Внешний вид высоковольтных токовых клещей КЭИ 1 (10 кВ)

Токовые клещи: новый взгляд на старые приборы

PDF версия
В статье приводятся основные технические характеристики и конструктивные особенности токовых клещей — адаптеров, интеллектуальных программируемых клещей для измерения токов от единиц ампер до 1500 А, описаны технические возможности токовых клещей-мультиметров. Представлены клещи для измерения больших (до 5000 А) токов и электронный вариант высоковольтных (до 10 кВ) клещей, результаты измерений которых можно передавать по беспроводному интерфейсу Bluetooth на смартфон, планшет или компьютер. Разработанные приборы пополнили линейку выпускаемых ОАО «НИИЭМ» датчиков тока, напряжения и датчиков измерения активной мощности.

Широкое распространение магниточувствительных датчиков Холла, их дешевизна и простота использования (в том числе с интегральными схемами обработки сигнала) привели к созданию целого ряда современных миниатюрных приборов и устройств. Число таких устройств исчисляется многими сотнями, например 52% доходности рынка датчиков магнитного поля приходится на долю автомобильной промышленности [1, 2]. В измерительной технике также используются бесконтактные датчики угла вращения, датчики прецизионных перемещений и другие приборы на основе эффекта Холла. В этой номенклатуре важное место занимают современные датчики измерения постоянного и переменного токов, датчики напряжения и датчики измерения активной мощности [3, 4]. Возможность бесконтактного измерения любого вида тока с гальванической развязкой входных и выходных цепей обусловила популярность таких устройств. Необходимо подчеркнуть, что отечественные приборы данной серии также присутствуют на рынке и давно используются разработчиками аппаратуры для решения различных задач автоматизации [5, 6].

Кроме стационарных датчиков тока, которыми комплектуются преобразователи для приводов, источники бесперебойного питания, источники для сварочных агрегатов, генераторы, телемеханические устройства и т. д., стали популярными и разъемные датчики тока [7]. Их основное преимущество — возможность монтажа на токовые шины без разрыва последних. Отдельный подкласс разъемных датчиков составляют токовые клещи, предназначенные, прежде всего, для мобильных разовых измерений. Ниже описаны конструктивные и технологические особенности этого класса датчиков, разрабатываемых в ОАО «НИИЭМ».

 

Клещи-адаптеры («прищепки»)

Клещи этого типа получили такое название, поскольку крепятся на токовой шине как стандартная прищепка. Отсутствие индикатора и упрощенная схема измерений делают подобные адаптеры значительно дешевле стандартных токовых клещей. В таблице 1 приведены типы и основные характеристики разработанных адаптеров.

Таблица 1. Основные технические характеристики токовых клещей-адаптеров

Характеристика

КЭИ-м

КЭИ-ПЭ

КЭИ-0,5Т

КЭИ-0,5П

КЭИ-1,0Т

КЭИ-1,0ТRMS

Диапазон измеряемых токов, А

0–20, 0–50, 0–100, 0–200, 0–400

0–300

0–500

0–750

0–1000

0–1500

0–20

0–50

0–100

0–200

0–500

0–500

0–1000

0–10

0–100

0–1000

Допустимая перегрузка по измеряемому ток у, раз

2

1,7

1,5

1,5

1,5

1,2

1,5

1,3

Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, В

1

1,5

1,5

1,5

2,0

2,5

4–20 мА

Нелинейность выходной характеристики, не более, %

1

0,5

0,2

0,2

1,0

Основная приведенная погрешность, не более, %

3,0

3,0

0,5

1,0

1,0

АЧХ в пределах 2%, не хуже, Гц

0–10 000

0–1000

20–20 000

20–1000

Ток потребления в режиме холостого хода, не более, мА

5

5

5

Источник питания, В

+6…+15

1 элемент типа «Крона»

+6…+15

+12…+36

Диапазон рабочих температур, °С

–40…+50

–40…+50

–40…+70

–40…+70

–40…+70

–20…+70

Диаметр отверстия под токовую шину , мм

19

35

35 (65)

54

54

54

Габаритные размеры, мм

130×60×30

215×83×30

215×83×30

(245×105×30)

220×105×41

220×105×41

220×105×43

Масса, г

120

300

300 (380)

700

700

700

Клещи КЭИ-м, например, предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного токов до 400 А. Диаметр охвата губок клещей составляет 19 мм. Малые габариты и масса клещей обеспечивают удобство работы (рис. 1а). Форма выходного сигнала полностью повторяет форму измеряемого тока; полярность выходного сигнала изменяется при изменении направления протекания измеряемого тока. Недостатком же этих адаптеров является требование наличия внешнего источника питания 7–15 В.

Общий вид клещей-адаптеров

Рис. 1. Общий вид клещей-адаптеров:
а) на токи до 400 А;
б) до 1500 А

В конструкции клещей КЭИ-ПЭ (рис. 1б) данный недостаток устранен за счет использования в качестве источника питания одного элемента типа «Крона». Диапазон измерения токов КЭИ-ПЭ расширен до 1500 А благодаря наличию в конструкции датчика разъемных губок увеличенного диаметра 35 или 64 мм.

Стандартные клещи КЭИ-ПЭ преобразуют измеряемый ток в выходное напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока (линейный выход). По требованию заказчиков выход также может быть пропорционален среднеквадратичному значению измеряемого тока. Для этого стандартная схема КЭИ-ПЭ дополняется детектором истинных среднеквадратичных значений (True RMS). Добавочное расширение схемы за счет интерфейса «токовая петля» позволяет получить на выходе КЭИ-ПЭ токовый сигнал (4–20 или 0–20 мА), пропорциональный истинному среднеквадратичному значению измеряемого тока.

При необходимости повышения точности измерений целесообразно использовать адаптер типа КЭИ‑0,5П (постоянный, переменный и импульсный токи) с диаметром охвата губок 54 мм. Чтобы добиться необходимой точности и повторяемости, в этих клещах предусмотрена специальная конструкция губок, которая позволяет свести к минимуму влияние температуры окружающей среды на механическое напряжение в магнитопроводе губок. Кроме того, в КЭИ‑0,5П и КЭИ‑0,5Т (рис. 2) применена так называемая плавающая конструкция губок, что обеспечивает линейную и повторяемую зависимость влияния механической системы губок на результаты измерений. Снижение погрешности измерений до 0,5% обеспечивается и специальной электрической схемой, включающей термокоррекцию по показаниям датчика Холла. Наличие в схеме микроконтроллера позволяет программно, при технологической калибровке адаптера, проводить коррекцию усиления и регулировку смещения входного каскада схемы.

Внешний вид многофункциональных клещей-адаптеров КЭИ 0,5П и КЭИ 0,5Т с «плавающими» губками

Рис. 2. Внешний вид многофункциональных клещей-адаптеров КЭИ 0,5П и КЭИ 0,5Т с «плавающими» губками

Очередная модификация этих клещей — КЭИ‑1,0Т и КЭИ‑1,0ТRMS (табл. 1) — предназначена для измерения соответственно переменного и импульсного токов до 1000 А. У таких адаптеров предусмотрено переключение трех диапазонов измеряемого тока: 10, 100 и 1000 А. Питание датчиков происходит по токовой петле, а выходной сигнал сделан удобным для дальнейшей обработки (0–20 или 4–20 мА).

 

Клещи-мультиметры

Это наиболее широко представленный на рынке сегмент токовых клещей, снабженных индикатором, на котором высвечивается значение измеряемого тока. Разнообразие данных приборов и их ценовой диапазон очень широки: начиная от простейших клещей только для измерения переменного тока и до сложных приборов, позволяющих кроме величины тока проводить анализ гармоник (до 50 гармоники), регистрировать пиковые значения, измерять емкость и частоту, тестировать р‑n‑переходы, а также измерять фазовый угол и индицировать последовательность фаз.

Из числа разработок ОАО «НИИЭМ» можно выделить клещи-мультиметры КЭИ‑0,6М и КЭИ‑1М (табл. 2). Это цифровые программируемые многофункциональные устройства, предназначенные для измерения:

  • действующего (RMS) значения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазонах соответственно 200/600 и 200/1000 А;
  • действующего (RMS) значения напряжения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазонах 200/600 В;
  • сопротивления в диапазонах 200/2000 Ом.
Таблица 2. Характеристики токовых клещей-мультиметров

Характеристика

КЭИ-0,6М

КЭИ-1М

Диапазон измеряемых токов, А

0–200; 0–600

0–200; 0–1000

Диапазон измеряемых напряжений, В

0–200; 0–600

Диапазон измеряемых сопротивлений, Ом

0–200; 0–2000

Диаметр отверстия под токовую шину, мм

35

65

Основная приведенная погрешность, не более, %

2

Диапазон рабочих температур, °С

–20…+50

Габаритные размеры, мм

215×83×30

245×105×30

Масса, г

370

400

К особенностям таких клещей следует отнести калибровку каждого диапазона измерения по двум точкам и хранение констант калибровки в энергонезависимом запоминающем устройстве с защитой от случайного изменения. В конструкции клещей применена удобная пленочная клавиатура с прямым выбором измеряемого параметра и звуковым подтверждением нажатия.

Внешний вид клещей представлен на рис. 3. Клещи являются интеллектуальным прибором, поэтому род измеряемого тока или напряжения, пределы измерения и обнуление шкалы выполняются автоматически. Благодаря наличию в конструкции клещей-мультиметров микроконтроллера, эти приборы обладают дополнительными функциями, которые позволяют:

  • снизить до минимума собственное энергопотребление (функция «Сон»);
  • запомнить максимальное и минимальное значения измеряемого параметра (функция «Память»);
  • озвучивать нажатия кнопок;
  • осуществлять звуковую прозвонку электрических цепей;
  • сообщать о необходимости замены источника питания.
Внешний вид многофункциональных клещей КЭИ 0,6М и КЭИ 1М

Рис. 3. Внешний вид многофункциональных клещей КЭИ 0,6М и КЭИ 1М

 

Клещи больших токов

Описанные выше модели токовых клещей относятся к приборам массового применения, что и обусловливает в первую очередь их широкую номенклатуру. В то же время найти клещи для мобильного контроля токов выше 3000 А уже не так просто.

В ОАО «НИИЭМ» создана конструкция и освоен мелкосерийный выпуск клещей для измерения постоянного и переменного токов на 3000 и 5000 А. Из таблицы 3 видно, что при диаметре губок соответственно 90 и 160 мм клещи КЭИ‑3кА и КЭИ‑5кА позволяют измерять ток в диапазонах 200/2000/3000 и 200/2000/5000 А. Для питания электрической схемы клещей достаточно одного элемента типа «Крона», поскольку устройство имеет малое собственное потребление. Измеренное значение тока высвечивается на 3,5‑разрядном жидкокристаллическом индикаторе. Относительно небольшая масса клещей и широкий температурный диапазон обеспечивают удобство работы с этими приборами. Клещи КЭИ‑3кА и КЭИ‑5кА сертифицированы и введены в Госреестр средств измерений РФ.

Таблица 3. Характеристики клещей для больших токов

Характеристика

КЭИ-3кА

КЭИ-5кА

КЭИ-1 (10 кВ)

Диапазон измеряемых токов, А

0–200

0–2000

0–3000

0–200

0–2000

0–5000

0–100

0–1000

Основная приведенная погрешность, %

3

3

2

Диапазон рабочих температур, °С

–10…+ 40

Ток потребления, мА, не более

7

60

90

Источник питания, В

1 элемент типа «Крона»

4 элемента «АА»

Напряжение в измеряемой цепи, не более, кВ

0,3

0,3

10

Разрядность индикатора

3,5

3

 

Диаметр отверстия под токовую шину, мм

90

160

54

Габаритные размеры, мм

325×130×35,5

500×261×55

705×370×80

Масса, г

800

2000

1900

Сертифицированы также и клещи КЭИ‑1 (10 кВ), которые являются многофункциональным индикаторным датчиком, предназначенным для измерения средневыпрямленного значения переменного тока в диапазонах 100/1000 А без разрыва силовой цепи при потенциале на токовой шине относительно земли до 10 кВ (рис. 4). Разрабатывались эти клещи в рамках импортозамещения для замены морально устаревших, но все еще используемых клещей Ц 4502 (производство Республики Армения).

Внешний вид высоковольтных токовых клещей КЭИ 1 (10 кВ)

Рис. 4. Внешний вид высоковольтных токовых клещей КЭИ 1 (10 кВ)

Электронные клещи КЭИ‑1 (10 кВ) состоят из корпуса, включающего разъемный трансформатор тока, печатную плату с электронной схемой обработки сигнала, цифровой светодиодный индикатор, и содержат изолирующие ручки, монтируемые к корпусу.

Основа электронной схемы клещей — 8‑разрядный микроконтроллер со встроенным АЦП. При протекании переменного измеряемого тока по силовой шине, охватываемой магнитопроводом, на нагрузке трансформатора тока индуцируется ЭДС, пропорциональная измеряемому току. Выходной сигнал с нагрузки поступает на детектор, который формирует на выходе напряжение, пропорциональное средневыпрямленному значению измеряемого тока.

Микроконтроллер преобразует его в цифровой сигнал и индицирует на 3‑разрядном светодиодном индикаторе в виде действующего значения измеряемого тока. В обоих рабочих диапазонах — 100 и 1000 А — обеспечивается высокая точность измерений, основная приведенная погрешность составляет менее 1%.

Клещи оснащены светодиодным индикатором высокой яркости, что позволяет безошибочно считывать показания даже при ярком солнце. При работе в условиях недостаточной освещенности можно воспользоваться функцией подсветки зоны измерения, которая предусмотрена в клещах.

Клещи КЭИ‑1 (10 кВ) снабжены интеллектуальной функцией сбережения заряда батарей. Если измеряемый ток менее 5 А, то по истечении примерно 5 минут клещи переходят в режим энергосбережения — «Сон». Электронная схема, светодиодный индикатор и светодиод подсветки в этом режиме отключаются. Таким образом, в процессе работы клещи внезапно не «заснут» в неподходящий момент. При отсутствии измерений клещи «заснут» и перейдут в режим энергосбережения.

При разрядке элементов питания клещей измерения могут стать недостоверными. Клещи сигнализируют об этом, попеременно отображая показания измеряемого тока и специальный мнемосимвол.

Важной функцией клещей является возможность передачи результатов измерений по беспроводному интерфейсу Bluetooth (в процессе разработки) на смартфон, планшет или компьютер.

Литература
  1. Сысоева С. С. Датчики магнитного поля: ключевые технологии и новые перспективы. Датчики Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 1.
  2. Сысоева С. С. Автомобильный сегмент — ведущая отрасль для датчиков магнитного поля. Innovations Insight Magazine. 2013. № 1. innovationsinsightmag.com /ссылка устарела/
  3. Данилов А. А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10. 
  4. Производители датчиков и преобразователей физических величин (таблица) // Электронные компоненты. 2005. № 11.
  5. Портной Г. Я. Датчики для систем автоматизации и контроля//Компоненты и технологии. 2011. № 5.
  6. niiem46.ru
  7. Портной Г. Я. Разъемные датчики тока — актуальный сегмент на рынке датчиков // Компоненты и технологии. 2014. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *