Cęgi prądowe

Cęgi , zwany również bezstykowy czujnik prądu , to rodzaj z amperomierza pozwalające na pomiar natężenia prądu elektrycznego płynącego w przewodzie przewodzącym bez konieczności otwierania obwodu umieścić tam konwencjonalne amperomierzem. Został wynaleziony w latach trzydziestych XX wieku przez Chauvin-Arnoux.

Działanie cęgów prądowych opiera się na pośrednim pomiarze prądu płynącego w przewodniku z pola magnetycznego lub pola elektrycznego generowanego przez ten przepływ prądu. Nazwa opaski pochodzi od kształtu czujnika pola magnetycznego. Zacisk może się otworzyć i oplecić drut, w którym płynie prąd.

Ta metoda ma dwie główne zalety:

unika konieczności otwierania obwodu w celu wykonania pomiaru prądu, co również pozwala uniknąć spadków napięcia, które byłyby generowane przez włożenie amperomierza do obwodu. W związku z tym możliwe jest zmierzenie natężenia prądu w przewodniku bez przerywania badanego obwodu;
zapewnia bezpieczeństwo operatorowi wykonującemu pomiar, ponieważ nie dochodzi do kontaktu elektrycznego z obwodem. Dlatego nie jest konieczne usuwanie izolacji elektrycznej otaczającej przewód podczas pomiaru.

Rodzaje cęgów prądowych

Cęgi prądowe mogą mierzyć prądy przemienne lub stałe w zależności od ich trybu pracy. W szczególności wyróżniamy:

czujniki wykorzystujące indukcję elektromagnetyczną : działają na tej samej zasadzie co transformator elektryczny i mogą mierzyć tylko prądy przemienne . Cęgi prądowe spełniają wtedy funkcje amperomierza związanego z przekładnikiem prądowym .
że obecne czujniki Halla (zobacz animację , aby zrozumieć zasadę działania): mogą one mierzyć prądów elektrycznych , a także alternatywny ciągły .

Zacisk indukcji elektromagnetycznej

Zgodnie z równaniem Maxwella-Ampera , gdy prąd przemienny przepływa przez przewodnik elektryczny , prąd ten wytwarza zmienne pole magnetyczne proporcjonalne do jego natężenia.

Zacisk, wykonany z miękkiego materiału ferromagnetycznego (takiego jak żelazo ), otacza przewód elektryczny i kanałuje wszystkie linie pola, które są następnie kierowane do obwodu wtórnego. Lenz prawa Faradaya zapewnia wówczas, że zmiany w strumienia magnetycznego przez obszar wywołuje się siły elektromotorycznej w zacisk, to znaczy, do napięcia , które można łatwo zmierzyć. Ta indukowana siła elektromotoryczna $e$ jest taka, że:

{\ displaystyle e = - {\ Frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t}} \ quad {\ tekst {z}} \ quad \ Phi = \ iint _ {S} {\ vec {B}} \ cdot {\ vec {n}} \, \ mathrm {d} S}

lub:

$S$ : powierzchnia, przez którą przechodzi pole magnetyczne. W tym przypadku jest to powierzchnia ograniczona szczękami zacisku;
${\ vec {n}}$ : wektor jednostkowy normalny do powierzchni.

Z pomiaru tego napięcia i znając rezystancję obwodu, możemy wydedukować prąd indukowany $i$ 2 krążący w cęgach amperomierza. Po wyznaczeniu natężenia $i$ 2 można uzyskać wartość natężenia prądu $i$ 1 płynącego w przewodzie elektrycznym.

Uwagi

nie jest konieczne, aby przewód elektryczny był idealnie umieszczony w środku zacisku amperomierza, ponieważ indukowana siła elektromotoryczna $e$ zależy tylko od strumienia pola magnetycznego, które przecina powierzchnię ograniczoną przez rdzeń z miękkiego żelaza, który umożliwia kanał prawie wszystkich tych linii pola. Dlatego położenie drutu nie ma znaczenia.
jeśli zacisk otacza kabel złożony z dwóch przewodników, których prądy są równe, ale w przeciwnych kierunkach, całkowity strumień magnetyczny wyniesie zero, a zatem prąd indukowany przez zero, co może być źródłem błędów. Dlatego też „ bardzo ważne ” jest mierzenie prądu tylko jednego przewodu na raz, aby uniknąć jakiegokolwiek źródła błędnych pomiarów, które mogłoby prowadzić do błędnych wniosków, które mogłyby mieć „ fatalne skutki ”.

Zasada działania cęgów prądowych jest oparta na zasadzie działania przekładników prądowych , składających się z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, połączonych rdzeniem magnetycznym z miękkiego żelaza. Całość tworzy obwód magnetyczny .

W przypadku cęgów prądowych za przewód, którego natężenie ma być mierzone, uważa się uzwojenie pierwotne składające się z $N$ 1 $= 1$ zwoju . Uzwojenie wtórne składa się z cewki obwodu wtórnego ( patrz schemat obok) zawierającej $N$ 2 zwoje.

Zakładając, że rezystancja dwóch uzwojeń wynosi zero, twierdzenie Ampère'a zastosowane do linii pola magnetycznego w obwodzie magnetycznym pozwala otrzymać:

{\ Displaystyle N_ {1} \, i_ {1} + N_ {2} \, i_ {2} = 0 \ quad \ Longrightarrow \ quad i_ {1} = - {\ Frac {N_ {2}} {N_ { 1}}} \, i_ {2}}

lub:

$i$ 1 i $i$ 2 : prądy odpowiednio na zaciskach uzwojenia pierwotnego (przewód) i wtórnego (cewka cęgów);
$N$ 1 i $N$ 2 : liczba zwojów odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Przyjmując efektywne wartości intensywności, otrzymujemy w ten sposób zależność:

{\ Displaystyle I_ {1} = {\ Frac {N_ {2}} {N_ {1}}} \, I_ {2}}

lub:

$I$ 1 i $I$ 2 : efektywne natężenia prądów odpowiednio uzwojenia pierwotnego (drut) i wtórnego (cewka cęgów);
$N$ 1 $= 1$ i $N$ 2 : liczba zwojów odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Uzyskuje się zatem zależność proporcjonalności między prądem płynącym w przewodzie ( $I$ 1 ) a prądem płynącym w cęgach amperomierza ( $I$ 2 ). Ta proporcjonalność jest szczególnie interesująca, jeśli chodzi o pomiary bardzo wysokich intensywności. W rzeczywistości, jeśli liczba zwojów $N$ 2 uzwojenia wtórnego (w cęgach) zostanie zwiększona, można zmierzyć bardzo wysokie prądy $I$ 1 przy niskich prądach $I$ 2 w cęgach amperomierza.

Zacisk Halla

Kiedy prąd jest bezpośredni , może być zmierzona dzięki zasadzie efektu Halla , nazwany fizyk Edwin Hall , który odkrył to zjawisko w 1879 roku.

Gdy prąd $I$ płynie przez półprzewodnikowy materiał poddaje się pole magnetyczne prostopadłe do wypierania prądu, A Hall napięcia $V$ H pojawi prostopadłe do pola magnetycznego. Napięcie to jest proporcjonalne do przepływającego prądu, a także do obecnego pola magnetycznego, a mianowicie: ${\ vec {B}}$

{\ Displaystyle V_ {h} = k_ {1} \, ja \, b}

lub:

$k$ 1 : współczynnik czułości w woltach na teslę ampera ( V A −1 T −1 ).

W przypadku amperomierza cęgowego chcemy zmierzyć prąd płynący w przewodzie zaciśniętym przez szczęki cęgów. Jak widać wcześniej, równanie Maxwella-Ampera zapewnia, że prąd wytworzy pole magnetyczne proporcjonalne do jego natężenia.

Zacisk otaczający przewód elektryczny jest wykonany z miękkiego materiału ferromagnetycznego , takiego jak żelazo, a czujnik Halla jest umieszczony w szczelinie powietrznej obwodu magnetycznego. Materiał ferromagnetyczny będzie kierował wszystkie linie pola pola magnetycznego indukowanego przez prąd $I$ 2 płynący w przewodniku i w ten sposób skieruje je do obwodu wtórnego. ${\ vec {B}}$

Jeśli materiał ferromagnetyczny ma słabe pole koercyjne, pole magnetyczne jest proporcjonalne do prądu $I$ 2 . W rzeczywistości, jeżeli jest przesuwany wzdłużnie przez prąd stały, do pomiaru jej poprzecznej Hall napięcia $V$ h, będą umożliwiać powrót do pola magnetycznego zgodnie z następującą zależnością: ${\ vec {B}}$

{\ displaystyle B = k_ {2} \, I_ {2}}

lub:

$k$ 2 : współczynnik czułości w woltach na amper i na teslę ( V A −1 T −1 ).

Na podstawie pola magnetycznego generowanego przez drut możemy wyznaczyć wartość prądu płynącego w przewodzie otoczonym cęgami poprzez obliczenia magnetostatyczne wykorzystujące zależność proporcjonalności pomiędzy zmierzonym napięciem Halla a prądem płynącym przez przewodnik:

{\ Displaystyle V_ {h} = k_ {2} \, ja_ {2} \, ja_ {1}}

Pomiar prądu wykonywany za pomocą cęgów z efektem Halla jest bardzo dokładny, ponieważ natężenie pola magnetycznego zmienia się wraz z prądem płynącym w przewodzącym przewodzie. W ten sposób można wykryć i zmierzyć naprzemienne sygnały o złożonych kształtach z niskim przesunięciem fazowym do 1 kHz .

Uwaga uzyskiwane napięcie jest rzędu dziesięciu miliwoltów, które wymaga wzmocnienia, zanim zostanie przekształcone w cyfrowe.

Uwagi i odniesienia

Jean-Claude Montagné, Historia telekomunikacji, od starożytności do drugiej wojny światowej, od prehistorycznego gwizdka do telewizji: Men, ideas , Bagneux, Montagné,1995, 471, str. ( ISBN 2-9505255-2-0 ) , str. 447.
" Chauvin-Arnoux: THE Miliamper w zasięgu ", L'Usine Nouvelle , n O 2541,21 marca 1996( czytaj online ).
.
A. Kohler, „ Clamp Meters and Current Sensors ” [PDF] (dostęp 3 maja 2018 r . ) .
André Leconte, „ Elektrotechniczne kontrolne urządzenia pomiarowe ”, Techniki inżynieryjne . Pomiary-analiz , n O R950,10 czerwca 2000( czytaj online ).

Zobacz też

Powiązane artykuły