Cęgi prądowe

Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że prąd zawsze musi być mierzony szeregowo z odbiornikiem. Wewnętrzna rezystancja amperomierza nieuchronnie zawsze prowadzi do zmiany całego obwodu. Dlatego rezystancja wewnętrzna musi być jak najmniejsza, jednak często nie ma możliwości rozłączenia obwodu w celu zmierzenia prądu amperomierzem lub prąd w sieci AC jest bardzo duży, przez co pomiar prądu kontaktowego nie jest możliwy. Tutaj właśnie swoje zastosowanie znajdują cęgi prądowe.

Ogólna zasada działania cęgów prądowych
Wokół każdego przewodnika elektrycznego, przez który płynie prąd, znajduje się pole magnetyczne, które rozprzestrzenia się liniowo. W przypadku prądu stałego jest to pole magnetyczne prądu stałego, a w przypadku prądu przemiennego jest to zmienne pole magnetyczne. Cęgi prądowe wykorzystują ten efekt i w zależności od rodzaju prądu mierzą prąd za pomocą czujnika Halla (prąd stały) lub na zasadzie transformatora (prąd przemienny).

Które cęgi prądowe należy zastosować?
Wybór cęgów prądowych zależy od różnych czynników. Pierwszym czynnikiem wyboru cęgów prądowych jest rodzaj prądu. Najczęstszym są cęgi prądowe do prądu przemiennego. W przypadku zastosowań, w których prąd stały ma być również mierzony za pomocą cęgów prądowych, na przykład do pomiaru prądu z systemu PLC, wymagane są cęgi prądowe, które mogą mierzyć prąd stały. Cęgi prądowe, które mogą mierzyć prąd stały, często mierzą również prąd przemienny.

Kolejną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę przy zakupie odpowiednich cęgów prądowych, jest natężenie prądu. Ogólnie można powiedzieć, że im wyższy prąd ma być mierzony, tym większa jest konstrukcja cęgów prądowych. Szczególnym typem cęgów prądowych jest cewka Rogowskiego. Ten typ cęgów prądowych jest często używany do bardzo wysokich prądów przemiennych, ponieważ można tu uzyskać bardzo duże rozmiary. Dużą zaletą cęgów prądowych opartych na cewce Rogowskiego jest to, że cewka pomiarowa jest bardzo elastyczna w porównaniu do szczęk pomiarowych cęgów prądowych opartych na rdzeniu ferrytowym. Elastyczne cęgi prądowe są często używane do pomiarów w szczególności w szafach sterowniczych, ale także w wielu innych trudno dostępnych miejscach.

Cęgi prądowe są również często używane do pomiaru energii elektrycznej. Ta specjalna forma cęgów prądowych jest szeroko stosowana w technice pomiarów elektrycznych. Należy przy tym przestrzegać następujących zasad: Pomiar mocy za pomocą cęgów prądowych w sieci trójfazowej, zwanej także prądem trójfazowym, jest możliwy tylko przy symetrycznym obciążeniu. Jednak symetryczne obciążenie jest dość rzadkie i w praktyce występuje tylko w przypadku silnika 3-fazowego lub grzałki 3-fazowej. W przypadku niesymetrycznie obciążonych faz w sieci trójfazowej należy zastosować osobne cęgi prądowe dla każdej fazy. PCE Instruments oferuje odpowiednie cęgi prądowe z funkcją pomiaru mocy. Dzięki temu, że zarówno 3 prądy różnych faz są mierzone odpowiednimi cęgami prądowymi, jak i napięcie 3 faz łącznie z przewodem neutralnym w sieci trójfazowej, użytkownik otrzymuje cały szereg zmierzonych i obliczonych wyników, które pokazują cęgi prądowe 3-fazowe z funkcją pomiaru mocy. Takie cęgi pomiarowe pokazują w szczególności: napięcie międzyfazowe, napięcia między fazą a przewodem neutralnym, prąd fazowy mierzony cęgami prądowymi, moc czynna, pozorna i bierna na fazę i całkowita, współczynniki mocy, przesunięcie fazowe na fazę oraz aktywną Ślepą i pozorną energię

Specjalną funkcją pomiarową cęgów prądowych jest tak zwana funkcja rozruchu. Ta funkcja jest zawsze używana, gdy trzeba zmierzyć prąd rozruchowy maszyn lub silników. Cęgi prądowe po uruchomieniu znajdują się w swego rodzaju stanie czuwania. Gdy tylko cęgi wykryją prąd, jest on wykrywany z bardzo dużą częstotliwością próbkowania, a wartość szczytowa jest pokazywana na wyświetlaczu, nawet jeśli po włączeniu prąd ponownie spada na niższy poziom.

Cęgi prądowe TRMS mogą mierzyć wartość prądu TRMS. TRMS oznacza True Root Mean Square, tłumaczenie to: „prawdziwa wartość efektywna”. Wyrażenie jest nieco niefortunne, ponieważ wartość RMS nie może być prawdziwa ani fałszywa. Oznacza to, że cęgi prądowe TRMS rejestrują prąd przy dużej częstotliwości próbkowania i odpowiednio go obliczają. Cęgi prądowe bez funkcji TRMS mierzą wartość szczytową i przyjmuje przebieg sinusoidalny oraz oblicza wartość prądu z odpowiednim współczynnikiem kształtu. Jeśli jednak prąd nie jest sinusoidalny ze względu na obciążenie lub pierwotną postać napięcia, cęgi prądowe wyświetlają nieprawidłową zmierzoną wartość. Inne funkcje specjalne, takie jak pomiar napięcia lub pomiar rezystancji i pomiar temperatury, uzupełniają zakres usług miernika prądu zacisk.

Cęgi prądowe służą do pośredniego pomiaru prądu elektrycznego w przewodach przewodzących prąd. W przeciwieństwie do pomiaru prądu stałego, który wymaga odłączenia badanego obwodu, cęgi prądowe mierzą bezdotykowo. Urządzenia wykorzystują podstawową zasadę fizyczną indukcji magnetycznej, w której kable przewodzące prąd indukują mierzalne pole elektryczne. Pomiar bezkontaktowy ma kilka zalet. Z jednej strony pomiary można wykonywać również na izolowanych przewodach bez konieczności przerywania bieżącej pracy urządzeń i maszyn elektrycznych. Z drugiej strony ta metoda eliminuje sprzężenie potencjałów mierzonej wielkości i sygnału pomiarowego, co pozwala uniknąć niedokładności metrologicznych.

Poprzez określenie siły pola elektrycznego otaczającego przewodnik prądu przemiennego, cęgi prądowe potrafi bardzo dokładnie określić natężenie prądu przemiennego. Cęgi prądowe dla prądu stałego określają prąd za pomocą czujnika Halla. Mierzy pole magnetyczne, które istnieje wokół przewodnika, przez który przepływa prąd stały. W tym celu przewód przewodzący prąd jest prowadzony przez laminowany, izolowany i podzielny rdzeń z przodu cęgów prądowych. Nowoczesne cęgi prądowe przekazują powstałe pole magnetyczne przez cęgi prądowe do obwodów elektronicznych i wzmacniaczy wewnątrz cęgów prądowych i przetwarzają pole E lub natężenie pola magnetycznego, w zależności od ustawienia i konstrukcji, na prąd stały lub prąd przemienny. Zmierzona wartość na cęgach prądowych jest zwykle pokazywana na wyświetlaczu LCD. W zależności od konstrukcji i wielkości miernika cęgowego, ten wyświetlacz może wizualizować postępy graficzne. Zmierzone wartości można następnie odczytać z wyświetlacza cyfrowego. Jednak zakres pomiarowy tej pośredniej i praktycznej metody pomiarowej jest ograniczony dwoma parametrami. Z jednej strony bardzo małe prądy nie mogą być mierzone za pomocą cęgów prądowych, ponieważ nie można już wykryć indukowanych pól magnetycznych. Z drugiej strony przekroje przewodów wymagane dla dużych prądów i odpowiednio zwymiarowane rdzenie cęgowe ograniczają obsługę tych urządzeń pomiarowych. Nawet jeśli cęgi prądowe nie są idealnym przyrządem pomiarowym do szczególnie małych prądów i bardzo dużych przekrojów przewodów oraz do pomiarów w trudno dostępnych miejscach, spektrum wydajności tego praktycznego i szybkiego przyrządu pomiarowego jest wystarczające do wielu zastosowań.

Technologia motoryzacyjna jest świetnym tego przykładem. W tym przypadku cęgi prądowe można wykorzystać do zbadania uszkodzonej elektroniki pojazdu .Cęgi prądowe są również przydatną pomocą przy poszukiwaniu prądów upływowych wewnątrz pojazdu. Cęgi prądowe znajdują swoje zastosowanie od prostego użytku prywatnego w hobby, przez zastosowanie w warsztacie, po wielkoskalową analizę i ocenę zmiennych elektrycznych przez techników i inżynierów, dlatego cęgi prądowe to urządzenia, które są używane w wielu obszarach.

Bardzo małe prądy
Przy bardzo małych prądach czasami bardzo trudno jest wyświetlić zmierzoną wartość za pomocą cęgów prądowych. W takim przypadku przewód można owinąć kilka razy wokół szczęki pomiarowej cęgów prądowych. Wyświetlony wynik cęgów prądowych należy następnie podzielić przez liczbę zwojów.

Skrót EV oznacza pojazd elektryczny w połączeniu z pojazdami silnikowymi, czyli dla pojazdów z napędem elektrycznym. W przypadku pomiarów elektrycznych w konwencjonalnych i elektrycznych pojazdach silnikowych cęgi prądowe muszą być odpowiednie do pomiarów prądu stałego oraz powinny być możliwie kompaktowe i wytrzymałe ze względu na zwykle bardzo ograniczoną przestrzeń.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych pojazdów z silnikami spalinowymi, pojazdy z napędem elektrycznym wymagają znacznie wyższych napięć i prądów dla potężnych dodatkowych odbiorników energii elektrycznej. Dlatego w pojazdach elektrycznych i hybrydowych stosowane są różne poziomy napięcia, podczas gdy w konwencjonalnych pojazdach z silnikami wysokoprężnymi i benzynowymi wszystkie odbiorniki są zwykle zasilane z akumulatora 12 V (lub 24 V). Cęgi prądowe do pomiarów w pojazdach elektrycznych i hybrydowych powinny zatem idealnie mierzyć zarówno niskie prądy, np. ze świateł pojazdu, podnośników szyb i wyświetlaczy w kokpicie, jak i wysokie prądy wzdłuż elektrycznego układu napędowego.

W zależności od konstrukcji cęgów prądowych, na wyniki pomiarów prądu stałego może mieć większy lub mniejszy wpływ wcześniejsze namagnesowanie i inne linie, które znajdują się blisko punktu pomiarowego. Korzystne jest, jeśli cęgi prądowe automatycznie kompensują to za pomocą kontroli przesunięcia lub można je po prostu wyzerować przed właściwym pomiarem prądu stałego.

Prąd przemienny z sieci służy przede wszystkim do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych, w pojazdach instalowane są przetwornice do przetwarzania prądu przemiennego na prąd stały. Wymagany czas ładowania zależy zarówno od stacji ładowania, jak i od wyposażenia pojazdu elektrycznego. Podobnie jak w przypadku innych linii ze złączami wtykowymi, poszczególne żyły kabli ładujących nie są swobodnie dostępne. Aby podczas procesu ładowania móc mierzyć poszczególne linie cęgami prądowymi, dostępne są specjalne adaptery. Na przykład istnieją skrzynki pomiarowe, do których podłączony jest kabel ładujący i które są połączone ze stacją ładującą za pomocą odpowiedniego kabla połączeniowego. Cęgi prądowe mogą następnie mierzyć prąd przemienny na przewodach przyłączeniowych, które można indywidualnie odczepić w obudowie.

W przypadku pomiarów związanych z jakością i bezpieczeństwem używane cęgi prądowe muszą być regularnie kalibrowane. Kalibracja to termin techniczny służący do sprawdzania dokładności urządzenia pomiarowego lub sprzętu pomiarowego poprzez pomiary porównawcze.

Sprzęt do kalibracji cęgów prądowych
Wielofunkcyjne kalibratory są często używane do kalibracji cęgów prądowych dla zmiennych elektrycznych. Kalibratory te wytwarzają regulowane stabilne wartości wyjściowe, które można bezpośrednio porównać z odczytami cęgów prądowych. Używany kalibrator musi być regularnie sprawdzany za pomocą bardziej precyzyjnych wzorców kalibracyjnych, tzn. sam musi być również kalibrowany. Gwarantuje to, że dokładność generowanych wielkości spełnia wymagania.

Aby skalibrować cęgi prądowe, kalibrator nie musi być zaprojektowany do wyprowadzania najwyższej pożądanej wartości prądu. Prąd wyjściowy można łatwo zwielokrotnić przez wielokrotne zwoje podłączonego przewodu przewodzącego prąd lub przez specjalne cewki pomiarowe. Przez każde uzwojenie przepływa taka sama ilość prądu. Jeśli cęgi prądowe zamkną jednocześnie 50 zwojów, mierzone natężenie prądu wzrasta 50-krotnie. Oznacza to, że zamiast dostarczanych 10 amperów, dokładność pomiaru można zmierzyć przy 500 amperach. Dotyczy to zarówno prądu przemiennego, jak i prądu stałego.

Wyznaczanie tolerancji
Dla każdego cęgu prądowego specyfikacja techniczna określa tolerancję dokładności pomiarów. Jednak użytkownik cęgów prądowych wymaga dowodu, że urządzenie pomiarowe spełnia wymagania dokładności dla danego zastosowania. Dopuszczalna tolerancja dla zadania pomiarowego może być mniejsza lub większa niż tolerancja potwierdzona przez producenta dla zastosowanego typu urządzenia. Dlatego do oceny wyników kalibracji muszą być odchyłki dla poszczególnych zakresów pomiarowych dokładnie określone testowane cęgi prądowe są dopuszczalne. Jeśli laboratorium kalibracyjne nie otrzyma żadnych innych specyfikacji, wykorzystuje informacje o dokładności ze specyfikacji urządzenia. Jeżeli podczas kalibracji nie zostanie osiągnięta oczekiwana dokładność, cęgi prądowe nie mogą być dalej używane lub mogą być używane tylko w ograniczonym zakresie do dalszych pomiarów.

Dlatego do oceny wyników kalibracji muszą być odchyłki dla poszczególnych zakresów pomiarowych dokładnie określone testowane cęgi prądowe są dopuszczalne. Jeśli laboratorium kalibracyjne nie otrzyma żadnych innych specyfikacji, wykorzystuje informacje o dokładności ze specyfikacji urządzenia. Jeżeli podczas kalibracji nie zostanie osiągnięta oczekiwana dokładność, cęgi prądowe nie mogą być dalej używane lub mogą być używane tylko w ograniczonym zakresie do dalszych pomiarów.

Definiowanie punktów odniesienia
Liczba i położenie wybranych punktów odniesienia są ważne dla wartości informacyjnej wyników kalibracji. Cęgi prądowe, które zostały skalibrowane tylko dla prądu stałego, nie mogą być używane jako skalibrowane cęgi prądowe do pomiarów prądu przemiennego. Przyrząd służący do pomiaru prądów stałych, przemiennych i prądów rozruchowych powinien być również skalibrowany dla tych trzech zakresów pomiarowych. Dla każdej z odrębnych funkcji pomiaru prądu należy sprawdzić co najmniej trzy punkty pomiarowe. Punkty pomiarowe powinny obejmować pełny zakres wartości, dla których stosuje się cęgi prądowe. Im więcej punktów pomiarowych jest sprawdzanych, tym bardziej szczegółowe mogą być oszacowane odchylenia.