Токовые клещи

Клещеобразные токовые датчики разработаны для расширения возможностей измерения цифровых мультиметров, измерителей параметров мощности, осциллографов, портативных осциллографов, регистрираторов или самописцев, и других разнотипных инструментов. При тестировании клещи смыкаются вокруг проводника тока для проведения бесконтактного измерения без разрыва цепи . Выходные значения в виде напряжения или тока прямо пропорциональны измеряемому току.   Это дает возможность проводить измерения и выводить значения на дисплей приборов с небольшим диапазоном входных значений напряжения и тока.

При измерениях проводник тока не разрывается и остаётся электрически изолированным от входов измерительного прибора. В результате чего низковольтные входы могут быть переведены в третье состояние (с высоким импедансом) или заземлены. Для выполнения измерения с помощью токового датчика нет необходимости прерывать подачу питания, что устраняет простои, обходящиеся подчас очень дорого.

Измерение действительных среднеквадратических значений, в диапазоне частотных характеристик датчика, возможно при использовании токового датчика CHAUVIN ARNOUX с мультиметром RMS, предназначенным для измерения среднеквадратических значений. В большинстве случаев измерение среднеквадратических значений ограничивается не возможностями данных токовых датчиков, а приборами к которым они подключены . Наилучшие результаты измерения обеспечиваются при применении датчиков обладающих высокой точностью, хорошей частотной характеристикой, при минимальном сдвиге фаз.

CHAUVIN ARNOUX предлагает широкий выбор токовых датчиков для измерения постоянного (DC) и переменного (AC) тока. Несколько токовых датчиков CHAUVIN ARNOUX имеют патенты на их уникальную схему и дизайн.

Токовые датчики для измерения переменного тока.

Принцип работы

Токовый датчик для измерения параметров переменного тока может рассматриваться как разновидность простого трансформатора тока. Трансформатор (рис.1) по существу имеет две катушки на общем железном сердечнике. Напряжение I1подаётся на катушку В1, наводя через общий сердечник напряжение I2 на катушке В2. Число витков на каждой катушке и значение напряжения имеют отношение по формуле:

N1 x I1 = N2 x I2, где N1 и N2 это число витков на каждой катушке. Из этого отношения следует: I2 = N1 x I1/N2 и I1 = N2 x I2/N1.

Рисунок 1

Тот же самый принцип используется в токовом датчике (рис. 2). На замкнутом магнитопроводе в виде клещей замкнутых на проводнике, находится катушка B2 , по которой протекает электрический ток I1.

В1 это просто проводник, на котором пользователь проводит измерения, при количестве обмоток, образуемых проводником - равным единице. Токовый датчик замкнутый вокруг проводника вырабатывает выходной ток, значения которого определяются количеством витков на катушке В2, по формуле:

I2 (выход датчика) = (N1 / N2) x I1, где N1 = 1 или, иначе, Выходное зачение датчика = I1/N2 (где N2 это число витков на катушке датчика).

Часто бывает очень трудно измерить I1 непосредственно, так как значение силы тока слишком велико, чтобы подавать его непосредственно на цепь измерительного прибора, или просто потому, что недопустимо разрывать цепь. Для обеспечения приемлемого выходного значения на катушке датчика размещается большое   количество витков.

Рисунок 2

Количество витков на катушке датчика в большинстве случаев имеют кратные значения (например, 100, 500 или 1000).

Если N2 равно 1000, в этом случае клещи имеют соотношение N1/ N2 или 1/1000, которое обозначается как 1000:1. Ещё один способ выразить соотношение это сказать что выходное значение датчика 1 мА/А - выходное значение 1 мА (I2) для 1А (или 1А@1000А) появляющееся на дисплее датчика. Существует множество других возможных соотношений: 500:5, 2000:2, 3000:1, 3000:5 и так далее  - для различного применения. В большинстве случаев токовый датчик используется с цифровым мультиметром. Рассмотрим для примера токовый датчик с соотношением 1000:1 (модель C30) с токовым выходом и соотношением 1мА/A.

Данное соотношение означает, что ток, протекающий через захваты токовых клещей преобразуется в ток на выходе следующим образом:

Выход датчика подключается к цифровому мультиметру, в режиме измерения  переменного тока  в соответствующем диапазоне значений для преобразования выходного сигнала датчика. Затем, для определения параметров тока в проводнике необходимо умножить показания мультиметра на соотношение датчика (например, значение 150 мА в диапазоне измерения 200 мА соответствует силе тока 150 мА x 1000 = 150 A в измеряемом проводнике).

Токовые клещи могут использоваться и с другими приборами измеряющими ток в диапазоне, соответствующем выходу датчика, если данные измерительные приборы имеют требуемое   входное сопротивление (см. рис. 3).

Рисунок 3

Токовые датчики могут также иметь выходы как по току так и по напряжению, для осуществления измерений тока приборами имеющими только входы по напряжению (регистрирующие устройства, осциллографы и т.д. рис. 4 и 5).

Рисунок 4

Рисунок 5

Это  просто осуществить согласованием токового выхода датчика с датчиком, имеющем на выходе напряжение  (модель Y4N или Mini1). В этих случаях напряжение на выходе датчика в мВ пропорционально измеряемому току   (напр. 1мВ/А  переменного тока).

Токовые клещи для измерения параметров постоянного и переменного тока

Принцип работы (эффект Холла)

В отличие от традиционных преобразователей переменного тока, измерение параметров переменного и постоянного тока часто осуществляется посредством измерения напряжённости магнитного поля созданного проводником тока в полупроводниковом кристалле в соответствиис эффектом Холла.

Когда тонкий полупроводник (рис. 6) располагается под прямым углом к магнитному полю (B), и на него подаётся ток (Id), на концах полупроводника возникает напряжение (Vh). Это напряжение  известно как напряжение Холла, в честь американского учёного Эдвина Холла, который первым открыл это явление.

Рисунок 6

Когда ток возбуждения (Id) в устройстве Холла поддерживается постоянным, напряжённость магнитного поля (B) является прямо пропорциональной току в измеряемом проводнике. Таким образом, выходное напряжение (Vh) соответствует данному току. Подобная схема имеет два важных преимущества для измерения параметров тока:

• Первое, так как напряжение Холла не зависит от изменения направления магнитного поля, а только от значения  его напряжения  то данное устройства может быть использовано для измерения постоянного тока.
• Второе, когда напряжение магнитного поля изменяется вследствие изменения тока в проводнике, реакция на изменение происходит мгновенно.  Таким образом, форма электромагнитной волны переменного тока может быть определена и измерена с высокой точностью и небольшим сфазовым сдвигом.

Базовая конструкция  датчика в виде токовых клещей в показана на рис. 7 (примечание: используется один или два генератора Холла в зависимости от типа токового датчика).

Рисунок 7

Большинство токовых датчиков CHAUVIN ARNOUX, для измерения переменного и постоянного тока, разработаны на принципе рассмотренн ом выше, с использованием запатентованной электронной схем объединяющей в себе преобразование сигнала для передачи на линейный выход и цепь компенсации температуры.

Токовые датчики имеют широкий динамический диапазон и частотную характеристику, а также выходной линейный сигнал высокой точности. Они могут применяться во всех областях измерения тока до 1500 A. Постоянный ток может быть измерен без дорогих, мощных  шунтов. Переменный ток частотой до нескольких килогерц может быть измерен с точностью требуемой для измерения   сложных сигналов, а также для измерения среднеквадратических значений.

Выходной сигнал токового датчика в милливольтах мВ (мВ DC при измерении постоянного тока, и мВ AC при измерении переменного тока), выход датчика может быть подключен к большинству приборов, имеющих вход для измерения напряжения, как мультиметр, осциллограф, портативный осциллограф, самописец и т.п.

CHAUVIN ARNOUX также предлагает различные решения для измерение постоянного тока, такие как К1 и К2, разработанные для измерения постоянного тока с очень небольшим значением , использующие технологии с насыщенным магнитным полем.

Датчики для переменного и постоянного тока позволяют измерять и выводить на дисплей действительные среднеквадратические для значения для AC или AC+ DC.

Измерение переменного и постоянного тока:

- Подключите датчик к измерительному прибору.

- Выберите функцию и диапазон измерения.

- Замкните датчик вокруг одного провода.

- Считайте значение тока в проводнике.

Пример:

Рисунок 8

Измерение переменного тока (АС): модель датчика тока: Y2N

Соотношение:1000:1
Выходной сигнал :1 мА AC/ A AC .
Мультиметр: установите диапазон измерения 200 мА AC (переменного тока).
Считываемое значение на мультиметре: 125 мА АС
Сила тока в проводнике: 125 мА x 1000 = 125 A AC  

Измерение постоянного тока (DC): модель датчика тока : PAC 21

1 мВ DC/A DC (датчик Холла)
Мультиметр: установлен диапазон измерения 200 мВ DC.
Показания на приборе :160 мВ DC
Сила тока в проводнике:160 A DC

Измерение переменного тока AC: модель датчика : PAC 11

Выход -1 мВ AC/A AC
(датчик Холла)
Мультиметр : установлен диапазон измерения 200 мВ AC.
Показания на приборе:120 мВ AC
Сила тока в проводнике:120 A AC

Измерение постоянного тока DC: микродатчик К1.

Выход :1 мВ/мА
Мультиметр: установлен диапазон измерения 200 мВ DC.
Показания измерительного прибора: 7.4 мВ DC
Сила тока в проводнике:7.4 мА DC

Измерение малых значений тока, измерение на петлях из проводника, измерение тока утечки и другие измерения

Для измерения малого тока предлагается большое число датчиков, например К1 и К2 имеют чувствительность 50 мА DC, а модель K2 может быть использована для измерения на кольцах из проводника с ток ом 4-20 мА.  Имеется специальный раздел каталога для датчиков, измеряющих малые значения тока.

Пример :
петля 4-20 мА
Модель датчика K2
Выход : 10мВ/мА
Мультиметр: установите диапазон измерения 200 мВ DC.
Показание мультиметра:135 мВ DC (постоянного тока).
Сила тока в петле:13.5 мА DC (постоянного тока).

Если измеряемое значение слишком мало, для использования датчика или для увеличения точности измерения можно замкнуть клещами несколько петель  проводника тока. Значение тока определяется отношением показания прибора к количеству витков проводника охваченных токовыми клещами (показания прибора необходимо разделить на количество витков замкнутых клещами).

Пример:
Модель датчика: С
Соотношение:1000:1
Цифровой универсальный измерительный прибор: установите диапазон измерения 200
мА AC.
Сделайте 10 петель из проводника и замкните вокруг их токовые клещи.
Показание измерительного прибора :60 мА AC
Сила тока в проводнике: 60 мА x 1000 /10 = 6000 мА = 6 A

Рисунок 9

Когда токовые клещи замкнуты вокруг двух проводников с различной полярностью, прибор будет показывать разницу значений тока двух проводников. Если значения равны прибор будет показывать нулевое значение (рис. 10). Если прибор показывает значение отличное от "0", то прибор  показывает значение утечки тока для данной нагрузки.

Рисунок 10

Для измерения малых значений тока или для измерения утечки необходимо использовать токоизмерительные клещи предназначенные для измерения небольших значений, как, например модель В2.

Ток утечки на землю может быть измерен непосредственно при использовании следующей простой модели (рис. 11).

Рисунок 11

Пример : рис. 11.

Модель датчика Miniclamp1
Соотношение :1 мВ/мА AC
Мультиметр: установите диапазон измерения 200 мВ AC.
Показание измерительного прибора :10 мВ AC
Ток утечки:10 мА AC.

Выбор датчика тока.

Ответ на следующие вопросы поможет Вам выбрать токовый датчик для соответствующего применения.

1. Определите тип измеряемого тока: переменный или постоянный ток (датчики, предназначенные для измерения постоянного тока, имеют обозначение AC/DC (переменный/постоянный), так как они могут измерять значения, как для переменного, так и для постоянного тока).

2. Определите наибольшее и наименьшее значение. Определите  подходит ли точность измерения в нижнем диапазоне или выберите токовый датчик для малых значений тока. Многие датчики имеют высокую точность измерения в верхнм  диапазоне. Некоторые же предназначены для измерения небольших значений переменного или постоянного тока.

3. Какой диаметр провода необходимо охватить клещами? Этот параметр определяет необходимый размер токовых клещей.

4. Какой тип выхода датчика необходим Вам или в каких единицах будет выполняться измерение (мА, мВ, AC, DC, и т.п.)? Убедитесь, что входной импеданс измерительного прибора соответствует техническим требованиям.

Другие факторы, которые Вам необходимо учесть.

• Какое значение напряжения для проводника, на котором выполняется измерение?
  Датчики CHAUVIN ARNOUX не должны использоваться для напряжений выше 600 В (смотрите технические требования).
• Какой тип выходов Вам необходим: Джек, провода со штепселями или BNC - разъём?
• Определите, датчик будет использоваться для измерения силовых или гармонических значений?

Обратите внимание на характеристики по частотным параметрам и по сдвигу фаз.

Источник