Pinça atual
A pinça de corrente , também chamada de sensor de corrente sem contato , é uma espécie de amperímetro que permite medir a intensidade da corrente elétrica que flui em um fio condutor sem ter que abrir o circuito para colocar um amperímetro convencional. Foi inventado na década de 1930 por Chauvin-Arnoux.
O funcionamento do grampo de corrente é baseado na medição indireta da corrente que flui em um condutor do campo magnético ou do campo elétrico gerado por este fluxo de corrente. O nome da braçadeira vem do formato do sensor de campo magnético. O grampo pode abrir, de modo a entrelaçar o fio no qual flui uma corrente.
Este método tem duas vantagens principais:
- evita a necessidade de abrir o circuito para realizar a medição da corrente, o que também permite evitar as quedas de tensão que seriam geradas pela inserção de um amperímetro no circuito. Portanto, é possível medir a intensidade da corrente em um condutor sem interromper o circuito em teste;
- oferece segurança para o operador que realiza a medição, uma vez que nenhum contato elétrico com o circuito é feito. Portanto, não é necessário remover o isolamento elétrico ao redor do fio durante a medição.
Tipos de pinças de corrente
As pinças de corrente podem medir correntes alternadas ou contínuas, dependendo de seu modo de operação. Nós distinguimos em particular:
- Sensores de indução eletromagnética : operam com o mesmo princípio de um transformador elétrico e só medem correntes alternadas . O alicate de corrente então cumpre as funções de um amperímetro associado a um transformador de corrente .
- os sensores de corrente Hall (veja esta animação para entender o princípio de operação): eles podem medir as correntes elétricas assim como as alternativas contínuas .
Pinça de indução eletromagnética
De acordo com a equação de Maxwell-Ampère , quando uma corrente alternada flui por um condutor elétrico , essa corrente gera um campo magnético alternado proporcional à sua intensidade.
A braçadeira, feita de um material ferromagnético macio (como o ferro ), envolve o fio elétrico e canaliza todas as linhas de campo que são então direcionadas para o circuito secundário. A lei de Lenz-Faraday garante então que a variação do fluxo magnético através de uma área induz uma força eletromotriz na pinça, ou seja, uma tensão que pode ser facilmente medida. Esta força eletromotriz induzida e é tal que:
ou :
- S : superfície atravessada pelo campo magnético. Nesse caso, é a superfície delimitada pelas garras da pinça;
- : vetor unitário normal à superfície.
A partir da medição desta tensão e conhecendo a resistência do circuito, podemos deduzir a corrente induzida i 2 circulando na pinça do amperímetro. Uma vez determinada a intensidade i 2 , é possível obter o valor da intensidade da corrente i 1 que flui no fio elétrico.
Observações- não é necessário que o fio elétrico esteja perfeitamente posicionado no centro da pinça de corrente, pois a força eletromotriz induzida e depende apenas do fluxo do campo magnético que atravessa a superfície delimitada pelo núcleo de ferro macio, este último permite canalizar quase todas essas linhas de campo. Portanto, a posição do fio não importa.
- se o grampo envolver um cabo composto de dois fios condutores cujas correntes sejam iguais, mas em direções opostas, o fluxo magnético total será zero e, portanto, uma corrente induzida zero, o que pode ser uma fonte de erros. Portanto, é " muito importante " medir a corrente de apenas um fio de cada vez para evitar qualquer fonte de medição errônea, que pode levar a conclusões errôneas que podem ter " consequências fatais ".
O princípio de funcionamento das pinças de corrente é baseado no dos transformadores de corrente , consistindo de um enrolamento primário e um enrolamento secundário, conectados por um núcleo magnético de ferro macio. O todo forma um circuito magnético .
No caso da pinça de corrente, o fio cuja intensidade se deseja medir é considerado o enrolamento primário composto por N 1 = 1 volta . O enrolamento secundário consiste na bobina do circuito secundário ( ver diagrama ao lado) compreendendo N 2 espiras.
Supondo que a resistência dos dois enrolamentos seja zero, o teorema de Ampère aplicado a uma linha de campo magnético no circuito magnético torna possível obter:
ou :
- i 1 e i 2 : correntes respectivamente nos terminais do enrolamento primário (de arame) e secundário (bobina do grampo);
- N 1 e N 2 : número de voltas do enrolamento primário e secundário respectivamente.
Tomando os valores efetivos das intensidades, obtemos assim a relação:
ou :
- I 1 e I 2 : intensidades efetivas das correntes respectivamente do enrolamento primário (fio) e secundário (bobina da pinça);
- N 1 = 1 e N 2 : número de voltas do enrolamento primário e secundário respectivamente.
Uma relação de proporcionalidade é, portanto, obtida entre a corrente que flui no fio ( I 1 ) e a corrente que flui no alicate amperímetro ( I 2 ). Essa proporcionalidade é particularmente interessante quando se trata de medir intensidades muito altas. De fato, se o número de voltas N 2 do enrolamento secundário (no grampo) for aumentado, correntes muito altas I 1 podem ser medidas enquanto houver correntes baixas I 2 no grampo do amperímetro.
Pinça de efeito Hall
Quando a corrente é direta , ela pode ser medida graças ao princípio do efeito Hall , em homenagem ao físico Edwin Hall que descobriu esse fenômeno em 1879.
Quando uma corrente elétrica I flui através de um material semicondutor submetido a um campo magnético perpendicular ao deslocamento da corrente, surge uma tensão Hall V h , perpendicular ao campo magnético. Esta tensão é proporcional ao fluxo de corrente, bem como ao campo magnético presente, a saber:
ou :
No caso de um grampo amperímetro, queremos medir a corrente que flui no fio preso pelas garras do grampo. Como visto anteriormente, a equação de Maxwell-Ampère garante que a corrente irá gerar um campo magnético proporcional à sua intensidade.
A braçadeira que envolve o fio elétrico é feita de um material ferromagnético macio , como o ferro, e o sensor de efeito Hall é colocado no entreferro do circuito magnético. O material ferromagnético canalizará todas as linhas de campo do campo magnético induzido pela corrente I 2 que flui no condutor e assim as direcionará no circuito secundário.
Se o material ferromagnético tem um campo coercivo fraco, o campo magnético é proporcional à corrente I 2 . Com efeito, se for percorrido longitudinalmente por uma corrente constante, a medição de sua tensão Hall transversal V h permitirá voltar ao campo magnético de acordo com a seguinte relação:
ou :
A partir do campo magnético gerado pelo fio, podemos encontrar o valor da corrente fluindo no fio circundado pela braçadeira por um cálculo magnetostático usando a relação de proporcionalidade entre a tensão Hall medida e a corrente fluindo através do condutor:
.
A medição da corrente realizada com uma pinça de efeito Hall é muito precisa porque a intensidade do campo magnético varia com a corrente que flui no fio condutor. Assim, é possível detectar e medir sinais CA de formas complexas com um deslocamento de fase baixo de até 1 kHz .
Observação sendo a tensão obtida apenas da ordem de dez milivolts, necessita de amplificação antes de ser convertida em digital.Notas e referências
- Jean-Claude Montagné, História das telecomunicações, da Antiguidade à Segunda Guerra Mundial, do apito pré-histórico à televisão: Homens, ideias , Bagneux, Montagné,1995, 471 p. ( ISBN 2-9505255-2-0 ) , p. 447.
- " Chauvin-Arnoux: O miliampere ao alcance ", L'Usine nouvelle , n o 2541,21 de março de 1996( leia online ).
- .
- A. Kohler, " Clamp Meters and Current Sensors " [PDF] (acessado em 3 de maio de 2018 ) .
- André Leconte, " dispositivos de medição elétrica de controle de engenharia ", Engenharia técnicas. Análise de Medição , n o R950,10 de junho de 2000( leia online ).