Токоизмерительные клещи и их применение в нейрофизиологии.

Введение

Инструмент для измерения электрического тока, запись тока в нейронах.

В электротехнике и электронике токовый зажим, также известный как токовый зонд, – это электрическое устройство с раскрывающимися захватами для обхвата электрического проводника. Это позволяет измерять ток в проводнике, не прибегая к физическому контакту с ним и не отключая его для введения в зонд. Токовые зажимы обычно используются для измерения амплитуды переменного тока (AC), а с помощью дополнительного оборудования можно также измерить фазу и форму сигнала. Некоторые клещи-амперметры способны измерять токи силой 1000 А и более. Токовые зажимы на эффекте Холла и лопаточные зажимы также могут измерять постоянный ток (DC).

Трансформатор тока

Обычная форма токового зажима состоит из раздвоенного кольца из феррита или мягкого железа. Проволочная катушка наматывается на одну или обе половины кольца, формируя одну обмотку трансформатора тока. Проводник, вокруг которого зажим закреплен, образует другую обмотку. Как и любой трансформатор, этот тип работает только с переменным током или импульсными сигналами, при этом некоторые модели сохраняют работоспособность в диапазоне мегагерц. При измерении тока тестируемый проводник выступает в роли первичной обмотки, а катушка – вторичной. Этот тип может также использоваться в обратном режиме для введения тока в проводник, например, при испытаниях на электромагнитную совместимость для создания помехового тока. Обычно для этого используется специально разработанный зонд для инжекции тока. В этом режиме катушка выступает в роли первичной обмотки, а тестируемый проводник – вторичной.

Железный лопатой

В железном винтовом типе магнитный поток в сердечнике напрямую воздействует на движущуюся железную пластину, позволяя измерять как переменный, так и постоянный ток, и выдает истинное среднеквадратичное (RMS) значение для несинусоидальных форм переменного тока. Из-за своих физических размеров он обычно ограничен частотами передачи мощности до примерно 100 Гц. Пластина обычно жестко закреплена на механизме отображения аналогового (с движущимся указателем) зажимного амперметра. Калибровка прибора явно нелинейна.

Эффект Холла

Тип датчика на эффекте Холла более чувствителен и способен измерять как постоянный, так и переменный ток, в некоторых случаях в диапазоне до килогерц (тысяч герц). Ранее этот тип часто использовался с осциллографами и высококлассными компьютеризированными цифровыми мультиметрами, однако сейчас он становится все более распространенным для общего применения.

Коечка Роговского

Датчик тока катушки Роговски по внешнему виду и принципу действия напоминает токозажим. Этот бессердечный трансформатор используется в клеммометрах и регистраторах мощности. Он обладает преимуществом лучшей линейности, поскольку не имеет сердечника, склонного к насыщению, может быть гибким и не требует магнитного или электрического контакта в месте раскрытия. Катушка Роговски выдает напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в первичном кабеле, поэтому для отображения измеренных значений требуется дополнительная обработка сигнала.

Степеномер

Электрометр с интегральным токовым клещом известен как клещевой амперметр, амперметр с токовым клещом, тестер-клещами или в разговорной речи как ампер-клеща. Клещевой амперметр измеряет векторную сумму токов, протекающих по всем проводникам, проходящим через захват, что зависит от фазового соотношения токов. Обычно через захват пропускают только один проводник. В частности, если клеща закроют вокруг двухпроводного кабеля, подающего питание к оборудованию, по одному проводнику течет ток в одном направлении, а по другому – в противоположном; прибор правильно показывает нулевой суммарный ток. Поскольку электрические кабели для оборудования имеют оба изолированных проводника (и, возможно, заземляющий проводник), соединенных вместе, клещевые амперметры часто используются с по сути коротким удлинителем с разъединенными проводниками, чтобы клеща можно было установить только вокруг одного проводника этого удлинителя. Относительно новым развитием является многопроводниковый клещевой амперметр с несколькими катушками датчиков вокруг захватов клещи. Его можно закрепить вокруг стандартных двух- или трехпроводных однофазных кабелей для отображения тока, протекающего через нагрузку, без необходимости разделять проводники. Однако, данный измерительный механизм более склонен к ошибочным измерениям и требует осторожной эксплуатации. Показания, выдаваемые проводником с очень низким током, можно увеличить, несколько раз обмотав проводник вокруг клещи; показание прибора, деленное на количество витков, является током, с некоторой потерей точности из-за индуктивных эффектов. Клещевые амперметры используются электриками, иногда с клещом, встроенным в универсальный мультиметр. Легко измерить очень высокие токи (сотни ампер) с помощью подходящего трансформатора тока. Точное измерение низких токов (несколько миллиампер) с помощью токового клеща более сложно. Диапазон любого конкретного прибора можно расширить, несколько раз пропуская проводник через захват. Например, прибор с диапазоном 0–200 А можно превратить в прибор с диапазоном 0–20 А, намотав проводник 10 раз вокруг сердечника захвата. Более дешевые клещевые амперметры используют выпрямитель, который фактически измеряет средний ток, но откалиброван для отображения среднеквадратичного (RMS) тока, соответствующего измеренному среднему значению, обеспечивая правильное RMS-значение только в том случае, если ток является синусоидальным. Для других форм волн показания будут неверными; при использовании этих простых приборов с несинусоидальными нагрузками, такими как балласты, используемые с люминесцентными лампами или лампами высокого давления, или с большинством современного компьютерного и электронного оборудования, показания могут быть весьма неточными. Приборы, реагирующие на истинный RMS, а не на средний ток, описываются как "true RMS". Типичные ручные приборы на эффекте Холла могут измерять токи до 200 мА, а также доступны приборы, способные измерять до 1 мА. Клещевой амперметр Columbia (на иллюстрации) является примером амперметра с железным сердечником, используемого для измерения больших переменных токов до 1000 ампер. Железные захваты прибора направляют магнитное поле, окружающее проводник, на железный сердечник, прикрепленный к стрелке прибора. Железный сердечник перемещается пропорционально силе магнитного поля, и таким образом выдает показание прибора, пропорциональное току. Этот тип амперметра может измерять как переменный, так и постоянный ток и обеспечивает измерение истинного RMS-тока несинусоидальных или искаженных форм волн переменного тока. В зажимную сборку можно устанавливать взаимозаменяемые измерительные механизмы для обеспечения различных пределов измерений тока до 1000 ампер. Железный сердечник находится в небольшом цилиндре, который вставляется в пространство на шарнирной части захватов клещи. Доступны различные размеры захватов для зажима вокруг больших проводников и шин. Как видно на иллюстрации, шкала очень нелинейна и не подходит для измерения низких токов, при этом токи, меньшие половины полного отклонения шкалы, умещаются в коротком участке циферблата.

An electrical meter with integral AC current clamp is known as a clamp meter, clamp on ammeter, tong tester, or colloquially as an amp clamp. A clamp meter measures the vector sum of the currents flowing in all the conductors passing through the probe, which depends on the phase relationship of the currents. Only one conductor is normally passed through the probe. In particular if the clamp is closed around a two conductor cable carrying power to equipment, the same current flows down one conductor and up the other; the meter correctly reads a net current of zero. As electrical cables for equipment have both insulated conductors (and possibly an earth wire) bonded together, clamp meters are often used with what is essentially a short extension cord with the two conductors separated, so that the clamp can be placed around only one conductor of this extension. A relatively recent development is a multi conductor clamp meter with several sensor coils around the jaws of the clamp. This could be clamped around standard two or three conductor single phase cables to provide a readout of the current flowing through the load, with no need to separate the conductors. However, the particular sensing mechanism is more prone to erroneous measurement and careful operation is required. The reading produced by a conductor carrying a very low current can be increased by winding the conductor around the clamp several times; the meter reading divided by the number of turns is the current, with some loss of accuracy due to inductive effects. Clamp meters are used by electricians, sometimes with the clamp incorporated into a general purpose multimeter. It is simple to measure very high currents (hundreds of amperes) with the appropriate current transformer. Accurate measurement of low currents (a few milliamperes) with a current transformer clamp is more difficult. The range of any given meter can be extended by passing the conductor through the jaw multiple times. For example a 0–200 A meter can be turned into a 0–20 A meter by winding the conductor 10 times around the jaw's core. Less expensive clamp meters use a rectifier circuit which actually reads mean current, but is calibrated to display the RMS current corresponding to the measured mean, giving a correct RMS reading only if the current is a sine wave. For other waveforms readings will be incorrect; when these simpler meters are used with non sinusoidal loads such as the ballasts used with fluorescent lamps or high intensity discharge lamps or most modern computer and electronic equipment, readings can be quite inaccurate. Meters which respond to true RMS rather than mean current are described as "true RMS". Typical hand held Hall effect units can read currents as low as 200 mA, and units that can read down to 1 mA are available. The Columbia tong test ammeter (illustrated) is an example of the iron vane type, used for measuring large AC currents up to 1000 amperes. The iron jaws of the meter direct the magnetic field surrounding the conductor to an iron vane that is attached to the needle of the meter. The iron vane moves in proportion to the strength of the magnetic field, and thus produces a meter indication proportional to the current. This type of ammeter can measure both AC and DC currents and provides a true RMS current measurement of non sinusoidal or distorted AC waveforms. Interchangeable meter movements can be installed in the clamping assembly to provide various full scale current values up to 1000 amperes. The iron vane is in a small cylinder that is inserted in a space at the hinged end of the clamp on jaws. Several jaw sizes are available for clamping around large conductors and bus bars up to wide. As the illustration shows, the scale is very non linear and unsuitable for measuring low currents, with currents of less than half the full scale deflection crammed into a short section of the dial.

Энергосчетчик, анализатор энергии

Клеммовые зонды используются с некоторыми измерительными приборами для измерения электрической мощности и энергии. Клемма измеряет ток, а другие схемы – напряжение; истинная мощность является произведением мгновенного напряжения и тока, проинтегрированных за один цикл. Комплексные измерители, предназначенные для измерения множества параметров электрической энергии (коэффициент мощности, искажения, мгновенная мощность как функция времени, фазовые соотношения и т.д.), используют этот принцип. Для измерений в однофазных сетях используется один клеммовой зонд; с помощью соответствующего прибора с тремя клеммовыми зондами можно проводить измерения в трехфазных системах электроснабжения.