ΤίτλοςΆσκησης:Κατασκευήκαιδιερευνητικήμέτρησηγείωσηςμεβολτόμετροκαι αμπερόμετροΚεντρικό πρόβλημαΤο σχολικό εργαστήριο πρόκειται να εγκαταστήσει ένα νέο ηλεκτρόδιο γείωσης για έναν μικρό εκπαιδευτικό πίνακα.Η τοποθέτηση του ηλεκτροδίου ολοκληρώθηκε, όμως ο υπεύθυνος ηλεκτρολόγος δεν γνωρίζει:•αν η γείωση παρουσιάζει ικανοποιητική ηλεκτρική συμπεριφορά,•αν η θέση του βοηθητικού ηλεκτροδίου επηρεάζει τη μέτρηση,•αν η υγρασία και το είδος του εδάφους μεταβάλλουν το αποτέλεσμα,•αν μία μόνο μέτρηση είναι αρκετή,•αν το αποτέλεσμα μπορεί να θεωρηθεί αξιόπιστο.Οι ομάδες αναλαμβάνουν τον ρόλο τεχνικού συνεργείου και καλούνται να απαντήσουν:Πώς μπορούμε να μετρήσουμε την αντίσταση γείωσης και πώς θα αποδείξουμε ότι η μέτρησή μας είναι αξιόπιστη; Ενεργοποίηση – Το αμφισβητούμενο αποτέλεσμαΟ εκπαιδευτικός παρουσιάζει δύο δελτία μέτρησης του ίδιου ηλεκτροδίου:•Συνεργείο Α: Rg=8 Ω•Συνεργείο Β: Rg=21 ΩΟι μαθητές δεν γνωρίζουν αρχικά:•τις αποστάσεις των βοηθητικών ηλεκτροδίων,•την κατάσταση των συνδέσεων,•την υγρασία του εδάφους,•τις περιοχές των οργάνων,•αν έγιναν επαναλαμβανόμενες μετρήσεις.Αρχικές ερωτήσειςΚάθε ομάδα καταγράφει:•Μπορούν να είναι σωστές και οι δύο τιμές;•Ποιοι παράγοντες μπορεί να προκάλεσαν τη διαφορά;•Ποιες πληροφορίες λείπουν;•Ποια μέτρηση θα εμπιστευόσασταν και γιατί;•Τι θα ελέγχατε πριν επαναλάβετε τη δοκιμή;Σε αυτή τη φάση ο εκπαιδευτικός δεν αποκαλύπτει τη σωστή απάντηση.Παρατήρηση του εξοπλισμούΠαρουσιάζονται χωρίς έτοιμη διάταξη:•υπό μέτρηση ηλεκτρόδιο γείωσης,•βοηθητικά ηλεκτρόδια,•πηγή ασφαλούς απομονωμένης χαμηλής τάσης,•διάταξη περιορισμού του ρεύματος,•βολτόμετρο,•αμπερόμετρο,•αγωγοί και ακροδέκτες μέτρησης,•μέτρο ή μετροταινία,•υγρόμετρο εδάφους, εφόσον διατίθεται,•κατάλληλα μέσα ατομικής προστασίας.Πρόκληση αναγνώρισηςΟι ομάδες αποφασίζουν:•ποιο όργανο θα μετρήσει το ρεύμα,•ποιο θα μετρήσει την τάση,•πού πρέπει να συνδεθεί κάθε όργανο,•ποιο όργανο κινδυνεύει από λανθασμένη παράλληλη σύνδεση,•με ποια περιοχή μέτρησης πρέπει να ξεκινήσουν,•ποιο στοιχείο περιορίζει το ρεύμα του κυκλώματος.Διατύπωση υποθέσεωνΚάθε ομάδα επιλέγει μία μεταβλητή προς διερεύνηση και διατυπώνει πρόβλεψη.Παράδειγμα διατύπωσης:Αν αυξηθεί το βάθος του ηλεκτροδίου, τότε προβλέπουμε ότι η αντίσταση θα __________, επειδή __________.Οι υποθέσεις δεν χαρακτηρίζονται σωστές ή λανθασμένες πριν πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις.Σχεδιασμός της διερεύνησηςΠριν αγγίξουν τον εξοπλισμό, οι ομάδες συντάσσουν σχέδιο εργασίας.Πρέπει να αποφασίσουν:•ποια μεταβλητή θα μεταβάλλουν,•ποιες συνθήκες θα διατηρήσουν σταθερές,•πόσες μετρήσεις θα πραγματοποιήσουν,•πώς θα μετρούν τις αποστάσεις,•πώς θα επιβεβαιώνουν την ποιότητα των συνδέσεων,•ποιος θα χειρίζεται κάθε όργανο,•ποιος θα καταγράφει τα αποτελέσματα,•ποια ένδειξη θα τους οδηγήσει σε άμεση διακοπή.Έγκριση πριν από τη μέτρησηΚαμία ομάδα δεν προχωρά αυτομάτως στην ηλεκτροδότηση.Ο εκπαιδευτικός εγκρίνει πρώτα:•το σχέδιο της διάταξης,•τη σύνδεση του αμπερομέτρου,•τη σύνδεση του βολτομέτρου,•την επιλεγμένη περιοχή μέτρησης,•τη διάταξη περιορισμού ρεύματος,•τις αποστάσεις των ηλεκτροδίων,•την ανάθεση των ρόλων,•την εφαρμογή των κανόνων ασφάλειας.Η εφαρμογή και η διακοπή της τάσης πραγματοποιούνται αποκλειστικά από τον εκπαιδευτικό.Πειραματική διάταξηΟι μαθητές πρέπει να ανακαλύψουν ότι:•το αμπερόμετρο συνδέεται σε σειρά με το κύκλωμα ρεύματος,•το βολτόμετρο μετρά τη διαφορά δυναμικού μεταξύ του υπό εξέταση ηλεκτροδίου και του ηλεκτροδίου δυναμικού,•το βοηθητικό ηλεκτρόδιο ρεύματος ολοκληρώνει το κύκλωμα,•η θέση του ηλεκτροδίου δυναμικού μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την υπολογιζόμενη τιμή.Η βασική σχέση είναι: Rg= U / Iόπου:Rg: υπολογιζόμενη αντίσταση γείωσης σε Ω,U: μετρούμενη τάση σε V,I: μετρούμενο ρεύμα σε A.Ερώτηση πρόβλεψηςΠριν από τη σύνδεση: Τι θα συμβεί αν το αμπερόμετρο συνδεθεί παράλληλα με την πηγή;Οι μαθητές καταγράφουν την πρόβλεψή τους χωρίς να πραγματοποιήσουν τη λανθασμένη σύνδεση.Πρώτη σειρά μετρήσεων – Είναι σταθερό το αποτέλεσμα;Οι μαθητές πραγματοποιούν τουλάχιστον τρεις μετρήσεις χωρίς να αλλάξουν σκόπιμα τη διάταξη.Ερωτήσεις•Οι τρεις τιμές συμφωνούν;•Ποια είναι η μεγαλύτερη απόκλιση;•Ποια μπορεί να είναι η αιτία της;•Πρέπει να χρησιμοποιηθεί μέση τιμή;•Υπάρχει κάποια μέτρηση που πρέπει να απορριφθεί;•Με ποιο τεχνικό επιχείρημα θα απορριφθεί;Διερεύνηση της γραμμικότηταςΜεταβάλλεται ελεγχόμενα το ρεύμα δοκιμής, χωρίς να αλλάξει η γεωμετρία των ηλεκτροδίων.Οι μαθητές κατασκευάζουν διάγραμμα: U=f(I)Διερευνητική ερώτηση 1: Τα σημεία σχηματίζουν περίπου ευθεία;Διερευνητική ερώτηση 2: Η ευθεία περνά κοντά από την αρχή των αξόνων;Διερευνητική ερώτηση 3: Η τιμή \(U/I\) παραμένει περίπου σταθερή;Διερευνητική ερώτηση 4: Τι εκφράζει η κλίση της γραμμής;Διερευνητική ερώτηση 5: Τι μπορεί να σημαίνει μια μεγάλη απόκλιση ενός σημείου;Διερευνητική ερώτηση 6: Είναι μία μόνο μέτρηση εξίσου αξιόπιστη με μια σειρά μετρήσεων;Διερεύνηση της θέσης του ηλεκτροδίου δυναμικούΔιατηρούνται σταθερά:•το υπό μέτρηση ηλεκτρόδιο,•το ηλεκτρόδιο ρεύματος,•η πηγή,•οι αγωγοί,•η κατάσταση του εδάφους.Μετακινείται μόνο το ηλεκτρόδιο δυναμικού.Οι μαθητές σχεδιάζουν:Rg = f(απόστασης)ΑποστολήΝα εντοπίσουν αν υπάρχει περιοχή στην οποία η υπολογιζόμενη αντίσταση παραμένει σχετικά σταθερή.Ερωτήσεις•Γιατί η ένδειξη αλλάζει όταν μετακινείται το ηλεκτρόδιο;•Ποιες θέσεις δίνουν παρόμοια αποτελέσματα;•Ποια θέση φαίνεται λιγότερο αξιόπιστη;•Πώς μπορεί η γεωμετρία της διάταξης να οδηγήσει σε λανθασμένο συμπέρασμα;•Αρκεί να τοποθετηθούν τα βοηθητικά ηλεκτρόδια «κάπου στο έδαφος»;Πείραμα μεταβλητώνΚάθε ομάδα εξετάζει έναν παράγοντα. Μεταβάλλεται μόνο ένας παράγοντας κάθε φορά.Ομάδα Α – Υγρασία εδάφουςΕξετάζει δείγματα ή εκπαιδευτική λεκάνη με διαφορετική υγρασία.Ομάδα Β – Βάθος ηλεκτροδίουΣυγκρίνει διαφορετικά βάθη τοποθέτησης.Ομάδα Γ – Ποιότητα σύνδεσηςΣυγκρίνεισωστήσύνδεσημεπροσομοιωμένηπροβληματικήσύνδεση,αποκλειστικάεκτόςτάσηςκαιυπότηνεπίβλεψητου εκπαιδευτικού.Ομάδα Δ – Επιφάνεια ηλεκτροδίουΣυγκρίνει ηλεκτρόδια διαφορετικής γεωμετρίας ή ενεργού επιφάνειας.Ομάδα Ε – Θέση ηλεκτροδίου δυναμικούΕξετάζει τη μεταβολή της ένδειξης σε διαδοχικές θέσεις.Δενπροστίθενταιαλάτι,χημικάήνερόσεπραγματικήεγκατάστασηγείωσης.Τυχόνσύγκρισηυγρασίαςγίνεταισεελεγχόμενο εκπαιδευτικό δοκίμιο.Κρυφές βλάβεςΟ εκπαιδευτικός εισάγει σε διαφορετικές ομάδες μία ασφαλώς προσομοιωμένη βλάβη:•χαλαρός ακροδέκτης,•λανθασμένη θέση ηλεκτροδίου δυναμικού,•ανεπαρκής διείσδυση βοηθητικού ηλεκτροδίου,•λανθασμένη περιοχή οργάνου,•αντιμετάθεση των οργάνων στο σχέδιο,•αγωγός με ασυνεχή επαφή,•λανθασμένη καταγραφή μονάδας,•σημαντική μεταβολή της γεωμετρίας μεταξύ δύο μετρήσεων.Οι ομάδες δεν ενημερώνονται ποια βλάβη έχει εισαχθεί.Διαδικασία διάγνωσηςΚάθε ομάδα πρέπει:•να εντοπίσει την ασυνήθιστη ένδειξη,•να διατυπώσει τουλάχιστον δύο πιθανές αιτίες,•να προτείνει έλεγχο που διαχωρίζει τις αιτίες,•να απομονώσει την τροφοδοσία,•να επιβεβαιώσει την απουσία τάσης,•να διορθώσει τη βλάβη μετά την έγκριση του εκπαιδευτικού,•να επαναλάβει τη μέτρηση,•να συγκρίνει τα αποτελέσματα πριν και μετά.Αξιολόγηση της προστασίαςΔίνεται το ακόλουθο σενάριο:υπολογιζόμενη αντίσταση γείωσης: RA=24 Ω,ΔΔΡ: IΔn=30 mA.Οι μαθητές υπολογίζουν: RA IΔn = 24 0,03 = 0,72V και συγκρίνουν το αποτέλεσμα με τη συμβατική οριακή τάση επαφής: RA IΔn < 50 VΚρίσιμες ερωτήσεις•Μπορούμε να εγκρίνουμε ολόκληρη την εγκατάσταση μόνο από αυτόν τον υπολογισμό;•Έχει ελεγχθεί η συνέχεια του PE;•Έχει δοκιμαστεί ο χρόνος και το ρεύμα απόζευξης του ΔΔΡ;•Έχει ελεγχθεί η αντίσταση μόνωσης;•Έχει ελεγχθεί η πολικότητα;•Έχουν εξεταστεί οι συνθήκες του συγκεκριμένου συστήματος γείωσης;•Είναι η τιμή επαναλήψιμη και τεχνικά τεκμηριωμένη;Τοεπιδιωκόμενοσυμπέρασμαείναιότιητιμήτηςαντίστασηςγείωσηςδεναξιολογείταιαπομονωμένααπότοσύστημαπροστασίαςκαι τους υπόλοιπους ελέγχους.Αντιπαράθεση ομάδωνΚάθε ομάδα παρουσιάζει:•την αρχική της υπόθεση,•τη μεταβλητή που εξέτασε,•τη διάταξη που χρησιμοποίησε,•τα αποτελέσματα,•ένα πιθανό σφάλμα,•το τελικό συμπέρασμα,•τον βαθμό βεβαιότητάς της.Οι υπόλοιπες ομάδες λειτουργούν ως ελεγκτές και ρωτούν:•Τι κρατήσατε σταθερό;•Πόσες φορές επαναλάβατε τη μέτρηση;•Πώς αποκλείσατε την κακή σύνδεση;•Γιατί επιλέξατε αυτή τη θέση ηλεκτροδίου;•Ποια είναι η αβεβαιότητα του αποτελέσματός σας;•Τι θα αλλάζατε σε μια νέα μέτρηση;Τελικό επαγγελματικό σενάριοΜια ομάδα ηλεκτρολόγων πρόκειται να παραδώσει την εγκατάσταση ενός μικρού σχολικού εργαστηρίου. Από τη μέτρηση προέκυψαν:U = 12 V I = 0,5 AΆρα:Rg = 12 / 0,5 = 24 ΩΚατά τη μετακίνηση όμως του ηλεκτροδίου δυναμικού προκύπτουν οι τιμές:Θέση 1: 17 ΩΘέση 2: 23 ΩΘέση 3: 24 ΩΘέση 4: 24,5 ΩΘέση 5: 31 ΩΑποστολή των ομάδωνΝα συντάξουν τεχνικό πόρισμα 150–200 λέξεων που να περιλαμβάνει:•την υπολογιζόμενη αντίσταση,•αξιολόγηση της σταθερότητας των μετρήσεων,•επιλογή των μετρήσεων που θεωρούν αντιπροσωπευτικές,•πιθανές αιτίες των ακραίων τιμών,•απόφαση αποδοχής, επανάληψης ή περαιτέρω διερεύνησης,•πρόσθετους ελέγχους πριν από την παράδοση,•σαφή αναφορά στους περιορισμούς της μεθόδου.Κανόνες ασφάλειας•Η άσκηση δεν πραγματοποιείται με απευθείας τροφοδότηση από το δίκτυο 230/400 V.•Χρησιμοποιείται μόνο κατάλληλη, απομονωμένη και περιορισμένου ρεύματος πηγή δοκιμής.•Δεν πραγματοποιείται μέτρηση σε ενεργό ή κοινόχρηστο σύστημα γείωσης.•Πριν από κάθε αλλαγή εφαρμόζεται απομόνωση της πηγής.•Επιβεβαιώνεται η απουσία τάσης πριν από την επανασύνδεση.•Το αμπερόμετρο δεν συνδέεται ποτέ παράλληλα με την πηγή.•Οι περιοχές των οργάνων επιλέγονται πριν από την ηλεκτροδότηση.•Ελέγχονται οι αγωγοί, οι ακροδέκτες και η μόνωσή τους.•Δεν αγγίζονται ηλεκτρόδια και γυμνοί αγωγοί κατά τη μέτρηση.•Η περιοχή των βοηθητικών ηλεκτροδίων οριοθετείται ώστε να μην πλησιάζουν τρίτα πρόσωπα.•Δεν μετακινείται κανένα στοιχείο όσο η διάταξη βρίσκεται υπό τάση.•Καμία ομάδα δεν ηλεκτροδοτεί τη διάταξη χωρίς έγκριση.•Η ελεγχόμενη ηλεκτροδότηση και η τελική διακοπή γίνονται αποκλειστικά από τον εκπαιδευτικό.Φύλλο αυτοαξιολόγησηςΟι μαθητές σημειώνουν:Μπορώ να εξηγήσω γιατί το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα.Μπορώ να εξηγήσω γιατί το αμπερόμετρο συνδέεται σε σειρά.Μπορώ να υπολογίσω σωστά το Rg.Μπορώ να εντοπίσω μια ύποπτη μέτρηση.Μπορώ να διακρίνω τη μεταβλητή από τις σταθερές συνθήκες.Μπορώ να αιτιολογήσω γιατί απαιτούνται επαναλήψεις.Μπορώ να εξηγήσω γιατί η θέση των ηλεκτροδίων επηρεάζει τη μέτρηση.Μπορώ να συντάξω τεχνικό πόρισμα χωρίς να βασίζομαι μόνο σε μία αριθμητική τιμή.Τήρησα τη διαδικασία απομόνωσης και ελέγχου.Δεν προχώρησα σε μη εγκεκριμένη αλλαγή της διάταξης.
Μεταβλητή
Υπόθεση της ομάδας
Αιτιολόγηση
Υγρασία εδάφους
Βάθος ηλεκτροδίου
Απόσταση βοηθητικού ηλεκτροδίου
Ποιότητα σύνδεσης
Επιφάνεια επαφής ηλεκτροδίου
Διαφορετικό σημείο εγκατάστασης
Μηχανική ισχύς κινητήρα
Μέτρηση
Τάση U (V)
Ενταση Ι (Α)
Rg = U / I (Ω)
Παρατηρήσεις
1
2
3
Δοκιμή
Τάση U (V)
Ενταση Ι (Α)
Rg = U / I (Ω)
1
2
3
4
Θέση ηλεκτροδίου δυναμικού
Απόσταση (m)
Τάση U (V)
Ενταση Ι (Α)
Rg = U / I (Ω)
1
2
3
4
5
Συνθήκη
Μεταβλητή που αλλάζει
Σταθερές μεταβλητές
Rg (Ω)
Συμπέρασμα
1
2
3
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ
Μαθησιακοί στόχοιΓνώσειςΟι μαθητές θα μπορούν:να εξηγούν τον σκοπό της γείωσης,ναδιακρίνουντοηλεκτρόδιογείωσηςαπότοναγωγό προστασίας PE,να εξηγούν τη σχέση Rg=U/I,νααναγνωρίζουντουςπαράγοντεςπουεπηρεάζουν την αντίσταση γείωσης,νασυσχετίζουντηγείωσημετηλειτουργίατων διατάξεων προστασίας,ναεξηγούνγιατίμίαμεμονωμένηένδειξηδεναρκεί πάντα.ΔεξιότητεςΟι μαθητές θα μπορούν:να σχεδιάζουν τη διάταξη μέτρησης,νασυνδέουντοαμπερόμετροσεσειράκαιτο βολτόμετρο παράλληλα,να επιλέγουν σωστή περιοχή μέτρησης,να πραγματοποιούν επαναλαμβανόμενες μετρήσεις,να μεταβάλλουν έναν παράγοντα κάθε φορά,ναυπολογίζουντηναντίστασηαπότιςτιμέςτάσηςκαι ρεύματος,να δημιουργούν πίνακα και διάγραμμα \(U=f(I)\),να εντοπίζουν αποκλίσεις ή μη αξιόπιστες μετρήσεις,να συντάσσουν σύντομο τεχνικό πόρισμα.ΣτάσειςΟι μαθητές θα αναπτύξουν:προσήλωση στην ασφάλεια,υπευθυνότητα κατά τη χρήση οργάνων,συνεργασία και καταμερισμό αρμοδιοτήτων,κριτική αντιμετώπιση των αποτελεσμάτων,επαγγελματική νοοτροπία ελέγχου και τεκμηρίωσης,προθυμία επανάληψης μιας αμφίβολης μέτρησης.
Ηαποτελεσματικότηταμιαςγείωσηςεξαρτάταικυρίωςαπότην αντίστασηγείωσης.Όσομικρότερηείναιηαντίστασηγείωσης, τόσοευκολότεραμπορείναπεράσειτορεύμασφάλματοςκαινα ενεργοποιηθούν οι διατάξεις προστασίας.
Η κατασκευή μιας γείωσης δεν ολοκληρώνεται χωρίς μέτρηση.Έναηλεκτρόδιοπουέχειτοποθετηθείστοέδαφοςδενσημαίνει απαραίτηταότιπαρέχειασφαλήπροστασία.Απαιτείταιέλεγχος της πραγματικής του συμπεριφοράς.
Τοξηρόέδαφοςαυξάνειτηναντίστασηγείωσης.Σεπεριόδους μεγάληςξηρασίαςμπορείνααπαιτείταιβελτίωσητης εγκατάστασης γείωσης ή πρόσθετα ηλεκτρόδια.
Το υλικό του ηλεκτροδίου πρέπει να επιλέγεται κατάλληλα.Οχαλκόςκαιογαλβανισμένοςχάλυβαςχρησιμοποιούνταιεπειδή παρουσιάζουνκαλήηλεκτρικήαγωγιμότητακαιαντοχήστις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Ημέτρησημετημέθοδοβολτομέτρου–αμπερομέτρουβασίζεται στον νόμο του Ohm.
Ταβοηθητικάηλεκτρόδιαμέτρησηςπρέπεινατοποθετούνται σωστά.Λανθασμένητοποθέτησημπορείναοδηγήσεισε ανακριβείς μετρήσεις της αντίστασης γείωσης.
Κατάτημέτρησηπρέπεινααποφεύγονταιανεπιθύμητες παράλληλεςδιαδρομέςρεύματος.Άλλεςγειώσειςπουσυνδέονται στο ίδιο σύστημα μπορούν να επηρεάσουν το αποτέλεσμα.
Ημικρήαντίστασηγείωσηςδενσημαίνειπάντααυτόματαότιη εγκατάστασηείναιασφαλής.Πρέπειναεξετάζεταισυνολικάτο σύστημαπροστασίας,οιδιατάξειςπροστασίαςκαιησωστή λειτουργία τους.
Ηγείωσησυνεργάζεταιμετιςπροστατευτικέςδιατάξεις. Ασφάλειες,μικροαυτόματοικαιδιακόπτεςδιαφορικούρεύματος (ΔΔΡ)λειτουργούναποτελεσματικάμόνοόταντοσύστημα γείωσης είναι σωστά σχεδιασμένο.
Ηθεμελιακήγείωσηαποτελείσύγχρονηκαιαξιόπιστηλύσηστις νέεςκατασκευές.Προσφέρειμεγάληεπιφάνειαεπαφήςμετο έδαφος και υψηλή μηχανική αντοχή.
Ημέτρησηγείωσηςαποτελείμέροςτουτελικούελέγχουμιας ηλεκτρικήςεγκατάστασης.Πριντηνπαράδοσηενόςέργουπρέπει ναπραγματοποιούνταιοιαπαραίτητεςδοκιμέςκαινα καταγράφονται τα αποτελέσματα.
Ηκαλήγείωσηπροστατεύειτόσοτουςανθρώπουςόσοκαιτον εξοπλισμό.Μειώνειτονκίνδυνοηλεκτροπληξίαςκαιπεριορίζει τις επιπτώσεις ηλεκτρικών σφαλμάτων.
Ημέτρησηγείωσηςαποτελείαπόδειξηποιότηταςτηςηλεκτρικής εγκατάστασης.Οεπαγγελματίαςηλεκτρολόγοςδενπαραδίδειμια εγκατάστασηεπειδή«φαίνεταισωστή»,αλλάεπειδήέχειελεγχθεί και τεκμηριωθεί με μετρήσεις.