Bocznik – wygodne i dokładne narzędzie pomiaru prądu

Bocznik – wygodne i dokładne narzędzie pomiaru prądu

Bocznik – wygodne i dokładne narzędzie pomiaru prądu

Boczniki pomiarowe to nie tylko dokładne narzędzie, ich kolejną zaletą jest niski koszt, nawet jeśli przeznaczone są do pomiarów prądów znacznych wartości.

Rynek urządzeń pomiarowych oferuje wiele możliwości pomiaru prądu. W zwykłych multimetrach cyfrowych i analogowych możliwy jest pomiar prądu o wartości nawet do 20 A. W przypadku większych wartości prądu stosuje się inne metody pomiarowe, których wybór zależy oczywiście od tego, czy mierzony jest prąd zmienny czy stały. W przypadku prądu zmiennego duże jego wartości można mierzyć pośrednio przy pomocy przekładników pomiarowych, które zmniejszają wartość prądu w uzwojeniu pomiarowym względem uzwojenia przewodzącego prąd mierzony.

Prąd stały o dużej wartości mierzony jest na ogół przy wykorzystaniu różnego typu urządzeń wykorzystujących czujnik Halla, czyli de facto pomiar wykonywany jest pośrednio poprzez wykorzystanie pola elektromagnetycznego. Przykładem takiego urządzenia jest multimetr cęgowy, taki jak zaprezentowany na rysunku 1 miernik firmy APPA serii 39MR do pomiaru prądu stałego i zmiennego o wartości d0 1000 A.

Rys. 1. Multimetr cęgowy APPA 39MR

Nieco zapomnianą pośrednią metodą pomiaru prądów o dużych wartościach jest wykorzystanie boczników pomiarowych. Są to dokładne i tanie w użyciu przyrządy pozwalające osiągnąć wysoką precyzję pomiaru.

Czym jest bocznik pomiarowy?

Ogólnie rzecz biorąc, bocznik pomiarowy jest przekładnikiem prądu w napięcie. Czyli zamienia mierzony prąd w sygnał napięciowy. Pozwala to na zastosowanie zwykłych niskokosztowych przyrządów wykonujących pomiar napięcia do wykonania pomiaru prądów nawet znacznych wartości. Z technicznego punktu widzenia bocznik pomiarowy jest niczym innym, jak tylko rezystorem posiadającym cechy predysponujące go do wykorzystania w układach pomiarowych.

Bocznik posiada niską wartość pasywnych komponentów pasożytniczych, czyli niską wartość pojemności i indukcyjności. Parametry te są szczególnie obniżone w bocznikach przystosowanych do prądów zmiennych AC. Sprawia to, że w praktyce pojemność i indukcyjność nie wpływają na jakość pomiarów w zakresie od sygnałów stałych do sygnałów o częstotliwości kilkunastu kiloherców. Jest to w zupełności satysfakcjonujące dla nawet pomiarowców chcących zapoznać się z odkształceniami mierzonego prądu związanymi z jakością energii elektrycznej, czyli w zakresie od 50 Hz do 2 kHz, ewentualnie 2,5 kHz.

Boczniki pomiarowe wykonywane są z materiałów, które są niewrażliwe na zmiany temperatury. W rezystorach tych współczynnik temperaturowy zmiany rezystancji jest znikomy, co uniewrażliwia rezystor na warunki zewnętrzne, ale także, co ważniejsze, na podgrzewanie mierzonym prądem. Dzięki temu pomiar jest wiarygodny w szerokim zakresie temperatur otoczenia i nawet przy znacznych wartościach mocy traconej w rezystorze na skutek przepływu prądu znacznych wartości.

Konstrukcja mechaniczna boczników

Typowe rozwiązanie mechaniczne bocznika charakteryzuje się dwoma parami zacisków. Zaciski pomiarowe przenoszą jedynie sygnał napięciowy, prąd przez nie płynący ma znikomą wartość, dlatego zaciski te są małych rozmiarów, wykonane na ogół w sposób pozwalający wprowadzić sondy pomiarowe multimetrów. Zaciski prądowe przygotowane są do przewodzenia prądu roboczego, dlatego są to typowe zaciski śrubowe o dużej powierzchni styku, co umożliwia ograniczenie do minimum straty związane z rezystancją zestyku. Takie ich wykonanie zmniejsza nagrzewanie się zacisku oraz całego rezystora. Boczniki wyposażone są także często w otwory montażowe, pozwalające na wygodne zamontowanie ich w stanowisku pomiarowym.

Rozróżnia się dwa zasadnicze typy mechanicznej konstrukcji boczników: z rezystorem wykonanym z blaszek oraz z rezystorem wykonanym z prętów. Przykładowe zdjęcia takich boczników zaprezentowano odpowiednio na rysunkach 2 oraz 3.

Rys. 2. Bocznik wykonany przy pomocy blaszek (źródło: https://www.bluesea.com/)

Rys. 3. Bocznik wykonany przy pomocy prętów (źródło: Lumel http://www.lumel.com.pl/)

Ciekawym elementem mechanicznym boczników pomiarowych są charakterystyczne wcięcia w metalowym elemencie stanowiącym de facto opornik, na którym mierzony jest spadek napięcia (patrz rysunek 4). Wcięcia te są wynikiem kalibrowania bocznika w celu uzyskania precyzyjnie wyznaczonej rezystancji. Nacinanie powierzchni przewodzącej prąd powoduje zwiększenie rezystancji. Dopiero osiągnięcie właściwej danemu bocznikowi wartości skutkuje zaprzestaniem nacinania. Podobnie rzecz ma się w przypadku rezystorów zbudowanych z prętów, tym jednak razem pręty są frezowane, co zmniejsza przekrój materiału czynnego odpowiadającego za przewodzenie prądu.

Rys. 4. Bocznik pomiarowy z wcięciami regulacyjnymi (źródło: http://uk.farnell.com/)

W celu długotrwałego i pewnego oznaczenia parametrów bocznika stosuje się na ogół wytłaczane w metalu napisy, tak jak przedstawiono to na rysunku 5.

Rys. 5. Oznaczenie parametrów bocznika (źródło: Lumel http://www.lumel.com.pl/)

Parametry elektryczne boczników

Boczniki wykonywane są w wielu wariantach, zarówno jeśli chodzi o zakres prądowy, jak i nominalne napięcia pomiarowe (czyli rezystancje). Zakresy prądowe boczników są bardzo rozległe, zaczynają się na poziomie od zera do kilku amperów, natomiast największe boczniki są w stanie mierzyć prądy dochodzące do kilkudziesięciu kiloamperów. Boczniki są odpowiednio zaprojektowane, aby były w stanie wytracić moc, która się w nich wydziela. Nie trzeba zatem martwić się o ich przegrzanie, należy jedynie zadbać o odpowiednie przymocowanie zacisków prądowych przy pomocy odpowiednich głowic czy tulejek.

Napięcie nominalne boczników są znormalizowane i wynoszą: 30, 50, 60, 75, 100, 150 oraz 300 mV. Napięcie to pojawi się na boczniku, gdy zostanie osiągnięty prąd nominalny bocznika, czyli np. spadek 60 mV zaobserwowany będzie przy prądzie nominalnym bocznika 100 A. W zależności od tego, z jakim przyrządem pomiarowym będzie wykonywany pomiar spadku napięcia bocznika, można zdecydować, jaki zakres będzie bardziej adekwatny.

Dokładność boczników definiowana jest przy pomocy klas pomiarowych. Boczniki typowo mają jedną z trzech klas pomiarowych: 0,05, 0,1 oraz 0,2. Klasa 0,05 pozwala na bardzo dokładne pomiary, ponieważ odchylenie rezystancji bocznika od jego rezystancji nominalnej nie będzie większe niż 0,05%.

 

Co i jak mierzyć przy pomocy boczników

Pierwszym podstawowym pomiarem, do jakiego używane są boczniki, jest pomiar prądu stałego, ze szczególnym uwzględnieniem prądu o dużej wartości. Obwód pomiarowy służący do tego celu zaprezentowany jest na rysunku 6. Bocznik wstawiany jest szeregowo w obwód odbiornika energii elektrycznej, którego prąd chcemy pomierzyć. Analogiczne można mierzyć prąd pochodzący ze stałoprądowych źródeł energii, takich jak np. ogniwa fotowoltaiczne czy ogniwa paliwowe.

Rys. 6. Schemat pomiarowy z wykorzystaniem bocznika w obwodzie prądu stałego

Kolejnym badaniem, do którego można wykorzystać bocznik pomiarowy, jest pomiar prądu przemiennego. Schemat takiego układu pomiarowego jest zaprezentowany na rysunku 7. Jest on analogiczny do pomiaru prądu stałego, jednak w tym przypadku wymagane jest zastosowanie woltomierza przystosowanego do przebiegów zmiennych. Również w przypadku prądu zmiennego można zaprezentowany tu schemat pomiarowy wykorzystać do wykonania pomiaru prądu pochodzącego ze źródeł.

Rys. 7. Schemat pomiarowy z wykorzystaniem bocznika w obwodzie prądu zmiennego

Interesującą możliwość boczniki dają w przypadku pomiaru z wykorzystaniem oscyloskopu. Schemat pomiarowy układu bocznika wykorzystanego do współpracy z oscyloskopem zaprezentowano na rysunku 8. Dzięki takiemu zestawieniu możliwa jest rejestracja przebiegów prądu, co z kolei pozwala na zastosowanie tego układu do diagnostyki urządzeń, pomiarów prądów ładowania i rozładowania akumulatorów. Pomiary parametrów jakościowych prądu są także możliwe przy wykorzystaniu układu zaprezentowanego na rysunku 8. Mowa tu głównie o odkształceniach prądu wyższymi harmonicznymi.

Rys. 8. Schemat pomiarowy z wykorzystaniem bocznika w obwodzie prądu zmiennego przygotowany do rejestracji przebiegów przy pomocy oscyloskopu

Wykorzystanie tego typu układu pomiarowego pozwala także na analizowanie zjawisk przejściowych obserwowanych w prądzie. Chodzi tu na przykład o: rozruchy silników, zwarcia, wyładowania prądu udarowe, prądy ładowania baterii kondensatorów. Układ taki pozwala zarejestrować przebieg w trakcie jego trwania, a po jego ustąpieniu można go w spokoju analizować, skupiając się na najmniejszych detalach mierzonych wartości. Wykorzystanie bocznika do takich pomiarów pozwala uniknąć kosztu zakupu drogich prądowych sond oscyloskopowych (patrz rysunek 9). Sondy te są szczególnie kosztowe, jeśli chcemy nimi wykonać pomiar prądów o wartościach 1 kA i więcej. Koszt sondy prądowej o takich parametrach może sięgać kilkudziesięciu tysięcy złotych. Niewątpliwą zaletą prądowych sond oscyloskopowych jest jednak prostota użycia, ponieważ do pomiaru wystarczy zapiąć obwód magnetyczny sondy na przewód, w którym płynie prąd pomiarowy. Nie da się porównać cen tych urządzeń z kosztem bocznika i sondy napięciowej, które kosztują jedynie kilkaset złotych.

Rys. 9. Prądowe sondy oscyloskopowe firmy Tektronix (źródło: https://www.tek.com/)

 

Do wykonania pomiarów prądów przemiennych, a także do wykonania pomiarów przebiegów prądów powinno się wykorzystywać specjalne boczniki wykonane przez producenta w taki sposób, aby sprawdzały się przy przebiegach przemiennych. Boczniki takie oznaczone są literami AC.

 

Podsumowanie

Współczesna technika daje nam wiele możliwości wykonania pomiarów prądu o znacznych wartościach. Najczęściej stosowane do tego celu mierniki wykorzystują pole magnetyczne mierzone przy pomocy czujnika Halla. Urządzenia te są jednak kosztowne, a jeśli chcemy wykonać rejestrację przebiegu mierzonego prądu, mogą być bardzo kosztowne. Alternatywą dla metod pomiarowych wykorzystujących pole elektromagnetyczne są pomiary wykonywane przy pomocy boczników. Zastosowanie bocznika współpracującego z woltomierzem lub oscyloskopem daje możliwość wykonania prostego i precyzyjnego pomiaru. Co więcej, koszt takiego układu pomiarowego jest niewspółmiernie niski w stosunku do standardowych technik pomiarowych. Jedyną wadą bocznika w porównaniu z metodami magnetycznymi jest to, że aby wykonać pomiar bocznikiem, trzeba go podłączyć w szereg z opomiarowanym urządzeniem, co wykonuje się w sposób beznapięciowy. W przypadku mierników cęgowych można wykonać pomiar bez konieczności odłączania urządzenia od zasilania.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec Politechnika Warszawska