Як користуватись струмовимірювальними кліщами

Лінощі завжди були рушійною силою прогресу та розвитку технологій. Так сталося і у випадку з приладом для вимірювання струму. Під час вимірювання струму амперметр вмикається в електричне коло послідовно. А це значить, що для вимірювання струму, потрібно розімкнути електричне коло, тобто втрутитись в його роботу. По-перше, це займає багато часу. По-друге, виникає доволі великий ризик ураження електричним струмом під час проведення вимірювань.

Крім того, вимірювальний прилад вносить в електричне коло власний опір, зокрема опір щупів. І чим більший номінал струму, тим відчутніший цей вплив.

Ідея вимірювання струму без розриву електричного кола була успішно реалізована у вимірювальному приладі, що згодом отримав назву «струмовимірювальні кліщі». Такий прилад дозволяє легко виміряти струм без необхідності розмикати досліджуване коло. До того ж можна проводити вимірювання на установці або обладнанні, яке працює. Прилад також дозволяє виміряти струм провідника, що знаходиться в ізоляції. Крім того, він не вносить власний опір в електричне коло і не впливає на результат вимірювання.

В загальному, сучасні вимірювальні прилади кардинально відрізняються від найперших струмових кліщів. Проте (власне через це прилад і отримав свою назву), сам механізм приладу, схожий на механічні кліщі, майже не зазнав змін. Це зумовлено тим, що прилад повинен могти «обхопити» провідник, через який протікає струм. А зробити це можна в такий спосіб:

Типи та принцип роботи струмовимірювальних кліщів

Всі струмовимірювальні кліщі умовно можна поділити на 2 типи:

1. Кліщі для вимірювання змінного струму.
2. Кліщі для вимірювання постійного та змінного струму.

Така класифікація зумовлена типом давача, який використовується для вимірювання струму.

Прилади першого типу побудовані на принципі одновиткового трансформатора струму. Вимірювана шина або провідник виконують функцію первинної обмотки, а вторинна багатовиткова обмотка (до якої підключений амперметр) намотана на розкривний магнітопровід приладу. Змінний струм у провіднику створює в магнітопроводі приладу змінний магнітний потік, внаслідок чого у вторинній обмотці струмовимірювальних кліщів виникає ЕРС.

В замкнутій вторинній обмотці виникає струм, який вимірюється амперметром. Прилад обробляє отримані дані, і видає на дисплей результат вимірювання струму у зручному для користувача вигляді. До переваг таких приладів відносять їхню просту конструкцію та низьку ціну. До очевидних недоліків – можливість виміряти лише змінний струм.

У конструкції приладів другого типу використовується чутливий елемент абсолютно іншої дії, принцип роботи якого базується на ефекті Холла. Чутливим елементом, або давачем Холла, називають пристрій, з допомогою якого вимірюють величину магнітного поля. У разі струмовимірювальних кліщів, це магнітне поле, утворене провідником, через який протікає струм. Давач Холла являє собою напівпровідникову прямокутну пластину, до якої під’єднані чотири виводи. Схематично, чутливий елемент давача Холла показаний на малюнку.

Ефект Холла можна уявити так. Нехай чутливий елемент має форму прямокутної пластини довжиною l, шириною d, товщиною b. Якщо вздовж цієї пластини пропустити електричний струм J, а перпендикулярно площині пластини створити магнітне поле B, то на її бокових поверхнях в напрямку CD виникатиме електричне поле, яке називають полем Холла. На практиці, поле Холла характеризують різницею потенціалів, яку вимірюють між симетричними точками С і D на бокових поверхнях чутливого елемента.

Ця різниця потенціалів називається Холівскою різницею потенціалів Uхол або ЕРС Холла εхол. Пояснюється ефект Холла тим, що в магнітному полі, на електричні заряди, які рухаються, діє сила Лоренца. ЕРС Холла (или Uхол) пропорційна силі струму, індукції магнітного поля, і обернено пропорційна товщині чутливого елемента і концентрації носіїв струму в ньому.

Принцип роботи давача Холла

На малюнку нижче показана характерна залежність Uхол від магнітного поля у разі постійного струму. Якщо магнітне поле відсутнє, ЕРС Холла дорівнює нулю. Але, в результаті різних чинників та явищ (наприклад, несиметричне розміщення виводів давача), вимірювальний прилад може показати деяку різницю потенціалів Uо на виході давача Холла, навіть у разі відсутності магнітного поля. Для того, щоб виключити цю похибку, величину Uо  слід відняти від виміряної різниці потенціалів в магнітному полі.

Слід зауважити, що давач Холла вимірює перпендикулярну (до площини давача) величину вектора магнітного поля. Тому, якщо потрібно виміряти максимальне значення магнітного поля, давач Холла, а відповідно і вимірювальний прилад (струмовимірювальні кліщі), необхідно орієнтувати в магнітному полі відповідним чином.

Для виготовлення давачів Холла використовують певні напівпровідники, які мають високу чутливість до впливу магнітного поля, наприклад, InP, InSb, GaAs, Ge, Si. Чутливі елементи можуть мати мініатюрні розміри, наприклад, 1х1х0.5 мм. Саме це дозволяє зробити вимірювальний прилад компактним та зручним для користувача. Конструкція чутливого елемента струмовимірювальних кліщів представлена на фото нижче.

Послідовність процесу вимірювання струму

Вимірювання струму з допомогою кліщів необхідно проводити в такій послідовності:

1. Поворотний перемикач встановлюємо на необхідний діапазон вимірювань (постійний або змінний струм – якщо кліщі мають автоматичний вибір). Прилад вмикається одночасно із вибором діапазону. Якщо номінал струму заздалегідь невідомий, починати вимірювання необхідно з найбільшого діапазону, поступово зменшуючи його у разі необхідності.

2. Розкриваємо кліщі, натискаючи на важіль.

3. Закриваємо кліщі та обтискаємо провідник. Здавалося б, це найпростіший крок. Але, необхідно врахувати деякі нюанси. По-перше, обтиснути потрібно лише один провідник, струм якого хочете виміряти. Якщо обтиснути 2 жили проводу (або 2-х жильний шнур в ізоляції), результатом вимірювання буде «0», оскільки струми цих двох провідників мають протилежні напрямки. Магнітне поле, утворене струмом одної жили проводу буде компенсуватися магнітним полем другої.
   правильно / неправильно
   
   По-друге, провід потрібно розмістити максимально по центру магнітопроводу струмових кліщів. В цьому разі результат вимірювання буде найточнішим.
4. Зчитати результат.
5. Опрацювати результати вимірювань.

Додаткові функції

Але це ще не все. Сучасні струмовимірювальні кліщі можуть допомогти виміряти не лише струм. Вимірювання напруги, опору, ємності, температури та частоти, перевірка провідності, тестування діодів – це все під силу сучасним струмовимірювальним кліщам. Можна сказати, що струмовимірювальні кліщі – це цифровий мультиметр з можливістю безконтактного вимірювання струму. Як і в мультиметрах, вимірювання цих параметрів проводяться з допомогою контактних щупів.

Крім того, на подобу цифровим мультиметрам, струмовимірювальні кліщі мають допоміжні функції для зручності користування та обробки результатів вимірювань:

• Функція HOLD – утримання даних. Використовується для того, щоб зафіксувати, тобто «заморозити» результати вимірювань на дисплеї приладу (наприклад, якщо вимірювання проводяться у важкодоступних місцях) для подальшого опрацювання.
• Функція MAX/MIN – прилад фіксує найбільші або найменші показання за час проведення вимірювань. Використовується для деяких вимірювальних завдань.

• Функція REL – відносні вимірювання, іншими словами, обнулення початкового значення. Функція REL особливо актуальна для кліщів постійного/змінного струму. Справа в тому, що чутливий елемент, функцію якого виконує давач Холла, надзвичайно чутливий до зовнішніх магнітних полів. На дисплеї приладу, ще до проведення вимірювань, фіксуються певні ненульові показники. Зумовлено це впливом зовнішніх магнітних полів. Тому, для отримання достовірного результату, перед проведенням вимірювань, покази обов’язково потрібно обнулити. Початкові поточні покази прилад приймає за «нуль», і подальші вимірювання проводить відносно цього опорного значення.

• Підсвічування дисплею – для роботи в умовах недостатнього освітлення. Як правило, кнопка позначається символом «☀». Підсвічування можна увімкнути або вимкнути, залежно від умов та освітлення. Деякі прилади обладнані ліхтариком для освітлення важкодоступних об’єктів, на яких будуть проводитися вимірювання.

• Функція NCV – безконтактна індикація напруги. Цю функцію мають лише деякі моделі струмовимірювальних кліщів. З її допомогою можна відстежити трасу прокладання прихованої проводки, або визначити чи перебуває певний провід під напругою. Значення напруги потрібно заміряти з допомогою щупів у відповідному режимі.

• Тестування діодів та перевірка провідності – функції, які дозволяють визначити працездатність діодів та встановити цілісність електричного кола.

Рекомендації та заходи безпеки

Струмовимірювальні кліщі можна використовувати в закритих електроустановках, або ж у відкритих електроустановках в суху погоду. Вимірювання можна проводити як на ізольованих частинах, так і на провідниках без ізоляції. Людина, яка проводить вимірювання, повинна використовувати діелектричні рукавиці та перебувати на ізольованій поверхні. Здебільшого, ці правила безпеки стосуються вимірювання струмів великого номіналу.

Для вимірювання малих струмів можна просто намотати декілька витків проводу, струм якого треба виміряти, на магнітопровід кліщів. Щоб отримати значення струму проводу, результат необхідно розділити на кількість витків.

У цій статті ми розповіли про принцип роботи, особливості користування та функції струмовимірювальних кліщів на прикладі декількох «молодших» моделей виробника UNI-T з базовим набором можливостей. «Старші» моделі, окрім вищезгаданих функцій, допоможуть виміряти пускові струми, потужність, коефіцієнт потужності, фазовий кут, активну енергію та встановити порядок чергування фаз.

Підібрати та придбати струмовимірювальні кліщі відомих виробників можна в магазині інструментів «Мастерам». Наші спеціалісти будуть раді вам допомогти та відповісти на будь-які запитання.

Інші статті

09.08.2019

Як вибрати мультиметр для дому

Подобаються наші статті? Тоді ви заціните і відео на цю тему!

Команда Masteram