Come misuro 10.000 A DC?


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Qual è il modo standard per misurare una corrente di circa 10.000 A? I misuratori di pinze DC sembrano avere solo scale fino a 2.000 A.

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Alcuni retroscena di questa domanda:

Sono un insegnante di fisica delle scuole superiori e sto cercando di migliorare alcuni esperimenti classici usando alte correnti da scarica ultra-condensatore.

In particolare sto cercando un buon modo per misurare la corrente di scarica di un ultra condensatore per tempi molto brevi, come in questo esperimento di "salto ad anello":

Una modifica sicura ed efficace dell'esperimento dell'anello di salto di Thomson

La seconda motivazione per questa domanda è stata solo perché voglio solo conoscerla per curiosità per la mia conoscenza di fondo di quello che è il solito modo di misurare correnti così elevate oggi.


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Perché mai hai bisogno di misurare una corrente di 10kA?
Focolare

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"Da una distanza sicura e rispettosa"?
duskwuff,

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Senza offesa, ma questo sembra il tipo di domanda in cui, se devi fare, probabilmente non dovresti farlo.
Wesley Lee,

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@Julia Echoing commenti di WesleyLee, a meno che tu non sia un insegnante di fisica del liceo che si è specializzato in elettronica ad alta potenza nella tua laurea, quindi non sei nel senso più remoto sicuro o competente per farlo. Non solo sei una minaccia diretta alla tua stessa vita, ma saresti anche una minaccia diretta alla vita di tutti i tuoi alunni e forse dell'intera scuola se dovessi farlo ovunque vicino a una classe. Quelle sono enormi quantità di energia immagazzinata e se devi chiedere come fare qualcosa al riguardo, non dovresti nemmeno considerarlo.
Graham,

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Inoltre, non si può ripetere o sottolineare abbastanza che una scarica da 10kA non è qualcosa con cui giocare. L'interferenza EMP che genererà può essere significativa - sicuramente un pericolo per le persone con pacemaker e anche per qualsiasi altra apparecchiatura elettronica nelle vicinanze. Questi tipi di esperimenti devono essere condotti in laboratori schermati elettricamente, o almeno in idonee gabbie di Faraday, per proteggere le persone e le attrezzature all'esterno.
J ...

Risposte:


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No, le sonde DC clamp hanno scale ben superiori a ± 10.000 A. Nessuno controlla ancora Amazon per le sue sonde di corrente da ± 12000 A CC a 40 kHz?
Sonda corrente di serraggio Scherzo. Ma puoi acquistarlo totalmente su Amazon. E ne hanno 10 in magazzino. Nessuno di loro si qualifica per Amazon Prime però :(.

Qualunque cosa tu faccia, ignora tutte queste persone che ti dicono di usare uno shunt. No, non utilizzare uno shunt. Non vi è assolutamente alcun vantaggio nell'utilizzare uno shunt in questa applicazione oltre a un leggero margine nella precisione della misurazione e lati negativi incredibilmente enormi.

Perché uno shunt è un'idea terribile:

  1. Qualsiasi soluzione che funzioni misurando la tensione resistiva di un conduttore (shunt) che può avere una ragionevole risoluzione richiederà anche una caduta di tensione proibitivamente grande. Come menzionato da un altro poster, un tipico shunt da 50mV dissiperebbe 500W. Si tratta di uno spreco di energia irresponsabilmente grande quando è possibile misurare la corrente per un consumo di energia inferiore a un watt.

  2. Avrà sempre bisogno del proprio raffreddamento attivo. Quindi c'è molta più energia sprecata, ma soprattutto, hai introdotto un singolo punto di errore nel tuo sistema di distribuzione dell'alimentazione. Ciò che una volta era in grado di portare passivamente all'ordine di 10kA fallirà molto rapidamente se in qualsiasi momento il raffreddamento per lo shunt fallisce o ha un calo delle prestazioni, causando lo shunt che si scioglie e si comporta come il 10kA più costoso e lento del mondo miccia mai fatta.

  3. Non prendiamoci in giro, non basta mettere casualmente uno shunt da 10kA in serie con un cavo di capacità da 10kA usando clip a coccodrillo e jack a banana. Installare un dispositivo del genere in serie con quel cablaggio sarà un'operazione non banale e non sarà qualcosa che puoi facilmente rimuovere per un capriccio. Mi aspetterei che diventi una responsabilità permanente nel tuo sistema.

  4. Non mi importa se il cavo trasporta 10kA a 1 V (per qualsiasi motivo) - Io (e tu stesso dovresti) richiedo l'isolamento galvanico in un tale apparecchio di misurazione. 10kA è molta corrente e non può fare a meno di immagazzinare quantità terrificanti di energia nel solo campo magnetico.

    Non so nemmeno quali sarebbero le dimensioni di un filo o di una sbarra collettrice in grado di sopportare, ma andiamo con una geometria di induttanza relativamente bassa: un palo di rame solido di 2 pollici di diametro. Se in una linea semplice e retta, questo avrà ~ 728nH di induttanza per metro. A 10kA, questo conduttore avrà circa 35J di energia immagazzinata solo nel suo campo magnetico!

    Ovviamente, in pratica, sarà molto più basso in quanto il conduttore di ritorno sarà vicino e probabilmente sarebbero grandi sbarre piatte, abbassando ulteriormente l'induttanza.

    Tuttavia, dovresti pianificare un cavo da 10kA per indurre alcuni spettacolari guasti in qualsiasi cosa collegata ad esso se qualcosa dovesse andare storto. Comprese (o soprattutto?) Cose come una scheda DAQ NI da $ 1800. Esiste una legge che si può derivare dalla legge di Murphy secondo la quale più costoso è l'attrezzatura per l'acquisizione dei dati, più accuratamente verrà distrutta in caso di guasto.

    Scherzo, ma capisci bene: l'isolamento non è qualcosa da respingere in questa situazione.

Ora, c'è una ragione per usare uno shunt: Precisione.

Sebbene mi aspetterei che parte di questo vantaggio sia degradato dall'errore introdotto dagli effetti della termocoppia nelle giunzioni in cui lo shunt è collegato ai conduttori che trasportano la corrente attuale, nonché alle linee di rilevamento. Altre fonti di errore entreranno nell'immagine se anche questa corrente non è DC.

Ma, a prescindere, uno shunt non sta per essere che molto più accurato rispetto alla soluzione ragionevole, che mi accingo a suggerire. La differenza è dell'ordine dello 0,25% (caso migliore) contro l'1% (caso peggiore). Se stai misurando 10.000 amp, che cosa è ± 100A tra gli amici?

Quindi, in conclusione, non usare uno shunt.

Sinceramente non riesco a pensare ad alcuna opzione peggiore di uno shunt . Utilizzare una delle dozzine di sonde clamp-on adatte ad effetto Hall.

Il motivo per cui la maggior parte dei misuratori di pinze portatili arriva fino a forse 2.000 A è perché molto oltre e il conduttore sarebbe troppo grande o in una forma insolita (barra di bus larga e piatta, ad esempio) che richiederebbe che la pinza fosse troppo grande per andare su qualsiasi cosa portatile di palmare.

Ma certamente producono sonde clamp-on o loop che hanno intervalli di misurazione non solo fino a 10.000A, ma anche al di sopra di esso. Quindi basta usare uno di quelli. Sono di alta qualità, sicuri, puramente magnetici (operano sull'effetto Hall), completamente isolati e caratterizzati, sensibilità nell'ordine di 0,3 mV / A.

Qualcosa di simile a Clamp-on Current Probe (precedentemente collegato alla sua pagina su Amazon).

E hanno belle finestre enormi da 77 mm a 150 mm per adattarsi al tuo cablaggio. A meno che tu non abbia scelto qualcosa di più esotico ... e rilassati.

Ad ogni modo, suppongo che il tuo cablaggio sia simile a una delle soluzioni in questa immagine:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Comunque, divertiti. Stai attento. Spero che tu non sia un super cattivo.


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Ottima risposta ma sicuramente +1 per "Spero che tu non sia un super cattivo" xD
Kieran,

1
Bella risposta. Non dimenticare di aggiungere una dichiarazione di non responsabilità nel caso in cui l'OP esploda nella sua casa / laboratorio / scuola superiore.
Enric Blanco,

2
Secondo Amazon, "Ne rimangono solo 10 in magazzino - ordina presto". Meglio prenderli prima che se ne siano andati!
fool4jesus,

2
Funziona anche con scariche di condensatori su scale temporali brevi, come nel collegamento nella mia modifica sopra?
Julia,

2
Leggere le specifiche gmw.com/electric_current/gmw/documents/… sembra dirmi che il tempo di risposta di 10 micro secondi dovrebbe essere sufficiente perché la scala temporale nel mio esperimento collegato è di circa 5 milisecondi per il processo di scarica. È corretto che il dispositivo nel tuo link fornisca solo un segnale di tensione che posso misurare usando un voltmetro. Quindi dovrebbe essere possibile ottenere la curva del tempo corrente usando il sistema cassy leybold: leybold-shop.com/physics/physics-equipment-114/systems/cassy/…
Julia

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Ho lavorato su un motorino di avviamento per locomotive elettriche anni fa, facendo funzionare l'alternatore associato al contrario per avviare il motore con un inverter IGBT trifase che abbiamo sviluppato. Abbiamo ottenuto facilmente 10kA per fase di corrente per interrompere la spinta del motore diesel della locomotiva. Abbiamo misurato la corrente di fase (ai fini del controllo vettoriale) con sensori di corrente a circuito chiuso della LEM Corporation.

Puoi trovare sensori attuali fino a 20kA sul loro sito Web, possono fare anche sensori personalizzati se vuoi acquistarne molti:

Sensori di corrente LEM


Qual è stato il calendario di quella corrente di picco? Secondi? Millisecondi?
Peter Mortensen,

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Il treno che attualmente costruiamo utilizza un massimo di 4kA. Permanentemente. E questo è per un treno per pendolari, non ad alta velocità
Christian,

4
La ferrovia ad alta velocità non utilizza effettivamente una corrente così elevata. Ad esempio, il TGV francese utilizza circa 350A, ma usano 25kV.
Salterio,

3
@MSalters: dipende da quale estremità dei trasformatori si sta misurando;) E il TGV può funzionare con 700 V CC 4kA, dubito comunque che stia andando alla massima velocità in quel caso.
Christian,

4
@PeterMortensen Le correnti di picco sono durate per diversi secondi. Tutti i CRT nell'edificio di prova sono diventati traballanti a causa degli alti campi magnetici generati nei cavi che portano al motore :) Naturalmente oggi gli LCD sarebbero immuni.
John D,

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La mia azienda ha fornito misuratori di corrente fino a 15kA per bagni di placcatura. Hanno appena usato shunt (50mV o 60mV = 15kA IIRC).

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Se la tua corrente ha molti componenti ad alta frequenza, potresti dover prendere precauzioni speciali, non ci vuole molta induttanza per causare problemi.

Si noti inoltre che una caduta di 10kA * 50mV è di 500W, quindi dissiperanno un bel po 'di potenza a piena corrente.

Entrambi i problemi di cui sopra possono essere ridotti o evitati utilizzando i sensori LEM suggeriti da JohnD (+1), tuttavia il costo può essere più elevato nei casi in cui si deve misurare una corrente CC relativamente stabile.


4
Ahia! Che componente robusto! Sorprendete! Non sembra nemmeno un componente elettrico, ma alcune cose meccaniche!
Lorenzo Donati supporta Monica il

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@chx I due grandi bulloni / dadi su ciascun lato devono essere collegati alle barre del bus per l'alta corrente. Le due piccole viti sono per i fili al misuratore.
Spehro Pefhany,

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Esistono anche versioni SMD?
Cagliata il

4
@Curd Per quel tipo di corrente, potrebbe essere necessario utilizzare almeno 2520 (1008) dimensioni. Sei disposto a sacrificare il consiglio immobiliare coinvolto?
un CVn il

3
@nocomprende Non è difficile immaginare che esistano altri shunt più grandi, oltre a quello scelto arbitrariamente per una foto di esempio illustrativo.
Jason C,

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Se esiste un modo per eseguire temporaneamente la configurazione dell'esperimento a una corrente inferiore, si potrebbero selezionare due punti esposti su qualsiasi conduttore nella configurazione, collegare un voltmetro, calibrare con una corrente nota e utilizzare quella lunghezza del conduttore come shunt intrinseco .


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Puoi ottenere shunt a quel livello attuale. Ecco una serie di prodotti di una società. Hanno altri modelli e ci sono altri fornitori.

Shunt serie G.


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Scarica del tappo a partire da 50 V e facendo 10 kA?

5103Ω

Di solito il punto di partenza per impulsi veloci ad alta corrente è un paio di ordini di grandezza più tensione sul banco di protezione e una rete di formazione di impulsi.

Secondo il suggerimento di rogowski, sono abbastanza veloci da vedere l'azione e imporre un carico minimo.

I2R

Mantenere l'energia relativamente piccola (i tappi più grandi NON aiutano molto perché generano autoinduttanza) e un livello di energia ridotto == livelli di energia sicuri.

Non credo che fornirai facilmente 10kA da una banca con cap da 50V, ma attendo la notizia del tentativo di tentativo con interesse.


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Una batteria da golf cart o una batteria ad avviamento automatico può scaricare migliaia di ampere per alcuni secondi, abbastanza a lungo da sciogliere un anello, a soli 6 V o 12 V. Ecco perché ci togliamo gioielli quando lavoriamo su auto.

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Pensa a segnali da 50 Ohm e uno shunt con ESR inferiore rispetto ai tuoi supercap, un 50 mV è la risposta migliore per un sensore di corrente di scarica.

Userei un impianto idraulico da 1/2 "in rame e farei una caduta standard di 50mV. Altri consulenti potrebbero non aver considerato il rapporto di perdita / scarica totale ragionevolmente efficiente, di durata estremamente breve e quindi una perdita di energia relativamente bassa in Joules e che probabilmente aumenterebbe anche 1'C.

È necessario determinare ESR * C = Td, tempo di scarica.

  • quindi utilizzare un buon coassiale con bassa perdita a 1 / Td e oscilloscopio con terminazione 50 Ohm con impulso di rilevamento perfettamente piatto senza squillo e risposta più veloce dell'impulso Td.

Una perdita di 500 W per creare un impulso di 50 mV in <100 ns è un'energia molto bassa anche a 10 kA.

Ho usato con precisione questo metodo per 100kA e l'unico trucco era eliminare la diafonia indotta (EMI), ma usando bracci di rame solido da 6 "per uno shunt di 1 piede per ottenere 50 mV di fondo scala.

  • per una perfetta simmetria del segnale e della lunghezza di ritorno, utilizzerei un coassiale semirigido tra le lunghezze per collegarmi al coassiale indirizzato ad angolo retto con terra schermata terminata solo alla sorgente del rubinetto.

Se il coassiale non è disposto con angoli retti perfetti rispetto al percorso ad alta corrente, si verificheranno errori di accoppiamento dell'antenna. Ovviamente il collegamento al tubo di rame richiede ampie flange di rame saldate con una torcia al propano, quindi un filo per saldatore corto o un filo di Litz pesante per ridurre l'induttanza ben al di sotto di 100 nH, più basso è il migliore.


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10kA sono sufficienti per vaporizzare la punta di un cacciavite e depositare vapore di rame sputtered sui bulbi oculari.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

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La maggior parte delle altre risposte ha ipotizzato che si desideri misurare continuamente 10KA . Tuttavia, l'uso a cui si fa riferimento mostra che è solo per un impulso di circa 5 millisecondi. A causa di questo breve periodo, l'unico modo per ottenere una misurazione è utilizzare un ambito di archiviazione per acquisire la forma d'onda.
È inoltre necessario un sensore collegato all'ambito. Che si tratti di uno shunt o di un morsetto, non è molto importante, purché "corrisponda" all'ambito utilizzato.

Dovrebbero essere implementate e seguite adeguate misure di sicurezza (come nell'esperimento di riferimento).


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Quando avevo 13 anni ho fatto un esperimento simile e quello che ho fatto è stato fare una coppia di collettori di rame con tubi di rame saldati tra i collettori. In effetti uno shunt. Quindi ho messo un morsetto su di esso e ho usato un cannocchiale per misurare l'impulso, e ho integrato l'area sotto la curva.

Sono sicuro che ci sono molti modi migliori per farlo, ma per un 13 anni con portata e strumenti domestici, ha funzionato. Forse potresti usare due sbarre collettrici in rame e creare degli shunt tra i fili di saldatura.

Correre al posto di rottami metallici e al negozio di eccessi di spazzatura di elettronica in città ha sempre avuto un sacco di cose interessanti e, per la maggior parte, me l'hanno appena dato.


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Il mio suggerimento sarebbe di misurare lo spostamento dell'anello / forza e di tornare alla corrente.

Oppure potresti semplicemente costruire una bellezza di un elettromagnete ... e misurare il suo campo dall'altro lato della tua classe ...



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Non posso dirti come misurare la tua corrente stazionaria. Tuttavia, sembri interessato a misurare un impulso. Se uno dei conduttori è sufficientemente isolato, è possibile posizionare un anello rettangolare vicino con un lato parallelo alla corrente elevata. Misurare la tensione indotta e registrarla tramite l'oscilloscopio. Questo ti darà il DERIVATO della tua corrente. Poiché pochissime correnti circolano nel circuito di rilevamento, si avrà un impatto trascurabile sulla corrente misurata poiché potrebbe esserci uno shunt.

Dovresti avere una sezione diritta isolata del conduttore di corrente per più volte la dimensione del circuito; nessun altro conduttore e niente di ferromagnetico intorno a rovinare la simmetria cilindrica del campo! E la calibrazione dipenderà dalla precisione con cui si costruisce e posiziona il circuito rispetto al conduttore di corrente principale. Dato che sei un ragazzo di fisica, penso che sarai in grado di cercare μ̻ e calcolare la tensione indotta (volt-secondi / amp) nei segmenti del circuito che sono paralleli al conduttore di corrente pesante. Assicurati di sottrarre la tensione indotta nel bordo posteriore del loop!

OK, hai rilevato e registrato dI / dt. Per ottenere la corrente effettiva, ci sono due modi per procedere: se l'oscilloscopio lo supporta, trasferire i dati dell'oscilloscopio campionati e quantizzati nel foglio di calcolo e fare l'integrazione lì per ottenere la corrente effettiva. Oppure è possibile utilizzare un integratore analogico tra l'oscilloscopio e il circuito del sensore di frequenza corrente.

L'induzione non è solo una teoria; funziona veramente.


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Qual è il modo standard per misurare una corrente di circa 10.000 A? I misuratori di pinze DC sembrano avere solo scale fino a 2.000 A.

la tua corrente di scarica probabilmente non si avvicinerebbe affatto a quel tipo di corrente.

Detto questo, un trasformatore di corrente sarebbe il mio modo di procedere: semplice, efficace ed economico: ho solo bisogno di un pezzo di filo attorno al conduttore.

averlo calibrato tuttavia può essere complicato.

a parte questo, prova alcuni sensori ad effetto hall -> tenendolo lontano dal conduttore. non sono sicuro delle loro caratteristiche dinamiche - qualcosa di probabilmente importante qui.

un'altra idea: supponendo che non sosterrai 10.000amp, è probabile che tu usi fili sottili qui. con ciò, puoi semplicemente raccogliere due punti e misurare la caduta di tensione sui due punti. il riscaldamento autonomo non sarebbe un problema se la corrente non viene sostenuta per un periodo di tempo.

fondamentalmente il conduttore stesso è un resistore di campionamento.

non funzionerebbe se si utilizzano barre di rame robuste come condotto.

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