Bezkontaktní napěťové sondy pro bezpečnější měření

Použití vodivého metalického propojení měřicích napěťových sond s měřeným objektem s sebou vždy nese riziko jak pro pracovníka provádějícího měření, tak i pro elektrická zařízení v okolí měřeného místa. Tato rizika jsou při měření silových elektrických rozvodů považována za jeho přirozenou součást a obsluha měřicího přístroje s nimi automaticky musí počítat. Inovace v oblasti měření napětí pomocí nevodivého spojení sonda – měřený objekt popsané v následujícím článku nyní nově umožňují zcela bezpečné a pohodlné měření elektrických výkonů bez obav z úrazu elektrickým proudem a/nebo technických škod či výpadků dodávky elektřiny způsobených nesprávnou manipulací při měření.

Elektrický výkon je, jak známo, stanoven výpočtem ze dvou základních elektrických veličin – elektrického napětí a proudu. Díky faktu, že elektrický proud lze pohodlně měřit pomocí snadno použitelných a již řadu let od mnoha výrobců dostupných klešťových sond, došlo během těchto let k rozšíření přenosných wattmetrů do takové míry, že jsou dnes tyto přístroje zcela běžné. Oblíbenost přenosných wattmetrů, podmíněná rovněž velmi snadnou přípravou měření proudu bez nutnosti rozpojení obvodu (tzn. že vodiče mohou zůstat „živé“ po celou dobu měření), ve svém důsledku vedla k tomu, že měření výkonů na silových vedeních je dnes v podstatě základní a jednoduchou úlohou.

Přesto však i nadále přetrvává jedna drobná komplikace, a sice ta, že sondy pro měření napětí musí být připojeny na vodivé (kovové) svorky měřených vodičů. V praxi to znamená, že před zahájením měření musí být tato místa nejprve náležitě zpřístupněna, následně by si obsluha měřicího přístroje měla navléci izolační rukavice, připevnit napěťové sondy na svorky a teprve poté zahájit měření. Jak mnozí ze své praxe vědí, je toto mnohdy poněkud zdlouhavý postup, který je ovšem považován za jediný možný a který je tak či tak nezbytné podstoupit.

Během připojování napěťových sond občas dochází k jiskření, v případě neopatrné manipulace i ke zkratům, které samozřejmě mohou vést k výpadkům na měřených rozvodech. V důsledku těchto poruch může docházet k ekonomickým škodám, jejichž náhradu bude přirozeně poškozená strana vyžadovat.

Tyto problémy by bylo velmi snadné odstranit, pokud by byly k dispozici takové měřicí sondy, které by ani pro měření napětí nevyžadovaly přímý, elektricky vodivý, kontakt. Jinými slovy, pokud by bylo možné měřit napětí obdobným způsobem jako proud – tedy přes izolaci vodiče, kterým proud protéká, odpadla by nutnost často komplikovaného „dobývání se“ ke svorkám do rozváděče, zkrátila by se doba potřebná pro přípravu samotného měření; celé měření by se tímto jednoduše dostalo na zcela jinou úroveň. A to jak z pohledu praktické realizace, tak především celkové bezpečnosti měření.

Nová technologie představená v tomto článku všechny tyto výhody jednoduše přináší. Napětí lze měřit bez připojení metalických sond na svorky vedení – je prostě změřeno přes izolaci. Obrázek 1 představuje princip měření a konstrukci nové napěťové sondy HIOKI.

V nové napěťové sondě je vestavěna elektroda ve formě kovové destičky. V okamžiku, kdy vznikne elektrický potenciál mezi měřeným vodičem a touto elektrodou, začne v důsledku kapacitní vazby a elektrostatické indukce mezi těmito dvěma polohami téci proud. Tento fyzikální jev nenastává v případě stejnosměrných proudů, nicméně silové wattmetry jsou konstruovány obecně pro měření na 50 (resp. 60) Hz frekvencích – u kterých je tento jev prokázán. Proud, který vzniká, je extrémně malý, a tudíž bezpečný; je dokonce tak nepatrný, že jej člověk svými smysly ani nezachytí. Na druhou stranu je ale dostatečný na to, aby prošel izolací měřeného vodiče a plastového zakrytování měřicí napěťové sondy.

Tento proud se přirozeně zvyšuje s měřeným napětím, naopak se ale snižuje se vzdáleností mezi vodičem a elektrodou, a to i v případě, že napětí zůstává konstantní. Přímé měření tohoto velmi malého proudu ovšem ještě neposkytuje data, která by mohla být použita pro výpočet výsledného napětí. Problém je tedy řešen integrováním napěťového generátoru přímo do těla sondy. Pomocí tohoto generátoru jsou vyrovnávány (snižovány) velmi malé proudy vznikající v důsledku napěťového potenciálu mezi měřeným vodičem a vestavěnou elektrodou. Tyto malé proudy jsou měřeny, přičemž je generátorem zvyšováno napětí až do okamžiku, kdy proud dosáhne nulové hodnoty. Právě tehdy je sondou generováno napětí, které je ekvivalentní hledané hodnotě. Vyvinutí této metody měření bylo možné pouze díky pokročilé technologii pro velmi přesná měření minimálních proudů a zároveň miniaturizaci přesného napěťového generátoru do kompaktního těla sondy.

Popsaným způsobem je nyní možno měřit výsledné napětí, aniž by tato byla ovlivněna tloušťkou izolace a zároveň není třeba vodivého spojení měřeného objektu se sondou. Rizika vyplývající z tradičního kontaktního způsobu měření byla v podstatě zcela vyloučena; současně byla obsluze přístroje poskytnuta dosud nevídaná volnost v otázce výběru měřicí pozice pro napěťové vstupy.

Japonská společnost HIOKI E. E. Corporation je vlastníkem několika patentů v této inovativní oblasti měření sloužící především ke zvýšení bezpečnosti obsluhy a snadného použití wattmetrů v co možná nejširším rozsahu. V nabídce výrobce je tato nová technologie zastoupena přenosným wattmetrem s označením PW3365-20 (obr. 2).