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电流钳一种测量电流强度的适用性方法研究
dream9527 | 2017-09-12 10:31:12    阅读:42   发布文章

 摘  要:在节能型社会中电流测量已变得越来越重要,在电压确定情况下关系到电源功耗。夹钳式电流探头的出现,是为了解决测量电流的问题,它不仅使用方便,不像分流测量方法,需要断开电路进行测试,而且它采用感应式非接触传感器,安全可靠;更重要的是它适用广泛,可以全面提升万用表、示波器、功率计、记录仪等仪器电流和功率测量能力。本文从夹钳式电流探头的作用出发,从交流和直流两个方面重点研究了夹钳式电流探头的原理和应用,并简单列举了夹钳式电流探头一些具体应用。最后从实际出发,论述了日常测试工作中我们如何选择夹钳式电流探头。

  关键词:电流测量  电流钳  霍尔效应  电子仪器

  一、引言

  夹钳式电流探头主要用来提升万用表、功率计、示波器、手持示波表、记录仪或记录器、以及其它各种各样仪器的电流测量能力,现已得到广泛使用。电流探头“钳围”载流导体,在不中断被测电路的情况下,进行非接触电流测量,它们输出与被测电流成比例的电压或电流信号,并且直接传送到具有低电流或电压输入的测试仪器上,通过仪器测量和显示相应的测量值,进而根据相应的转换比得出实际的导体通过电流。

  使用夹钳式电流探头测量时,电流的载导电路不用断开,并且从仪表的输入端保持电气绝缘从仪表的输入端保持电气绝缘。这样既方便又安全,会使配套的测量仪表低输入端是既可以悬浮也可以接地。这种特点使钳形电流探头测量电流时,不需要断开电路,节省了设备来回启动的宝贵时间。

  实际电路中电信号一般都不是完全的正弦波,为了保证测量精度和其高频特性,使用夹钳式电流探头时(如E3N),配套的显示仪表最好为真有效值(Trms)的万用表(如BM807和OI857)。在大多数情况下,钳形电流探头不会限制有效值(rms)测量,但是与它配套的仪器含限制有效值测量。好的钳形电流探头内部具有以下良好的特性:高精度、良好的频率响应和极小的相位偏移。

  根据测量电流的频率,钳形电流探头根据两种不同原理,设计出两种不同的钳形电流探头:①交流夹钳式电流探头;②交直流夹钳式电流探头。

  二、交流夹钳式电流探头的原理和应用

  交流夹钳式电流探头在原理上可以看成一个简单的电流变压器(图1)。图1中变压器在磁体上缠绕了两个基本线圈。电流I1流过初级线圈C1,通过互感,次级线圈C2上产生相应的互感电流I2。这两个线圈的圈数(匝数)与电流关系的公式如下:N1×I1=N2×I2,其中N1为线圈C1的圈数,N2为线圈C2的圈数,这样我们可以导出如下公式:

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图片1.png

  图1  简易电流变压器原理图

  同理,适用于夹钳式交流电流探头(图2)。夹钳式交流电流探头中可以张开的铁磁体表示为线圈B2,钳颚口夹住的导体流经电流I1。其中B1是一根简单的导体,它的线圈匝数N1为1,流经的电流I1是被测电流,这样电流探头“钳围”导体时,电流探头内部线圈B2根据其匝数,相比例产生输出电流I2,即

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  实际工作中,直接测量电流I1常常比较困难,因为电流I1一般较大,不能直接接到仪表上,此时也不可以简单地断开电路。为了产生一个能通过相应倍数比例的输出水平,交流电流探头内置了特有的探头线圈架。在钳形线圈上的匝数,一般方便设计成整数倍(如100、500或1000)。此时如果N2为1000,这样夹钳N1/N2的比率为1:1000,在输出显示上相应为1000:1的倍数关系。如果从输入和输出的电流关系出发,则这个比率可用探头的输出关系1mA/A表示,即探头输出显示为1mA时,颚口上流经测量电流为1A,或者显示为1A时,颚口上流经的测量电流为1000A。

图片2.png

  图2  交流夹钳式电流探头原理图

  有些探头也可能会使有更大的比率,例如500:5、2000:2、3000:1或者3000:5,这是为了满足不同领域测试电流的需要。大多数情况下,交流电流探头一般与数字万用表(如OI859CF)配套使用。例如当我们使用1000:1的电流探头,它具有1mA/A的输出,此时探头颚口流经的电流,按比例会得到相应的输出电流结果(表1):

  表1 探头颚口流经电流在1000:1转化后的输出电流

导体电流输入(被测电流)

探头输出电流

1000A

1A

750A

750mA

280A

280mA

  如果探头输出是电流,在连接到万用表时,万用表功能应设置到AC电流档,紧接在万用表上读出读数,同时与倍数比例相乘,就可以实际测出流过导体的电流值。例如万用表(一般为手持数字万用表DMM)在200mA量程读数为150mA,乘上电流探头转换比1000:1,在导体上流经的电流值为150mA×1000=150A。

  交流电流探头不仅用在万用表上,还可以用在其它仪器上,例如示波器。只是需要注意以下两个方面:①电流探头的输出是电流还是电压,譬如示波器只能用带电压输出的交流电流探头;②仪器输入阻抗一定要相互匹配(图3)。带AC或DC电压输出的交流电压探头仅仅只能用在具有电压量程的测试仪器上(如示波器、记录仪等)(图4、图5),此时电流探头输出电压信号(例如MN60、Y4N和D37N),对应的换算倍数比例为mV电压与电流比,即1mV AC:1A AC。

  交流夹钳式电流探头一般不需要外接电源,其简单经济实用,但是电流变压器内铁芯饱和时限制了线性电流的范围,并且无直流输出,在测量带有直流成份的电流时会影响测量动态性能,现在已广泛使用夹钳式直流电流探头。

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图3 探头与仪器阻抗匹配   图4电流探头输出交流电压信号   图5 电流探头输出直流电压信号

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