Токовите клещи

Разновидности, принципи на действие, особености на работата с клещови амперметри

Измерването на ток чрез прекъсване на веригата е не само неудобно, но и в много случаи практически невъзможно, тъй като означава временно спиране на функционирането на свързаните консуматори. Самото прекъсване често изисква немалка демонтажна и монтажна работа, а измервателният уред е под напрежение, обикновено с опасни за човека стойности. Всички тези недостатъци са причината за все по-масовото използване на токови клещи, на които е посветена настоящата статия. Разгледани са двата съвременни принципа на действието им, основните разновидности и измерването с тях, както и най-важните особености на безопасната работа.

Първият, който се счита за класически, се основава на действието на трансформатора и затова използващите го токови клещи могат да измерват само променлив ток. Проводникът, по който протича токът за измерване, играе ролята на първична намотка на трансформатора. Двете челюсти на клещите представляват неговия магнитопровод, в задната част на който е вторичната намотка. Най-често преводното отношение на трансформатора (точното му наименование е токов трансформатор) осигурява ток в тази намотка 1 mA при измерван ток 1 А - например 16 mA съответстват на 16 А по проводника. Във вторичната намотка е свързан прецизен резистор, променливото напрежение върху който също е пропорционално на измервания ток. Поради това съвкупността на трансформатора и резистора реално представлява сензор за превръщане на тока в променливо напрежение с параметър коефициент на преобразуване. Така например 10А/1V означава преобразуване на ток 10 А в напрежение 1 V. Следва преобразуване на променливото напрежение в постоянно и измерването му чрез останалата електронна част на клещите.

Два са начините за това преобразуване, определящи съответно два типа токови клещи. В сравнително по-евтините модели това се прави чрез обикновен токоизправител, чието преобразуване е точно само при синусоидален ток по проводника. В някои каталози този тип преобразуване се отбелязва като “калибриране към rms на синусоидална вълна”. Все повече обаче са електроконсуматорите (например луминесцентни лампи и компютри), които поради естеството на своето действие променят формата на тока (наричат се нелинейни товари) и колкото повече тя се различава от синусоидата, толкова по-голяма е грешката при преобразуването и съответно измерването му. Това е причината да нараства относителният дял на токовите клещи за True RMS. Техният преобразувател е значително по-сложен и изходното му напрежение е право пропорционално на средноквадратичната стойност (RMS) на измервания ток, чиято форма не оказва влияние на измерването.

Този принцип на действие поставя логичния въпрос: “Няма ли опасност външни електромагнитни полета да индуцират напрежение във вторичната намотка на трансформатора, което да предизвика грешка в измерването?” Опасност има и в значителна степен тя е намалена чрез подходяща конструкция на челюстите. Независимо от това по време на измерването челюстите не бива да се хващат или докосват с ръка. Дори в упътванията за работа на много от клещите е показано мястото на корпуса, над което (по посока на челюстите) той не трябва да се хваща, наричано тактилна граница.

Естественият недостатък на описания принцип е невъзможността да се измерват постоянни токове (няма постояннотокови трансформатори). Това е основната причина за създаването на втория принцип, който използва ефекта на Хол, добре познат отдавна с многобройните си други приложения. Ефектът се състои в получаването на електрическо напрежение между две от стените на пластинка (най-често полупроводникова), пропорционално на магнитното поле около нея. В този тип клещи пластинката замества вторичната намотка на трансформатора. Измерваният ток в зависимост от вида си създава около проводника постоянно или променливо магнитно поле, което чрез челюстите се концентрира върху пластинката. Така при постоянен ток тя създава пропорционално на него постоянно напрежение, а при променлив ток - променливо напрежение. И в двата случая то се измерва както при трансформатор, тъй като постоянното напрежение преминава без промени през преобразувателя. В голяма част от клещите на всеки ампер от тока съответства напрежение 1 mV, например при ток 1000 А се получава 1 V.

Идея за принципа на работа на токовите клещи е даден на фиг. 1. Обработващият блок преобразува постоянното напрежение в подходящ вид за задействане на индикатора, който показва стойността на измервания ток. Независимо от простотата и ниската цена на блока при използване на стрелкови индикатор, такива клещи се произвеждат все по-малко поради добре познатите предимства на измерването в цифров вид.

Те се използват само за измерване на ток, чиято максимална стойност в зависимост от модела е между 50 А и 2 kA. Значителна част от клещите могат за кратко време (отбелязано в документацията им) да издържат ток с няколко десетки процента над обхвата им. Други имат вграден предпазител или електронна схема с такова действие. Съществуват клещи с един, два или четири обхвата, например 20 А и 200 А, като смяната им в някои модели се прави с ключ, а в други - автоматично. Клещите с цифров индикатор в повечето случаи са 4-разредни и по-рядко 3 1/2 разредни и 3 3/4 разредни. Като правило индикаторът е течнокристален, като за ползването му при слабо околно осветление има бутон за подсветка.

Най-малкият ток, който може да бъде измерен, е параметърът разделителна способност (резолюция) на клещите. Той зависи от избрания обхват и съответства на промяна с 1 на най-дясната цифра на показанието. Например при обхват 400 А на 4-разредни клещи разделителната способност е 0,1 А. Допусканата грешка при измерването също е един от важните параметри на клещите и смисълът й най-лесно може да бъде разбран с пример. В каталога на 4-разредни клещи е записано “Основна грешка при измерване ±(1,5% обхв. ±5 цифри)” и се работи на обхват 600 А с показание 538,7 А. Максималната грешка при измерването е 1,5% x 600А + 5 x 0,1А = 9,5 А и действителната стойност на тока със сигурност е в границите от 538,7 - 9,5А = 529,2 А до 538,7А + 9,5А = 548,2 А. Не са малко моделите с друг начин на определяне на грешката, напр. ±(1,5% от разчетеното + 5 цифри). При същото показание това означава максимална грешка 1,5% x 538,7А + 5 x 0,1А = 8,58 А и действителен ток между 530,12 А и 547,28 А.

В клещите със стрелкови индикатор грешката се задава както при всички стрелкови уреди чрез класа на точност, например клас 2,5 означава грешка 2,5% от обхвата. Полезно е да се има предвид, че параметърът основна грешка в много каталози се нарича точност.

В клещите с преобразуване чрез токоизправител грешката е в сила до определена стойност на фактора на формата на измервания ток, обикновено между 2 и 2,4. Този фактор е отношение на амплитудната и средноквадратичната стойност на тока и за синусоида е равен на 1,41. Нарастването му означава отдалечаване от синусоидалната форма.

Параметър на клещите са и границите на честотата на измервания променлив ток. Минималната честота обикновено е 50 Hz, а максималната - между няколко стотици Hz и няколко kHz, но има не малко модели с гарантирана грешка само между 50 и 60 Hz.

Челюстите на клещите могат да бъдат два вида. По-разпространени са затвореният тип с кръгла, овална или подобна нея форма. Чрез натискане на специален спусък те се отварят в горния си край, за да обхванат проводника и се затварят за провеждане на измерването. Плътното им затваряне е важно за осигуряване на точността на измерването. Това налага внимание при работата (върхът на клещите да не защипе съседен проводник) и редовно почистване на допиращите се части на челюстите. Отвореният тип челюсти са по-лесни за използване - нямат спусък и е достатъчно проводникът да застане на определеното място в отвора.

Правилният начин на измерване е между челюстите да има само един проводник, за да може само неговото магнитно поле да бъде отчетено. Най-често срещаният практически случай е измерване на тока на един консуматор, което трябва да се прави чрез фазовия му проводник. Измерване на тока на кабел или мостов проводник не е възможно поради противоположните посоки на токовете в двата проводника и взаимното унищожаване на електромагнитните им полета.

Не са редки случаите, когато трябва да се измери токът на проводник в труднодостъпно място, затрудняващо отчитането. Затова някои токови клещи осигуряват запомняне на измервания ток. В немалко цифрови модели възможността за запомняне се използва за допълнителни измервания. Може би най-важното от тях е определянето на амплитудата на токови импулси по проводника, характерни за работата на много устройства, напр. уреди с електродвигател, телевизионни приемници и компютри. Освен това може да се определи и минималната стойност на тока за определен период от време и да се запомнят стойностите на няколко последователни измервания.

Параметър на клещите е най-големият размер на проводника (диаметър или диагонал на тоководещи шини), който може да се постави между челюстите. В каталозите той се означава като клещов отвор, отвор на магнитопровода, като обикновено стойностите му са между 30 и 55 mm. Често се налага клещите да се използват на открито или в условия на повишена влажност (бани, котелни помещения). Това налага при избора им да се обръща внимание на дадената в каталога работна температура (има модели, при които тя е 18-28 °С, а при други - от -10 до +50 °С) и максимално допустимата относителна влажност (около 80%). Същевременно трябва да се има предвид, че клещите могат да се използват и малко извън температурния обхват, но при по-голяма грешка на измерванията. Също така при надморска височина над 2000-2500 m грешката пак нараства.

Добро решение за всеки професионалист е да използва колкото може по-универсални инструменти в работата си. За електротехника това означава да върши ако не всички, то поне голяма част от измерванията с един-единствен уред. От фиг. 1 се вижда, че на входа на обработващия блок на клещите постъпва постоянно напрежение и създава възможност за измерване и на други електрически величини чрез превръщането им в такова напрежение. Именно това са комбинираните токови клещи, които реално са комбинация на клещи и мултимер. Те задължително измерват постоянно и променливо напрежение с максимален обхват на първото между 600 и 1000 V и на второто 600 или 750 V. Към това в зависимост от модела могат да се прибавят и други величини - измерване на съпротивление, честота и за проверка на наличието на верига. По-рядко може да се проверява изправността на диоди, да се измерва температура, изолационно съпротивление (до няколко GW) и капацитет.

При ремонт на електрически инсталации е съществено най-напред да се определи дали даден проводник или проводници са под напрежение. В някои модели комбинирани токови клещи се получава звуков сигнал при стойност над 40-50 V. Използва се т. нар. безконтактно измерване на напрежение, което се извършва чрез докосване с челюстите на изолацията на проводника. Стойността на напрежението спрямо земя се определя по наличието на електрическо поле, като грешката е 10-20%. Това е причината методът да се използва само за установяване на наличието на напрежение, а не за измерването му. Съществуват модели, понякога наричани цифрови амперклещи за мощност, които освен другите величини могат да измерват поотделно активна, реактивна и привидна мощност с максимални стойности до стотина kW (kVAR, kVA) и фактора на мощност (cosj). Клещите от този тип за трифазни вериги понякога могат да измерват и активна енергия с обхват надхвърлящ 1000 kWh. Има модели, осигуряващи прехвърлянето на събраните данни в компютър.

Тази разновидност на токовите клещи се използва само като принадлежност към други уреди. Най-простите сонди представляват токов трансформатор, разширяващ обхвата на мултимерите за променлив ток. Свързването е просто - двата проводника на сондата към буксите за измерване на ток на мултимера. Основният им параметър е коефициентът на преобразуване, аналогичен на този при токовите клещи. Други модели използват ефекта на Хол и преобразуват измервания ток в напрежение (постоянно или променливо в зависимост от вида на тока), т.е. реално представляват сензора на фиг. 1 и се свързват към входа за напрежение на мултимера. Когато е необходимо да се наблюдава формата на променлив ток се използват сонди с напрежение на изхода си за свързване към осцилоскоп. И двата вида сонди могат да се предлагат като принадлежност на прибора или да се продават отделно. Осигуряват измерване на токове между няколко десетки mA и няколко kA с честота от няколко десетки Hz до няколко десетки kHz.

Те имат обхвати между няколко mA и няколко десетки А, а разделителната способност на някои модели достига 1 mA. Използват описаните принципи на действие и са с подобен външен вид, но челюстите им имат специфична конструкция, намаляваща влиянието на външните магнитни полета. Основното им приложение е за измерване на тока на утечка и съответно оценка на качеството на изолацията между проводници. За оценка на изолацията между проводниците на фазата и нулата, те едновременно се обхващат с челюстите и показанието на индикатора е токът на утечка между тях. Той може да се дължи както на влошаването на изолацията между тях, така и на повреди в свързаните към мрежата товари, напр. замърсяване на електродвигател или нагар по електрически контакти. По същия начин чрез поставяне в отвора на проводниците на трифазна мрежа, включително нулевия, може да се измери утечката. Някои електрически консуматори се свързват към земя чрез специален проводник, по който не би трябвало да протича ток. Чрез клещите може да се установи евентуалното му наличие, дължащо се на повреда.