Multimetry cęgowe - nie tylko do pomiaru prądu

Główną częścią multimetru cęgowego, która jednocześnie odróżnia go od zwykłych multimetrów, są właśnie cęgi pomiarowe widoczne w górnej części miernika (patrz rysunek 1). Stanowią tak naprawdę element obwodu magnetycznego, którego zdaniem jest skupienie pola magnetycznego wytwarzanego przez przepływający wewnątrz cęgów prąd.

Miernik cęgowy do pomiaru prądu stosuje w praktyce prawo Ampera, ale robi to na ogół przy wykorzystaniu czujnika Halla, ten zaś z kolei bazuje na zjawisku Halla. Czujnik Halla to półprzewodnikowy element, przez który płynie prąd zasilający, gdy element ten zostanie poddany także działaniu pola magnetycznego, dochodzi do rozdzielenia ładunków przepływających wewnątrz czujnika, co powoduje powstanie napięcia. Wartość napięcia zależy, niestety silnie nieliniowo, od wartości indukcji magnetycznej, a co za tym idzie − zależy nieliniowo od prądu. Dlatego do poprawnego i dokładnego działania producenci wyposażają swoje mierniki w różnego typu elektroniczne lub cyfrowe układy linearyzujące. W efekcie pomiar osiąga wysoką dokładność i nie musimy się jako użytkownicy przejmować nieliniowością samego przetwornika pomiarowego.

Rys. 1. Miernik cęgowy APPA 39MR

Cęgi pomiarowe są elementem obwodu magnetycznego, którego zadaniem jest skupienie pola elektromagnetycznego. Dodatkowo w celu ułatwienia zakładania cęgów na mierzony obwód posiadają przecięcie pozwalające je rozchylić i nałożyć na przewód.

Ważne:  Żeby obwód magnetyczny poprawnie spełniał swoje zadanie, konieczne jest dokładne domknięcie cęgów, które często będzie sygnalizowane charakterystycznym dźwiękiem kliknięcia, lub za pomocą wskaźnika mechanicznego lub zatrzasku. Domknięcie cęgów nie będzie możliwe, jeśli cęgi te będą zakładane na zbyt duży przewód, który postawi opór mechaniczny. Niedomknięcie obwodu magnetycznego, niezależnie od przyczyny, doprowadzi do tego samego skutku – pojawi się szczelina powietrzna w obwodzie, ta znacznie zwiększy reluktancję (opór magnetyczny) tego obwodu, co utrudni skupienie pola magnetycznego i spowoduje znaczny spadek jakości pomiaru związany z pojawieniem się błędu systematycznego.

Bardzo istotny wpływ na jakość pomiaru prądu wykonanego za pomocą miernika cęgowego ma sam dobór miernika. Jeśli chcemy mierzyć prądy o niewielkich wartościach, nie należy korzystać z mierników przeznaczonych do pomiarów dużych wartości prądów. Sam wygląd miernika cęgowego może już uzmysławiać, do pomiaru jakich prądów zostałprzeznaczony. Okno cęgów pomiarowych jest bowiem dopasowane do odpowiedniego przekroju kabla, który może przewodzić odpowiedniej wartości prąd, będący prądem maksymalnym urządzenia.

Cęgi pomiarowe pomimo dużej uniwersalności są jednak często problematyczne w użyciu, gdyż np. ciężko jest je zastosować przy płaskich szynach, szynoprzewodach z ekranem. Nie jest możliwe stosowanie ich przy liniach kablowych, które posiadają często wiele faz w sobie i/lub ekran oraz pancerz, będące de facto ekranami elektromagnetycznymi, a co za tym idzie − tłumione jest pole magnetycznego (a ono jest przecież wykorzystywane do pomiaru).

W przypadku kabli istnieje często możliwość założenia miernika cęgowego w okolicy głowicy kabla, gdzie przewodniki pochodzące od trzech faz są rozdzielane, a pancerz i ekran zdjęte. W przypadku szyn i szynoprzewodów trzeba często stosować inne urządzenia pomiarowe takie jak np. cewki Rogowskiego, które daje się łatwiej zakładać np. na płaskie w przekroju szyny.

Mierniki cęgowe są spotykane w dwóch wersjach: w pierwszej podstawowej i na ogół tańszej służą tylko do pomiaru prądów zmiennych – przykładem takiego miernika jest zaprezentowany na rysunku 2 miernik Sonel CMP-400. W drugiej odsłonie można je stosować do pomiaru napięć zmiennych i stałych. W tych dwóch przypadkach mierniki różnią się konstrukcją, co implikuje różnicę w cenie. Co ciekawe, to mierniki posiadające możliwość pomiaru prądu stałego będą miały możliwość pomiaru True RMS częściej niż mierniki dedykowane jedynie do pomiarów prądów zmiennych.

Przykładem jest miernik CMP-1006 produkowany przez Sonel zaprezentowany na rysunku 3. Urządzenie posiada funkcję pomiaru prądów stałych, ale także wykonuje pomiar prawdziwej wartości skutecznej TrueRMS potrzebny przy ocenie wartości skutecznej prądów odkształconych.

Ciekawą cechą wielu mierników cęgowych jest możliwość rejestracji szczytowej wartości prądu np. podczas rozruchu silnika lub też prądu udarowego kondensatorów czy transformatora w stanie nasycenia. Taka informacja może być przydatna np. w sytuacji, gdy poszukujemy przyczyny zapadów napięcia albo mamy wątpliwości co do stanu układu napędowego.

Rys. 2.Miernik cęgowy do pomiaru prądów zmiennych Sonel CMP-400 (źródło: www.sonel.pl)

Rys. 3. Miernik cęgowy z pomiarem prądu stałego i pomiarem TrueRMS marki Sonel CMP-1006 (źródło: www.sonel.pl)

Sama nazwa multimetr wskazuje, że urządzenie ma wiele zastosowań. W przypadku multimetrów cęgowych nie jest inaczej. Typowo pozwalają na pomiar napięcia (na ogół zarówno zmiennego, jak i stałego, a lepsze wersje mierzą napięcie zmienne z TrueRMS). Wraz z pomiarem napięcia pojawia się często możliwość pomiaru częstotliwości napięcia lub nawet odchyłki częstotliwości od nominalnej 50 czy 60 Hz.

Kolejnym parametrem mierzonym przez multimetry cęgowe jest rezystancja. Pomiar wykonuje się metodą techniczną za pomocą przepływu prądu stałego. Pomiar rezystancji jest wielozakresowy, ale należy pamiętać, że szczególnie niskie wartości rezystancji mierzone są z dość dużym błędem. Dodatkowo mamy możliwość zbadania ciągłości obwodu, która sygnalizowana jest przez dźwięk, gdy mierzona rezystancja ma wartość mniejszą od np. 70 Ω.

Pomiarem często powiązanym z pomiarami rezystancji i ciągłości jest mierzenie napięcia diody w stanie przewodzenia. To pomiar zgrubny, gdyż napięcie diody zależy od przepływającego prądu, ale pozwala on szybko ocenić, czy dioda jest uszkodzona. Pomiar nie daje oczywiście pełnej informacji o stanie diody, ale w przypadku pojawienia się napięcia spoza zakresu 0,7 do 4 V można wnioskować, że dioda nie działa prawidłowo.

Pamiętać należy jednocześnie, że pomiar ten zależy od polaryzacji. Na anodę diody należy przyłożyć napięcie dodatnie (sondę czerwoną), a na katodę ujemne. Producenci do swoich multimetrów dołączają często termoparę (patrz rysunek 4), która jest podstawą do wykonania pomiaru temperatury. Końcówkę tej sondy pomiarowej należy umiejscowić w lokalizacji, gdzie chcemy dokonać pomiaru, i poczekać kilka minut do uzyskania temperatury zbliżonej do temperatury mierzonego obiektu. Po tym czasie pomiar będzie miarodajny i dokładny.

Rys. 4. Termopara (sonda do pomiaru temperatury − typ K) (źródło: www.sonel.pl)

Ciekawym rozwiązaniem jest wyposażenie miernika w bezdotykowy wskaźnik napięcia, pozwalający ocenić jednym rzutem oka, czy badany obwód znajduje się pod napięciem, czy też nie. Rozwiązanie takie w postaci punktu świetlnego zastosowano w mierniku cęgowym Axiomet AX-3550. Dodatkowe zastosowanie tego wskazu polega na szybkiej ocenie zagrożenia porażeniem prądem. Warto przy tym pamiętać, że brak napięcia trzeba jednak stwierdzać certyfikowanym wskaźnikiem.

Miernik zaprezentowany na rysunku 6 posiada także kilka ciekawych cech pomiarowych. To urządzenie na tyle rozwinięte, że realizuje podstawowe funkcje analizatorów sieci czy analizatorów energii. Jest ono bowiem w stanie mierzyć moc czynną, moc bierną, moc pozorną, współczynnik mocy oraz energię mierzoną w wybranym przedziale czasowym.

Co więcej, w przypadku trójfazowego układu symetrycznego (bez asymetrii) miernik ten pozwala także na bezpośredni pomiar wspomnianych wcześniej wartości przy obecności jedynie jednego pomiaru prądu. Urządzenie to jest w stanie mierzyć wspomniane wcześniej wielkości w sytuacji, gdy ma do czynienia z przebiegami odkształconymi. Związane jest to z tym, że pomiar wartości skutecznej wykonuje się zgodnie z zasadą TrueRMS.

Rys. 5. Wskaźnik obecności napięcia w mierniku cęgowym Axiomet AX-3550

Rys. 6. Multimetr cęgowy Axiomet AX-3550

Mierniki cęgowe są konkurencyjnym cenowo i prostym w obsłudze urządzeniem, które może ułatwić pracę pomiarowcom. Zaawansowane mierniki cęgowe pozwalają na pomiary mocy, współczynnika mocy czy też pomiar przepływu energii w wybranym przedziale czasu. Warto więc zastanowić się, czy swój zestaw przyrządów pomiarowych nie warto uzupełnić o multimetry cęgowe.