Pinza de corriente
La pinza amperimétrica , también llamada sensor de corriente sin contacto , es un tipo de amperímetro que permite medir la intensidad de la corriente eléctrica que fluye en un hilo conductor sin tener que abrir el circuito para colocar allí un amperímetro convencional. Fue inventado en la década de 1930 por Chauvin-Arnoux.
El funcionamiento de la pinza amperimétrica se basa en la medición indirecta de la corriente que fluye en un conductor desde el campo magnético o el campo eléctrico generado por este flujo de corriente. El nombre de la pinza proviene de la forma del sensor de campo magnético. La pinza puede abrirse para entrelazar el cable por el que fluye la corriente.
Este método tiene dos ventajas principales:
- evita tener que abrir el circuito para realizar la medida de corriente, lo que también permite evitar las caídas de tensión que se generarían por la inserción de un amperímetro en el circuito. Por tanto, es posible medir la intensidad de la corriente en un conductor sin interrumpir el circuito bajo prueba;
- proporciona seguridad al operador que realiza la medición ya que no se realiza ningún contacto eléctrico con el circuito. Por lo tanto, no es necesario quitar el aislamiento eléctrico que rodea al cable durante la medición.
Tipos de pinzas amperimétricas
Las pinzas amperimétricas pueden medir corrientes alternas o continuas según su modo de funcionamiento. Distinguimos en particular:
- Sensores que utilizan inducción electromagnética : funcionan según el mismo principio que un transformador eléctrico y solo pueden medir corrientes alternas . La pinza amperimétrica cumple entonces las funciones de un amperímetro asociado a un transformador de corriente .
- los sensores Hall de corriente (vea esta animación para comprender el principio de funcionamiento): estos pueden medir las corrientes eléctricas así como las continuas alternativas .
Abrazadera de inducción electromagnética
Según la ecuación de Maxwell-Ampere , cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor eléctrico , esta corriente genera un campo magnético alterno proporcional a su intensidad.
La abrazadera, hecha de un material ferromagnético blando (como el hierro ), rodea el cable eléctrico y canaliza todas las líneas de campo que luego se dirigen al circuito secundario. La ley de Lenz-Faraday asegura entonces que la variación del flujo magnético a través de un área induce una fuerza electromotriz en la pinza, es decir, un voltaje que se puede medir fácilmente. Esta fuerza electromotriz inducida e es tal que:
o :
- S : superficie atravesada por el campo magnético. En este caso, es la superficie delimitada por las mordazas de la pinza;
- : vector unitario normal a la superficie.
A partir de la medición de esta tensión y conociendo la resistencia del circuito, podemos deducir la corriente inducida i 2 que circula en la pinza amperimétrica. Una vez determinada la intensidad i 2 , es posible obtener el valor de la intensidad de la corriente i 1 que circula por el cable eléctrico.
Observaciones- No es necesario que el cable eléctrico esté perfectamente colocado en el centro de la pinza amperimétrica porque la fuerza electromotriz inducida e depende únicamente del flujo del campo magnético que atraviesa la superficie delimitada por el núcleo de hierro dulce, este último permite canalizar casi todas estas líneas de campo. Por lo tanto, la posición del cable no importa.
- si la pinza rodea un cable formado por dos hilos conductores cuyas corrientes son iguales pero en direcciones opuestas, el flujo magnético total será cero y, por lo tanto, una corriente inducida cero, lo que puede ser una fuente de errores. Por lo tanto, es " muy importante " medir la corriente de un solo cable a la vez para evitar cualquier fuente de medición errónea, que podría llevar a conclusiones erróneas que podrían tener " consecuencias fatales ".
El principio de funcionamiento de las pinzas amperimétricas se basa en el de los transformadores de corriente , que constan de un devanado primario y un devanado secundario, conectados por un núcleo magnético de hierro dulce. El conjunto forma un circuito magnético .
En el caso de la pinza amperimétrica, se considera que el hilo cuya intensidad se va a medir es el devanado primario formado por N 1 = 1 vuelta . El devanado secundario consiste en la bobina del circuito secundario ( ver diagrama al lado) que comprende N 2 vueltas.
Suponiendo que la resistencia de los dos devanados sea cero, el teorema de Ampère aplicado a una línea de campo magnético en el circuito magnético permite obtener:
o :
- i 1 e i 2 : corrientes respectivamente en los terminales del devanado primario (cable) y secundario (bobina de la pinza);
- N 1 y N 2 : número de vueltas del devanado primario y secundario respectivamente.
Tomando los valores efectivos de las intensidades, obtenemos así la relación:
o :
- I 1 e I 2 : intensidades efectivas de las corrientes respectivamente del devanado primario (cable) y secundario (bobina de la pinza);
- N 1 = 1 y N 2 : número de vueltas del devanado primario y secundario respectivamente.
Por lo tanto, obtenemos una relación de proporcionalidad entre la corriente que fluye en el cable ( I 1 ) y la corriente que fluye en la pinza amperimétrica ( I 2 ). Esta proporcionalidad es particularmente interesante cuando se trata de medir intensidades muy altas. De hecho, si aumenta el número de vueltas N 2 del devanado secundario (en la pinza), se pueden medir corrientes I 1 muy altas mientras que hay corrientes I 2 bajas en la pinza amperimétrica.
Abrazadera de efecto Hall
Cuando la corriente es directa , se puede medir gracias al principio del efecto Hall , que lleva el nombre del físico Edwin Hall que descubrió este fenómeno en 1879.
Cuando una corriente eléctrica I fluye a través de un material semiconductor sometido a un campo magnético perpendicular al desplazamiento de la corriente, aparece entonces una tensión Hall V h , perpendicular al campo magnético. Este voltaje es proporcional a la corriente que fluye así como al campo magnético presente, a saber:
o :
En el caso de una pinza amperimétrica, queremos medir la corriente que fluye en el cable sujetado por las mordazas de la pinza. Como se vio anteriormente, la ecuación de Maxwell-Ampere asegura que la corriente generará un campo magnético proporcional a su intensidad.
La abrazadera que rodea el cable eléctrico está hecha de un material ferromagnético blando como el hierro, y el sensor de efecto Hall se coloca en el espacio de aire del circuito magnético. El material ferromagnético canalizará todas las líneas de campo del campo magnético inducido por la corriente I 2 que fluye en el conductor y así las dirigirá en el circuito secundario.
Si el material ferromagnético tiene un campo coercitivo débil, el campo magnético es proporcional a la corriente I 2 . En efecto, si es atravesado longitudinalmente por una corriente constante, la medida de su tensión de Hall transversal V h permitirá volver al campo magnético según la siguiente relación:
o :
A partir del campo magnético generado por el cable, podemos encontrar el valor de la corriente que fluye en el cable rodeado por la pinza mediante un cálculo magnetostático utilizando la relación de proporcionalidad entre el voltaje Hall medido y la corriente que fluye a través del conductor:
.
La medición de corriente realizada con una pinza de efecto Hall es muy precisa porque la intensidad del campo magnético varía con la corriente que fluye por el hilo conductor. Por tanto, es posible detectar y medir señales alternas de formas complejas con un desplazamiento de fase bajo de hasta 1 kHz .
Nota siendo el voltaje obtenido sólo del orden de diez milivoltios, requiere amplificación antes de convertirse en digital.Notas y referencias
- Jean-Claude Montagné, Historia de las telecomunicaciones, de la Antigüedad a la Segunda Guerra Mundial, del pito prehistórico a la televisión: Hombres, ideas , Bagneux, Montagné,1995, 471 p. ( ISBN 2-9505255-2-0 ) , pág. 447.
- " Chauvin-Arnoux: El miliamperio al alcance ", L'Usine nouvelle , n o 2541,21 de marzo de 1996( leer en línea ).
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- A. Kohler, " Pinzas amperimétricas y sensores de corriente " [PDF] (consultado el 3 de mayo de 2018 ) .
- André Leconte, " dispositivos de medición de control de ingeniería eléctrica ", Ingeniería técnicas. Mediciones-Análisis , n o R950,10 de junio de 2000( leer en línea ).