Токовые клещи: новый взгляд на старые приборы

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.