一种超导磁体用多功能监控系统

技术领域

本发明属于超导磁体技术控制领域，涉及超导磁体监控信息和反馈操作技术领域，具体涉及一种超导磁体用多功能监控系统。

背景技术

伴随超导磁体技术飞速发展，在电工、交通、医疗、军工和科学实验领域都有重要的现实作用和巨大的应用前景，例如医疗和科研等领域已经取得实际效益，如目前采用超导磁体的磁共振成像设备已成为医院中最受欢迎的临床诊断设备之一，已有数千台磁共振成像设备在世界各地医院中使用。此外，超导核磁共振谱仪等科学仪器也已经成为商品并获得广泛应用。

超导产品使用中，易发生失超状态，该状态会在小空间内短时间挥发大量氦气，基于安全和成本考虑，需要研发一种监控系统可时时监控反馈磁体状态信息，通过交互单元进行人为控制，或通过信息处理单元自动控制，远程发送报警信息，及时提醒技术人员。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种超导磁体用多功能监控系统，可时时监控反馈磁体状态信息，具有温度、液位、压力等信息实时测量、定时存储功能，界面交互性好，便于使用人员操作，故障报警反馈及时；可以通过信息交互单元进行人为控制，或通过信息转换处理单元自动控制，并可远程发送报警信息，及时提醒技术人员和用户查看，是一种精确、及时、有效的监控系统。

实现上述目的的技术方案是：一种超导磁体用多功能监控系统，外接超导磁体和氦气压缩机，所述监控系统由数据收集单元、信息转换处理单元、报警反馈单元、信息交换单元、显示单元和外壳单元六部分组成，其中：

所述外壳单元包括滤波板和监控系统外壳，所述信息转换处理单元、报警反馈单元、信息交换单元和显示单元分别设置在所述监控系统外壳内；所述滤波板设置在所述监控系统外壳和超导磁体之间；

所述信息转换处理单元包括依次相连的调制处理电路、模拟数字转换器和核心板；

所述数据收集单元与所述信息转换处理单元的调制处理电路相连；

所述报警反馈单元、信息交换单元和显示单元分别与所述核心板相连；

所述数据收集单元用于收集超导磁体和氦气压缩机的信号，并将超导磁体和氦气压缩机的信号通过信号线缆分别发送给所述信息转换处理单元的调制处理电路；

所述信息转换处理单元用于将接收的超导磁体和氦气压缩机的信号转化为可直接读取信息；

所述显示单元通过所述核心板调取所述可直接读取信息并进行显示；

用户根据显示单元读取的信息，通过信息交换单元输入操作调试指令进行反馈；

所述报警反馈单元用于磁体紧急状况和发生安全问题的报警反馈。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述数据收集单元包括温度测量模块、液氦液位测量模块、压力测控模块和氦气压缩机工作状态信号测控模块；

所述温度测量模块包括设置在超导磁体内部的温度传感器，用于测量超导磁体内部温度信号；

所述液氦液位测量模块包括设置在超导磁体内部的超导磁体液位计，用于测量超导磁体内部液氦液位信号；

所述压力测控模块包括设置在超导磁体内部的压力传感器，用于测控超导磁体内部压力信号；

所述氦气压缩机工作状态信号测控模块设置在氦气压缩机上，用于测控氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号；

所述超导磁体通过19PIN温度信号线缆、10PIN温度信号线缆、压力变送器信号线缆和55PIN信号线缆与所述信息转换处理单元的调制处理电路相连；所述19PIN温度信号线缆和10PIN温度信号线缆用于传输超导磁体内部温度信号；所述压力变送器信号线缆用于传输超导磁体内部压力信号，所述55PIN信号线缆用于传输超导磁体内部液氦液位和超导磁体线圈工作状况信号；

所述氦气压缩机通过氦气压缩机信号线缆与所述信息转换处理单元的调制处理电路相连；所述氦气压缩机信号线缆用于传输氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，超导磁体内部温度信号、超导磁体内部压力信号、超导磁体内部液氦液位信号、超导磁体线圈工作状况信号以及氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号依次通过调制处理电路、模拟数字转换器和核心板，转化为相应的可直接读取信息。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述温度传感器采用多通道温度传感器，所述监控系统控制所述温度传感器开机自检、重启自检、手动开启自检和每4h自检一次超导磁体内部温度信号，并存储相应检测数据；

所述超导磁体液位计采用双通道液位计，所述双通道液位计包含主、辅两个测量通道，当主测量通道判定异常工作下自动开启辅测量通道或者人工切换主、辅两个测量通道；

所述监控系统控制所述超导磁体液位计开机自检、重启自检、手动开启自检和每4h自检一次超导磁体内部液位信号，并存储相应检测数据；

所述监控系统控制所述压力传感器开机自检、重启自检、手动开启自检和每30分钟自检一次超导磁体内部压力信号，并存储相应检测数据。

所述压力测控模块根据设定阈值，控制加热器工作，自动调整超导磁体内部压力。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述报警反馈单元包括报警单元和反馈单元，所述报警单元包括状态指示灯模块、蜂鸣器模块和GSM组件；所述反馈单元包括紧急失超模块、EIS加热模块和备用供电模块，其中：

所述状态指示灯模块包括与核心板相连的状态指示灯驱动电路以及与状态指示灯驱动电路相连的状态指示灯；

所述蜂鸣器模块包括与核心板相连的蜂鸣器驱动电路以及与蜂鸣器驱动电路相连的蜂鸣器；

所述GSM组件包括与核心板相连的GSM模块以及与GSM模块相连的外置天线；

所述紧急失超模块包括与核心板相连的紧急失超加热器控制电路以及与紧急失超加热器控制电路相连的紧急失超开关，在紧急状态下，按下紧急失超开关，对失超加热器提供电能，超导磁体发生主动失超；紧急失超开关按下后，紧急失超开关上的复位指示灯点亮提示，避免失超加热器长时间工作；

所述EIS加热模块包括与核心板相连的EIS加热器，通过开启EIS加热器完成超导磁体屏蔽功能控制，所述EIS加热器中预先设定程序，固定周期和时长开启EIS加热器；或通过用户输入指令触发该EIS加热器工作，设定单次EIS加热器加热时长；

所述备用供电模块包括与核心板相连的备用供电电路以及与备用供电电路相连的备用电源；所述备用供电模块用于当外部电源断电后，通过锂电池组和变换电路提供24V电压48h持续供电；当外部电源恢复供电后，备用供电模块自动充电；同时所述备用电源提供紧急失超模块单次供能；

当电压低于23V持续24h或启用备用电源模块时，所述GSM组件均会发送用户对应报警信息。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，当超导磁体和氦气压缩机的信号的实时测量数据超过所述监控系统中预先设定的相应的阈值上下限，所述报警反馈单元开启报警功能；

所述报警功能通过多途径实时报警实现，包括通过蜂鸣器报警、通过状态指示灯报警、通过显示单元显示错误信息报警以及通过GSM组件向用户手机发送报警信息；

所述报警信息包含设备的信息、磁体序列号和监控序列号以及判定信息的故障代码。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述信息交换单元包括RS232接口模块、USB接口模块、TTL接口模块、NET接口模块、RJ45网口模块、RTC时钟模块、SD卡存储模块和TFT内存卡模块，其中：

所述RS232接口模块包括与核心板相连的RS232电平转换电路以及与RS232电平转换电路相连的RS232接口；

所述USB接口模块包括与核心板相连的USB驱动电路以及与USB驱动电路相连的USB接口；

所述TTL接口模块包括与核心板相连的TTL接口；

所述NET接口模块包括与核心板相连的NET接口；

所述RJ45网口模块包括与核心板相连的RJ45网络驱动电路以及与RJ45网络驱动电路相连的RJ45网口；

所述RTC时钟模块包括与核心板相连的RTC时钟以及与RTC时钟相连的纽扣电池；

所述SD卡存储模块包括与核心板相连的SD卡；

所述TFT内存卡模块包括与核心板相连的TFT驱动电路以及与TFT驱动电路相连的TFT内存卡。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述显示单元包括LCD显示模块和LCD指示灯，其中：

所述LCD显示模块包括与核心板相连的显示转换PCB板以及与显示转换PCB板相连的LCD显示屏；

LCD指示灯包括工作指示灯、报警灯、备用电源指示灯和压力报警灯。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述监控系统外壳包括监控外壳和ERDU外壳；所述ERDU外壳独立安装在所述监控外壳外部或集成在所述监控外壳上；所述ERDU外壳上设置有紧急失超开关；所述监控系统外壳采用高强铝合金制成；所述监控系统外壳配合所述滤波板降低外部EMI干扰。

上述的一种超导磁体用多功能监控系统，其中，所述监控系统外接有手动输入键盘。

本发明的超导磁体用多功能监控系统，在超导磁体运行时，对磁体内部温度、液位、压力等参数，实时测量、显示和远程发送；根据设定阈值自动开启相应模块，包括调整磁体内部压力、应对紧急状态下失超、EIS加热、声音和灯管报警、远程发送错误代码；操作人可通过交互界面输入控制信息，人工调整磁体内部压力、EIS加热、主动开启失超单元。该监控系统经量产产品验证，交互操作简易、远程获得报警信息便捷、自动控制模块稳定，是超导磁体持续稳定工作的重要组成单元。

附图说明

图1为本发明的超导磁体用多功能监控系统与超导磁体和氦气压缩机的连接结构图；

图2为本发明的超导磁体用多功能监控系统的方框图；

图3为本发明的超导磁体用多功能监控系统的内部原理拓扑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1、图2和图3，本发明的最佳实施例，一种超导磁体用多功能监控系统，外接超导磁体100和氦气压缩机200，监控系统300由数据收集单元1、信息转换处理单元2、报警反馈单元3、信息交换单元4、显示单元5和外壳单元六部分组成，其中：

外壳单元包括滤波板61和监控系统外壳62，信息转换处理单元2、报警反馈单元3、信息交换单元4和显示单元5分别设置在监控系统外壳62内；滤波板61设置在监控系统外壳62和超导磁体100之间；信息转换处理单元2包括依次相连的调制处理电路21、模拟数字转换器22和核心板23(采用AM4379核心板)；数据收集单元1与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连；报警反馈单元3、信息交换单元4和显示单元5分别与核心板23相连。模拟数字转换器22外接有开关电源301。

数据收集单元1用于收集超导磁体和氦气压缩机的信号，并将超导磁体和氦气压缩机的信号通过信号线缆分别发送给信息转换处理单元2的调制处理电路21；信息转换处理单元2用于将接收的超导磁体和氦气压缩机的信号转化为可直接读取信息；显示单元5通过核心板23调取可直接读取信息并进行显示；用户通过信息交换单元4读取可直接读取信息，并通过信息交换单元4输入操作调试指令；报警反馈单元3用于磁体紧急状况和安全问题的报警反馈。

数据收集单元1包括温度测量模块、液氦液位测量模块、压力测控模块和氦气压缩机工作状态信号测控模块；

温度测量模块包括设置在超导磁体内部的温度传感器，用于测量超导磁体内部温度信号；液氦液位测量模块包括设置在超导磁体100内部的超导磁体液位计，用于测量超导磁体100内部液氦液位信号；压力测控模块包括设置在超导磁体100内部的压力传感器，用于测控超导磁体内部压力信号；氦气压缩机工作状态信号测控模块设置在氦气压缩机200上，用于测控氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号。

再请参阅图1和图3，超导磁体100通过19PIN温度信号线缆71、10PIN温度信号线缆72、压力变送器信号线缆73和55PIN信号线缆74与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连；19PIN温度信号线缆71和10PIN温度信号线缆72用于传输超导磁体内部温度信号；压力变送器信号线缆73用于传输超导磁体内部压力信号，55PIN信号线缆74用于传输超导磁体内部液氦液位和超导磁体线圈工作状况信号；

氦气压缩机200通过氦气压缩机信号线缆75与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连；氦气压缩机信号线缆75用于传输氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号。

19PIN温度信号线缆71和10PIN温度信号线缆72的一端连接超导磁体100，另一端通过DB25 MALE接头与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连；压力变送器信号线缆73和55PIN信号线缆75的一端连接超导磁体100，另一端通过DB25 FEMALE信号线缆与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连；氦气压缩机信号线缆75由氦气压缩机线缆和设置在其两端的DB15信号线缆组成；氦气压缩机线缆的一端通过DB15信号线缆与氦气压缩机200相连，另一端通过DB15信号线缆与信息转换处理单元2的调制处理电路21相连。

超导磁体内部温度信号、超导磁体内部压力信号、超导磁体内部液氦液位信号、超导磁体线圈工作状况信号以及氦气压缩机的启停信号和压力异常报警信号依次通过调制处理电路21、模拟数字转换器22和核心板23，转化为相应的可直接读取信息。

在数据收集单元1中，温度传感器采用多通道温度传感器，监控系统控制温度传感器开机自检、重启自检、手动开启自检和每4h自检一次超导磁体内部温度信号，并存储相应检测数据；超导磁体液位计采用双通道液位计，双通道液位计包含主、辅两个测量通道，当主测量通道判定异常工作下自动开启辅测量通道或者人工切换主、辅两个测量通道；监控系统控制超导磁体液位计开机自检、重启自检、手动开启自检和每4h自检一次超导磁体内部液位信号，并存储相应检测数据；监控系统控制压力传感器开机自检、重启自检、手动开启自检和每30分钟自检一次超导磁体内部压力信号，并存储相应检测数据。压力测控模块可以根据设定阈值，控制加热器工作，自动调整超导磁体内部压力。

本发明的超导磁体用多功能监控系统，报警反馈单元3包括报警单元和反馈单元，报警单元包括状态指示灯模块、蜂鸣器模块和GSM组件；反馈单元包括紧急失超模块、EIS加热模块和备用供电模块，其中：

状态指示灯模块包括与核心板23相连的状态指示灯驱动电路311以及与状态指示灯驱动电路311相连的状态指示灯312；蜂鸣器模块包括与核心板23相连的蜂鸣器驱动电路321以及与蜂鸣器驱动电路321相连的蜂鸣器322；GSM组件包括与核心板23相连的GSM模块33以及与GSM模块33相连的外置天线8；紧急失超模块包括与核心板23相连的紧急失超加热器控制电路34以及与紧急失超加热器控制电路34相连的紧急失超开关10，在紧急状态下，按下紧急失超开关10，对失超加热器提供电能，超导磁体100发生主动失超；紧急失超开关10按下后，紧急失超开关上的复位指示灯点亮提示，避免失超加热器长时间工作；EIS加热模块包括与核心板23相连的EIS加热器，通过开启EIS加热器完成超导磁体屏蔽功能控制，EIS加热器中预先设定程序，固定周期和时长开启EIS加热器；或通过用户输入指令触发该EIS加热器工作，设定单次EIS加热器加热时长。

备用供电模块包括与核心板23相连的备用供电电路35以及与备用供电电路35相连的备用电源9；备用电源9包括锂电池组91和与其相连的变换电路92(DC/AC变换电路)，备用供电模块用于当外部电源断电后，通过锂电池组91和变换电路92提供24V电压48h持续供电；当外部电源恢复供电后，备用供电模块自动充电；同时备用电源9提供紧急失超模块单次供能，即备用电源9可以为紧急失超模块的单次紧急失超提供足够电能。当电压低于23V持续24h或启用备用电源模块时，GSM组件均会发送用户对应报警信息。

当超导磁体和氦气压缩机的信号的实时测量数据超过监控系统中预先设定的相应的阈值上下限，报警反馈单元3开启报警功能；报警功能通过多途径实时报警实现，包括通过蜂鸣器报警、通过状态指示灯报警、通过显示单元显示错误信息报警以及通过GSM组件向用户手机发送报警信息；报警信息包含设备的信息、磁体序列号和监控序列号以及判定信息的故障代码。

信息交换单元4用于读取超导磁体状态信息和输入操作调试指令，为便于操作和提高兼容性，信息交换单元4提供多种接口；可实现多设备、多系统、远程操作，极大的提供设备操作的易取性。

信息交换单元4包括RS232接口模块、USB接口模块、TTL接口模块、NET接口模块、RJ45网口模块、RTC时钟模块、SD卡存储模块和TFT内存卡模块，其中：

RS232接口模块包括与核心板23相连的RS232电平转换电路411以及与RS232电平转换电路411相连的RS232接口412；RS232接口可以行升级操作；

USB接口模块包括与核心板23相连的USB驱动电路421以及与USB驱动电路421相连的USB接口422；

TTL接口模块包括与核心板23相连的TTL接口43；

NET接口模块包括与核心板23相连的NET接口(图中未显示)；NET接口可以行远程升级操作；

RJ45网口模块包括与核心板23相连的RJ45网络驱动电路441以及与RJ45网络驱动电路441相连的RJ45网口442；

RTC时钟模块包括与核心板23相连的RTC时钟451以及与RTC时钟451相连的纽扣电池452；RTC时钟451通过纽扣电池452供电和备用电源供电，保证该RTC时钟模块持续运行，断电重启后时钟依旧正常，避免因断电造成记录信息时间不准确。

SD卡存储模块包括与核心板23相连的SD卡(图中未显示)；SD卡实时记录超导磁体运行的各项数据、故障信息，通过各接口方便导出。

TFT内存卡模块包括与核心板23相连的TFT驱动电路461以及与TFT驱动电路461相连的TFT内存卡462。

显示单元5包括LCD显示模块和LCD指示灯，其中：LCD显示模块包括与核心板23相连的显示转换PCB板51以及与显示转换PCB板51相连的LCD显示屏52。LCD指示灯包括工作指示灯、报警灯、备用电源指示灯和压力报警灯。监控系统外接有手动输入键盘。LCD显示屏52将信息转换处理单元2转化完成的可直接读取信息进行显示，LCD显示屏52配合手动输入键盘或外部接口，对监控系统进行交互控制。

监控系统外壳包括监控外壳和ERDU外壳；ERDU外壳独立安装在监控外壳外部或集成在监控外壳上；ERDU外壳上设置有紧急失超开关10；监控系统外壳采用高强铝合金制成；监控系统外壳62配合滤波板61降低外部EMI干扰。

本发明的超导磁体用多功能监控系统，超导磁体100内部多处温度传感器通过信号线缆向监控系统发送温度信息，对比温度传感器厂商提供温度对应电阻阻值，由调制处理电路21、模拟数字转换器22和核心板23，转化为可直接读取信号，通过显示单元直接显示，信息交换单元4的接口读取或远程发送信息读取，同理实现超导磁体液位计、压力传感器信号的转化显示。通过信号线缆读取氦气压缩机启停信号、压力异常报警信号等信息，由信息转换处理单元2转为可读取信息。

当监控系统识别到紧急情况时，对应状况的状态指示灯312点报警亮，蜂鸣器322通电工作；GSM模块331和外置天线332，通过中继模块避免设备受信号影响，向预先设定的手机号码发送报警代码。

蜂鸣器322在报警状态下开启工作，通过LCD显示屏可关闭蜂鸣器，或蜂鸣器322持续报警1h后自动关闭，防止在使用备用电源状态下过渡消耗电能，状态指示灯312依然常亮，直至故障解除。同时LCD显示屏52会显示相应故障信息，GSM组件发送相应的故障代码至技术人员和客户手机；GSM组件可通过LCD显示屏52的输入面板手动开启关闭，防止移机或装机时误报警。

本发明的超导磁体用多功能监控系统，具有温度测量功能、液氦液位测量功能、压力测控功能、紧急失超功能、报警功能、控制交互功能和EIS加热功能，其中：

温度测量功能：

多通道温度传感器通过19PIN温度信号线缆71、10PIN温度信号线缆72于监控系统连接，通过信号调理和AD转换后，可通过LCD显示屏52显示或通过外部接口读取。每个温度传感器可通过信息交换单元4的输入接口设定报警上下限阈值，当对应通道温度超过阈值，报警模块开启工作，所有测量数据每30分钟自动保存一次，开机和重启状态温度传感器会进行自检，所有测量数据可进行查阅或读取。

液氦液位测量功能：

液氦液位测量采用双路测量，正常工作状态下，主通道液位测量计工作，异常状态下，自动切换至辅通道液位测量，同时可通过人工操作切换测量通道。

人工设定液位报警上下限阈值，当液位超过阈值时，报警模块开启工作，所有测量数据每4h自动保存一次，测量完成自动关闭液位计供电系统，可通过按键或输入接口，人工开启单侧测量，开机和重启状态液位计传感器会进行自检，所有测量数据可进行查阅或读取。

压力测控功能：

监控超导磁体压力变送器实施监控超导磁体内部压力，人工设定压力监控上下限阈值，当内部压力低于阈值时，开启磁体内部加热电阻提升压力，压力传感器每15s测量一次压力，造成控制延迟，实际测量测量范围增加5％裕度。压力监控设备可手动触发，所有测量数据每30分钟自动保存一次，开机和重启状态压力传感器会进行自检，所有测量数据可进行查阅或读取。

紧急失超功能：

紧急失超模块可通过监控系统供电，当外部电源断电后，备用供电模块通过锂电池组和变换电路提供24V供电48h持续供电，恢复供电后，备用电源自动充电，当电压低于23V持续24h或启用备用电源单元，GSM单元均会发送对应报警信息，同时备用电源可为单次紧急失超提供足够电能。紧急失超开关可集成于监控控制面板或作为独立不见放置于易触控处，或同时采用两种结构，更易于操作。

报警功能：

监控系统通过预先设定的阈值判定报警功能开启与否，同时开启状态指示灯、蜂鸣器，通过GSM组件，根据判定的报警信息，发送诊断代码至预先设定的目标手机。报警信息包括A和B两部分，A部分为磁体序列号和监控序列号，B部分为故障诊断代码，接受信息人员可及时准确的确认故障磁体和故障信息。

控制交互功能：

监控系统配备了丰富的交互接口，包括LCD显示屏、手动输入键盘、RS232接口、USB接口、TTL接口、NET接口等，可以通过操控键盘和LCD显示屏实施调节观察监控信息，可以通过外部接口连接设备读取、操控监控设备，可以通过网络访问远程读取、操控监控设备，实现操控的多元性和便捷性。SD卡存储、RTC时钟和备用电源保证存储信息的准确性、稳定性，历史记录的完成性。

EIS加热功能：

该功能预先设定程序，固定周期和时长开启EIS加热器；或通过输入单元，触发该功能，设定单次加热时长。

本发明的超导磁体用多功能监控系统，具有温度测量、液氦液位测量、压力测控、紧急失超、报警、控制交互功能；经量产产品验证，交互操作简易、远程获得报警信息便捷、自动控制模块稳定，是超导磁体持续稳定工作的重要组成单元。

综上所述，本发明的超导磁体用多功能监控系统，可时时监控反馈磁体状态信息，具有温度、液位、压力等信息实时测量、定时存储功能，界面交互性好，便于使用人员操作，故障报警反馈及时；可以通过信息交互单元进行人为控制，或通过信息转换处理单元自动控制，并可远程发送报警信息，及时提醒技术人员和用户查看，是一种精确、及时、有效的监控系统。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。