1. اصل کار شکاف جرقهای
شکاف جرقهای بر اساس اصل رها شدن گاز عمل میکند. هنگامی که ولتاژ کافی بین دو الکترود اعمال میشود، گاز بین الکترودها یونیزه میشود و کانال رسانا تشکیل میدهد و در نتیجه رها شدن جرقه اتفاق میافتد. این فرآیند مشابه با پدیده رها شدن که بین ابرها و زمین در طول 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 بندگی 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 مولکولهای گاز دیگر برخورد میکنند، فرآیندهای یونیزه شدن بیشتری ایجاد میکنند و در نهایت منجر به خرابی گاز و تشکیل رها شدن جرقه میشوند.
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، رابطهای معین 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 با ولتاژ شناخته شده کالیبره شود. میتوان از 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 رها شدن جرقه مشاهده شود و مقدار ولتاژ و فاصله الکترودهای متناظر در این زمان را ثبت کنید. به عنوان مثال، برای شکاف جرقهای با هوای میانی، هنگامی که فاصله الکترودها 1 میلیمتر است، ولتاژ خرابی اندازهگیری شده با استفاده از منبع ولتاژ استاندارد 3 کیلوولت است، بنابراین یک نقطه داده کالیبراسیون به دست میآید.
با تغییر فاصله الکترودها و تکرار فرآیند فوق، میتوان سری دادههای ولتاژ خرابی مربوط به فواصل مختلف الکترودها را به دست آورد و منحنی رابطه بین فاصله الکترودها و ولتاژ خرابی را رسم کرد. این امر پایهای برای اندازهگیری بعدی ولتاژ ناشناخته فراهم میکند.
اندازهگیری ولتاژ ناشناخته
هنگام تعیین ولتاژ ناشناخته، منبع ولتاژ ناشناخته را به دستگاه شکاف جرقهای کالیبره شده متصل کنید. ولتاژ را به تدریج افزایش دهید تا رها شدن جرقه مشاهده شود. فاصله الکترودها در این زمان را اندازهگیری کنید و سپس با توجه به منحنی کالیبراسیون قبلی، مقدار ولتاژ متناظر را پیدا کنید. این مقدار ولتاژ تقریباً ولتاژ ناشناخته است. به عنوان مثال، هنگام اندازهگیری ولتاژ پالس بالاولت، اگر رها شدن جرقه در فاصله الکترودی 2 میلیمتر مشاهده شود و ولتاژ متناظر از منحنی کالیبراسیون 6 کیلوولت به دست آید، ولتاژ پالس بالاولت تقریباً 6 کیلوولت تعیین میشود.
3. ملاحظات و منابع خطا
تأثیر شرایط گاز: نوع، فشار و رطوبت گاز میتواند تأثیر قابل توجهی بر ولتاژ خرابی داشته باشد. به عنوان مثال، در محیط با رطوبت بالا، افزایش محتوای بخار آب در هوا ولتاژ خرابی گاز را کاهش میدهد. بنابراین، در طول فرآیند اندازهگیری، لازم است شرایط گاز را به حد امکان پایدار نگه دارید. اگر امکان دارد، بهتر است اندازهگیری را در فشار استاندارد جو و در محیط خشک انجام دهید یا برای تغییرات در شرایط گاز اصلاح انجام دهید.
تأثیر شکل و وضعیت سطح الکترودها: شکل (مانند کروی، سوزنی، صفحهای و غیره) و وضعیت سطح (مانند خشکی، وجود لایههای اکسید و غیره) الکترودها نیز بر ولتاژ خرابی شکاف جرقهای تأثیر میگذارد. شکلهای مختلف الکترودها منجر به توزیع نامساوی میدان الکتریکی میشوند و در نتیجه ولتاژ خرابی را تغییر میدهند. به عنوان مثال، ساختار الکترود سوزن-صفحه میدان الکتریکی را در نوک الکترود سوزنی متمرکز میکند و آن را به خرابی بیشتر میرساند و ولتاژ خرابی آن نسبتاً کمتر است. خشکی و لایههای اکسید روی سطح الکترود ممکن است مولکولهای گاز را جذب کنند یا توزیع میدان الکتریکی را تغییر دهند. بنابراین، در طول فرآیند اندازهگیری، لازم است یکسانی 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 ساده است و دقت آن توسط عوامل متعددی محدود میشود. علاوه بر شرایط گاز و عوامل الکترودی ذکر شده، رها شدن جرقه خود یک فرآیند لحظهای و تصادفی است که کنترل و اندازهگیری دقیق آن دشوار است. علاوه بر این، در شرایط بالاولت، ممکن است رها شدنهای متعدد یا قوسهای مداوم رخ دهند که دقت نتایج اندازهگیری را نیز تحت تأثیر قرار میدهند. بنابراین، این روش معمولاً برای تخمین تقریبی ولتاژ استفاده میشود و نه برای اندازهگیری ولتاژ با دقت بالا.
