MJERAČ OTPORA UZEMLJENJA TIP-MU3

Danas je nabavljen instrument za mjerenje otpora uzemljenja TIP-MU3 proizvođača “Elektronika Zadar”. Kako to obično biva nikakva dokumentacija vezana uz instrument i proizvođača nije pronađena, pa je za početak najbolje ponoviti osnove iz mjerenja otpora uzemljenja.

Otpor uzemljenja uključuje tri komponente kako pokazuje donja slika:

• otpor spoja na elektrodi uzemljenja
• otpor dodira između elektrode uzemljenja i najbližeg sloja zemljišta koje ju okružuje
• otpor rasprostiranja, odnosno otpor mase zemljišta koje okružuje elektrodu uzemljenja

Sada je potrebno definirati ostale elemente koje prikazuje slika:

• NAPONSKI LIJEVAK: Struja se ne rasprostire ravnomjerno preko zemlje od jednog do drugog uzemljivača. U neposrednoj blizini uzemljivača otpor, odnosno pad napona je najveći jer tu struja raspolaže najmanjim presjekom za svoje širenje. Na većim udaljenostima od uzemljivača struja raspolaže sve većim i većim presjekom pa se pad napona sve više smanjuje. To područje oko uzemljivača na kojem se pojavljuje najveći pad napona zove se naponski lijevak. Veličina naponskog lijevka ovisi o veličini uzemljivača te njegov polumjer iznosi oko 5 metara kod malih uzemljivača (kućanstva), pa sve do nekoliko stotina pa čak i preko tisuću metara kod velikih uzemljivača (elektrane i velike transformatorske stanice).
• REFERENTNA ZEMLJA: Na određenoj udaljenosti od uzemljivača pad napona se stabilizira i više se značajno ne mijenja s udaljenosti. To područje na kojem se na svakom dijelu pojavljuju jednaki padovi napona zove se referentna zemlja.
• OTPOR RASPROSTIRANJA je otpor zemlje između uzemljivača i referentne zemlje, dakle područje od spoja kabela na uzemljivač do ruba naponskog lijevka.

Kada sve ovo uzme u obzir jasno je da se otpor uzemljenja mora mjeriti između uzemljivača i neke točke na referentnoj zemlji kako bi mjerenjem bio obuhvaćen sav otpor unutar naponskog lijevka. Spoj sa referentnom zemljom možemo izvesti jedino preko nekog pomoćnog mjernog uzemljivača – sonde. Ako uzmemo u obzir da je polumjer naponskog lijevka malih uzemljivača oko 5 metara, onda mjerna sonda mora biti udaljena barem 10 metara od uzemljivača kojeg mjerimo jer se i oko mjerne sonde stvara naponski lijevak, doduše nešto manjeg polumjera jer je i mjerna sonda manja od uzemljivača kojem mjerimo otpor. U praksi se preporučuje da sonde i uzemljivači budu na razmaku 15-20 metara i međusobno postavljeni u istoj liniji. Sonde su obično metalne šipke duljine oko pola metra, a na instrument se spajaju vodićem presjeka 4-6 mm2.

Nakon ovog uvoda možemo nešto reći o metodama mjerenja otpora uzemljenja. Postoje dvije osnovne metode:

• strujno-naponska metoda
• mosna metoda

Gornja slika prikazuje strujno naponsku metodu ili metodu pada napona. Napomenimo da se ovom metodom može mjeriti uz pomoć samo jedne sonde ili uz pomoć dvije sonde kako je to prikazano na gornjoj slici. Ukoliko se otpor uzemljivača mjeri uz pomoć jedne sonde ista mora biti spojena na neko dobro uzemljenje sa minimalnim otporom uzemljenja koje predstavlja dobar spoj sa referentnom zemljom. Time se postiže da ta mjerna sonda ima minimalan (zanemariv) otpor pa se sav izmjereni otpor odnosi samo na otpor uzemljivača. U praksi često nemamo pristup nekom dobrom uzemljenju u blizini našeg uzemljivača kojeg treba ispitati, a osim toga ovo mjerenje ne daje precizne rezultate pa se i rijetko koristi. Mjerenje sa dvije sonde (strujnom i naponskom) daje puno točnije rezultate, međutim zbog dosta složene procedure i pripreme elemenata i ova metoda se koristi samo u specifičnim slučajevima, kao npr. kod velikih površinskih uzemljivača sa vrlo malenim otporom gdje je ovo jedina metoda kojom se može dovoljno točno izmjeriti otpor uzemljenja. Bez obzira na navedeno, princip mjerenja otpora uzemljenja stujno naponskom metodom je najlakše shvatiti pa ćemo ga u nastavku ukratko opisati.

Princip mjerenja strujno naponskom metodom je jednostavan: izmjenični strujni krug zatvoren je preko uzemljivača kojeg mjerimo i sonde S2 te se stoga na uzemljivaču i sondi S2 stvaraju naponski lijevci, odnosno dolazi do pada napona. Nas zanima samo pad napona na uzemljivaču, a s obzirom da ne znamo ni koliki je pad napona na sondi S2, istu moramo nekako isključiti iz mjerenja. To ćemo izvesti tako da voltmetar spojimo jednim krajem na uzemljivač, a drugim krajem negdje na referentnu zemlju gdje nema pada napona, odnosno dalje od naponskog lijevka sonde S2. Za taj spoj koristimo sondu S1 i tako zaobilazimo mjerenje pada napona na sondi S2 koji nas i ne zanima. Ovdje ćemo samo napomenuti da voltmetar mora biti što većeg unutarnjeg otpora kako kako bi bio što manji utjecaj naponske sonde S1 na rezultat mjerenja (kako se zbog prevelike struje u tom mjernom krugu ne bi i oko nje počeo stvarati naponski lijevak), a strujna sonda S2 pak mora imati što manji vlastiti otpor uzemljenja kako ne bi bile potrebne velike struje za zatvaranje toga kruga.

Uz sve to, kod mjerenja otpora uzemljenja uvijek vrijedi pravilo da jedno mjerenje nikad nije pouzdano. Treba izvršiti više mjerenja sa različitim položajima sondi (kako to prikazuje gornja slika). Ukoliko mjernu naponsku sondu S1 pomaknemo za 10% udaljenosti prema jednom ili drugom krajnjem uzemljivaču  (prema Z ili prema S2) i pri tome dobijemo različite vrijednosti otpora, onda to znači da sonda S1 nije dovoljno odmaknuta od naponskih lijevaka, odnosno ne nalazi se na referentnoj zemlji. Što se tiče međusobnog razmaka sondi i uzemljivača napomenimo još da postoji tzv. pravilo 62%, a to, kako je vidljivo na slici, predstavlja idealnu udaljenost naponske sonde S1 s obzirom na raspored napona (potencijala) između uzemljivača i sonde S2.

Kod mjerenja se mora koristiti izmjenična struja kako bi se izbjegao efekt polarizacije (elektrolize) u kemijskom sastavu zemlje što bi utjecalo na očitani rezultat. U tu svrhu neki stariji instrumenti za mjerenje otpora uzemljenja imaju ugrađen ručni generator izmjeničnog napona (alternator), dok noviji imaju elektroničke generatore pravokutnog izmjeničnog napona frekvencija u rsponu od 77 do 820 Hz. Većina novijih instrumenata za mjerenje otpora uzemljenja ima četiri priključnice (četvrta je označena sa P ili PU). To znači da instrument ima mogućnost mjerenja specifičnog otpora tla. Naime, četiri sonde postavljenje u zemlju na jednakim dovoljno velikim razmacima koriste se za mjerenje specifičnog otpora tla. Pri tome se na dvije vanjske sonde spaja izmjenični izvor napona i ampermetar (jednako kako na gornjoj slici), a na dvije unutarnje sponde spaja se voltmetar sa velikim unutarnjim otporom. Ovo mjerenje se vrši kako bi se kod projektiranja uzemljenja mogle izračunati dimenzije uzemljivača. No i mjerenje otpora uzemljenja može se vršiti uz pomoć sve četiri priključnice i tri sonde, gdje se priključnice Z i S1 obje spajaju na uzemljivač. To omogućuje preciznija mjerenja manjih otpora kao i mjerenja u slučajevima da je instrument vezan za uzemljivač vodićem dužim od 3 metra (u načelu se instrument na uzemljivač spaja kraćim vodićem, a na sonde dužim).

Sada se pozabavimo mosnom metodom mjerenja otpora uzemljenja. Postoji više mosnih metoda od kojih su najpoznatije Wiechertova, Stosselova i Behrendova mosna metoda. Sve metode su vrlo slične i u principu analogne Wheatstoneovom mostu s mjernom žicom, s time da svaka ima neke svoje prednosti i nedostatke te je time i više ili manje podesnija za određena mjerenja. Kod prve dvije metode potrebna su dva mjerenja, gdje se onda rezultat dobiva računanjem (Wiechertova metoda) ili neposrednim očitanjem na mjernoj žici baždarenoj u ohmima (Stosselova metoda). Najpraktičnija pak je Behrendova metoda jer omogućuje izravno očitanje otpora uzemljenja na mjernoj žici iz samo jednog mjerenja.

Uvidom u kontrole i unutrašnjost našeg primjerka mjerača otpora uzemljenja TIP-MU3 može se zaključiti da koristi Behrendovu kompenzacijsku metodu (koja je i najčešća kod ovakvih tipova instrumenata) pa ćemo se malo više posvetiti ovoj metodi. Gornja slika prikazuje pojednostavljenu shemu mjerenja otpora uzemljenja pomoću Wheatstoneova mosta. Kad se mjernom žicom (potenciometrom) postigne ravnoteža mosta (na nulinstrumentu nema otklona) tada je napon U1 (između Z i S1) jednak padu napona U2 (između Z i dijela klizne žice R1). Uz konstantnu struju na taj način se veličina otpora uzemljenja može izravno očitati na skali mjerne žice. Pri tome otpor sonde S1 ne treba uzimati u obzir jer u postignutoj ravnoteži kroz sondu ne teče nikakva struja.

Na kraju donosimo principijelnu shemu mjerača otpora uzemljenja TIP-MU3. U strujnom krugu koji se napaja izmjeničnom strujom nalazi se transformator sa mogućnošću izbora prijenosnog omjera, čime se u istom omjeru dobiju mjerni opsezi. U sekundarnom strujnom krugu transformatora nalazi se mjerni otpornik i to je zapravo pomoćni strujni krug kompenzatora. Instrumet napon dobiva preko svojeg tranformatora za odvajanje, koji se prehodno pojačava u dvostupanjskom tranzistorskom pojačalu, a zatim ispravlja punovalnim diodnim ispravljačem. U krugu instrumenta nalazi se potenciometar za podešavanje osjetljivosti. Mjerenje se vrši dovođenjem mosta u ravnotežu, odnosno klizač mjerne žice pomićemo sve dok kroz sekundarni krug ne prestane teči struja i instrument pokazuje nulu.

Transformatori za odvajanje koriste se da sklopovi instrumenta imaju što manji utjecaj jedni na druge ali i za prilagodbu impedancije. U našem slučaju sisnusni izmjenični napon frekvencije oko 4.1 kHz dobiva se iz oscilatora izvedenog sa dva tranzistora i VF transformatorom sa feritnom jezgrom, nešto slično kao što prikazuje donja slika. Jezgra transformatora pri radu proizvodi zvuk frekvencije 4,1 kHz pa je to ujedno indikacija da generator izmjenične struje radi.

Prije mjerenja potrebno je ispitati ispravnost baterije od 4,5V (položaj preklopnika 4,5V), a s obzirom da skala instrumenta ima podjelu 0-100 očitavamo vrijednost 45V (stvaran napon x10). Pogledajmo izbliza instrument za mjerenje otpora uzemljenja TIP-MU3.

Na instrumentu je odmah jasno što je što:

• Z – priključnica za uzemljivač kojem mjerimo otpor
• S1 – priključnica za naponsku sondu
• S2 – priključnica za strujnu sondu
• MIKROAMPERMETAR – za indikaciju ravnoteže mosta i napona baterije
• SKLOPKA IS-U – sklopka za isključenje i uključenje mjerača
• OSJETLJIVOST – podešavanje jačine pojačanja za instrument
• PREKLOPNIK MJERNIH OPSEGA I MJERENJE NAPONA POGONSKE BATERIJE
• MJERNA ŽICA baždarena u ohmima

Identifikacijska pločica izbliza…

Prostor za plosnatu bateriju 4,5V…

Pogled u unutrašnjost instrumenta: gore lijevo je pločica oscilatora sa pripadajućim transformatorom, dolje lijevo je sklopka za odabir mjernih opsega i strujni transformator, a desno je pločica pojačala sa mjernim transformatorom i instrumentom smještenim ispod pločice.

Pogled s druge strane: lijevo je instrument sa svojim pojačalom i mjernim transformatorom, a desno je oscilator sa svojim transformatorom. Ispod se vidi mjerna žica – žičani potenciometar.

Ispod pločice pojačala uočava se potenciometar za osjetljivost, sklopka za uključivanje instrumenta i priključnice Z, S1, S2.

Bolji pogled na pojačalo: radi se o klasičnom dvostupanjskom  tranzistoskom pojačalu u spoju zajedničkog emitera. Ispod mjernog transformatora uočavaju se dvije od ukupno četiri ispravljačke diode za instrument.

Bolji pogled na sklopku za mjerne opsege i struni transformator. Odabirom drugačijeg odnosa prijenosa struje sa primara na sekundar transformatora u istom odnosu biraju se i mjerni opsezi instrumenta.

Bolji pogled na oscilator: izveden je sa dva tranzistora i VF transformatorom. Frekvencija od 4,1 kHz prilično je visoka za ovaj tip instrumenta. Prilikom testiranja ovog mjerača uočene su određene nestabilnosti u radu pojačala, a moguće je da je zbog starosti kondenzatora i frekvencija oscilatora viša od deklarirane. Zato bi svakako trebalo zamijeniti sve elektrolitske kondenzatore na pločici pojačala i oscilatora, te ispitati ispravnost ostalih komponenti kako bi se instrument mogao koristiti prema specifikacijama.

Otpor uzemljenja mjeri se prilikom svakog izvođenja uzemljenja i postavljanja uzemljivača kako bi se utvrdilo da li isto odgovara normama i time ispravno služi svojoj namjeni. Također je potrebno vršiti i periodičke kontrole ispravnosti uzemljenja jer i kod tih sustava uvijek može doći do oštećenja i pojava neispravnosti. Današnji mjerači otpora uzemljenja i specifičnog otpora zemlje u pravilu su digitalni automatski uređaji sa nizom programabilnih funkcija, međutim osnovni princip njihovog rada ne razlikuje se od gore opisanih metoda. Također postoje i mjerači otpora uzemljenja koji rade beskontaktno, preko strujnih kliješta, kojima je dovoljno zahvatiti uzemljivač. Naš primjerak mjerača uzemljenja pak je  predstavnik jednog od malobrojnih domaćih proizvoda te vrste iz nekih sada već zaboravljenih vremena, a na koja ćemo se rado ponovno prisjetiti opet jednom zgodom, kada na red dođe restauracija ovog našeg simpatičnog Zadranina 🙂