Amperomierze cęgowe są przeznaczone do pomiaru prądu przemiennego i stałego, który płynie w pojedynczym przewodzie. Działają one na zasadzie przekładnika prądowego wykorzystując prawo Ampera oraz zjawisko Halla.

Fot. 1. Elastyczna sonda prądowa iFlex miernika cęgowego Fluke 381 (w zestawie) rozszerza zakres pomiarowy do 2500 A AC i zwiększa zakres wyświetlanych wyników. Zapewnia także lepszy dostęp do mierzonych przewodników – również o nietypowych kształtach.Fot. 1. Elastyczna sonda prądowa iFlex miernika cęgowego Fluke 381 (w zestawie) rozszerza zakres pomiarowy do 2500 A AC i zwiększa zakres wyświetlanych wyników. Zapewnia także lepszy dostęp do mierzonych przewodników – również o nietypowych kształtach.

Obręcz z miękkiej stali jest zamykana wokół dwóch cewek. Obwód pierwotny stanowi przewód, w którym płynie mierzony prąd, a obwód wtórny tworzy cewka o większej, lub znacząco większej liczbie zwojów. Obniżony w ten sposób prąd jest mierzony dużo łatwiej i bezpieczniej. W obwód wtórny można włączyć filtry elektryczne i dzięki temu mierzyć prąd o znanej częstotliwości (na przykład 50/60 Hz), obcinając wyższe harmoniczne. Mierniki cęgowe nowszej generacji pozwalają na pomiar również prądu stałego, wykorzystując do tego zjawisko Halla. Tak w skrócie można opisać zasadę działania mierników cęgowych.

Warto zwrócić uwagę na fakt, że dostępne na rynku mierniki cęgowe pozwalają nie tylko na pomiar podstawowych wielkości elektrycznych. Niektóre, zaawansowane technicznie wersje tych przyrządów mogą analizować harmoniczne.

Funkcjonalność

Przydatne rozwiązanie stanowi funkcja wyznaczania wartości maksymalnej i minimalnej. W trakcie kolejnych pomiarów przyrząd zapamiętuje i zapisuje w pamięci wewnętrznej bieżący wynik jako wartość maksymalną „MAX” lub minimalną „MIN”, jeśli jest większy lub odpowiednio mniejszy od tej wartości zapamiętanej od początku włączenia tej funkcji.

Fot. 2. Cęgowy miernik mocy ST-3353 firmy Standard Instruments mierzy w układach jednofazowych i trójfazowych oprócz napięcia i prądu przemiennego (do 1000 A), moc czynną (do 750 kW), bierną i pozorną oraz współczynnik mocy, pamięć 99 zestawów danych pomiarowych oraz interfejs USB.Fot. 2. Cęgowy miernik mocy ST-3353 firmy Standard Instruments mierzy w układach jednofazowych i trójfazowych oprócz napięcia i prądu przemiennego (do 1000 A), moc czynną (do 750 kW), bierną i pozorną oraz współczynnik mocy, pamięć 99 zestawów danych pomiarowych oraz interfejs USB.

Funkcja INRUSH pozwala na pomiar maksymalnej wartości prądu rozruchowego. Z pewnością przyda się funkcja natychmiastowej oceny zawartości harmonicznych w mierzonych przebiegach napięciowych i prądowych (THD%-F). Parametr ten definiuje się jako stosunek sumarycznej rzeczywistej wartości skutecznej wszystkich harmonicznych do rzeczywistej wartości skutecznej odpowiadającej częstotliwości podstawowej. Spotkać można również funkcję analizy harmonicznych ze wskazywaniem zawartości poszczególnych harmonicznych od 1 do np. 20. Bardziej zaawansowane wersje są wyposażone w łącze komunikacyjne USB.

Możliwości pomiarowe

Warto podkreślić, że niektóre wersje mierników cęgowych pozwalają na pomiar rzeczywistej wartości skutecznej prądu przemiennego (True RMS) zamiast pomiaru wartości średniej prądu spotykanego w tanich przyrządach tego typu. Są też dostępne wykonania z pomiarem mocy czynnej, biernej oraz pozornej (w zakresie np. do 600 kW/kVA/kVar). Przez długi czas dominował pogląd, że mierniki cęgowe znajdują zastosowanie przede wszystkim przy pomiarach prądu o wartości poczynając dopiero od 1 A. Jednak na rynku są już dostępne przyrządy cęgowe, które pozwalają na pomiar bardzo małych wartości prądów przemiennych rzędu od kilku do kilkunastu mA. Stąd też przyrządy tego typu doskonale nadają się do pomiarów sygnałów analogowych w systemach sterujących.

Fot. 3. Miernik cęgowy AC/DC Fluke 381 posiada wszystkie funkcje, których instalator oczekuje od miernika cęgowego. Dodatkowo umożliwia odłączanie wyświetlacza, zapewniając jeszcze większą elastyczność zastosowań. Dzięki technologii bezprzewodowej wyświetlacz można oddalić ok. 10 metrów od punktu pomiarowego w wyniku czego jeden technik może wykonać pracę, która dawniej wymagała dwóch osób.Fot. 3. Miernik cęgowy AC/DC Fluke 381 posiada wszystkie funkcje, których instalator oczekuje od miernika cęgowego. Dodatkowo umożliwia odłączanie wyświetlacza, zapewniając jeszcze większą elastyczność zastosowań. Dzięki technologii bezprzewodowej wyświetlacz można oddalić ok. 10 metrów od punktu pomiarowego w wyniku czego jeden technik może wykonać pracę, która dawniej wymagała dwóch osób.

Pomiar multimetrem cęgowym to przede wszystkim pomiar prądu stałego i przemiennego, a ponadto rezystancji, pojemności, częstotliwości i temperatury. Można nim też wykonać test ciągłości obwodu elektrycznego oraz diody. Niektóre zaawansowane wersje przyrządów cęgowych sprawdzają się przy rozwiązywaniu problemów z jakością energii obciążeń zmiennych, co zyskuje się dzięki możliwości wyświetlania widm harmonicznych oraz filtrowi dolnoprzepustowemu, usuwającemu zakłócenia o wysokich częstotliwościach. Z pewnością przydatna okaże się możliwość rejestrowania przebiegów w zakresie czasu określonym przez użytkownika, w celu oceny trendów zmian lub problemów z jakością energii, które mogą powstać w efekcie działania krótkotrwałych zakłóceń. Mierników cęgowych używa się także przy badaniach obciążeń prądowych przez weryfikację przepustowości obwodów elektrycznych. Przyrządy tego typu sprawdzają się przy wykrywaniu problemów związanych z harmonicznymi, które mogą być przyczyną niewłaściwej pracy urządzeń. Zastosowanie mierników cęgowych obejmuje również pomiary prądów rozruchowych, a w szczególności, w przypadku wystąpienia błędów w uruchamianiu lub częstego wyzwalania zabezpieczeń. Mierniki cęgowe są używane przy pracach związanych z parametryzowaniem oraz diagnozowaniem napędów o zmiennej częstotliwości.

Fot. 4. Uniwersalny miernik cęgowy, umożliwiający prowadzenie pomiarów prądu do 2000 A przy pomocy cęgów na przewodach o średnicy do 57 mm i szynoprzewodach do 70 x 18 mm. Przyrząd posiada elektroniczne zabezpieczenia przeciążeniowe wszystkich funkcji i zakresów pomiarowych.Fot. 4. Uniwersalny miernik cęgowy, umożliwiający prowadzenie pomiarów prądu do 2000 A przy pomocy cęgów na przewodach o średnicy do 57 mm i szynoprzewodach do 70 x 18 mm. Przyrząd posiada elektroniczne zabezpieczenia przeciążeniowe wszystkich funkcji i zakresów pomiarowych.

Co nowego

W nowoczesnych miernikach cęgowych niejednokrotnie uwzględnia się dodatkową elastyczną cewkę pomiarową. Przyrządy tego typu pozwalają na pomiar prądu przemiennego o wartości do 5000 A. Sondy podłącza się bezpośrednio do miernika. Dodatkowe cęgi szczególnie sprawdzają się przy pomiarach w trudnodostępnych miejscach, gdzie zastosowanie klasycznych cęgów jest trudne. Warto przy tym zwrócić uwagę na dużą średnicę bardzo elastycznej pętli oraz cienki jej przekrój, zapewniający możliwość przeprowadzenia pomiarów w wąskich kanałach kablowych i szynoprzewodów o skomplikowanych kształtach. W momencie podłączenia do miernika dodatkowej cewki następuje dezaktywacja pracy stałych cęgów miernika.

W nowoczesnych multimetrach cęgowych niejednokrotnie przewiduje się bezprzewodowy wyświetlacz, wymieniający dane z urządzeniem głównym drogą radiową. Wyświetlacz ten można odłączyć i umieścić w odległości do 10 metrów od reszty przyrządu, uzyskując zdalny odczyt pomiarów. Dioda sygnalizacyjna umieszczona w podstawie miernika informuje użytkownika o wystąpieniu na zaciskach tego przyrządu napięcia powyżej 30 V. Moduł zewnętrzny wyświetlacza ma typowe funkcje, lecz sterowane zdalnie takie jak: zatrzymanie wskazania (Hold), wskazywanie wartości: MIN, MAX, AVG (wartość średnia) i podświetlenie. Z podstawą miernika można zsynchronizować różne moduły wyświetlacza, ale tylko jeden moduł może być zsynchronizowany w danym momencie. Po umieszczeniu modułu w podstawie miernika, sygnał radiowy zostaje wyłączony.

Fot. 5. Multimetr cęgowy 3280-20 firmy HIOKI, wąskie i lekkie cęgi z cewką powietrzną, zakres pomiaru prądu przemiennego do 1000 A, funkcja True RMS, gniazda pomiarowe napięcia przemiennego i rezystancji oraz testu ciągłości obwodu, przełącznik dwóch szybkości próbkowania.Fot. 5. Multimetr cęgowy 3280-20 firmy HIOKI, wąskie i lekkie cęgi z cewką powietrzną, zakres pomiaru prądu przemiennego do 1000 A, funkcja True RMS, gniazda pomiarowe napięcia przemiennego i rezystancji oraz testu ciągłości obwodu, przełącznik dwóch szybkości próbkowania.

W niektórych multimetrach cęgowych mierzących prąd przemienny stosuje się cęgi bez rdzenia magnetycznego. Cęgi te zawierają tylko specjalną cewkę powietrzną. Dzięki takiej konstrukcji są one lekkie i trwałe, w przeciwieństwie do cęgów tradycyjnego miernika cęgowego, którego upuszczenie powoduje zwykle pęknięcia rdzenia, czyniąc naprawę kosztowną, a czasem wręcz nieopłacalną.

Nabywając miernik cęgowy należy zwrócić uwagę na dołączone do niego odpowiednie świadectwo wzorcowania. Stanowi ono dokument, który potwierdza zgodność parametrów deklarowanych przez producenta w odniesieniu do wzorca państwowego. W świadectwie wzorcowania podaje się także wynik obliczeń niepewności pomiaru. Jest to różnica pomiędzy wartością pomiaru a rzeczywistą wartością tej wielkości. Definicja ta jest zawiła, natomiast w praktyce oznacza, że pomiar nie może być wyznaczony dokładnie. Tym samym żaden pomiar nie jest idealny a niepewność pomiarów można obliczyć. Metrolodzy są zgodni co do tego, że na niepewność pomiarów składa się wiele czynników a każdy z nich w jakimś stopniu wpływa na wynik pomiaru. Do kluczowych czynników, determinujących dokładność pomiaru, zalicza się cechy przyrządów czy też jakość zmysłów osoby przeprowadzającej pomiary. W zależności od producenta podaje się różne okresy ważności tzw. kontroli metrologicznej. Pamiętać należy także, że miernik cęgowy stanowi przyrząd pomiarowy w myśl normy ISO 9001:2009. Dlatego też nabywając miernik, należy zadbać o jego włączenie do procedury obejmującej okresowe sprawdzanie przyrządów pomiarowych.

Fot. 6. Miernik cęgowy prawdziwej wartości Fluke 325 oferuje duże możliwości w niewielkiej obudowie. Te małe i wytrzymałe mierniki cęgowe doskonale nadają się do pomiarów prądu do 400 A w ciasnych szafkach z kablami. Fluke 325 oferuje również pomiar prądu DC i częstotliwości.Fot. 6. Miernik cęgowy prawdziwej wartości Fluke 325 oferuje duże możliwości w niewielkiej obudowie. Te małe i wytrzymałe mierniki cęgowe doskonale nadają się do pomiarów prądu do 400 A w ciasnych szafkach z kablami. Fluke 325 oferuje również pomiar prądu DC i częstotliwości.

Warto podkreślić, że świadectwa wzorcowania dotyczą takich przyrządów pomiarowych jak mierniki do pomiarów napięcia i natężenia prądu, rezystancji izolacji, rezystancji uziemień, parametrów wyłączników różnicowoprądowych, pętli zwarcia, a także małych rezystancji. Świadectwa wzorcowania wydane są także dla mierników wielofunkcyjnych. Wzorcowanie przeprowadzane jest w laboratorium wzorcującym. Chcąc zlecić wzorcowanie przyrządu pomiarowego można zwrócić się do jego producenta lub dystrybutora. Pod warunkiem, że ten ostatni dysponuje niezbędnymi narzędziami kontrolno- -pomiarowymi.

Podsumowanie

Mierniki cęgowe są urządzeniami pomiarowymi umożliwiającymi pomiar prądów bez potrzeby rozwierania mierzonego obwodu. Klasyczny pomiar prądu wymaga rozwarcia badanego obwodu, w celu szeregowego podłączenia amperomierza (lub multimetru z zakresami prądowymi). Metoda cęgowa umożliwia pomiar zarówno prądów o dużych wartościach, co jest cenne w zastosowaniu w energetyce i przemyśle podczas normalnej eksploatacji urządzeń i maszyn, jak i natężenia prądu o niewielkiej wartości, czyli np. przemiennych prądów upływowych. Dużym zainteresowaniem wśród automatyków cieszą się mierniki cęgowe do testowania pętli sterowania 4~20 mA DC, znacznie ułatwiające analizowanie pracy układów sterowania.

Fot. 7. Cyfrowy miernik cęgowy CMP-600 przeznaczony jest do cęgowych pomiarów prądu przemiennego i stałego. Ponadto miernik umożliwia pomiar napięć stałych i przemiennych, częstotliwości, rezystancji oraz testowanie diod. Miernik składa się z 6-kanałowego nadajnika i odbiornika, co umożliwia zdalny odczyt wyników pomiarów z sześciu (max) nadajników przy pomocy jednego odbiornika. Możliwe jest też wysyłanie danych z jednego nadajnika do wielu odbiorników jednocześnie.Fot. 7. Cyfrowy miernik cęgowy CMP-600 przeznaczony jest do cęgowych pomiarów prądu przemiennego i stałego. Ponadto miernik umożliwia pomiar napięć stałych i przemiennych, częstotliwości, rezystancji oraz testowanie diod. Miernik składa się z 6-kanałowego nadajnika i odbiornika, co umożliwia zdalny odczyt wyników pomiarów z sześciu (max) nadajników przy pomocy jednego odbiornika. Możliwe jest też wysyłanie danych z jednego nadajnika do wielu odbiorników jednocześnie.

Mierniki cęgowe powinien cechować przede wszystkim wiarygodny pomiar prądów z zawartością harmonicznych. Ważny jest także szybki i jednoznaczny odczyt w różnorodnych warunkach (podświetlany wyświetlacz, funkcja Hold , bargraf, szybkie próbkowanie, stosowanie układów z dużymi wartościami zliczania). Warto zwrócić uwagę na pomiar wartości szczytowych i prądów rozruchowych, zapewnienie możliwie wysokiego bezpieczeństwa pomiaru (zalecana KAT IV 600 V) oraz wygodna obsługa zarówno w rękawicy ochronnej, jak i bez.

Większość oferowanych na rynku mierników cęgowych, oprócz pomiaru prądu, wyposażonych jest w funkcje charakterystyczne dla mierników uniwersalnych, natomiast najbardziej zaawansowane pozwalają mierzyć moc czynną, bierną i pozorną, całkowity współczynnik mocy PF, współczynnik zawartości harmonicznych THD, a także energię.

Fot. 8. Cęgi elastyczne CT9667 firmy HIOKI z przełączanym podzakresem pomiarowym prądu przemiennego 500/5000 A, średnica wewnętrzna pętli 254 mm, zasilanie z wewnętrznej baterii.Fot. 8. Cęgi elastyczne CT9667 firmy HIOKI z przełączanym podzakresem pomiarowym prądu przemiennego 500/5000 A, średnica wewnętrzna pętli 254 mm, zasilanie z wewnętrznej baterii.

Najważniejszym parametrem każdego multimetru cęgowego jest zakres mierzonych prądów i związana z tym średnica wewnętrzna cęgów. Inne multimetry cęgowe są używane do pomiaru prądów przemiennych, a inne do przemiennych i stałych. Te drugie są zwykle droższe. Inną konstrukcję mają też multimetry cęgowe przeznaczone do pomiaru małych prądów stałych, prądów przemiennych upływowych, dużych prądów stałych i przemiennych (600- 1000 A) oraz mocy. Oprócz wielkości (średnicy wewnętrznej) jest też ważny kształt cęgów np. czy są wydłużone, przystosowane do założenia na szynę itd.

Damian Żabicki
Współpraca merytoryczna: Leszek Halicki