1. اصل کار شکاف جرقهای
شکاف جرقهای بر اساس اصل تخلیه گاز عمل میکند. وقتی ولتاژ کافی بین دو الکترود اعمال میشود، گاز بین الکترودها یونیزه میشود و کانال رسانا تشکیل میدهد که منجر به تخلیه جرقه میگردد. این فرآیند مشابه با پدیده تخلیه که بین ابرها و زمین در طوفان برق اتفاق میافتد، است. یونیزه شدن گاز به این دلیل است که قدرت میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی است تا الکترونهای موجود در مولکولهای گاز انرژی کافی برای آزاد شدن از قید اتمها یا مولکولها به دست آورند و الکترونهای آزاد و یونها را تشکیل دهند. این الکترونهای آزاد و یونها تحت تأثیر میدان الکتریکی شتاب میگیرند، با سایر مولکولهای گاز برخورد میکنند و فرآیندهای یونیزه شدن بیشتری ایجاد میکنند که در نهایت منجر به خرابی گاز و تشکیل تخلیه جرقه میگردد.
بر اساس قانون پاشن، ولتاژ خرابی گاز تابع فشار گاز، فاصله الکترودها و نوع گاز است. با توجه به نوع خاصی از گاز و فشار آن، رابطه معینی بین فاصله الکترودها و ولتاژ خرابی وجود دارد. به طور کلی، هرچه فاصله الکترودها بیشتر باشد، ولتاژ خرابی بالاتر خواهد بود.
2. روشهای اساسی استفاده از شکاف جرقهای برای تعیین ولتاژ
کالیبراسیون دستگاه شکاف جرقهای
ابتدا لازم است شکاف جرقهای را با یک ولتاژ شناخته شده کالیبره کنیم. میتوان از یک منبع ولتاژ استاندارد مانند ژنراتور ولتاژ DC یا AC با دقت بالا استفاده کرد و آن را به الکترودهای شکاف جرقهای متصل کرد. ولتاژ را به تدریج افزایش دهید تا تولید جرقه مشاهده شود و ولتاژ و فاصله الکترودهای متناظر در این زمان را ثبت کنید. برای مثال، برای شکاف جرقهای با هوا به عنوان مedium، وقتی فاصله الکترودها 1 میلیمتر است، ولتاژ خرابی اندازهگیری شده با استفاده از منبع ولتاژ استاندارد 3 kV است، بنابراین یک نقطه داده کالیبراسیون به دست میآید.
با تغییر فاصله الکترودها و تکرار فرآیند فوق، مجموعهای از دادههای ولتاژ خرابی متناظر با فواصل مختلف الکترودها به دست میآید و نمودار رابطه بین فاصله الکترودها و ولتاژ خرابی رسم میشود. این نمودار پایهای برای اندازهگیری بعدی ولتاژ ناشناخته فراهم میکند.
اندازهگیری ولتاژ ناشناخته
در زمان تعیین ولتاژ ناشناخته، منبع ولتاژ ناشناخته را به دستگاه شکاف جرقهای کالیبره شده متصل کنید. ولتاژ را به تدریج افزایش دهید تا تخلیه جرقه مشاهده شود. فاصله الکترودها در این زمان را اندازهگیری کنید و سپس با توجه به نمودار کالیبراسیون قبلی، ولتاژ متناظر را پیدا کنید. این ولتاژ تقریبی ولتاژ ناشناخته است. برای مثال، در زمان اندازهگیری ولتاژ یک پالس ولتاژ بالا، اگر تولید جرقه در فاصله الکترودی 2 میلیمتر مشاهده شود و ولتاژ متناظر از نمودار کالیبراسیون 6 kV باشد، ولتاژ پالس ولتاژ بالا تقریباً 6 kV تعیین میشود.
3. احتیاطها و منابع خطا
تأثیر شرایط گاز: نوع، فشار و رطوبت گاز میتواند تأثیر قابل توجهی بر ولتاژ خرابی داشته باشد. برای مثال، در محیط با رطوبت بالا، افزایش محتوای بخار آب در هوا ولتاژ خرابی گاز را کاهش میدهد. بنابراین، در حین اندازهگیری، لازم است شرایط گاز را به حد امکان ثابت نگه دارید. اگر ممکن است، بهتر است اندازهگیری را در فشار استاندارد جو و در محیط خشک انجام دهید یا برای تغییرات شرایط گاز اصلاح کنید.
تأثیر شکل و وضعیت سطح الکترودها: شکل (مانند کروی، سوزنی، صفحهای و غیره) و وضعیت سطح (مانند زبری، وجود لایههای اکسید و غیره) الکترودها نیز میتواند بر ولتاژ خرابی شکاف جرقهای تأثیر بگذارد. شکلهای مختلف الکترودها منجر به توزیع نامساوی میدان الکتریکی میشود و بنابراین ولتاژ خرابی را تغییر میدهند. برای مثال، ساختار الکترود سوزن-صفحه میدان الکتریکی را در نوک الکترود سوزن متمرکز میکند که آن را به خرابی آسانتر میکند و ولتاژ خرابی آن نسبتاً کمتر است. زبری و لایههای اکسید روی سطح الکترودها ممکن است گاز مولکولها را جذب کنند یا توزیع میدان الکتریکی را تغییر دهند. بنابراین، در حین اندازهگیری، لازم است همسانگردی شکل و وضعیت سطح الکترودها را تضمین کنید یا این عوامل را در نظر بگیرید و اصلاح کنید.
محدودیتهای دقت اندازهگیری: اندازهگیری ولتاژ با استفاده از شکاف جرقهای یک روش نسبتاً سطحی است و دقت آن توسط عوامل متعددی محدود میشود. علاوه بر شرایط گاز و عوامل الکترودی ذکر شده، تخلیه جرقه خود یک فرآیند لحظهای و تصادفی است که کنترل و اندازهگیری دقیق آن دشوار است. علاوه بر این، در شرایط ولتاژ بالا، ممکن است تخلیههای متعدد یا قوسهای مداوم رخ دهند که دقت نتایج اندازهگیری را نیز تحت تأثیر قرار میدهند. بنابراین، این روش معمولاً برای برآورد تقریبی ولتاژ و نه برای اندازهگیری ولتاژ با دقت بالا استفاده میشود.
