1. Werking van de vonkgap
De vonkgap werkt op basis van het principe van gasontlading. Wanneer er een voldoende hoge spanning tussen twee elektroden wordt aangebracht, wordt het gas tussen de elektroden geïoniseerd, waardoor een geleidende kanaal ontstaat en vonk-ontlading optreedt. Dit proces is vergelijkbaar met het ontladingsverschijnsel dat tijdens bliksem tussen wolken en de grond plaatsvindt. De ionisatie van het gas is te wijten aan het feit dat de elektrische veldsterkte sterk genoeg is om de elektronen in gasmoleculen voldoende energie te geven om zich los te maken uit de binding van atomen of moleculen, wat leidt tot vrije elektronen en ionen. Deze vrije elektronen en ionen versnellen onder invloed van het elektrische veld, botsen met andere gasmoleculen, genereren meer ionisatieprocessen, en leiden uiteindelijk tot de doorbraak van het gas en de vorming van vonk-ontlading.
Volgens Paschen's wet is de doorbraakspanning van een gas een functie van gasdruk, elektrodeafstand en gastype. Bij een specifiek gastype en -druk bestaat er een bepaald verband tussen elektrodeafstand en doorbraakspanning. Over het algemeen geldt: hoe groter de elektrodeafstand, hoe hoger de doorbraakspanning.
2. Basismethoden voor het bepalen van de spanning met behulp van de vonkgap
Calibratie van het vonkgapapparaat
Allereerst moet de vonkgap worden gecalibreerd met een bekende spanning. Hiervoor kan een standaardspanningsbron, zoals een hoogprecisie DC- of AC-spanningsgenerator, worden gebruikt en verbonden worden met de elektroden van de vonkgap. Verhoog de spanning geleidelijk totdat vonkgeneratie waarneembaar is, en noteer de spanning en de overeenkomstige elektrodeafstand op dat moment. Bijvoorbeeld, voor een vonkgap met lucht als medium, wanneer de elektrodeafstand 1 mm is, is de gemeten doorbraakspanning 3 kV met behulp van de standaardspanningsbron, waarmee een kalibratiegegevenspunt wordt verkregen.
Door de elektrodeafstand te veranderen en bovenstaand proces te herhalen, kunnen verschillende doorbraakspanningsgegevens voor verschillende elektrodeafstanden worden verkregen, en kan de relatiecurve tussen elektrodeafstand en doorbraakspanning worden getekend. Dit biedt een kalibratiebasis voor de latere meting van een onbekende spanning.
Meting van de onbekende spanning
Bij het bepalen van een onbekende spanning, verbind de onbekende spanningsbron met het gecalibreerde vonkgapapparaat. Verhoog de spanning geleidelijk totdat vonk-ontlading waarneembaar is. Meet de elektrodeafstand op dat moment, en zoek vervolgens, volgens de eerder getekende kalibratiecurve, de overeenkomstige spanning op. Deze spanning is ongeveer gelijk aan de onbekende spanning. Bijvoorbeeld, bij het meten van de spanning van een hoge-voltage-puls, wanneer vonkgeneratie waarneembaar is bij een elektrodeafstand van 2 mm, en de overeenkomstige spanning die uit de kalibratiecurve wordt afgelezen 6 kV is, dan wordt de spanning van de hoge-voltage-puls bepaald als ongeveer 6 kV.
3. Voorzorgsmaatregelen en bronnen van fouten
Invloed van gascondities: Het type, de druk en de vochtigheid van het gas kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de doorbraakspanning. Bijvoorbeeld, in een omgeving met hoge luchtvochtigheid zal de toename van waterdamp in de lucht de doorbraakspanning van het gas verlagen. Daarom is het tijdens het meetproces nodig om de gascondities zo stabiel mogelijk te houden. Indien mogelijk, is het het beste om de meting uit te voeren onder standaard atmosferische druk en in een droge omgeving, of corrigeren voor veranderingen in de gascondities.
Invloed van elektrodenvorm en -oppervlakteconditie: De vorm (zoals bolvormig, naaldvormig, platte plaat, enz.) en oppervlakteconditie (zoals ruwheid, aanwezigheid van oxidelagen, enz.) van de elektroden zullen ook de doorbraakspanning van de vonkgap beïnvloeden. Verschillende vormen van elektroden zullen leiden tot een oneven verdeelde elektrisch veld, waardoor de doorbraakspanning verandert. Bijvoorbeeld, de naald-plaat-elektrodestructuur heeft een elektrisch veld dat geconcentreerd is aan de punt van de naald-elektrode, waardoor deze meer geneigd is tot doorbraak, en de doorbraakspanning is relatief laag. Ruwheid en oxidelagen op het oppervlak van de elektroden kunnen gasmoleculen absorberen of de verdeling van het elektrisch veld veranderen. Daarom is het tijdens het meetproces nodig om de consistentie van de elektrodenvorm en -oppervlakteconditie te waarborgen, of deze factoren in rekening te brengen en te corrigeren.
Beperkingen van de meetnauwkeurigheid: Het meten van spanning met behulp van een vonkgap is een relatief grove methode, en de nauwkeurigheid ervan wordt beperkt door meerdere factoren. Naast de bovengenoemde gascondities en elektrodefactoren, is vonk-ontlading zelf een instantane en enigszins willekeurige process die moeilijk precies te controleren en te meten is. Bovendien kunnen in situaties met hoge spanning meerdere ontladingen of continue bogen optreden, wat ook de nauwkeurigheid van de meetresultaten beïnvloedt. Daarom wordt deze methode meestal gebruikt voor een grove schatting van de spanning in plaats van voor high-precision voltage measurement.
