Токоизмерительные клещи

Токоизмерительные клещи – прибор для бесконтактного измерения тока любой цепи без необходимости разрыва, как происходит с обыкновенным амперметром. Подобное техническое решение обеспечивает безопасность обслуживающего персонала. Особенно полезно для рабочих подстанций и прочих источников повышенного напряжения.

История развития измерительных приборов

Пояс Роговского

Прообразом токоизмерительных клещей считается пояс Роговского. Впервые подобная конструкция описана в 1887 году профессором Бристольского Университета Чаттоком. Он предложил на гибкий стержень из индийской резины намотать особым образом катушку, чтобы наведённая в контуре ЭДС оказалась пропорциональна разнице магнитного потенциала на её концах. Учёный охватывал провод катушкой и занимался исследованиями. К примеру, Чатток пытался определить магнитное сопротивление железа, используя закон Ампера.

Роговский и Стейхаус также интересовались упомянутой областью физики. В обзоре Die Messung der magnetischen Spannung (1912 год) привели описание этого магнитного потенциометра, но без ссылки на деятельность Чаттока. Доподлинно неизвестно, знали ли эти двое, что их прибор известен уже четверть века. Примерная конструкция катушки:

  1. Вдоль гибкого стержня проложен виток.
  2. Его конец обматывается вокруг и с каждым витком приближается к началу.
Катушка для измерений

Катушка для измерений

Простая конструкция даёт целый ряд преимуществ:

  1. удаётся избежать влияния прибора на результат проводимых измерений;
  2. в отличие от современных клещей на магнитопроводах отсутствует явление магнитного насыщения, становится возможным измерять токи любой величины;
  3. в связи с предыдущей причиной упрощается калибровка: зависимость получается линейной и легко аппроксимируется на весь диапазон;
  4. просто меняется чувствительность прибора, что делает его пригодным для решения разных задач;
  5. пояс Роговского становится идеальным приёмником импульсных токов (малая инерция), находит применение в цифровой технике, подходит для оценки величин переходных процессов, где пасуют типичные измерительные трансформаторы:
  • контроль тока прецизионных паяльных станций и сварочных аппаратов;
  • лабораторное измерение тока плазмы;
  • параметры дуги в плавильных печах;
  • приборы автоматического контроля параметров электрических цепей;
  • оценка пусковых токов рельсотрона;
  • моделирование режима короткого замыкания в электротехнике (см. коэффициент трансформации);
  • благодаря безынерционности пояс Роговского приемлем для точной оценки сложной формы сигнала с гармоническими составляющими (токи тиристора);
  • применяются на железных дорогах для работы с сигналами в реальном режиме времени;
  • служат для оценки токов, наведённых магнитным полем в металлических частях трансформаторов;
  • соответствуют целям учебного процесса для иллюстрации закона Ампера.
Пояс Роговского

Пояс Роговского

Пояс Роговского служит идеальным инструментом для исследования цепей, с предварительно неизвестными током. Дополнительным плюсом признана простота в изготовлении, удаётся получить измерительный инструмент для любых конструкций вне зависимости от малых или больших геометрических размеров. Полученное на выходе пояса Роговского напряжение пропускается через операционный усилитель для выраженного эффекта. Полученный ток управляет стрелочным или цифровым амперметром.

Благодаря специфике закона Ампера, неважен путь охвата проводника с током катушкой, кривые или прямые руки у мастера. В худшем случае это чуть повлияет на точность, но результат по большому счету останется прежним. Впрочем, аналогично говорится и про токоизмерительные клещи: нет разницы, находится проводник по центру либо на периферии.

Несмотря на столь давнее открытие, применение поясу Роговского не находилось. К первому патенту в этой области относится австрийский за именем Вернера под номером 191015 (1957 год), где описана возможность исследования плотности магнитного потока при помощи стальной иглы. Аналогичного рода устройство рассматривается в US2644135 A, заявленном 20 марта 1950 года. И невозможно найти патент на пояс Роговского. Видимо, прибор не заявлен в бюро.

Но пояс Роговского показывает ощутимый недостаток, изобретательская мысль должна двигаться дальше. Подразумевается необходимость плотного смыкания концов витка. В противном случае контур нельзя считать удовлетворяющим условиям применимости закона Ампера. Важна и однородность контура: количество витков обратного хода предусматривается постоянным на единицу длины, даже в изогнутом состоянии. Что не всегда удобно с технологической точки зрения. Сложность решается токоизмерительными клещами.

Модель клещей

Модель клещей

Вторым ограничением пояса Роговского становится частота. Нижним пределом считается 0,1 Гц, и с верхним не все в порядке. Измерения на ультразвуке идут вполне сносно до частоты 1 МГц. А дальше требуется применять интегрирование на низкоомном резисторе с использованием собственной индуктивности контура. Процесс отличается от описанного выше (измеряется уже ток, а не ЭДС). Указанный принцип расширяет применимость пояса Роговского до 100 МГц.

Токоизмерительные клещи

В токоизмерительных клещах используется ферромагнитный сердечник. Гибкость отсутствует, полагается предусмотреть механизм размыкания контура. Используется специальная ручка, нажимая на неё, мастер охватывает провод с током. Первая подобная конструкция найдена в патенте US1924039 A, заявленном 7 декабря 1932 года. Вильям Хокли из Кромптон Паркинсон Лтд. пишет по поводу собственного изобретения:

  1. Магнитопровод разорван в двух местах: на изгибе и точке размыкания для охвата исследуемой цепи.
  2. Инструмент содержит составляющие детали современных токоизмерительных клещей. Даже форма корпуса схожая: прямоугольная с боковой кнопкой для отворения подпружиненного магнитопровода.
  3. Выделяется ряд пределов измерений, и для каждого применяется свой подвижный сенсор съёмного типа. Таким образом заявляется универсальность прибора.
  4. На оборотной стороне сердечника намотана измерительная катушка. Индикатором становится обычный амперметр.

В патенте заявляется о первом (в мире) применении подвижного сердечника, просится вывод, что налицо токоизмерительные клещи в первоначальном виде. Потом уже следуют повторы идеи, это происходит в патенте US2494206 A, заявленном 23 апреля 1946 года. Правда, в последнем случае присутствует уточнение, что сила постоянного тока измеряется за счёт изменения его полем проницаемости магнитопровода. Действительно, это нечто новое.

В патенте US1924039 A, шла речь про постоянный ток, но не уточнялась методика, предлагаемая для оценки параметра. Как известно, исключительно переменный магнитный поток наводит ЭДС в контуре, нельзя использовать в указанном случае.

Явление подмагничивания постоянным током известно в технике с 1921 года, благодаря патенту US1640881 A. Шесть лет велось рассмотрения заявки до принятия её в 1927 году. Это значит, что специалисты бюро не считали изобретение применимым в промышленном масштабе либо не усматривали новизны. Действительно, подмагничивание для регулировки оборотов асинхронных двигателей массового применения не находит и поныне, а первые устройства для записи звука с использованием указанного эффекта появились лишь в период Второй мировой войны. Патент US2494206 A считается отдельной идеей, призванной решить сложности, пропущенные в ранних версиях токоизмерительных клещей (возможность измерять токи частотой от 0,1 Гц).

В других случаях для измерения постоянного тока чувствительную катушку вращают с известной частотой. Тогда магнитный поток постоянно меняется, удаётся вычислить искомую величину. Частоту вращения стабилизируют, к примеру, при помощи кварцевого генератора. Иногда движение катушки поступательные. Подобные вибро-приборы для измерения постоянного тока впервые описаны Грошковским в 1937 году. Поступательное движение осуществлялось при помощи эксцентрического колеса. Сегодня известны конструкции на пьезоэлементах, где в механические колебания превращается электрическая энергия. Благодаря этому удаётся достичь скоростей в десятки кГц, что сильно повышает отклик ЭДС в контуре, значит, измерения упрощаются.

Формула для вычислений

Формула для вычислений

Реализованные на практике пьезоэлектрические конструкции содержат миниатюрную катушку из 10 витков провода длиной 30 и шириной 0,8 мкм. При частоте колебаний в 2 кГц датчик обеспечивает чувствительность 18 мкВ/100 мкТл. Широко встречается методика вдвигаемой в поле катушки. В последнем случае вычисление результата производится по формуле, представленной на рисунке. Под V понимается снимаемая с контура ЭДС, А – некая константа, n – количество витков в контуре, а разница в скобках характеризует скорость изменения магнитного поля. Из сказанного понятно, что оригинальный патент US2494206 A не считается худшим решением для измерения при помощи токоизмерительных клещей параметров постоянного магнитного поля.

Токоизмерительные клещи в современной электротехнике

Сенсорные катушки с воздушным зазором обнаруживают малую чувствительность по очевидным причинам: напряжённость поля примерно равна индукции. Это вызывает малый отклик в виде ЭДС. При конструировании миниатюрных приложений выгоднее использовать ферромагнитный сердечник, многократно увеличивающий значение индукции. У современных материалов коэффициент проницаемости составляет сотни тысяч единиц, сообразно этому происходит усиление отклика в виде ЭДС. Воздушные сенсоры линейны. Даже лучший ферромагнетик даёт искажения, зависящие от частоты, температуры, плотности магнитного потока и др.

Эффект Баркгаузена делает сигнал сердечника ступенчатым. Это непреодолимый сегодня дефект, называемый шумами квантования. Часто по указанной причине токовые клещи нельзя считать идеальным инструментом для измерения токов. Хотя они подходят для оценки процессов, происходящих в цепи. К примеру, легко засечь пусковой ток электродвигателя, хотя в силу инерционности индикатора опыт придётся проделать несколько раз.

Новейшие модификации совмещают собственную роль с обычным тестером. Выгодно отличаются возможностью измерения высоких токов без необходимости прикасаться к сети, но страдают большой погрешностью. Здесь требуется оговориться, что для расширения функционала добавляются стандартные для мультиметров три входа:

  1. Common – общий (земля, минус).
  2. V – для проведения измерений напряжений и сопротивлений.
  3. Ext – подключение внешнего источника с целью оценки сопротивления изоляции электрических цепей.

Известны разновидности, оценивающие температуру, используя специальный щуп с сенсором. Нетрудно прозвонить диод. Предлагается выбирать на прилавке прибор, исходя из соотношения цены и качества. Следует до покупки осмотреть токоизмерительные клещи на предмет погрешностей. Многие при замыкании накоротко контактов дают ненулевые показания напряжения. Это неудобно в практическом смысле, особенно для низковольтных цепей. Источник питания — обычная Крона, как в большинстве тестеров. В этом плане токоизмерительные клещи не дают преимуществ и не имеют недостатков.