Měření kolem nás (22) Měření okrajových hodnot proudu a napětí –2

Principy

K měření elektrických veličin je u většiny přístrojů využito některého z dobře popsaných fyzikálních jevů – nejčastěji je to využití elektromagnetismu. Vzhledem ke konstrukci přístrojů a bezpečnosti obsluhy při měření je nutné vstupní veličiny – většinou napětí a proud – přizpůsobit danému principu. U malých proudů a napětí se jedná o jejich zesílení, u velkých proudů a napětí jde o snížení. Často se využívá souvisejícího závislého jevu (jako zmíněný elektromagnetismus).

Vzhledem k tomu, že o velmi malých hodnotách proudu a napětí pojednával minulý článek, bude se tento článek věnovat měření velmi vysokých proudů a napětí.

Předřadník a bočník

Jednoduchou metodou je využití děličů. V podstatě se jedná o kombinace odporů a kapacitorů v různých zapojeních, které dovolují měřit velmi vysoká napětí a proudy. Jejich hlavní nevýhodou je přímá úměra mezi velikostí měřeného napětí či proudu a fyzickou velikostí děliče, který je nutné pro měření použít.

Obr. 1. Schéma použití předřadníku

Předřadník

Pro snížení vstupního napětí a následné zvýšení rozsahu měřicího přístroje je nejjednodušší použít odporový předřadník. Vložený odpor snižuje napětí.

Bočník

Bočník je speciální zařízení vyrobené z odporového manganinu sloužící k realizaci měření procházejícího proudu. Tuto metodu lze použít k měření stejnosměrného i střídavého proudu. Proud protékající bočníkem způsobuje předem cejchovaný úbytek napětí. Normovaný úbytek napětí na bočníku obvykle bývá 60, 100, 150 nebo 300 mV. Obvyklý proudový rozsah bočníku je od 1 do 15 000 A. Bočníky lze spojovat.

Výhodou je prověřená konstrukce, dobře známé charakteristiky a absence jakýchkoliv součástek nebo pohyblivých částí.

Významnou nevýhodou je rozptyl energie při dlouhodobém zatížení bočníku vysokým proudem (bočník je třeba intenzivně chladit). Další nevýhodou je velikost a hmotnost bočníku, která je úměrná měřenému proudu, čím větší proud má být měřen, tím větší musí být i bočník. Další významnou nevýhodou je galvanické propojení s měřeným obvodem. A poslední nevýhodou je i takřka nulová mobilita, takže ad-hoc měření (v řádech kA a MA) je s bočníkem prakticky nemožné.

Obr. 2. Schéma použití bočníku

Kapacitní dělič

Kapacitní dělič je obdobou odporového děliče a používá se pro měření střídavých a impulzních napětí.

Nejvyšší napětí na jednom kondenzátoru zpravidla nepřesahuje 300 kV kvůli vlivu parazitních kapacit. Pro vyšší napětí se kondenzátory spojují do svazků.

Obr. 3. Schéma kapacitního děliče

Měřicí jiskřiště (spark gap)

Jiskřiště tvoří uspořádání dvou vodivých elektrod oddělených mezerou obvykle naplněnou plynem, jako je vzduch, které umožňuje průchod elektrické jiskry mezi vodiči. Když rozdíl potenciálů mezi vodiči překročí průrazné napětí plynu uvnitř mezery, vytvoří se jiskra, ionizuje plyn a drasticky snižuje jeho elektrický odpor. Jiskřiště lze využít pro měření stejnosměrného i střídavého napětí. Elektrody v jiskřišti jsou konstruovány většinou jako koule nebo tyče.

Kulová jiskřiště nejsou příliš vhodná pro měření stejnosměrných napětí, což je zapříčiněno chybnou funkcí jiskřišť způsobenou vláknitými částicemi vyskytujícími se ve vzduchu, které vedou k chybným přeskokům při nízkých napětích. Proto se pro měření stejnosměrných napětí doporučuje spíše jiskřiště tyč-tyč. Principem měření velikosti napětí je nalezení vzdálenosti, při které dojde k průrazu plynu mezi elektrodami a vzniku el. oblouku (jiskry).

S rostoucím napětím roste i potřebná mezera mezi elektrodami, velikost elektrod a také bezpečná vzdálenost mezi elektrodami a okolními předměty (včetně stěn a podlahy). Pro napětí kolem 2 MV jsou doporučené kulové elektrody o průměru 2 m a vzduchovou mezerou 1 m. U těchto velikostí elektrod a napětí je bezpečná vzdálenost od bodu doskoku výboje více než 6 m všemi směry.

Obr. 4. Proudový transformátor

Proudový transformátor

Proudové transformátory jsou prvky umožňující měření vysokých střídavých proudů tekoucích vodiči pomocí měřičů s malým měřicím rozsahem a citlivých elektronických obvodů. Výhodnou vlastností je galvanické oddělení mezi primárním obvodem, kterým protéká měřený proud, a sekundárním vinutím, ke kterému je připojen měřič. Galvanické oddělení také umožňuje zbavit se problémů s bludnými proudy, rušením a odlišnými potenciály země obou obvodů. Proto se proudové transformátory používají v impulsních elektronických obvodech pro měření proudu tekoucího prvky výkonového stupně.

Proudový transformátor je v podstatě transformátor a má obvykle podobu prstence, na kterém je navinuto sekundární vinutí a ke kterému je připojen měřicí obvod. Středem prstence je veden vodič, v němž se měří proud. Tvoří jeden závit primárního vinutí. V závislosti na tom, kolik závitů má sekundární vinutí, má transformátor definovaný převod, který rozhoduje o poměru, v jakém snižuje velikost proudu tekoucího primárním vinutím.

(pokračování)