jak zbudowane są cęgi prądowe
1.1 Rdzeń ferromagnetyczny
• Stal krzemowa, amorficzna lub ferryt Mn-Zn o wysokiej µr (10³-10⁵) i niskich stratach histerezy.
• Segmentowany na dwie pół-szczęki połączone zawiasem z precyzyjnie szlifowanymi powierzchniami (typowa szczelina < 100 µm przy zamknięciu).
• Sprężyna dociskowa zapewnia powtarzalne zamykanie; w wersjach elastycznych (Rogowski) rdzeń zastąpiony jest przewodem powietrznym.
1.2 Izolacja i ekranowanie
• Rdzeń zalany izolacyjnym tworzywem (poliwęglan, ABS + włókno szklane).
• Ekran z miedzi/aluminium redukuje sprzęganie pojemnościowe i szumy RFI.
1.3 Mechanizm blokady
• Zatrzask lub spust kciukowy; próg otwarcia zwykle 30–45 mm.
• Czujnik Reed lub mikro-switch kontroluje stan zamknięcia (blokada pomiaru przy otwartych szczękach w klasie CAT IV).
2.1 Przekładnik prądowy (AC)
• Przewód mierzony = uzwojenie pierwotne (Np = 1).
• Uzwojenie wtórne: 300–3000 zwojów Cu Ø 0,1-0,25 mm.
• Obciążenie: rezystor burden 10 mΩ–10 Ω; napięcie wyjściowe kilka-kilkanaście mV/A.
• Pasmo: 40 Hz – 10 kHz; ograniczenie – brak DC, nasycenie przy > 600 mT.
2.2 Czujnik Halla (AC + DC)
• W rdzeniu wykonuje się szczelinę 0,2-1 mm, w której lutuje się układ Hall-IC.
• Układ pomiarowy: prąd polaryzacji 5-10 mA, wzmacniacz chopper-stabilised, filtr dolnoprzepustowy 2-5 kHz.
• Typowa czułość: 50-150 mV/T, rozdzielczość < 1 mA; wymaga funkcji „ZERO“ do kompensacji magnetyzmu szczątkowego.
2.3 Cewka Rogowskiego (duże AC, elastyczna)
• Węglowy lub włókienny rdzeń powietrzny Ø 3-6 mm, nawinięte równomiernie 2000–6000 zwojów drutu litowego.
• Jeden koniec prowadzony powrotnie środkiem – sumaryczna wartość skojarzonego strumienia = 0 (minim. sprzęg. zewnętrzne).
• Napięcie czujnika:
\[ v(t)=M \frac{dI(t)}{dt} \]
• Elektronika: wzmacniacz całkujący \( R \parallel C \) (czas całkowania 50 µs–100 µs) → sygnał proporcjonalny do I.
• Pasmo 5 Hz–1 MHz, brak nasycenia; dokładność ogranicza dryft kondensatora i sprzężenie pojemnościowe.
2.4 Technika zero-flux / flux-gate (precyzyjne AC + DC)
• Dodatkowa cewka kompensacyjna utrzymuje strumień rdzenia na 0 (T ≈ 0) sterując prądem przeciwległym, który stanowi informację pomiarową.
• Reprodukcja prądu pierwotnego z dokładnością 0,1 % i błędem fazowym < 0,1°.
• Stosowane w analizatorach jakości energii klasy A i serwisie napędów dużej mocy.
• Wzmacniacze instrumentalne o CMRR > 100 dB.
• Filtrowanie (RC, Sallen-Key, FIR) – eliminacja aliasingu dla 24-bit ADC Σ-Δ (typ 4-51 kHz OSR).
• Układy TrueRMS (IC typu AD8436, MSP430i2040) lub FFT dla analizy harmonicznych.
• Interfejsy: Bluetooth LE, USB-C PD, opcjonalnie Wi-Fi (Fluke FC, Hioki CM 4141).
• Bateria Li-Ion 3,7 V lub 2×AAA; w klasie CAT IV – bezpieczniki ceramiczne 1000 V/11A i warystory transjentowe TVS.
• Galwaniczna izolacja wyjść (opto/μTrafo) ≥ 600 V RMS.
• Prawo Ampère’a (∮𝐻·dl = I_encl) opisuje generację strumienia w rdzeniu.
• Prawo Faradaya (E = −N dΦ/dt) leży u podstaw przekładnika i cewki Rogowskiego.
• Efect Halla: \( U_H = (R_H / t) \cdot I_s \cdot B \).
• Serwis instalacji nN i SN, monitorowanie prądów rozruchowych silników, diagnostyka zasilaczy impulsowych, rejestracja jakości energii (EN 50160), pomiary prądów upływu < 1 mA w instalacjach medycznych (IEC 60601-1).
• Miniaturowe rdzenie nanokrystaliczne (Fe-Cu-Nb-Si-B) zwiększają pasmo do 100 kHz przy AC + DC.
• Sensory TMR (Tunnelling Magnetoresistance) o szumie 150 pT/√Hz wchodzą do cęgów klasy µA.
• Integracja bezprzewodowa (Bluetooth 5.3, Zigbee GreenPower) i chmura IIoT – rejestrowanie profili prądowych w czasie rzeczywistym.
• Samokalibracja temperatury i offsetu z użyciem wbudowanych generatorów pola (AutoZero™ – Fluke iSee).
• Dokładność transformatorowych cęgów zależy od szczeliny powietrznej: każda przerwa 50 µm generuje błąd ≈ 0,5 %.
• Przy pomiarach przewodów wielożyłowych strumienie mogą się znosić – należy objąć pojedynczą żyłę fazową.
• Efekt nasycenia: rdzeń stalowy (Bs ≈ 1,6 T) – powyżej 800 A@50 Hz dokładność dramatycznie spada.
• Bezpieczeństwo: zgodność z IEC 61010-2-032 (mierniki cęgowe), klasy CAT III/CAT IV.
• RoHS/REACH – eliminacja Pb, Cd w lutach i rdzeniach.
• Prywatność danych – rejestratory z łącznością IoT muszą spełniać GDPR w zakresie logów energii.
• Przed pomiarem DC wyzeruj czujnik Halla po zamknięciu szczęk (funkcja REL/ZERO).
• Nie pozostawiaj przekładnikowych cęgów z otwartym wtórnym – może pojawić się niebezpieczne napięcie (> 250 V).
• Kalibracja co 12 miesięcy na wzorcowanym źródle prądowym 50 Hz + DC offset (zgodnie z ISO 17025).
• Unikaj wstrząsów – mechaniczny luz szczęk pogarsza liniowość.
• Cęgi Halla podatne na dryft temperaturowy ±0,1 %/°C – przy wysokiej precyzji konieczna kompensacja.
• Cewka Rogowskiego nie mierzy DC i bardzo niskich częstotliwości (< 5 Hz).
• Transformatorowe nie nadają się do przebiegów o dużej składowej harmonicznej > 10 kHz bez rdzeni nanokrystalicznych.
• Implementacja czujników TMR i AMR w kompaktowych cęgach µA.
• Badania nad hybrydą Rogowski + Hall (pomiar DC + wysoka dynamika AC).
• Modelowanie 3-D rdzenia w pakietach FEM (ANSYS Maxwell) dla optymalizacji rozkładu strumienia.
• Rozwiązania energy harvesting (z pola mierzonego) do zasilania elektroniki bez baterii.
Cęgi prądowe to połączenie zoptymalizowanej konstrukcji magnetyczno-mechanicznej ze specjalizowaną elektroniką pomiarową. W zależności od zastosowanej technologii (transformator, Hall, Rogowski, flux-gate) różnią się elementem czujnikowym i zakresem pomiarowym, lecz wspólnym mianownikiem pozostają: rozszczepialny rdzeń, precyzyjny sensor pola, obwody kondycjonujące, izolacyjna obudowa oraz mechanizm zaciskowy. Postęp materiałowy (nanokrystaliczne rdzenie, TMR) i komunikacyjny (Bluetooth, IoT) stale poszerza możliwości tych przyrządów, czyniąc je nieodzownym narzędziem w nowoczesnej diagnostyce elektroenergetycznej.
