2.6.2. Измерение больших импульсных токов

Во многих областях науки и техники необходимо производить измерения импульсов тока большой амплитуды до 10⁵…10⁶ А при скоростях нарастания тока до 10⁹…10¹³ А/с. Запись таких кратковременных процессов требует создания специальных измерительных устройств. В настоящее время широкое распространение при измерении импульсных токов получили, в основном, два способа: использование низкоомных измерительных сопротивлений (токовых шунтов) и специального трансформатора тока (катушки Роговского). В обоих случаях получают напряжение, которое в большей или меньшей степени пропорционально изменению измеряемого тока во времени.

Измерение тока с помощью токовых шунтов основано на включении небольшого по величине сопротивления в цепь измеряемого тока. Создаваемое падение напряжения U_ш(t) будет пропорционально I_ш(t), если измерительное сопротивление для заданного диапазона частот является активным. Однако это требование нелегко реализовать у шунтов для измерения больших по амплитуде токов. При измерении быстроизменяющихся во времени токов необходимо считаться с изменением сопротивления шунта за счет поверхностного эффекта, способом и местом подключения, собственной индуктивностью шунта и влиянием посторонних магнитных полей на контур подсоединения шунта. В общем виде напряжение шунта можно представить как

U_ш(t) = I_ш(t)R_ш+LdU/dt,

где последнее слагаемое правой части представляет собой индуктивную составляющую, обусловленную потокосцеплением с контуром АВСД (рис. 2.19, а) собственного магнитного поля токовой цепи шунта и посторонних магнитных полей, создаваемых прилегающими к шунту участками токопровода, и собственной индуктивностью.

Рис. 2.19. Принципиальное устройство токовых шунтов: а – простейший стержневой; б – трубчатый; в – трубчатый коаксиальный; г – ленточный; д – дисковый; 1 – тело шунта; 2 – обратный токовод; 3 – кабель; 4 – провод с сигналом; А – подвод тока; В – отвод тока

Исключение неравномерности распределения тока по сечению шунта можно добиться, заменяя сплошной шунт на трубчатый. Наиболее пригодными являются ленточный (из тонкой ленты, сложенной в петлю (рис. 2.19, г), трубчатый (рис. 2.19, б), трубчатый коаксиальный (рис. 2.19, в), дисковый (рис. 2.19, д). В качестве сопротивления шунта используются материалы с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин, константан и др.). Материалы с большим удельным сопротивлением обладают более равномерным распределением тока по сечению. Эти материалы, обладая низким температурным коэффициентом сопротивления, обеспечивают практически независимость сопротивления шунта от температуры.

Принцип измерения тока с помощью катушки Роговского (трансформатора тока) можно объяснить из закона полного тока, когда интеграл магнитной индукции берется по контуру кривой намотки катушки (рис. 2.20, а), т. е. . Если представить, что проводник с током I₁(t) охватывает катушка торообразной формы с длиной средней линии l и числом витков n, с одинаковым шагом ∆l, площадью витка S, то при изменении магнитного поля в катушке будет индуцироваться напряжение , где М – коэффициент взаимной индукции между проводником с током I₁ и катушкой. Получить напряжение U_м(t), пропорциональное току I₁(t), можно при помощи пассивной схемы, состоящей из LR или RC контура (рис. 2.20, б, в), если I₂(t) < I₁(t). При измерении тока по схеме (рис. 2.20, б) с минимальной погрешностью необходимо соблюдать условия: падение напряжения на сопротивлении R должно быть много больше падения напряжения на индуктивности L и на емкости С. В этом случае U_м (t)  MI₁(t)/RC, т. е. пропорционально току I₁(t).

Рис. 2.20. Принципиальные схемы измерения импульсного тока:

При измерении тока по схеме рис. 2.20, в с минимальной погрешностью необходимо соблюдать условие: падение напряжения на индуктивности L катушки должно быть много больше падения напряжения на сопротивлении R. В этом случае U_м(t)  RMI₁(t)/L, т. е. пропорционально току I₁(t).

Необходимо, однако, помнить, что быстроизменяющиеся магнитные поля всегда связаны с быстроизменяющимися электрическими полями. Чтобы избежать нежелательных емкостных связей, измерительные катушки экранируются.

Дополнительные сведения по рассматриваемым выше устройствам для измерения импульсных токов можно получить, например, в литературе 1, 2, 4, 6, 7.