Como faço para medir 10.000 A DC?

Qual é a maneira padrão de medir uma corrente de cerca de 10.000 A? Os pinças de corrente contínua parecem ter apenas escalas de até 2.000 A.

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Alguns antecedentes desta questão:

Sou professor de física do ensino médio e estou tentando melhorar alguns experimentos clássicos usando altas correntes de descarga de ultra-capacitores.

Em particular, estou procurando uma boa maneira de medir a corrente de descarga de um ultra capacitor por períodos muito curtos, como neste experimento de "anel de salto":

Uma modificação segura e eficaz do experimento do anel de salto de Thomson

A segunda motivação para essa pergunta foi justamente porque eu só quero conhecê-la por curiosidade, pelo meu conhecimento de fundo sobre qual é a maneira usual de medir correntes tão altas hoje.

Não, as sondas de pinça CC têm escalas bem acima de ± 10.000A. Ninguém ainda verifica na Amazon se a sonda de corrente de ± 12000A DC a 40kHz precisa mais?
Eu juro. Mas você pode comprar isso totalmente na Amazon. E eles têm 10 em estoque. Nenhum deles se qualifica para o Amazon Prime :(.

Faça o que fizer, ignore todas essas pessoas dizendo para você usar um desvio. Não, não use uma derivação. Não há absolutamente nenhuma vantagem em usar uma derivação nesta aplicação, além de uma margem muito pequena na precisão da medição e em desvantagens ridiculamente enormes.

Por que uma derivação é uma péssima idéia:

1. Qualquer solução que funcione medindo a tensão resistiva de um condutor (derivação) que possa ter uma resolução razoável também exigirá uma queda de tensão proibitivamente grande. Como outro pôster mencionado, um desvio típico de 50mV dissiparia 500W. Este é um desperdício de energia irresponsavelmente grande quando você pode medir a corrente com menos de um watt de consumo de energia.

2. Ele precisará de seu próprio resfriamento ativo o tempo todo. Portanto, há muito mais energia desperdiçada, mas o mais importante é que você introduziu um único ponto de falha em seu sistema de distribuição de energia. O que antes era capaz de executar passivamente a ordem de 10kA falhará muito rapidamente se a qualquer momento o resfriamento da derivação falhar ou apresentar um lapso de desempenho, fazendo com que a derivação derreta e aja como o 10kA mais caro e mais lento do mundo fusível já feito.

3. Não vamos nos iludir, não se coloca casualmente um shunt de 10kA em série com um cabo de capacidade de 10kA usando clipes de jacaré e tomadas de banana. Instalar um dispositivo em série com esse cabeamento será uma tarefa não trivial e não será algo que você possa remover facilmente por um capricho. Eu esperaria que isso se tornasse uma responsabilidade permanente em seu sistema.

4. Não me importo se o cabo está carregando 10kA a 1V (por qualquer motivo) - eu (e você mesmo) exige isolamento galvânico em um aparelho de medição. 10kA é muita corrente e não pode deixar de armazenar quantidades terríveis de energia apenas no campo magnético.

   Eu nem sei quais seriam as dimensões de um fio ou barramento capaz de transportar isso, mas vamos com uma geometria de indutância relativamente baixa: um poste de cobre sólido com 2 polegadas de diâmetro. Se em uma linha reta e simples, isso terá ~ 728nH de indutância por metro. A 10kA, este condutor terá cerca de 35J de energia armazenada apenas no seu campo magnético!

   Obviamente, na prática, será muito mais baixo, pois o condutor de retorno estará próximo e provavelmente seriam grandes barramentos planos, diminuindo ainda mais a indutância.

   Mas ainda assim - você deve planejar um cabo de 10kA para induzir algumas falhas espetaculares em qualquer coisa conectada a ele, caso algo dê errado. Incluindo (ou especialmente?) Coisas como uma placa NI DAQ de US $ 1800. Existe uma lei que se pode derivar da lei de Murphy que afirma que, quanto mais cara a engrenagem de aquisição de dados, mais completamente ela será destruída no caso de uma falha.

   Estou brincando, mas você entende meu ponto de vista - o isolamento não é algo a ser descartado nessa situação.

Agora, há um motivo para usar uma derivação: precisão.

Embora eu esperasse que parte dessa vantagem seja degradada por erros introduzidos pelos efeitos do termopar nas junções em que o shunt está conectado aos atuais condutores de transporte de corrente, bem como às linhas de detecção. Fontes de erro adicionais entrarão em cena se essa corrente também não for CC.

Mas, independentemente disso, uma derivação não vai ser que muito mais precisa do que a solução razoável, que estou prestes a sugerir. A diferença é da ordem de 0,25% (melhor caso) vs 1% (pior caso). Se você está medindo 10.000 amperes, o que é ± 100A entre os amigos?

Portanto, em conclusão, não use uma derivação.

Sinceramente, não consigo pensar em opção pior do que uma derivação . Use uma das dezenas de sondas de fixação Hall Effect adequadas.

A razão pela qual a maioria dos medidores portáteis de grampo só chega a talvez 2.000A é porque muito além disso e o condutor seria muito grande ou em uma forma incomum (barramento largo e plano, por exemplo) que exigiria que o grampo fosse muito grande para ir em qualquer coisa portátil de mão.

Mas eles certamente produzem sondas de corrente de fixação ou de loop que possuem faixas de medição não apenas para 10.000A, mas também bem acima disso. Então, basta usar um desses. São sensibilidades de alta qualidade, seguras, puramente magnéticas (operam com o Efeito Hall), totalmente isoladas e caracterizadas, da ordem de 0,3 mV / A.

Algo como o Clamp-on Current Probe (anteriormente vinculado a sua página na Amazon).

E eles têm ótimas janelas grandes, de 77 a 150 mm para caber no seu cabeamento. A menos que você tenha optado por algo mais exótico ... e frio.

De qualquer maneira, presumo que seu cabeamento seja semelhante a uma das soluções nesta imagem:

Enfim, divirta-se. Ser seguro. Espero que você não seja um super vilão.

Eu trabalhei em uma partida de locomotiva elétrica anos atrás, executando o alternador associado em marcha à ré para dar partida no motor com um inversor IGBT trifásico que desenvolvemos. Conseguimos facilmente 10kA por fase de corrente para quebrar a aderência do motor diesel da locomotiva. Medimos a corrente de fase (para fins de controle de vetor) com sensores de corrente de circuito fechado da LEM Corporation.

Você pode encontrar sensores atuais de até 20kA no site deles, eles também podem usar sensores personalizados se você quiser comprar muitos deles:

Sensores de corrente LEM

Minha empresa forneceu medidores de corrente de até 15kA para banhos de revestimento. Eles apenas usavam derivações (50mV ou 60mV = 15kA IIRC).

Se a sua corrente tiver muito componente de alta frequência, talvez seja necessário tomar precauções especiais - não é preciso muita indutância para causar problemas.

Observe também que a queda de 10kA * 50mV é de 500W, para que eles dissipem um pouco de energia na corrente máxima.

Ambos os problemas acima podem ser reduzidos ou evitados usando os sensores LEM sugeridos por JohnD (+1), no entanto, o custo pode ser maior nos casos em que uma corrente CC relativamente estável deve ser medida.

Se houver uma maneira de executar temporariamente a configuração do experimento em uma corrente mais baixa, pode-se escolher dois pontos expostos em qualquer condutor da instalação, conectar um voltímetro, calibrar com uma corrente conhecida e usar esse comprimento do condutor como derivação intrínseca .

Você pode obter desvios nesse nível atual. Aqui está uma série de produtos de uma empresa. Eles têm outros modelos e existem outros fornecedores.

Derivações série G

Descarga da tampa começando abaixo de 50V e fazendo 10kA?

$5 \cdot 10^{-3} \Omega$

Geralmente, o ponto de partida para pulsos rápidos de alta corrente é um par de ordem de magnitude mais voltagem no cap bank e em uma rede de formação de pulsos.

Eu apóio a sugestão de rogowski, eles são rápidos o suficiente para ver a ação e impõem uma carga mínima.

$I^2R$

Mantenha a energia relativamente pequena (tampas maiores NÃO ajudam muito porque geram auto-indutância) e pequeno nível de energia == níveis seguros de energia.

Não acho que você possa fornecer facilmente 10kA de um banco de 50V, mas aguardo com interesse a palavra da tentativa de tentativa.

Ele pensa em sinais de 50 Ohm e em uma derivação com ESR menor do que suas super caps, um 50 mV é a melhor resposta para um sensor de corrente de descarga.

Eu usaria um encanamento de cobre de 1/2 "e causaria uma queda padrão de 50mV. Outros consultores podem não considerar a relação total de perda / descarga de energia razoavelmente eficiente, duração extremamente curta e, portanto, perda de energia relativamente baixa em Joules, e provavelmente não aumentaria 1'C.

Você precisa determinar ESR * C = Td, tempo de descarga.

• use um bom cabo coaxial com baixa perda no escopo terminado em 1 / Td e 50 Ohm com o pulso de detecção perfeitamente plano sem tocar e responda mais rápido que o pulso Td.

A perda de 500W para criar um pulso de 50mV em <100ns é uma energia muito baixa, mesmo a 10kA.

Eu usei esse método com precisão para 100kA e o único truque foi eliminar a interferência induzida (EMI), mas usando braços de cobre sólido de 6 "para um desvio de 1 pé para obter 50mV em escala completa.

• para uma simetria perfeita para o comprimento do sinal e do retorno, eu usaria o coaxial semi-rígido entre os comprimentos para conectar ao coaxial roteado em ângulo reto com o terra de blindagem terminado apenas na fonte de derivação.

Se o cabo coaxial não for disposto com ângulos retos perfeitos para o caminho de alta corrente, ocorrerão erros de acoplamento da antena. Obviamente, a conexão à tubulação de cobre precisa de flanges de cobre largos soldados com uma tocha de propano e, em seguida, fio de soldador curto ou fio Litz pesado para reduzir a indutância bem abaixo de 100nH, quanto menor.

A maioria das outras respostas assumiu que você deseja medir 10KA continuamente . No entanto, seu uso referenciado mostra que é apenas para um pulso de cerca de 5 milissegundos. Por esse curto período, a única maneira de obter uma medição é usando um escopo de armazenamento para capturar a forma de onda.
Você também precisa de um sensor conectado ao osciloscópio. Quer se trate de uma derivação ou um grampo, não é muito importante, desde que "corresponda" ao escopo 'que está sendo usado.

Medidas de segurança adequadas devem ser implementadas e seguidas (como no experimento mencionado).

Quando eu tinha 13 anos, fiz um experimento semelhante, e o que fiz foi fazer um par de coletores de cobre com tubos de cobre soldados entre os coletores. Efetivamente uma derivação. Então, coloquei uma pinça no corredor e usei uma luneta para medir o pulso, e integrei a área sob a curva.

Estou certo de que existem muitas maneiras melhores de fazê-lo, mas para os 13 anos com um escopo e ferramentas domésticas, isso funcionou. Talvez você possa usar duas barras de cobre e criar derivações de arame de solda entre elas.

Correndo para o local de sucata e para a loja de excedentes de eletrônicos da cidade sempre recebia muitas coisas interessantes e, na maioria das vezes, elas apenas me davam.

Minha sugestão seria medir o deslocamento do anel / força e voltar à corrente.

Ou você pode simplesmente construir uma beleza de um eletroímã ... e medir seu campo do outro lado da sua sala de aula ...

Com relação à parte geral da questão de como medir correntes extremamente grandes, também existem dispositivos chamados FOCS que usam o efeito faraday para determinar o campo magnético do fio e calcular a corrente. Por exemplo, a ABB vende esses dispositivos para medir até 500 kA DC. Consulte também: http://www.ee.co.za/wp-content/uploads/legacy/ABB%20Innovation%20in%20high%20DC.pdf

Não sei como medir sua corrente de estado estacionário. No entanto, você parece interessado em medir um pulso. Se você tiver um dos condutores suficientemente isolado, poderá colocar um loop retangular próximo com um lado paralelo à sua alta corrente. Meça a tensão induzida e registre-a pelo osciloscópio. Isso lhe dará o DERIVATIVO de sua corrente. Como muito pouco fluxo de corrente no loop de detecção, haverá um impacto insignificante sobre a corrente que está sendo medida, como poderia ocorrer com um desvio.

Você precisaria ter uma seção reta isolada do condutor de corrente por várias vezes a dimensão do loop; sem outros condutores e nada ferromagnético por perto para atrapalhar a simetria cilíndrica do campo! E a calibração dependeria da precisão com que você constrói e posiciona o circuito em relação ao condutor de corrente principal. Como você é do ramo da física, acho que você poderá procurar μ̻ e calcular a tensão induzida (volt-segundos / amp) nos segmentos do loop que são paralelos ao condutor de corrente pesada. Certifique-se de subtrair a tensão induzida na extremidade traseira do loop!

OK, você detectou e gravou dI / dt. Para obter a corrente real, existem dois caminhos a seguir: se o seu osciloscópio suportar, transfira os dados do osciloscópio amostrados e quantizados para uma planilha e faça a integração para obter a corrente real. Ou você pode usar um integrador analógico entre o escopo e o loop do sensor de taxa atual.

Indução não é apenas uma teoria; Realmente funciona.

Qual é a maneira padrão de medir uma corrente de cerca de 10.000 A? Os pinças de corrente contínua parecem ter apenas escalas de até 2.000 A.

sua corrente de descarga provavelmente não chegaria nem perto desse tipo de corrente.

Com isso dito, um transformador de corrente seria a minha maneira de fazê-lo: simples, eficaz e barato: só preciso de um pedaço de fio em volta do condutor.

tê-lo calibrado, no entanto, pode ser complicado.

Além disso, tente alguns sensores de efeito hall -> mantendo-o longe do condutor. não tenho certeza sobre suas características dinâmicas - algo provavelmente importante aqui.

Outra idéia: supondo que você não vá sustentar 10.000 amperes, é provável que você use fios finos aqui. com isso, você pode simplesmente pegar dois pontos e medir a queda de tensão nos dois pontos. o autoaquecimento não seria um problema, a menos que a corrente seja mantida por um período de tempo.

basicamente o próprio condutor é um resistor de amostragem.

não funcionaria se você estivesse usando barras de cobre robustas como conduíte.