2.6.2. Вимір великих імпульсних струмів

У багатьох галузях науки і техніки необхідно робити вимірювання імпульсів струму великої амплітуди до 10⁵…10⁶А при швидкостях наростання струму до 10⁹…10¹³А/с. Запис таких короткочасних процесів вимагає створення спеціальних вимірювальних пристроїв. У цей час широке поширення при вимірюванні імпульсних струмів одержали, в основному, два способи: використання низкоомних вимірювальних опорів (струмових шунтів) і спеціального трансформатора струму (котушки Роговського). В обох випадках одержують напругу, що у більшому або меншому ступені пропорційно зміні вимірюваного струму в часі.

Вимірювання струму за допомогою струмових шунтів основане на включенні невеликого по величині опору в ланцюг вимірюваного струму. Створюване спадання напруги U_ш(t) буде пропорційним I_ш(t), якщо вимірювальний опір для заданого діапазону частот є активним. Однак цю вимогу нелегко реалізувати в шунтах для вимірювання більших по амплітуді струмів. При вимірюванні швидкозмінних в часі струмів необхідно враховувати зміну опору шунта за рахунок поверхневого ефекту, способом і місцем підключення, власною індуктивністю шунта і впливом сторонніх магнітних полів на контур приєднання шунта. У загальному виді напруга шунта можна представити як

U_ш(t) = I_ш(t)R_ш+Ld/dt,

де останній доданок правої частини являє собою індуктивну складову, обумовлену потокощепленням з контуром АВСД (рис. 2.19, а) власного магнітного поля струмового ланцюга шунта і сторонніх магнітних полів, створюваних прилягаючими до шунта ділянками струмопроводу, і власною індуктивністю.

Рис. 2.19. Принциповий пристрій струмових шунтів:
а – найпростіший стрижневий; б – трубчастий; в – трубчастий коаксіальний; г – стрічковий; д – дисковий; 1 – тіло шунта; 2 – зворотний струмоввід; 3 – кабель; 4 – провід із сигналом; А – підведення струму; В – відвід струму

Виключення нерівномірності розподілу струму по перетині шунта можна домогтися, заміняючи суцільний шунт на трубчастий. Найбільш придатними є стрічковий (з тонкої стрічки, складеної в петлю (рис. 2.19, г), трубчастий (рис. 2.19, б), трубчастий коаксіальний (рис. 2.19, в), дисковий (рис. 2.19, д). Як опір шунта використовується матеріали з високим питомим опором (ніхром, манганін, константан й ін.). Матеріали з більшим питомим опором мають більш рівномірний розподіл струму по перетині. Ці матеріали, маючи низький температурний коефіцієнт опору, забезпечують практично незалежність опору шунта від температури.

Принцип вимірювання струму за допомогою котушки Роговського (трансформатора струму) можна пояснити із закону повного струму, коли інтеграл магнітної індукції береться по контурі кривого намотування котушки (рис. 2.20, а), тобто  . Якщо представити, що провідник зі струмом I₁(t) охоплює котушка струмоподібної форми з довжиною середньої лінії l і числом витків n, з однаковим кроком ∆l, площею витка S, то при зміні магнітного поля в котушці буде індукуватися напруга , де М – коефіцієнт взаємної індукції між провідником зі струмом I₁ і котушкою. Одержати напругу U_м(t), пропорційну струму I₁(t), можна за допомогою пасивної схеми, що складається з LR або RC контуру (рис. 2.20, б, в), якщо I₂(t) << I₁(t). При вимірюванні струму за схемою (рис. 2.20, б) з мінімальною похибкою необхідно дотримувати умови: спадання напруги на опорі R повинне бути набагато більшим спадання напруги на індуктивності L і на ємності С. У цьому випадку U_м (t) » MI₁(t)/RC, тобто  пропорційно струму I₁(t).

Рис. 2.20. Принципові схеми виміру імпульсного струму:

При вимірюванні струму за схемою рис. 2.20, в з мінімальною похибкою необхідно дотримуватись умови: спадання напруги на індуктивності L котушки повинне бути набагато більшим спадання напруги на опорі R. У цьому випадку U_м(t) » RMI₁(t)/L, тобто  пропорційно струму I₁(t).

Необхідно, однак, пам'ятати, що швидкозмінні магнітні поля завжди пов'язані з швидкозмінними електричними полями. Щоб уникнути небажаних ємнісних зв'язків, вимірювальні котушки екрануються.

Додаткові відомості по розглянутим вище пристроях для вимірювання імпульсних струмів можна одержати, наприклад, у літературі.