Токоизмери́тельные кле́щи — прибор для измерения тока без разрыва цепи в которой измеряется ток и без электрического контакта с ней.
Принцип действия основан на измерении магнитного поля, порождаемого измеряемым током.
Классические токоизмерительные клещи, часто называемые клещи Дитце, позволяют измерять только переменный ток и представляют собой по сути трансформатор тока с разъемным тороидальным или близким по форме к тороидальному ферромагнитным сердечником, окно которого при измерении охватывает провод с током. Такие клещи реагируют не на сам ток, а на скорость его изменения — производную тока по времени.
Принцип работы современных токоизмерительных клещей основан на прямом измерении магнитного поля порождаемого током в проводнике вокруг проводника с помощью датчика Холла и позволяют измерять ток произвольной формы, в том числе и постоянный ток.
Принцип действия
Клещи на основе трансформатора тока
Принцип действия токоизмерительных клещей — трансформаторов тока основан на том, что ток, протекающий в проводе создаёт вихревое магнитное поле, силовые линии которого окружают проводник. На разъемном для возможности ввода проводника в окно магнитопровода, изготовленного из магнитомягкого ферромагнитного материала намотана вторичная обмотка, подключенная ко вторичному электроизмерительному прибору, шкала которого проградуирована в единицах тока. Таким образом, этот трансформатор тока имеет две обмотки, первичная — один виток это провод с измеряемым током и многовитковую вторичную обмотку.
В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея во вторичной обмотке наводится ЭДС, величина которой прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, охватываемого вторичной обмоткой. Так как величина этого потока прямо пропорциональна измеряемому току, то по измерениям этой ЭДС косвенно измеряют скорость изменения тока в проводе (производной по времени), а проинтегрировав эту ЭДС по времени можно получить истинное мгновенное значение тока в проводе.
Так как такие клещи применяются обычно для измерения токов промышленной частоты, частота которой отклоняется незначительно от номинальной (50 или 60 Гц), и форма тока близка к синусоидальной, с достаточной для практических измерений точностью можно считать, что среднеквадратическое значение этой ЭДС прямо пропорциональна среднеквадратическому значению измеряемого тока. Таким образом, измерив напряжение на вторичной обмотке, возможно определить действующее значение измеряемого тока.
Клещи с датчиком Холла
Магнитопровод таких клещей не отличается по конструкции от такового у клещей со вторичной обмоткой, но в узкий разрыв магнитопровода помещают датчик, работа которого основана на эффекте Холла. Первичный ток порождает магнитное поле в магнитопроводе, величина которого прямо пропорциональна току, а не производной тока, как у трансформаторных клещей. Так как ЭДС датчика Холла прямо пропорциональна полю, то по измерениям ЭДС Холла можно косвенно измерить ток в проводе, причём форма тока не имеет значения, например, прямоугольный, произвольной формы или постоянный. Так как ЭДС Холла меняет знак при изменении направления поля, такое устройство позволяет измерить не только величину, но и направление измеряемого тока.
Типы и методы измерений
Трансформатор тока
Эффект Холла
Катушка (пояс) Роговского
Конструкция клещей трансформаторного типа
Клещи состоят из:
- Разъёмного подпружиненного магнитопровода, выполненного из ферромагнитного шихтованного материала, на который надета многовитковая катушка, являющаяся вторичной обмоткой.
- Отсчётного устройства, в качестве которого может быть либо стрелочный прибор магнитоэлектрической системы с выпрямлением либо электронный прибор с цифровым указателем.
- Переключателя диапазонов измеряемых токов.
- Рукоятки для удержания клещей и изоляции между цепью измерения и оператором — модели для измерения в сетях выше 1000 В. Низковольтные клещи рукояток не имеют и их удержание осуществляется за диэлектрический корпус.
Разъёмный магнитопровод и измерительный элемент интегрированы в общий корпус. Часто токоизмерительные клещи конструктивно совмещаются с мультиметра: с помощью такого прибора можно измерять дополнительно постоянное и переменное напряжение, сопротивление, постоянный ток (с разрывом цепи) — для этого в приборе имеются соответствующие гнёзда для щупов, а также переключатель режимов измерения. Существуют модели приборов, с помощью которых можно измерять непосредственно потребляемую активную мощность (у таких моделей одна из шкал градуирована в единицах мощности).
Измерение тока
Измерение тока с помощью клещей Дитце производится в следующем порядке:
- Присоединяют рукоятки к прибору (для высоковольтных клещей).
- Включают питание прибора (у электронных моделей).
- Устанавливают с помощью переключателя необходимый ожидаемый диапазон измеряемого тока;
- Нажатием на специальную кнопку или на рукоятки (для высоковольтных клещей) размыкают магнитопровод и охватывают им провод с током при измерения необходимо охватить только один провод, иначе при охвате нескольких проводов прибор покажет алгебраическую сумму токов, пронизывающих окно магнитопровода, например, при охвате обоих проводов однофазного потребителя клещи покажут близкое к нулю значение тока (дифференциального тока, так как в такой паре проводов токи текут в противоположных направлениях и равны), а затем отпускают кнопку (или прекращают разведение рукояток — у высоковольтных клещей) — под действием встроенной пружины магнитопровод защелкивается и охватывает провод.
- Производят отсчёт показаний по шкале с учётом выбранного диапазона измерения.
- При необходимости производят коррекцию показаний на влияющие факторы.
Преимущества
- Измерение тока без разрыва в измеряемой цепи.
- Возможность простого измерения в высоковольтных цепях (вплоть до 10 кВ).
- Возможность измерять ток очень большой силы (что физически неосуществимо для обычных амперметров, подключённых последовательно в разрыв цепи).
- Компактность прибора.
Недостатки
- Невысокий класс точности (обычно 2,0 — 3,0).
- Некоторая зависимость показаний от положения токонесущего проводника в окне магнитопровода клещей.
- Искажение показаний в недорогих моделях от присутствия в измеряемом токе высших гармоник и от изменения частоты измеряемого тока — прибор даёт правильные показания только при синусоидальном измеряемом токе (одна из причин этого — применение в качестве измерителя магнитоэлектрической системы с выпрямлением). В современных электронных приборах этот недостаток компенсируется схемным либо программным способом.
См. также
Литература
- Панфилов В. А. Электрические измерения: учебник для студентов среднетехнического профессионального образования. — М.: Издательский центр «Академия», 1996. — 288 с. — ISBN 5-7695-3536-9.