Comment mesurer 10 000 A DC?

Quelle est la méthode standard pour mesurer un courant d’environ 10 000 A? Les pinces ampèremétriques ne semblent avoir que des échelles allant jusqu'à 2 000 A.

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Quelques antécédents de cette question:

Je suis professeur de physique dans un lycée et j'essaie d'améliorer certaines expériences classiques en utilisant des courants élevés provenant d'une décharge d'ultra-condensateur.

En particulier, je cherche un bon moyen de mesurer le courant de décharge d'un ultra-condensateur pendant des durées très courtes, comme dans cette expérience de "jumping ring":

Une modification sûre et efficace de l'expérience de l'anneau de saut de Thomson

La deuxième motivation de cette question était simplement parce que je voulais juste le savoir par curiosité pour ma connaissance de base de ce qui est la manière habituelle de mesurer ces courants si forts aujourd'hui.

Non, les sondes à pince CC ont des échelles bien supérieures à ± 10 000 A. Est-ce que personne ne vérifie même Amazon pour ses besoins en sonde de courant ± 12000A CC à 40kHz?
Je plaisante. Mais vous pouvez totalement acheter ça sur Amazon. Et ils en ont 10 en stock. Aucun d’entre eux n’est admissible à Amazon Prime :(.

Quoi que vous fassiez, ignorez toutes ces personnes qui vous disent d’utiliser un shunt. Non, n'utilisez pas de shunt. Il n’ya absolument aucun avantage à utiliser un shunt dans cette application, si ce n’est un très léger avantage en termes de précision de mesure et des inconvénients ridiculement énormes.

Pourquoi un shunt est une idée terrible:

1. Toute solution fonctionnant en mesurant la tension résistive d'un conducteur (shunt) pouvant présenter une résolution raisonnable nécessitera également une chute de tension prohibitive. Comme l'a mentionné une autre affiche, un shunt typique à 50 mV dissiperait 500W. C'est un gaspillage d'énergie irresponsable lorsque vous pouvez mesurer le courant pour une consommation d'énergie inférieure à un watt.

2. Il aura besoin de son propre refroidissement actif à tout moment. Il y a donc beaucoup plus de gaspillage d'énergie, mais plus important encore, vous avez introduit un point de défaillance unique dans votre système de distribution d'énergie. Ce qui était autrefois capable de supporter passivement la commande de 10kA échouera très rapidement si, à tout moment, le refroidissement du shunt échoue ou tombe en panne, ce qui le fait fondre et agit comme le 10kA le plus cher et le plus lent au monde. fusionner jamais fait.

3. Ne nous leurrons pas, on ne met pas non plus par hasard un shunt de 10 kA en série avec un câble d'une capacité de 10 kA utilisant des pinces crocodile et des crics à banane. L'installation d'un tel périphérique en série avec ce câblage sera une tâche non triviale, et ce ne sera pas quelque chose que vous pouvez facilement supprimer sur un coup de tête. Je m'attendrais à ce que cela devienne un passif permanent dans votre système.

4. Je me moque de savoir si le câble transporte 10 kA à 1 V (quelle que soit la raison) - je (et vous-même devriez) demander une isolation galvanique dans un tel appareil de mesure. 10kA, c'est beaucoup de courant, et il ne peut s'empêcher de stocker des quantités effrayantes d'énergie dans le seul champ magnétique.

   Je ne sais même pas quelles seraient les dimensions d'un câble ou d'un jeu de barres capable de le transporter, mais allons-y avec une géométrie d'inductance relativement faible: un pôle en cuivre massif de 2 pouces de diamètre. S'il s'agit d'une simple ligne droite, elle aura environ 728nH d'inductance par mètre. À 10kA, ce conducteur aura environ 35J d'énergie stockée dans son seul champ magnétique!

   Bien entendu, dans la pratique, il sera beaucoup plus bas car le conducteur de retour sera à proximité et il s'agira probablement de barres de bus plates et de grande taille, abaissant encore l'inductance.

   Mais quand même - vous devriez prévoir un câble 10kA pour provoquer des pannes spectaculaires dans tout ce qui y est connecté en cas de problème. Y compris (ou spécialement?) Des choses comme un tableau NIQ à 1800 $. Selon la loi de Murphy, il existe une loi qui stipule que plus l'équipement d'acquisition de données est coûteux, plus il sera détruit de manière approfondie en cas de faute.

   Je plaisante, mais vous voyez ce que je veux dire - l'isolement ne doit pas être écarté dans cette situation.

Maintenant, il y a une raison d'utiliser un shunt: la précision.

Bien que je puisse s’attendre à ce que cet avantage soit partiellement dégradé par une erreur provenant d’effets de thermocouple aux jonctions où le shunt est connecté aux conducteurs porteurs de courant, ainsi qu’aux lignes de détection. Des sources d'erreur supplémentaires entreront dans l'image si ce courant n'est pas également courant continu.

Mais, peu importe , un shunt ne va pas être que beaucoup plus précis que la solution raisonnable que je vais suggérer. La différence est de l'ordre de 0,25% (meilleur des cas) contre 1% (pire des cas). Si vous mesurez 10 000 ampères cependant, qu'est-ce que ± 100 A entre amis?

Donc, en conclusion, n'utilisez pas de shunt.

Honnêtement, je ne peux penser à aucune option pire qu'un shunt . Utilisez l’une des dizaines de sondes à effet Hall adaptées.

La plupart des pinces multimètres à pince portatives ne vont peut-être que jusqu'à 2 000 A, c'est bien au-delà de cela et le conducteur serait trop gros ou aurait une forme inhabituelle (barre omnibus large et plate, par exemple) qui imposerait que la pince soit trop grand pour aller sur quoi que ce soit portable de main

Mais ils fabriquent certainement des sondes de courant à pince ou à boucle ayant des plages de mesure non seulement à 10 000 A, mais bien au-dessus. Il suffit donc d’en utiliser un. Elles sont de haute qualité, sûres, purement magnétiques (opèrent sur l’effet Hall), entièrement isolées et caractérisées, avec des sensibilités de l’ordre de 0,3 mV / A.

Quelque chose comme Clamp-on Current Probe (précédemment lié à sa page sur Amazon).

Et ils ont de grandes et grandes fenêtres allant de 77 à 150 mm pour adapter votre câblage. À moins que tu ailles avec quelque chose de plus exotique ... et de froid.

Dans tous les cas, je suppose que votre câblage ressemble à l’une des solutions présentées dans cette image:

Quoi qu'il en soit, amusez-vous. Fais attention. J'espère que vous n'êtes pas un super méchant.

J'ai travaillé il y a quelques années sur un démarreur de locomotive électrique, en faisant alterner l'alternateur avec compagnon pour démarrer le moteur avec un inverseur IGBT triphasé que nous avons développé. Nous avons facilement obtenu 10kA par phase de courant pour casser le moteur diesel de la locomotive. Nous avons mesuré le courant de phase (à des fins de contrôle vectoriel) avec des capteurs de courant de hall à boucle fermée de la société LEM.

Vous pouvez trouver des capteurs actuels jusqu’à 20 kA sur leur site Web. Ils peuvent également personnaliser des capteurs si vous souhaitez en acheter beaucoup:

Capteurs de courant LEM

Mon entreprise a fourni des compteurs de courant jusqu’à 15 kA pour les bains de placage. Ils ont juste utilisé des shunts (50mV ou 60mV = 15kA IIRC).

Si votre courant comporte beaucoup de composants haute fréquence, vous devrez peut-être prendre des précautions spéciales. Cela ne prendra pas beaucoup d'inductance pour causer des problèmes.

Notez également que la chute de 10kA * 50mV correspond à 500W, ce qui permet de dissiper une bonne quantité d’énergie à plein courant.

Les deux problèmes ci-dessus peuvent être réduits ou évités en utilisant les capteurs LEM suggérés par JohnD (+1). Toutefois, le coût peut être plus élevé dans les cas où un courant continu relativement constant doit être mesuré.

S'il existe un moyen d'exécuter temporairement la configuration de l'expérience avec un courant plus faible, vous pouvez sélectionner deux points exposés sur n'importe quel conducteur de la configuration, connecter un voltmètre, calibrer avec un courant connu et utiliser cette longueur de conducteur comme dérivation intrinsèque. .

Vous pouvez obtenir des shunts à ce niveau actuel. Voici une série de produits d'une entreprise. Ils ont d'autres modèles et il y a d'autres fournisseurs.

Shunts Série G

Cap décharge à partir de moins de 50V et faire 10kA?

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

Habituellement, le point de départ pour les impulsions rapides de courant élevé est un couple d’ordre de grandeur plus la tension sur la banque de condensateurs et un réseau de formation d’impulsions.

J'appuie la suggestion de rogowski, ils sont assez rapides pour voir l'action et imposer un fardeau minimal.

$I^2R$

Conservez une énergie relativement petite (les majuscules ne font pas beaucoup d’aide car elles engendrent une auto inductance) et un niveau d’énergie faible == niveaux d’énergie sûrs

Je ne pense pas que vous allez facilement fournir 10kA à partir d’une banque à capuchon de 50V, mais j’attends avec intérêt que la tentative soit tentée.

Il faut penser à des signaux de 50 ohms et à un shunt avec une ESR inférieure à celle de vos super-bouchons, un 50 mV est la meilleure réponse pour un capteur de courant de décharge.

J'utiliserais une tuyauterie en cuivre de 1/2 "et ferais une chute standard de 50 mV. D'autres conseillers n'auraient peut-être pas considéré le rapport total perte / décharge de puissance raisonnablement efficace, d'une durée extrêmement courte, donc une perte d'énergie relativement faible en joules et ne risquant pas d'augmenter même 1'C.

Vous devez déterminer ESR * C = Td, temps de décharge.

• utilisez ensuite un câble coaxial avec une faible perte à 1 / Td et une portée terminée par 50 Ohm avec une impulsion de détection parfaitement plate sans sonnerie et réagissez plus rapidement que l’impulsion Td.

Une perte de 500 W pour créer une impulsion de 50 mV en <100 ns est une énergie très faible, même à 10 kA.

J'ai utilisé cette méthode avec précision pour 100 kA et le seul truc était d'éliminer la diaphonie induite (EMI), mais en utilisant des bras en cuivre massif de 6 "pour un shunt de 1 pied afin d'obtenir une échelle complète de 50 mV.

• pour une symétrie parfaite pour la longueur du signal et du retour, j’utiliserais un câble coaxial semi-rigide entre les longueurs pour le connecter au câble coaxial acheminé à angle droit avec blindage à la terre terminé uniquement à la source du robinet.

Si les câbles coaxiaux ne sont pas parfaitement perpendiculaires au trajet de courant élevé, des erreurs de couplage d'antenne se produiront. De toute évidence, la connexion au tube de cuivre nécessite de larges brides de cuivre soudées avec une torche au propane, puis un fil de soudeur court ou un fil de Litz épais pour réduire l'inductance bien en dessous de 100 nH.

La plupart des autres réponses supposent que vous souhaitez mesurer 10KA en continu . Cependant, votre utilisation référencée montre que ce n’est que pour une impulsion d’environ 5 millisecondes. En raison de cette courte période, le seul moyen d'obtenir une mesure consiste à utiliser une étendue de stockage pour capturer le signal.
Vous avez également besoin d'un capteur connecté à l'oscilloscope. Qu'il s'agisse d'un shunt ou d'une pince, ce n'est pas très important, tant que cela "correspond" à la portée utilisée.

Des mesures de sécurité appropriées doivent être mises en œuvre et suivies (comme dans l'expérience référencée).

À 13 ans, j’ai fait une expérience similaire et j’ai fabriqué une paire de collecteurs en cuivre avec des tuyaux en cuivre soudés entre les collecteurs. Effectivement un shunt. Ensuite, j'ai mis une pince à effet hall et utilisé un oscilloscope pour mesurer le pouls et intégré la zone sous la courbe.

Je suis sûr qu'il y a beaucoup de meilleures façons de le faire, mais cela a fonctionné pour un enfant de 13 ans avec une portée et des outils domestiques. Vous pourriez peut-être utiliser deux barres omnibus en cuivre et créer des dérivations entre elles.

Courir au magasin de ferraille et au magasin de surplus d'électronique indésirable de la ville a toujours eu beaucoup de choses intéressantes et, pour la plupart, ils me l'ont simplement donné.

Ma suggestion serait de mesurer le déplacement de l'anneau / de la force et de revenir au courant.

Ou vous pouvez simplement construire la beauté d'un électro-aimant ... et mesurer son champ de l'autre côté de votre classe ...

En ce qui concerne la partie générale de la question de savoir comment mesurer des courants extrêmement importants, il existe également des dispositifs appelés FOCS qui utilisent l’effet faraday pour déterminer le champ magnétique du fil puis calculer le courant. Par exemple, ABB vend de tels dispositifs pour mesurer jusqu'à 500 kA en continu. Voir aussi: http://www.ee.co.za/wp-content/uploads/legacy/ABB%20Innovation%20in%20high%20DC.pdf

Je ne peux pas vous dire comment mesurer votre courant à l'état stable. Cependant, vous semblez vouloir mesurer le pouls. Si l’un des conducteurs est suffisamment isolé, vous pouvez placer une boucle rectangulaire à proximité avec un côté parallèle à votre courant fort. Mesurer la tension induite et l’enregistrer à l’oscilloscope. Cela vous donnera le DÉRIVÉ de votre courant. Étant donné que très peu de courant circule dans la boucle de détection, l'impact sur le courant mesuré sera négligeable, comme cela pourrait être le cas avec un shunt.

Vous devez disposer d'une section droite isolée du conducteur de courant correspondant à plusieurs fois la dimension de la boucle. pas d'autres conducteurs et rien de ferromagnétique autour de gâcher la symétrie cylindrique du champ! Et le calibrage dépend de la précision avec laquelle vous construisez et positionnez la boucle par rapport au conducteur de courant principal. Étant donné que vous êtes un spécialiste de la physique, je pense que vous pourrez rechercher μ et calculer la tension induite (volt-secondes / amp) dans les segments de boucle parallèles au conducteur de courant lourd. Assurez-vous de soustraire la tension induite sur le bord arrière de la boucle!

OK, vous avez détecté et enregistré dI / dt. Pour obtenir le courant actuel, vous avez deux possibilités: si votre oscilloscope le prend en charge, transférez les données de l'oscilloscope échantillonnées et quantifiées dans un tableur, puis effectuez l'intégration à cet endroit pour obtenir le courant actuel. Vous pouvez également utiliser un intégrateur analogique entre l’étendue et la boucle du capteur de taux de courant.

L'induction n'est pas qu'une théorie. ça marche vraiment.

Quelle est la méthode standard pour mesurer un courant d’environ 10 000 A? Les pinces ampèremétriques ne semblent avoir que des échelles allant jusqu'à 2 000 A.

votre courant de décharge ne serait probablement pas proche de ce genre de courant.

Cela dit, un transformateur de courant serait ma façon de procéder: simple, efficace et bon marché: il suffit de passer un morceau de fil autour du conducteur.

l'avoir calibré peut cependant être délicat.

En dehors de cela, essayez des capteurs à effet hall -> en le gardant à l’écart du conducteur. Je ne suis pas sûr de leurs caractéristiques dynamiques - ce qui est probablement important ici.

Une autre idée: en supposant que vous n'allez pas supporter 10 000 ampères, vous utiliserez probablement des fils maigres ici. avec cela, vous pouvez simplement prendre deux points et mesurer la chute de tension sur les deux points. l'auto-échauffement ne serait pas un problème à moins que le courant soit maintenu sur une période de temps.

fondamentalement, le conducteur lui-même est une résistance d'échantillonnage.

cela ne fonctionnerait pas si vous utilisiez des barres de cuivre robustes comme conduit.