Jak fungují senzory a proudové kleště pro měření stejnosměrného a střídavého proudu

Pro provádění měření pomocí svorek se tyto uzavřou do obvodu vodiče proudem, a tak se bez přerušení obvodu a bez nutnosti řezání do vodiče jakýmkoliv bočníkem provádí měření.

Je to jednoduché a pohodlné. Přístroj zobrazuje výsledek měření na své stupnici v podobě napětí nebo proudu úměrného měřenému proudu. Výhoda metody spočívá také v tom, že zařízení nemusí mít dostatečně široký vstupní rozsah, přičemž klešťový snímač je docela schopný volně přijímat vodič i při velmi vysokém proudu.

Vodič s měřeným proudem nejen zůstává neporušený, ale je také vždy galvanicky oddělen od obvodů měřicího zařízení. Samotné zařízení může mít vstupní obvod s velmi vysokou impedancí a může být dokonce uzemněno. Není potřeba nějak regulovat nebo zapínat a vypínat výkon obvodu, jehož parametry jsou měřeny kleštěmi, takže nedojde k prostojům v provozu napájeného zařízení.

Efektivní hodnotu proudu v rozsahu frekvenční odezvy senzoru lze měřit kombinací proudového senzoru s multimetrem schopným měřit efektivní hodnoty. V tomto případě bude rozsah omezen schopnostmi (měřítkem) multimetru. Nejlepších výsledků dosahují snímače se širokou frekvenční charakteristikou, minimálním fázovým posunem a vysokou přesností.

Pro měření parametrů střídavého proudu se používají snímače, které pracují na principu klasického měřicího transformátoru proudu. Každý transformátor má primární a sekundární vinutí nainstalované na společném magnetickém jádru. Primární napětí je přivedeno na primární vinutí, v jádře se vytváří střídavý magnetický tok indukující EMF odpovídající transformačnímu koeficientu v sekundárním vinutí. Proudy primárního a sekundárního vinutí souvisí jako počet závitů v sekundárním a primárním vinutí.

Takto funguje proudový senzor pro měření střídavého proudu. Magnetický obvod ve tvaru svorky se uzavře kolem vodiče. Vodič je primární vinutí skládající se z jednoho závitu, jehož hodnotu proudu je třeba zjistit.

Proud v sekundárním vinutí bude úměrný proudu ve vodiči a bude se od něj lišit tolikrát, kolikrát je transformační poměr, to znamená tolikrát, kolikrát je závitů v sekundárním vinutí. Počet závitů v sekundárním vinutí snímače je obvykle 1000, 500 nebo 100.

Pokud má snímač 1000 závitů, pak jsou kleště označeny 1000:1 nebo 1mA/A – to znamená, že 1 mA na údajích zařízení je shodný s 1A na testovaném vodiči. Nebo 1A na zařízení – 1000 A ve vodiči.

Poměr může být v zásadě různý: 3000:5 nebo 2000:2 v závislosti na účelu zařízení. Ve většině případů jsou však svorky spárovány s konvenčním multimetrem a poměr je obvykle 1000:1.

Při poměru 1000:1 nebo 1 mA/A budou hodnoty zařízení následující. Při vstupním proudu 700A bude výstupní údaj 700mA, při 300A – 300mA atd. To se děje proto, že výstup senzoru je připojen k digitálnímu multimetru v režimu AC měření se zvoleným rozsahem hodnot.

Pro určení efektivní hodnoty proudu ve vodiči se hodnoty multimetru vynásobí koeficientem senzoru. Hlavní věc je, že měřicí zařízení má požadovaný vstupní odpor.

Pokud má měřící přístroj pouze napěťový vstup (voltmetr nebo osciloskop), pak jej lze použít i s proudovým snímačem – kleštěmi. K tomu musí být proudový výstup snímače sladěn se vstupem zařízení na principu měřicího transformátoru proudu. Odečet střídavého napětí pak bude úměrný měřenému střídavému proudu.

Existují proudové kleště, které umí měřit nejen střídavý, ale i stejnosměrný proud. U takových kleští je princip jejich činnosti založen na Hallově jevu, kdy parametry proudu jsou odvozeny od parametrů jím generovaného magnetického pole, které působí na polovodič a iniciuje v něm Hallův jev.

Tenká deska polovodiče je umístěna kolmo k magnetickému poli proudu, který má být měřen. Na desku je v určitém směru (řekněme podél ní) přiváděn budicí proud, který je ve vnějším magnetickém poli vlivem Lorentzovy síly vychýlen v příčném směru a následně lze měřit EMF (Hallovo napětí). v tomto směru na okrajích desky.

Při konstantním budícím proudu přes desku bude Hallova EMF, stejně jako indukce magnetického pole měřeného proudu, úměrná měřenému proudu. To znamená, že Hallovo napětí odpovídá proudu ve vodiči, který prochází magnetickým obvodem snímače. Toto schéma má velké výhody oproti zařízením založeným na proudovém transformátoru.

Protože generování Hallova EMF nezávisí na směru vektoru magnetické indukce, ale závisí pouze na jeho velikosti, měří snímač založený na Hallově jevu střídavý i stejnosměrný proud. Senzor navíc naprosto přesně zaznamenává fázi změny (směru) magnetického pole, a proto je vhodný pro pozorování tvaru proudu.
Svorky s Hallovým senzorem se dodávají s jedním nebo dvěma vestavěnými senzory. Různé modely svorek mají široký dynamický rozsah a frekvenční odezvu, linearitu signálu a vysokou přesnost.

Rozsah použití takových svorek pokrývá všechna zařízení se stejnosměrným proudem do 1500 A bez nutnosti instalace drahých bočníků. Střídavý proud o frekvenci desítek kilohertzů lze také měřit pomocí svorek založených na Hallově jevu a tvar proudu může být velmi odlišný;

Milivoltový výstup, úměrný měřenému proudu, lze snadno snímat většinou multimetrů, osciloskopů a záznamníků.

Pro diagnostiku poruch elektrického zařízení nebo elektrické instalace je často nutné měřit proudy. Existují dvě možnosti: použít ampérmetr nebo použít proudové kleště. První možnost lze provést pomocí běžného multimetru, ale je to špatné, protože musíte přerušit obvod, což není vždy možné a ne vždy vhodné pro správné měření. Druhá metoda, klešťové měřiče, umožňuje zjistit proud v obvodu bez jeho odpojení.

Princip činnosti proudových kleští je založen na jevu elektromagnetické indukce. Vodič, ve kterém se měří proud, je vložen do magnetu a drátu, na kterém je navinuto sekundární vinutí. Měřený proud se v tomto případě nazývá primární a proud v měřicí cívce (sekundárním vinutí) se nazývá sekundární. Navíc je jeho hodnota úměrná primárnímu proudu a lze ji vypočítat.

Dříve klešťové měřiče z větší části mohly měřit pouze střídavý proud, protože EMF na vinutí se může objevit pouze za podmínek střídavého magnetického toku vytvořeného střídavým elektrickým proudem. Většina moderních i nejlevnějších modelů je schopna měřit stejnosměrné i střídavé proudy. Měření stejnosměrného proudu je možné pomocí Hallova senzoru.

<strong>Měřicí technika</strong>

Chcete-li určit proud v obvodu, musíte do řešení magnetického obvodu zavést JEDNO vodičové jádro nebo vodivou přípojnici. Chcete-li otevřít magnetický obvod, stiskněte páčku na konci kleští.

Po vložení vodiče uvolněte páčku a magnetický obvod se uzavře. Na měřicím zařízení musí být zvolena vhodná mezní hodnota a režim měření pro střídavý proud je označen „I~“ a pro konstantní proud „I=“.

Otázka: Proč nemůžete použít kleště k měření proudu v několika vodičích nebo na kabelu s fází a nulou?

Když proud protéká vodičem, vytváří se kolem něj magnetické pole, což znamená, že magnetické toky několika sousedních vodičů se sečtou a vytvoří výsledný tok. Proto není možné měřit několik vodičů, ve kterých protékají různé proudy nebo stejný proud v různých směrech. To je jasně znázorněno na obrázku níže.

To znamená, že pro měření spotřeby proudu zařízení, které je připojeno ke střídavé síti s jednou nebo více fázemi, se proud měří pouze v jádru konkrétní fáze. Pokud je síť jednofázová, lze měření provádět podél fáze nebo nulového vodiče, ale ne společně. Totéž platí pro měření proudu kleštěmi ve stejnosměrné síti.

Při měření kleštěmi se zachytí vodič nebo skupina vodičů, které patří k jednomu pólu (fázi) a napájí jeden spotřebič nebo jednu měřenou skupinu!

Tento požadavek způsobuje určité nepohodlí při měření proudů většiny spotřebičů, a to jak jednofázových, tak třífázových. Chcete-li například změřit výkon žehličky, musíte otevřít kabel a oddělit vodiče. Elektrikáři proto používají speciální adaptéry. Takovým adaptérem je v podstatě malá prodlužovací šňůra sestávající ze zástrčky a jedné zásuvky spojené buď samostatnými drátěnými prameny, nebo dráty typu PV3 či jinými. Nebo speciální zařízení, jako na obrázku níže – to je adaptér AC-16.

<strong>Příklady měření</strong>

Podívejme se na pár typických příkladů, kdy je potřeba změřit proud pro diagnostiku elektrických obvodů a podívat se na malý trik.

Případ jedna. Všimli jste si, že jste začali platit více za elektřinu, přičemž provozní režim elektrických zařízení zůstal stejný. Může dojít k neoprávněnému připojení k vaší síti. Pokud to nemůžete přesně určit z měřiče, použijte kleště.

Chcete-li to provést, v elektrickém panelu bytu nebo domu musíte najít vhodné místo pro měření, musíte najít samostatný fázový nebo neutrální vodič, pokud budete mít štěstí, budete moci na místo dostat kleště; kde je zapojen jistič. Odpojte všechny spotřebiče ve vaší domácnosti a změřte proud, pokud na displeji vidíte jiné číslo než nulu, měli byste hledat místo neoprávněného připojení.

Případ dva. Máte třífázový elektromotor, který se začal zahřívat více než předtím. Existují dva hlavní důvody zvýšeného tepla. První neplatí pro elektřinu, když jsou ložiska opotřebovaná – budou se více zahřívat a přenášet teplo do kovového pouzdra. Druhým důvodem je mezizávitový zkrat nebo únik do pouzdra. V tomto případě se můžete dostat před poruchu porovnáním proudů ve fázích.

V normálním případě budou proudy ve všech třech fázích stejné a v nulovém vodiči (pokud tam je) nebude žádný proud. Pokud to uděláte s ampérmetrem, budete muset při každém odpojení od elektromotoru odpojit jádro, k čemuž jej budete muset pokaždé zastavit a spustit. To samozřejmě neposkytuje spolehlivé výsledky měření.

Některé elektrické instalace poskytují možnost měřit proudy a vytvářet přerušení obvodu po přemostění odpojovače ampérmetrem, ale to je vzácné.

V tomto případě je nejvhodnější měřit fázové proudy pomocí svorek doslova třemi pohyby rukou, které můžete přesně určit provozuschopnost elektromotoru.

Případ tři. Všimli jste si, že se vaše autobaterie vybíjí rychleji. Pokud jste nenainstalovali přídavná zařízení, která jsou připojena přímo k baterii, jako jsou autorádia (ačkoli se jedná o nesprávné zapojení, taková zařízení jsou zapojena v aktivním obvodu po zapnutí zapalování), pak někde uniká.

K tomu je v mezeře kladného vodiče baterie instalován ampérmetr. Ale takové měření není vždy vhodné, a pokud potřebujete měřit proudy před a po zapnutí motoru, je to nemožné, protože startovací proudy s největší pravděpodobností poškodí váš ampérmetr. Pro zjištění netěsností je vhodné použít klešťový metr. Po instalaci svorek na kladný vodič baterie vyjměte pojistky jednu po druhé z pojistkové skříňky a vypněte možné spotřebiče, dokud nenajdou obvod s únikem proudu.

Otázka: „Pokud je svodový proud nebo jiný měřený proud nízký a kleště jej nedetekují, jak je potom provést měření?“

Chcete-li měřit malé proudy proudovými kleštěmi, musíte vodič několikrát omotat kolem magnetického jádra. Hodnota, která se objeví na displeji měřicího zařízení, se vydělí počtem závitů drátu. Jak bylo řečeno, magnetické toky se budou sčítat a výsledný tok se bude rovnat součtu každého z nich. Proto hodnoty kleští překročí skutečný proud o násobek počtu závitů drátu.

Důležité: Buďte opatrní, protože ne každý klešťový měřič podporuje měření stejnosměrného proudu.

<strong>Bezpečnostní opatření</strong>

Je důležité, aby klešťová měření nezpůsobila zkraty v obvodech a nezpůsobila úraz elektrickým proudem. Za tímto účelem je magnetický obvod svorek pokryt dielektrickým pláštěm. Pokud se tedy kleště náhodou dotknou dvou sousedních vodivých částí, ke zkratu nedojde. Mějte ale na paměti, že měřicí zařízení musí být suché.

Měření v obvodech do 1000V, např. 380/220V, by se mělo provádět v dielektrických rukavicích a pod nohy by měl být položen dielektrický koberec nebo by se měly mít na nohou dielektrické boty. To je nezbytné, aby se předešlo následkům náhodného dotyku živých částí.