SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Токовые клещи как дополнение к выпускаемой линейке датчиков измерения тока

В статье приводятся основные технические характеристики и конструктивные особенности разработанных токовых клещей-адаптеров. Описаны свойства клещей для измерения больших (до 5000 А) токов и электронный вариант высоковольтных (до 10 кВ) клещей. Разработанные приборы пополнили линейку выпускаемых ОАО «НИИЭМ» датчиков тока, напряжения и датчиков измерения активной мощности.

ОАО «НИИЭМ», г. Истра, МО

NIIEM.png


Широкое распространение магниточувствительных датчиков Холла, их дешевизна и простота использования (в том числе с интегральными схемами обработки сигнала) привели к созданию целого ряда современных миниатюрных приборов и устройств. Число таких устройств исчисляется многими сотнями. Например, доля доходности только в автомобильной промышленности, где эти устройства очень востребованы и получили большое развитие, составляет более 52 % [1, 2]. В измерительной технике также используются бесконтактные датчики угла вращения, датчики прецизионных перемещений и другие приборы на основе эффекта Холла. В этой номенклатуре важный класс приборов составляют современные датчики измерения постоянного и переменного токов, датчики напряжения и датчики измерения активной мощности [3, 4]. Возможность бесконтактного измерения любого вида тока с гальванической развязкой входных и выходных цепей обусловила популярность таких устройств. Необходимо подчеркнуть, что отечественные приборы этого класса также присутствуют на рынке и давно используются разработчиками аппаратуры для решения различных задач автоматизации [5, 6]. 

Кроме стационарных датчиков тока, которыми комплектуются преобразователи для приводов, источники бесперебойного питания, источники для сварочных агрегатов, генераторы, телемеханические устройства и т. д., также приобрели популярность разъемные датчики тока [7]. Их основное преимущество – возможность монтажа на токовые шины без разрыва последних. Отдельным подклассом разъемных датчиков являются токовые клещи, предназначенные прежде всего для мобильных разовых измерений. Ниже описаны конструктивные и технологические особенности этого класса датчиков, разрабатываемых в ОАО «НИИЭМ». 


Клещи-адаптеры («прищепки»)

Клещи этого типа получили такое название, поскольку крепятся на токовой шине как обычная прищепка. Отсутствие индикатора и упрощенная схема измерений делают такие устройства значительно дешевле стандартных токовых клещей. В табл. 1 приведены типы и основные характеристики разработанных адаптеров.

Таблица 1. Основные технические характеристики токовых клещей-адаптеров

Клещи КЭИ-м, например, предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного токов до 400 А. Диаметр охвата губок клещей составляет 19 мм. Малые габариты и масса прибора обеспечивают удобство работы (рис. 1а). Форма выходного сигнала полностью повторяет форму измеряемого тока; полярность выходного сигнала изменяется при изменении направления протекания измеряемого тока. Недостатком же этого адаптера является потребность во внешнем источнике питания 7…15 В.

В конструкции клещей КЭИ-ПЭ (рис. 1б) этот недостаток устранен за счет использования в качестве источника питания одного элемента типа «Крона». Диапазон измерения токов КЭИ-ПЭ расширен до 1500 А благодаря наличию в конструкции датчика разъемных губок увеличенного диаметра – 35 или 64 мм.
Стандартные клещи КЭИ-ПЭ преобразуют измеряемый ток в выходное напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока («линейный выход»). По требованию заказчиков можно также обеспечить выход, пропорциональный среднеквадратичному значению измеряемого тока. Для этого стандартная схема КЭИ-ПЭ дополняется детектором истинных среднеквадратичных значений (true RMS). Дополнительное расширение схемы за счет интерфейса «токовая петля» позволяет получить на выходе КЭИ-ПЭ токовый сигнал (4–20 мА или 0–20 мА), пропорциональный истинному среднеквадратичному значению измеряемого тока.

Ris.1.png
 

Рис. 1. Клещи-адаптеры на токи до 400 А (а) и 1500 А (б)

Если необходимо повысить точность измерений, целесообразно использовать адаптер типа КЭИ‑0,5П (постоянный, переменный и импульсный токи) с диаметром охвата губок 54 мм. Чтобы добиться необходимой точности и повторяемости в этих клещах, используется специальная конструкция губок, которая позволяет свести к минимуму влияние температуры окружающей среды на механическое напряжение в магнитопроводе губок. Кроме того, в КЭИ‑0,5П и КЭИ‑0,5Т (рис. 2) используется так называемая «плавающая» конструкция губок, что обеспечивает линейную и повторяемую зависимость влияния механической системы губок на результаты измерений. Снижение погрешности измерений до 0,5 % обеспечивается также специальной электрической схемой, включающей термокоррекцию по показаниям датчика Холла. Наличие в схеме микроконтроллера позволяет программно, при технологической калибровке адаптера, проводить коррекцию усиления и регулировку смещения входного каскада схемы.

Ris.2.png

Рис. 2. Многофункциональные клещи-адаптеры КЭИ‑0,5П (а) и КЭИ‑0,5Т (б) с «плавающими» губками

Очередная модификация этих клещей КЭИ‑1,0Т и КЭИ‑1,0Т RMS (табл. 1) предназначена для измерения, соответственно, переменного и импульсного токов до 1000 А. У таких адаптеров предусмотрено трехпозиционное переключение диапазонов измеряемого тока: на 0…10, 0…100 и 0…1000 А. Питание датчиков обеспечивается по токовой петле, а выходной сигнал сделан удобным для дальнейшей обработки (0–20 мА или 4–20 мА).


Клещи-мультиметры

Это наиболее широко представленная на рынке разновидность токовых клещей, снабженных индикатором, на котором высвечивается значение измеряемого тока. Разнообразие этих приборов и их ценовой диапазон очень широки: начиная от простейших клещей только для измерения переменного тока и до сложных приборов, которые позволяют кроме величины тока проводить анализ гармоник (до 50‑й гармоники), регистрируют пиковые значения, измеряют емкость, частоту, тестируют р‑n‑переходы, измеряют фазовый угол и индицируют последовательность фаз.

Таблица 2. Характеристики токовых клещей-мультиметров

Tab.2.png

Из числа разработок ОАО «НИИЭМ» можно выделить клещи-мультиметры КЭИ‑0,6м и КЭИ‑1м (табл. 2). Это цифровые программируемые многофункциональные устройства, предназначенные для измерения:
- действующего (RMS) значения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазонах, соответственно, 0…200 или 0…600 А и 0…200 или 0…1000 А;
- действующего (RMS) значения напряжения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазонах 0…200 и 0…600 В;
- сопротивления в диапазонах 0…200 и 0…2000 Ом.

Отличительными особенностями таких клещей являются калибровка каждого диапазона измерения по двум точкам и хранение констант калибровки в энергонезависимом запоминающем устройстве с защитой от случайного изменения. В конструкции клещей применена удобная пленочная клавиатура с прямым выбором измеряемого параметра и звуковым подтверждением нажатия.

Ris.3.png

Рис. 3. Многофункциональные клещи
КЭИ-0,6м (а) и КЭИ-1м (б)

Внешний вид клещей представлен на рис. 3. Клещи являются интеллектуальным прибором, поэтому род измеряемого тока или напряжения, пределы измерения и обнуление шкалы производятся автоматически. Благодаря наличию в конструкции клещей-мультиметров микроконтроллера, эти приборы обладают рядом дополнительных функций, которые позволяют:
- снизить до минимума собственное энергопотребление (функция «сон»);
- запомнить максимальное и минимальное значение измеряемого параметра (функция «память»);
- озвучивать нажатия кнопок;
- осуществлять звуковую «прозвонку» электрических цепей;
- сообщать о необходимости замены источника питания.
 

Клещи больших токов

Описанные выше модели токовых клещей являются приборами массового применения, чем в первую очередь и обусловлена их широкая номенклатура. В то же время найти клещи для мобильного контроля токов выше 3000 А уже не так просто.

В ОАО «НИИЭМ» разработана конструкция и освоен мелкосерийный выпуск клещей для измерения постоянного и переменного токов до 3000 и 5000 А. Из табл. 3 видно, что при диаметре губок, соответственно, 90 и 160 мм, клещи КЭИ‑3КА и КЭИ‑5КА позволяют измерять ток в диапазонах от 0 до 200, 2000, 3000 А и от 0 до 200, 2000, 5000 А. При малом собственном потреблении для питания электрической схемы клещей достаточно одного элемента типа «Крона». Измеренное значение тока высвечивается на жидкокристаллическом индикаторе с разрядностью 3,5. Относительно небольшая масса клещей и широкий температурный диапазон обеспечивают удобство работы с этими приборами. Клещи КЭИ‑3КА и КЭИ‑5КА сертифицированы и введены в Госреестр средств измерений РФ.

Таблица 3. Характеристики клещей для больших токов

Сертифицированы также клещи КЭИ‑1 (10 кВ), которые являются многофункциональным индикаторным датчиком, предназначенным для измерения средневыпрямленного значения переменного тока в диапазонах от 0 до 100 или 1000 А без разрыва силовой цепи при потенциале на токовой шине относительно земли до 10 кВ (рис. 4). Разрабатывались эти клещи в рамках импортозамещения для замены морально устаревших, но все еще используемых клещей Ц4502 (изготовлены в Республике Армения).

Ris.4.png

Рис. 4. Внешний вид высоковольтных токовых клещей КЭИ‑1 (10 кВ)

Электронные клещи КЭИ‑1 (10 кВ) состоят из корпуса, включающего в себя разъемный трансформатор тока, печатную плату с электронной схемой обработки сигнала и цифровой светодиодный индикатор, а также ручек, монтируемых к корпусу.

Основой электронной схемы клещей является 8‑разрядный микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). При протекании переменного измеряемого тока по силовой шине, охватываемой магнитопроводом, на нагрузке трансформатора тока индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная измеряемому току. Выходной сигнал с нагрузки поступает на детектор, который формирует на выходе напряжение, пропорциональное средневыпрямленному значению измеряемого тока.

Микроконтроллер преобразует его в цифровой сигнал и индицирует на 3‑разрядном светодиодном индикаторе в виде действующего значения измеряемого тока. В обоих рабочих диапазонах (0…100 А и 0…1000 А) обеспечивается высокая точность измерений: основная приведенная погрешность составляет менее 1 %.

Клещи оснащены светодиодным индикатором высокой яркости, что позволяет безошибочно считывать показания даже при слепящем солнечном свете. При работе в условиях недостаточной освещенности можно воспользоваться функцией подсветки зоны измерения, которая предусмотрена в клещах.

Клещи КЭИ‑1 (10 кВ) оснащены интеллектуальной функцией сбережения заряда батарей. Если измеряемый ток менее 5 А, то по истечении примерно 5 минут клещи переходят в режим энергосбережения – «сон». Электронная схема, светодиодный индикатор и светодиод подсветки в этом режиме отключаются. Таким образом, в процессе работы клещи внезапно не «заснут» в самый неподходящий момент. При отсутствии измерений клещи «заснут» и перейдут в режим энергосбережения.

При разрядке элементов питания клещей измерения могут стать недостоверными. Клещи сигнализируют об этом, попеременно отображая показания измеряемого тока и специальный мнемосимвол.

Важной функцией клещей является возможность передачи результатов измерений по беспроводному интерфейсу Bluetooth (в процессе разработки) на смартфон, планшет или компьютер.


Источники

1. Сысоева С. С. Датчики магнитного поля: ключевые технологии и новые перспективы. Датчики Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 1.
2. Сысоева С. С. Автомобильный сегмент – ведущая отрасль для датчиков магнитного поля // Innovations Insight Magazine. 2003. № 1.
3. Данилов А. А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
4. Производители датчиков и преобразователей физических величин (таблица) // Электронные компоненты. 2005. № 11.
5. Портной Г. Я. Датчики для систем автоматизации и контроля // Компоненты и технологии. 2011. № 5.
6. Федеральное космическое агентство. НИИЭМ [сайт]. URL: www.niiem46.ru (дата обращения: 26.03.2015).
7. Портной Г. Я. Разъемные датчики тока – актуальный сегмент на рынке датчиков // Компоненты и технологии. 2014. № 1.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(56)_2015

Г.Я. Портной, к. т. н., зам. гл. конструктора,
О.А. Болотин, научный сотрудник,
К.П. Разумовский, ведущий инженер, 
С.А. Старков, инженер-технолог,
О.Е. Яценко, инженер-конструктор,
ОАО «НИИЭМ», г. Истра, МО,
тел.: (495) 994-5188,
e‑mail: sensor@niiem46.ru,
www.niiem46.ru