Струмовимірювальні кліщі від А до Я
Що таке струмовимірювальні кліщі? Які види робіт/вимірювань можна здійснювати з їхньою допомогою? Використання приладу на всі 100% — чи можливо? Чому необхідно обирати інструмент відповідно до ваших потреб та як це зробити?
У цій статті розглянемо струмовимірювальні кліщі ледь не під мікроскопом — від принципу роботи до критеріїв незалежного експертного оцінювання. Не перемикайтесь!
Зміст
- Як працює трансформатор струму в кліщах
- Вибір струмовимірювальних кліщів
- Використання приладу в складних умовах
- Роздільна здатність, цифри та відліки
- Точність
- Crest factor (коефіцієнт амплітуди або фактор спотворень)
- Вимірювання струму
- Вимірювання напруги
- Вимірювання опору
- Перевірка провідності кола
- Додатковий функціонал
- Категорії захисту та сертифікація
- Контрольний список заходів з техніки безпеки
- Спеціальні функції
- Глосарій
- Незалежне тестування
Технологічний прогрес не стоїть на місці, а тому разом із розвитком сучасного обладнання та різноманітних схем з’являється все більше завдань для електриків та інженерів. Сфера постійно вимагає не лише ширших можливостей вимірювальних пристроїв, а й нових умінь та навичок від їхніх користувачів. Електрик, що добре знається на основах роботи з вимірювальним обладнанням, буде максимально готовий до викликів з усунення несправностей.
Струмовимірювальні кліщі є важливим елементом у професійних наборах інструментів для електриків та інженерів, адже на додачу до основних характеристик володіють іще й функцією вольтметра.
Як і мультиметр, кліщі еволюціонували з аналогового в інноваційний цифровий варіант. Спочатку вони створювалися як інструмент для вимірювання струму й напруги. Теперішні ж моделі оснащені широким спектром функцій, значно вищою точністю, а в деяких випадках — спеціалізованими вимірювальними можливостями.
У підсумку прилад володіє більшістю переваг цифрового мультиметра (ЦМ) та давачем у формі кліщів з трансформатором струму.
Як працює трансформатор струму в кліщах
Процес вимірювання великих значень змінного струму кліщами будується на звичайному трансформаторному принципі. Коли ви обхоплюєте губками чи гнучким IFlex провідник, яким протікає змінний струм, цей струм проходить через давач, подібний до залізного осердя силового трансформатора та вторинної обмотки, що зі свого боку підключена через шунт до вхідного термінала вимірювання струму на платі приладу.
Тобто на вхідний термінал приходить значно менше значення струму — через співвідношення кількості вторинних та первинних обмоток. За первинну обмотку править саме обтиснутий провідник. Якщо вторинна обмотка має 1000 витків, то її струм становить 1/1000 струму, що протікає в первинній, або ж — у провіднику. Отже, 1 А струму в досліджуваному провіднику становить 0,001 А або 1 мА на вхідному терміналі амперметра приладу. Таким чином можна легко вимірювати значно більші струми, регулюючи кількість витків в обмотці.
Вибір струмовимірювальних кліщів
Вибирайте пристрій відповідно до умов та потреб вашої діяльності. Обов’язково звертайте увагу на роздільну здатність і точність вимірювань, які необхідні конкретно для ваших завдань.
Перед придбанням кліщів неодмінно слід зважати не лише на технічні характеристики, а й загалом на функціонал приладу, його дизайн, конструкцію та ергономіку.
Безвідмовність, особливо в екстремальних умовах використання, є надзвичайно важливою. Тому при проєктуванні струмовимірювальних кліщів інженери-розробники Fluke враховують усі особливості роботи та створюють їх таким чином, щоб вони були надійні з точки зору як механічної складової, так і електричної.
Перш ніж потрапити в руки користувачів, струмовимірювальні кліщі Fluke проходять ретельну перевірку та оцінку в лабораторіях. Безпека користувача є першочерговим завданням цих контрольно-вимірювальних приладів та має бути головним пунктом при виборі під час покупки. Компанія Fluke не просто розробляє свої кліщі з дотриманням актуальних стандартів електровимірювального обладнання, а й проводить незалежне тестування кожного приладу у таких сертифікованих лабораторіях як CSA, TÜV тощо.
Більше про контроль якості та норми безпеки — нижче за текстом.
Використання приладу в складних умовах
Інженерам часто доводиться працювати за несприятливих обставин, де виконання задач ускладнюється різними чинниками: надмірними температурами, високовольтними лініями, обертальними механізмами, роботою на висоті, у важкодоступних місцях та обмеженому просторі. За таких умов фахівець не має змоги носити з собою багато важких і габаритних пристроїв.
Прилади такої серії як, до прикладу, Fluke 370 FC пропонують розширені можливості та підвищують ефективність роботи, а гнучкий струмовий давач iFlex® дозволяє здійснювати вимірювання, обхоплюючи провідники у тісних електрошафах, серед щільного скупчення дротів чи тоді, коли діаметр обхвату губок кліщів недостатній.
Крім того, всі вище перелічені моделі належать до родини приладів із бездротовим підключенням Fluke Connect®. Вони дозволяють реєструвати та аналізувати графіки вимірювань, передавати / завантажувати дані, створювати звітність про результати вимірювань за межами досліджуваного об’єкта. Якщо ж виникає необхідність дистанційних вимірювань (наприклад, задля безпеки користувача) кліщі зі знімним дисплеєм спроможні працювати якомога далі від зони ризику.
Використовуйте гнучкий струмовимірювальний давач у ситуаціях, коли провідник більший за максимальний діаметр кліщів або ж перебуває у важкодоступному місці.
Роздільна здатність, цифри та відліки
Роздільна здатність вказує на те, наскільки точну вимірювальну спроможність має прилад. Цей параметр дає змогу заздалегідь визначити чи зможете ви зафіксувати найменше відхилення величини від її норми. Наприклад, якщо кліщі мають роздільну здатність 0,1 А в діапазоні 600 А, то можна побачити зміну на 0,1 А при вимірюванні 100 А.
Ви б не купили лінійку з сантиметровими позначками для роботи з відрізком завдовжки 2 мм. Аналогічно ви маєте обрати прилад, здатний відображати значення, що відповідає характеру вимірювання.
Точність
Відсоток точності — найбільша допустима похибка, яка виникне за певних умов експлуатації. Іншими словами, це показник того, наскільки відображене значення близьке до фактичного значення вимірюваного сигналу.
Точність струмових кліщів зазвичай позначається у відсотках (%) від показань: 3% означає, що для виміряного значення струму в 100 А — фактичне значення може коливатися від 97,0 А до 103,0 А. До базової специфікації точності також належить діапазон цифр, доданих до значення похибки. Це вказує на те, на скільки відліків може змінюватися значення останньої цифри.
До прикладу, точність можна записати як: 2% ± 2. Звідси — для відображених на дисплеї 100 А фактичне значення струму може варіюватись від 97,8 А, до 102,2 А.
Crest factor (коефіцієнт амплітуди або фактор спотворень)
Внаслідок постійного зростання попиту на електрику, струм у енергомережах більше не набуває чистої синусоїдальної форми частотою 50 чи 60 Гц. Форма сигналу є досить спотвореною через високий вміст гармонік, які генерують різноманітні споживачі з реактивною складовою навантаження.
Сучасні компоненти систем електропостачання, такі як запобіжники, шини, провідники та теплові елементи автоматичних вимикачів, мають номінальний струм RMS, оскільки їхнє головне обмеження пов'язане з виділенням тепла. Щоб перевірити електричне коло на перевантаження, потрібно визначити струм RMS і порівняти отриману цифру з номінальним значенням для відповідного компонента. Саме тому ваше вимірювальне обладнання має «вміти» ідентифікувати точне значення сигналу RMS, незалежно від того, наскільки він спотворений.
Коефіцієнт амплітуди — це просте співвідношення пікового значення сигналу до середнього квадратичного (RMS). Для чистої синусоїди змінного струму параметр становив би 1,414. Однак сигнал, який має дуже гострий імпульс, призведе до того, що співвідношення (або ж коефіцієнт амплітуди) буде високим. Залежно від ширини імпульсу та його частоти, можна спостерігати коефіцієнт 10:1 або вище. У реальних системах розподілу електроенергії коефіцієнт амплітуди більший за 3:1 зустрічається зрідка.
Як бачите, crest-factor є показником спотворення сигналу. Інформацію про коефіцієнт амплітуди можна знайти лише в специфікації приладів, у яких передбачені True-RMS вимірювання. Це значення вказує, наскільки спотворений може бути сигнал, щоб його все одно можна було виміряти згідно з характеристиками точності приладу. Левова частка струмовимірювальних кліщів із функцією True-RMS мають коефіцієнт амплітуди 2:1 або 3:1. Такий діапазон підходить для більшості застосувань в електротехніці.
Вимірювання струму
Основним завданням струмовимірювальних кліщів є безпосередньо вимірювання струму. Сучасні прилади здатні фіксувати як змінний, так і постійний струм. Здебільшого це відбувається на різних відгалуженнях системи розподілу електроенергії. Варто зазначити, що визначення сили струму у провіднику є одним із найпоширеніших завдань для електриків.
Як виміряти струм
- Виберіть вимірювання постійного DC (Ǟ) чи змінного AC струму (Ã).
- Відкрийте губки кліщів та обхопіть ними вимірюваний провідник (якщо ви вимірюєте змінний струм, можете перемкнути прилад у режим використання гнучкого давача iFlex та працювати за допомогою нього).
- Виміряне значення відображатиметься на дисплеї.
Вимірюючи струм на відгалуженнях електричного кола, можна легко визначити, скільки споживає кожне навантаження в цьому колі від розподільчої системи. Якщо певний елемент системи (наприклад, трансформатор) перегрівається, є змога перевірити кожну гілку споживання, щоб визначити струм навантаження. Однак переконайтеся, що ви використовуєте вимірювальний прилад із функцією істинного середньоквадратичного значення RMS, бо лише за цієї умови отримаєте точне значення сигналу, який нагріває ці компоненти. Вимірювальний прилад із True-RMS не надасть правильних показань, якщо струм і напруга не є синусоїдальними через нелінійні навантаження.
Вимірювання напруги
Ще одне з найпоширеніших застосувань струмовимірювальних кліщів — вимірювання напруги (як змінного, так і постійного струму).
Напруга АС-струму зазвичай генерується на електростанції та розподіляється мережею по системі. Завдання електрика — виміряти напругу в мережі.
Також доволі частим сценарієм є діагностика напруги акумулятора, його заряду та стану. У такому випадку вам знадобляться показання DC-струму/напруги.
Перевірка коректної напруги в мережі — це зазвичай першочергове завдання при профілактиці чи усуненні несправностей. Якщо напруга відсутня чи надто низька, або ж навпаки зависока, проблеми слід позбутися перш ніж продовжувати роботу.
Здатність струмовимірювальних кліщів розпізнавати напругу змінного струму без похибки залежить від його частоти. Більшість приладів упораються з таким запитом при 50 Гц — 500 Гц. Водночас діапазон вимірювання напруги АС-струму за допомогою цифрового мультиметра може сягати 100 кГц і вище. Ось чому результати дослідження одного джерела мультиметром та струмовимірювальними кліщами мають властивість відрізнятися. Мультиметр дозволяє вимірювати високочастотну складову напруги АС-струму, кліщі ж натомість відфільтровують частину сигналу, що перевищує смугу пропускання приладу.
При усуненні несправностей у частотно-регульованих двигунах (ЧРД) вхідна смуга пропускання є дуже важливою для отримання достовірних результатів вимірювання. Через високий коефіцієнт гармонік у сигналі, що надходить від драйвера до двигуна, ЦМ вимірює більшу частину вмісту напруги (залежно від смуги пропускання). Визначення вихідної напруги частотно-регульованого драйвера електродвигуна зараз є досить поширеним явищем. Двигун, підключений до частотно-регульованого драйвера, реагує на середнє значення сигналу. Щоб виміряти це значення, смуга пропускання інструмента має бути ширшою, ніж в аналогічному цифровому мультиметрі.
Як виміряти напругу
- Виберіть напругу змінного струму АС або напругу постійного струму DC.
- Підключіть чорний щуп до термінала СОМ, а червоний — до термінала V.
- Під'єднайте щупи паралельно до джерела вимірювання, дотримуйтеся полярності при вимірюванні напруги постійного струму.
- Значення напруги відображатиметься на дисплеї, обов’язково зверніть увагу на одиницю вимірювання.
- (Необов'язково) Натисніть кнопку HOLD, щоб зафіксувати отримані дані на дисплеї. Функція дозволяє зчитувати дані на безпечній відстані від джерела струму та уникати ризику враження й отримання травм.
Вимірявши напругу джерела струму та порівнявши її з напругою на навантаженні, ви можете визначити рівень зниження напруги в колі. А це значення зі свого боку може вплинути на функціонування навантаження.
Вимірювання опору
Опір вимірюється в Омах (Ω). Значення опору може помітно коливатися — від декількох міліом (mΩ) до десятків та навіть тисяч гігаом (GΩ). Більшість струмовимірювальних кліщів вимірюють значення опору до 0,1 МОм. Якщо ж під час визначення опору коло розімкнуте чи значення відображеного опору більше за максимально допустимий діапазон вимірювання, на дисплеї з’явиться символ “OL”.
Процес необхідно розпочати з вимкненого живлення електричного кола, що тестується. Інакше є ризик пошкодження приладу чи іншого під’єднаного устаткування. Зазвичай кліщі оснащені захистом від перенапруги в режимі вимірювання опору. Рівень захисту варіюється залежно від моделі.
Як виміряти опір
- ⚠ Вимкніть живлення електричного кола.
- Виберіть режим вимірювання опору (Ω).
- Підключіть чорний щуп до термінала СОМ, а червоний — до термінала VΩ.
- Торкніться наконечниками щупів до компонента чи частини кола, опір якого потрібно визначити.
- На дисплеї відображатиметься поточне значення виміряного опору.
Перед вимірюванням опору обов’язково переконайтеся, що коло знеструмлене, а всі конденсатори (якщо вони присутні) розряджені.
Перевірка провідності кола
Перевірка провідності — це швидкий спосіб з’ясувати цілісність ділянки кола, що тестується. Струмовимірювальні кліщі з функцією звукового продзвонювання дозволяють легко перевірити провідність електричних кіл. При виявленні кліщами замкнутого контуру вони подають звуковий сигнал, при цьому вам не обов’язково дивитися безпосередньо на екран. Значення опору, за якого коло вважається замкнутим, залежить від конкретної моделі кліщів. Типове значення опору, при якому спрацьовує звуковий сигнал, має бути меншим від діапазону 20 – 40 Ом.
Додатковий функціонал
Доволі поширеним для струмовимірювальних кліщів є вимірювання частоти змінного струму з синусоїдальною формою хвилі. Воно здійснюється за допомогою губок інструмента чи гнучкого давача, які обхоплюють провідник. При цьому на дисплеї відображатиметься значення частоти. Це дуже корисний показник при відстеженні проблем із гармоніками в електромережі.
Ще одна корисна функція — фіксація максимального та мінімального значення, коли кожне виміряне показання порівнюється з попереднім. Якщо нове значення перевищує попереднє, воно фіксується і наступні вже порівнюються з ним. Аналогічно відбувається й фіксація значення мінімального: якщо поточне значення є нижчим за попереднє, воно фіксується. Середнє ж значення оновлюється постійно. Допоки активна функція максимального/мінімального/середнього значення, ви можете вивести на дисплей будь-яке з них за певний проміжок часу.
А от ємність раніше могли визначати лиш окремі моделі. Зараз цей приємний бонус трапляється дедалі частіше. Він корисний під час перевірки пускових конденсаторів електродвигуна та значень електролітичних конденсаторів, що містяться в контролерах, блоках живлення тощо.
Для техніків, які працюють з електромоторами, можливість моніторингу пускових струмів є важливим джерелом даних про справність механізму. У лінійці Fluke представлено чимало варіантів, оснащених функцією вимірювання пускових струмів. Ось деякі з них:
- 374 FC 600A AC/DC True-rms Струмовимірювальні кліщі з бездротовим підключенням
- 375 FC 600A AC/DC True-rms Струмовимірювальні кліщі з бездротовим підключенням.
- 376 FC 1000A AC/DC True-rms Струмовимірювальні кліщі з бездротовим підключенням та гнучким давачем iFlex.
Затисніть губки або гнучкий давач навколо одного з виводів двигуна та ввімкніть вимірювання пускових струмів. Потім приведіть у дію двигун. На дисплеї з’явиться показання максимального струму, який споживає двигун під час запуску впродовж перших 100 мілісекунд циклу. Ця запатентована технологія фіксації пускових струмів відфільтровує шум і фіксує пусковий струм двигуна саме таким, яким він подається на захисне обладнання кола.
Категорії захисту та сертифікація
Безпека користувача починається з вибору правильного контрольно-вимірювального приладу, що відповідає досліджуваному середовищу. Далі слід дотримуватися інструкції, що постачається у комплекті — вона містить перелік заходів безпеки, які допомагають уникнути враження електричним струмом, травм, пожежі та пошкодження самого пристрою.
Міжнародна електрична комісія встановила нові стандарти безпеки для роботи з електросистемами. Переконайтеся, що ваш прилад відповідає категорії ІЕС та номінальній напрузі, а також затверджений для роботи саме в тому середовищі, де планується діагностика.
Наприклад, якщо потрібно виміряти напругу в електрощитку з напругою 480 В, то слід використовувати інструмент із маркуванням САТ ІІІ – 600 В або вище. Це означає, що вхідна схема приладу розроблена таким чином, щоб витримувати значення напруги цього середовища без небезпек та ризиків. А от сертифікати CSA та TÜV гарантують, що інструмент не лише виготовлений за стандартами ІЕС, а й пройшов незалежне тестування.
Багато сучасних струмовимірювальних кліщів відповідають категорії САТ IV. Це свідчить про безпечне використання у підземних чи зовнішніх електроустановках, де ймовірні розряди блискавки, а перехідні процеси можуть відбуватися частіше, ніж на інших рівнях.
Рівням захисту електроустаткування ми нещодавно присвятили окрему статтю.
Контрольний список заходів із техніки безпеки
- Обирайте прилад, який відповідає затвердженим стандартам безпеки саме для того середовища, де планується його робота.
- Перевіряйте щупи та гнучкий струмовимірювальний давач на фізичні пошкодження перед вимірюванням; а корпус приладу — на цілісність, відсутність сколів і тріщин.
- Використовуйте лише ті щупи, які мають ізольовані термінали та захисні обмежувачі для пальців, а також виключно ті прилади, в яких термінали для щупів ізольовані та втоплені в корпус.
- Перш ніж почати роботу, переконайтеся, що інструмент перебуває в належному / справному стані.
- Завжди від’єднуйте “гарячий” червоний щуп.
- Не здійснюйте вимірювання наодинці.
- Віддавайте перевагу приладам із захистом від перевантаження при застосуванні додаткових функцій.
Спеціальні функції
Далі — про цікаві особливості, що сприяють покращенню роботи зі струмовимірювальними кліщами.
- Позначення одиниць вимірювання допомагають одразу визначити, який саме режим увімкнено (вольти, оми, ампери, фаради).
- Кнопка «утримання даних» закріплює показання на дисплеї для зручного перегляду поза межами досліджуваного об’єкта.
- Перемикання функцій за допомогою лише одного обертального перемикача забезпечує зручність під час роботи однією рукою.
- Захист від перевантаження запобігає пошкодженню приладу та захищає користувача.
- Ручний вибір діапазону дозволяє зафіксувати певний діапазон для повторних вимірювань. У багатьох моделях є можливість автоматичного вибору.
- Індикатор низького рівня заряду батарей попереджає про необхідність заміни елементів живлення.
- Дисплей з підсвічуванням, широким кутом огляду та чіткими символами полегшує зчитування показань у будь-яких умовах.
- Вбудований фільтр низьких частот та обробка сигналу на сучасному АЦП дозволяє використовувати прилад у середовищах з електричними завадами, забезпечуючи при цьому стабільні показники.
Глосарій
Точність. Означає наскільки близьким є відображуване значення вимірюваного сигналу до фактичного. Позначається у відсотках від показань або у відсотках від повної шкали.
Аналоговий прилад. Принцип — стрілковий покажчик для відображення виміряного значення. Користувачу необхідно визначити результат вимірювання на основі положення голки на шкалі.
Індикатор. Символ або піктограма, що позначає вибраний діапазон або функцію.
Середня швидкість відгуку приладу. Прилад здатен точно вимірювати синусоїдальні форми хвиль, а несинусоїдальні — з меншою точністю.
Fluke Connect. Система, що зв'язує між собою прилади та смартфон. У додатку можна переглядати результати вимірювань, будувати графіки, ділитися даними для формування звітів і подальшого аналізу.
Синусоїдальна форма хвилі. Чиста синусоїда без спотворень.
Несинусоїдальна форма сигналу. Спотворена або інша форма сигналу. Наприклад, імпульсний сигнал, меандр чи пилкоподібна хвиля.
Розширення. Ступінь, до якого прилад може відобразити невеликі зміни у виміряному значенні.
RMS (середньоквадратичне значення). Істинне середньоквадратичне значення змінного струму.
True-RMS прилад. Здатний вимірювати як синусоїдальні, так і не синусоїдальні хвилі.
Незалежне тестування
Як користувачу визначити, чи дійсно прилад відповідає САТ ІІІ або САТ ІІ?
На жаль, це не завжди легко. Виробник може самостійно сертифікувати прилади як САТ ІІ, так і САТ ІІІ без будь-якої належної перевірки. Остерігайтеся таких формулювань, як “Розроблено відповідно до специфікації…”. Сертифікат від розробника не може замінити фактичну експертну оцінку. Міжнародна електротехнічна комісія (ІЕС) пропонує та відточує стандарти, але вона не відповідає за їхнє порушення.
Шукайте символи та номер реєстрації незалежної випробувальної лабораторії, такої як UL, CSA, TV або іншого визнаного затвердженого органу. Таке маркування використовують лише в тому випадку, якщо прилад успішно «склав іспит» із дотримання національних / міжнародних вимог.
Наприклад, UL 3111 базується на IEC 1010-1 2-го видання. Це головний критерій, який варто перевірити, аби переконатися в тому, що обраний вами інструмент справді пройшов моніторинг відповідності.
Номінальні характеристики та функціонал приладів залежать від виробника. Перед початком роботи з новим інструментом обов’язково ознайомтеся з технікою безпеки та інструкцією з експлуатації.
