导线表面。当环境温度低于磁性材料的居里温度时，材料处于铁磁态，由于交变磁场的作用，磁性材料中因磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗而产生热效应，此部分能量损耗即为融冰所需的主要能量来源。而当环境温度较高时，磁性材料处于顺磁态，损耗生热显著降低，从而可以减少不必要的能量损耗。

对于实际应用而言，在选择防覆冰用磁性材料过程中主要关注两个指标，一是磁性材料的居里温度，另一是磁性材料在交变磁场中的热效应。居里温度的测量可以利用现有设备完成，然而，如何评价磁性材料在交变磁场中的热效应，目前尚无统一的测试方法和现成的测试手段，因此，本专利提出了一种磁性材料在交变磁场中热效应的测量方法及装置。

发明内容

为了克服现有技术中无法测量磁性材料在交变磁场中热效应的缺陷，本发明提出了一种基于温升法测量磁性材料在交变磁场中热效应的装置及方法，通过模拟输电导线表面交变磁场和环境温度变化，测量磁性材料在一定强度交变磁场中的发热量，将其作为评判磁性材料融冰能力的指标，为防覆冰用磁性材料的筛选提供依据。

本发明的目的之一在于提供一种测量磁性材料在交变磁场中热效应的装置，包括交变磁场发生装置、恒温装置及测温元件三部分，所述恒温装置中设有用于盛装待测样品的样品杯，所述样品杯中装有测量介质；所述交变磁场发生装置对置于恒温装置中的待测样品通交变电流且施加交变磁场；所述测温元件伸入到恒温装置中，用于监测测量介质的温度变化。

1、交变磁场发生装置部分：

所述交变磁场发生装置包括交变电源、交流电流表、变阻器及螺线管，所述交变电源的一个出线端连接有交流电流表和变阻器，所述交变电源的另一出线端与变阻器的出线端之间连接螺线管。

所述交变测长发生装置采用螺线管进行磁场加载，具体分为以下两种：

(1)螺线管采用长直螺线管加载磁场

长直螺线管尺寸参数如图1所示，采用漆包铜线单层密绕。在螺线管长度与直径之比(以下简称长径比)L/2r大于2的情况下，螺线管内的轴向磁场在中心区域一定范围内是均匀的，可以满足不同形状和尺寸待测样品的测量需求。

在采用长直螺线管磁场加载方式时，为了降低样品自身退磁场的影响，优先采用具有较大长径比的圆柱形待测样品且其最好置于长直螺线管轴线的中心部分，特别规定待测样品的长径比L/D＞10，且在测量过程中保持待测样品纵轴方向与长直螺线管的磁场平行。

(2)螺线管采用环形螺线管加载磁场

环形螺线管尺寸参数如图2所示，采用漆包铜线单层密绕，优选采用环形待测样品，环形螺线管均匀密绕在环形待测样品上。由于环形待测样品磁路闭合，不存在退磁场的影响。为保证磁化场沿待测样品径向分布均匀，要求圆环的径向厚度与平均直径之比越小越好，优选环形待测样品的径向厚度h与平均直径之比不大于1/6。

对于上述两种磁场加载方式，交变磁场强度随着螺线管中交变电流强度的改变而改变，通过调节交变电流强度可以调节交变磁场强度，满足不同磁场强度下热效应测量的需要。交变磁场变化的频率取决于交变电流的频率，通过改变交变电流频率即可改变磁场交变频率，实现从工频到高频的测量需要。对于输电导线防覆冰用磁性材料而言，特别关注工频交变磁场下的热效应。

2、恒温装置部分：

所述恒温装置包括内部装有样品杯的恒温室和循环装置，所述循环装置与恒温室相连接。所述恒温室包括绝热层构成的主体，在隔温层的外面设有冷却通道，所述循环装置包括盛装有循环介质的循环介质箱及循环泵，所述循环介质箱通过入水管和出水管与恒温室的冷却通道相连通，所述入水管上设有循环泵。

所述恒温室内装有样品杯，通过调整循环装置内循环介质的温度可以控制恒温室内的温度，提供测量所需的温度条件，恒温室的恒温范围可在0℃到50℃之间变化。

在测量时，首先称量一定质量的比热已知的液体介质放入样品杯中，并将待测样品整体浸于其中，然后一起放入恒温室内，待热平衡稳定，达到要求温度后，即可施加交变磁场，测量热效应。

此处所说的比热已知的液体介质可以为纯水、无水、乙醇、煤油、蓖麻油等有机或无机液体。

3、测温元件：

本测量装置主要基于温升法的基本原理测量热效应，待测样品在交变磁场中的损耗生热导致样品杯内测量介质的温度上升，利用测温元件测量一定时间间隔内的温度变化，即可确定待测样品材料的发热功率。

本发明的另一目的在于提供测量磁性材料在交变磁场中热效应的方法，包括如下步骤：

A)将待测样品置于盛装有测量介质的样品杯中，将测量介质的温度调整到预定值，然后放入恒温室中，同时，将循环介质的温度调整到预定值(此处预定值与前面所述“将测量介质的温度调整到预定值”中的预定值相等)，开启循环装置，保持恒温室的绝热层内外热平衡；

B)待热平衡达到稳定后，开启交变电源通交变电流，螺线管施加交变磁场，将电流调节到需要值；

C)利用测温元件监测一定时间间隔内样品杯内测量介质的温度变化，以此确定待测样品的发热功率。

当所述螺线管采用长直螺线管时，测量待测样品发热功率的具体计算方法如下：

将待测样品、样品杯以及测量介质视为一个整体，则通过式(1)可得总的热效应为

其中，m_杯-样品杯质量，单位g，c_杯-样品杯壁材料比热，单位J/g℃

m_样-样品质量，单位g，c_样-样品比热，单位J/g℃

m_介质-测量介质的质量，单位g，c_介质-测量介质的比热，单位J/g℃

T₀-体系初始温度，单位℃，T-体系终了温度，单位℃

t₀-测量开始时间，单位s，t-测量终了时间，单位s

为了不同磁性材料之间性能便于比较，规定统一采用单位质量发热功率，简称单重发热值，通过式(2)将待测样品的发热功率除以其质量即可

此即为待测样品在一定强度交变磁场中的单重发热值。

当所述螺线管采用环形螺线管时，测量待测样品发热功率的具体计算方法如下：

将样品杯、待测样品、环形线圈铜线以及测量介质视为一个整体，则通过式(3)可得总的热效应为

其中，m_杯-样品杯质量，单位g，c_杯-样品杯壁材料比热，单位J/g℃

m_样-样品质量，单位g，c_样-样品比热，单位J/g℃

m_介质-测量介质的质量，单位g，c_介质-测量介质的比热，单位J/g℃

m_铜-环形线圈所用铜线的质量，g，c_铜-铜的比热，单位J/g℃

T₀-体系初始温度，单位℃，T-体系终了温度，单位℃

t₀-测量开始时间，单位s，t-测量终了时间，单位s

令(3)式中待测样品质量为零，即m_样＝0，则可得空线圈热效应计算公式(4)

于是，采用式(5)得到待测样品的发热功率为

P_样＝P_总-P_线圈(W)                      (5)

为了不同磁性材料之间性能便于比较，规定统一采用单位质量发热功率，简称单重发热值，采用式(6)将待测样品的发热功率除以其质量即可

此即为待测样品在一定强度交变磁场中的单重发热值。

所述测量介质采用纯水、无水、乙醇、煤油、蓖麻油等有机或无机液体。

本发明的有益效果是：本发明为评价输电导线防覆冰用磁性材料在交变磁场中的热效应提供了一种简单可行的方法和测量装置，该测量装置和方法具有交变磁场强度连续可调，磁场交变频率可调，测量温度可调以及结构简单的特点，操作十分简便，而且测量数据真实可靠，重复性好，运行成本低，这对于防覆冰用磁性材料的筛选具有重要意义。

附图说明

图1是长直螺线管结构示意图；

图2是环形待测样品及环形螺线管缠绕在环形待测样品上的结构示意图；

图3是本发明测试装置示意图(长直螺线管加场)；

图4是本发明测试装置示意图(环形螺线管加场)；

其中，1-交变电源，2-交流电流表，3-变阻器，4-长直螺线管，5-循环介质，6-圆柱形待测样品，7-测量介质，8-样品杯，9-样品杯盖，10-绝热层，11-测温元件，12-循环介质箱，13-循环泵，14-冷却通道，15-入水管，16-出水管，17-环形螺线管，18-环形待测样品。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的测量装置及测量方法作进一步详细的说明。

实施例1

如图3所示，本例中的待测样品采用圆柱形待测样品6，螺线管采用长直螺线管4。

本例所述测量装置主要由交变磁场发生装置、恒温装置和测温元件11组成。交变磁场发生系统包括交流电源1、交流电流表2、变阻器3和长直螺线管4，交流电源1连接220V电压，交流电源1的一个出线端依次连接有交流电流表2和变阻器3，交变电源1的另一出线端与变阻器3的出线端之间连接有长直螺线管4，长直螺线管均匀的环绕绕在恒温室外部，交流电流表2用于实时观察装置中的电流情况，变阻器3用于改变电路中的电流强度；恒温系统包括恒温室和循环装置，恒温室包括由绝热层10(例如聚氨酯泡沫)构成的主体，绝热层的外部设有冷却通道14；循环装置包括盛装有循环介质的循环介质箱12和循环泵13，循环介质箱12通过入水管15与冷却通道14的底部入口相连通，循环介质箱12通过出水管16与冷却通道14的顶部出水口相连通，入水管15上设有循环泵13。圆柱形待测样品6置于装有测量介质7的样品杯8中，样品杯8上设有样品杯盖9进行密封，然后将密封好的样品杯整体放入由绝热层10构成的恒温室中；测温元件11采用两个，两个测温元件的一头分别插入样品杯8和冷却通道14中、另一头露于空气中，两个测温元件分别用于测量样品杯中测量介质7的温度及冷却通道中循环介质5的温度；测温元件11可以采用精密温度计或温度传感器及其显示仪表，测量介质7可采用纯水、无水、乙醇、煤油、蓖麻油等有机或无机液体，循环介质5可采用水、液氨或液氮等液体。

测量的具体方法为：

在测量时，首先称量一定质量(具体量以使待测样品整体浸于其中为宜)的比热已知的测量介质7放入样品杯8中，并将圆柱形待测样品6整体浸于其中，先调整测量介质7温度到预定值，然后整体放入恒温室内热平衡。与此同时，将循环介质5的温度调整到预定值(此处预定值与前面所述“将测量介质的温度调整到预定值”中的预定值相等)，开启循环装置，保持恒温室的绝热层内外温度均衡。待热平衡达到稳定状态后，开启交流电源1，长直螺线管4产生交变磁场，根据需要施加的交变磁场强度要求将电流调节到需要值。待测样品6在交变磁场中的损耗生热导致样品杯8内测量介质的温度上升，利用测温元件11测量一定时间间隔内的温度变化，即可确定待测样品6的发热功率。

由于长直螺线管4置于恒温室外部，长直螺线管4自身发热被循环介质带走，因此，样品杯内的温度变化仅由样品自身损耗生热引起，测得值即为样品的实际发热功率，具体计算方法如下：

将待测样品、样品杯以及测量介质视为一个整体，则通过式(1)可得总的热效应为

其中，m_杯-样品杯质量，单位g，c_杯-样品杯壁材料比热，单位J/g℃

m_样-样品质量，单位g，c_样-样品比热，单位J/g℃

m_介质-测量介质的质量，单位g，c_介质-测量介质的比热，单位J/g℃

T₀-体系初始温度，单位℃，T-体系终了温度，单位℃

t₀-测量开始时间，单位s，t-测量终了时间，单位s

为了不同磁性材料之间性能便于比较，规定统一采用单位质量发热功率，简称单重发热值，通过式(2)将待测样品的发热功率除以其质量即可

此即为待测样品在一定强度交变磁场中的单重发热值。

实施例2

如图4所示，本例中的待测样品采用环形形待测样品18，螺线管采用环形螺线管17。

本例所述测量装置主要由交变磁场发生装置、恒温装置和测温元件11组成。交变磁场发生系统包括交流电源1、交流电流表2、变阻器3和环形螺线管17，交流电源1连接220V电压，交流电源1一个出线端依次连接有交流电流表2和变阻器3，绕在环形待测样品18外层上的环形螺线管17的两端分别与交变电源1的另一出线端及变阻器3的出线端相连，交流电流表2用于实时观察装置中的电流情况，变阻器3用于改变电路中的电流强度；恒温系统包括恒温室和循环装置，恒温室包括由绝热层10(例如聚氨酯泡沫)构成的主体，绝热层的外部设有冷却通道14；循环装置包括盛装有循环介质的循环介质箱12和循环泵13，循环介质箱12通过入水管15与冷却通道14的底部入口相连通，循环介质箱12通过出水管16与冷却通道14的顶部出水口相连通，入水管15上设有循环泵13。绕有环形螺线管17的环形待测样品18置于装有测量介质7的样品杯8中，样品杯8上设有样品杯盖9进行密封，然后将密封好的样品杯整体放入由绝热层10构成的恒温室中；测温元件11采用两个，两个测温元件的一头分别插入样品杯8和冷却通道14中、另一头露于空气中，两个测温元件分别用于测量样品杯中测量介质7的温度及冷却通道中循环介质5的温度；测温元件11可以采用精密温度计或温度传感器及其显示仪表，测量介质7可采用纯水、无水、乙醇、煤油、蓖麻油等有机或无机液体，循环介质5可采用水、液氨或液氮等液体。

测量的具体方法为：

在测量时，首先称量一定质量(具体量以使待测样品整体浸于其中为宜)的比热已知的测量介质7放入样品杯8中，先调整测量介质7温度到预定值，然后整体放入恒温室内热平衡。与此同时，将循环介质5的温度调整到预定值(此处预定值与前面所述“将测量介质的温度调整到预定值”中的预定值相等)，开启循环装置，保持恒温室的绝热层内外温度均衡。待热平衡达到稳定状态后，开启交流电源1，环形螺线管17产生交变磁场，根据需要施加的交变磁场强度要求调节变阻器将电流强度调节到需要值。由于损耗生热，样品杯8内测量介质的温度上升，利用测温元件11测量一定时间间隔内的温度变化。

对于环形螺线管17加载磁场方式，所监测到的温度变化是由待测样品损耗发热和螺线管损耗发热共同引起的，即P_总＝P_样+P_螺线管。因此，在计算样品的热效应时，必须扣除螺线管自身发热的影响。具体操作时，可采用与待测样品具有相同规格尺寸的空线圈，测量其在同样测试条件下发热功率，然后在总的发热功率中将其扣除即可，具体计算方法如下：

将样品杯、待测样品、环形线圈铜线以及测量介质视为一个整体，则通过式(3)可得总的热效应为

其中，m_杯-样品杯质量，单位g，c_杯-样品杯壁材料比热，单位J/g℃

m_样-样品质量，单位g，c_样-样品比热，单位J/g℃

m_介质-测量介质的质量，单位g，c_介质-测量介质的比热，单位J/g℃

m_铜-环形线圈所用铜线的质量，g，c_铜-铜的比热，单位J/g℃

T₀-体系初始温度，单位℃，T-体系终了温度，单位℃

t₀-测量开始时间，单位s，t-测量终了时间，单位s

令(3)式中待测样品质量为零，即m_样＝0，则可得空线圈热效应计算公式(4)

于是，采用式(5)得到待测样品的发热功率为

P_样＝P_总-P_线圈(W)                   (5)

为了不同磁性材料之间性能便于比较，规定统一采用单位质量发热功率，简称单重发热值，采用式(6)将待测样品的发热功率除以其质量即可

此即为待测样品在一定强度交变磁场中的单重发热值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。