kỹ thuật đô tập 1 đo điện

Đây là những cảm biến cơ bản chuyển đổi đại lượng không điện sang các đại lượng điện được sử dụng trong các thiết bị đo lường công nghiệp hiện nay industrial instrumentation và trong hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky

KỸ THUẬT ĐO

TẬP 1

ĐO ĐIỆN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2005

MỤC LỤC

Chương 1

1.2 Chức năng và đặc tính của thiết bị đo lường 10

1.6 Lợi ích thiết thực của điện tử trong đo lường 21 1.7 Sự chọn lựa, tính cẩn thận và cách dùng thiết bị đo 21

Chương 2

Chương 3

3.2 Đo điện trở dùng phương pháp đo điện áp bằng biến trở 84

Chương 4

ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 125 4.1 Dùng Vôn-kế, Ampe-kế đo điện dung, điện cảm và hỗ cảm 125

Chương 5

5.7 Thiết bị chỉ thị đồng bộ hóa (Synchronoscope) 171

Chương 6

Chương 7

Chương 8

8.1 Đo vận tốc chất lỏng 255

Chương 9

Chương 10

10.3 Trình bày tín hiệu trên màn ảnh của dao động ký 317

Tài liệu tham khảo 343

Lời mở đầu

KỸ THUẬT ĐO được biên soạn nhằm phục vụ cho môn học Kỹ thuật Đo (Đo lường Điện và Điện tử - Electrical measurements and Electronic Instrumentation) được biên soạn thành hai tập:

KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

gồm 10 chương

KỸ THUẬT ĐO - TẬP 2 - ĐO ĐIỆN TỬ gồm 5 chương.

Trong tập 1 các chương 1, 2, 3, 4, 5, 10, do thạc sĩ Nguyễn Ngọc Tân biên soạn: trình bày những phần cơ bản về đo lường điện và đo lường điện tử Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo gồm bộ chỉ thị, mạch đo và phương pháp đo của vôn-kế, ampe-kế, thiết bị đo điện trở, điện dung, điện cảm, điện năng kế, cosϕ-kế, tần số kế Trong phần vôn-kế, ampe-kế, ohm-kế chúng tôi trình bày thêm mạch đo điện tử nhằm mục đích để sinh viên hiểu rõ nguyên lý đo của máy

đo điện thông thường chuyển sang nguyên lý máy đo điện tử ngày nay đang được sử dụng rộng rãi

Các chương 6, 7, 8, 9 và bài tập chương 2, 3, 4 do thạc sĩ Ngô Văn Ky biên soạn: trình bày nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến đo các đại lượng cơ, nhiệt, quang, cơ học lưu chất Đây là những cảm biến cơ bản chuyển đổi đại lượng không điện sang các đại lượng điện được sử dụng trong các thiết bị đo lường công nghiệp hiện nay (industrial instrumentation) và trong hệ thống đo lường và điều khiển tự động

Cuốn sách này nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về thiết bị đo lường cho sinh viên các ngành Điện - Điện tử - Máy tính (Công nghệ Thông tin) của các trường đại học; đồng thời cũng giúp ích cho sinh viên các ngành khác muốn tìm hiểu về thiết bị đo

Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp, các độc giả để lần tái bản cuốn sách được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện

- Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi hoàn thành quyển sách này

Địa chỉ: Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM - 268 Lý Thường Kiệt, Q10 ĐT: (08) 8647685 Email: nntan@hcmut.edu.vn

nvky@hcmut.edu.vn

Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky

Chương 1

KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG

Trong lĩnh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta phân ra hai loại cơ bản

Đại lượng điện

Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa

học, sinh học, y học, không mang đặc trưng của đại lượng điện

Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bị đo

1.1.1 Đại lượng điện

Được phân ra hai dạng:

Đại lượng điện tác động (active)

Đại lượng điện thụ động (passive)

1- Đại lượng điện tác động

Đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng lượng điện Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo Trong trường hợp năng lượng quá lớn, sẽ được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo Ví dụ như phân áp, phân dòng

Nếu trong trường hợp quá nhỏ sẽ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được

2- Đại lượng điện thụ động

Đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hỗ cảm, các đại lượng này

không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho

các đại lượng này khi đưa vào mạch đo

Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang

hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu Ví dụ như

cách thức đo nóng nghĩa là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động

hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động Ở mỗi cách thức

đo sẽ có phương pháp đo riêng

1.1.2 Đại lượng không điện

Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta (nhiệt độ, áp

suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc )

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều

khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi

các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng những bộ chuyển đổi hoặc

cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lĩnh vực đo lường

và điều khiển tự động

1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

1.2.1 Chức năng của thiết bị đo

Hầu hết các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo

được đại lượng đang khảo sát Kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong

suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được

đo

Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ

đo và ghi laị kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử

lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ

Nói chung thiết bị đo lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt

động của hệ thống tự động điều khiển, nghĩa là đo lường quá trình trong công

nghiệp (industrial process measurements) Đây cũng là môn học trong ngành tự

động hóa

1.2.2 Đặc tính của thiết bị đo lường

Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lượng có những

đặc tính riêng biệt, chúng ta có thể phân biệt hai dạng thiết bị đo phụ thuộc

vào đặc tính một cách tổng quát

Ví dụ: Để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bị đo dòng điện thuần túy

điện là micro ampe-kế hoặc mili ampe-kế Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bị

đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì phải biến đổi dòng điện

đo thành điện áp đo Sau đó mạch đo điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp

Như vậy giữa thiết bị đo điện và thiết bị đo điện tử có đặc tính khác nhau Có loại thiết bị đo, kết quả được chỉ thị bằng kim chỉ thị (thiết bị đo dạng analog), có loại bằng hiện số (thiết bị đo dạng digital) Hiện nay loại sau đang

thông dụng Đây cũng là một đặc tính phân biệt của thiết bị đo

Ngoài ra thiết bị đo lường còn mang đặc tính của một thiết bị điện tử (nếu là thiết bị đo điện tử) như: tổng trở nhập cao, độ nhạy cao, hệ số khuếch đại ổn định và có độ tin cậy đảm bảo cho kết quả đo Còn có thêm chức năng,

truyền và nhận tín hiệu đo lường từ xa (telemetry) Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vực đo lường điều khiển từ xa

1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG

1.3.1 Cấp chuẩn hóa

Khi sử dụng thiết bị đo lường, chúng ta mong muốn thiết bị được chuẩn

hóa (calibzate) khi được xuất xưởng nghĩa là đã được chuẩn hóa với thiết bị đo lường chuẩn (standard) Việc chuẩn hóa thiết bị đo lường được xác định theo

bốn cấp như sau:

Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) - các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt

tại Paris (Pháp), các thiết bị đo lường chuẩn hóa cấp 1 này theo định kỳ được đánh giá và kiểm tra lại theo trị số đo tuyết đối của các đơn vị cơ bản vật lý được hội nghị quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận

Cấp 2: Chuẩn quốc gia - các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn

quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới đã được chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế và chúng cũng được chuẩn hóa tại các viện định chuẩn quốc gia

Cấp 3: Chuẩn khu vực - trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm định

chuẩn cho từng khu vực (standard zone center) Các thiết bị đo lường tại các

trung tâm này đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia (National standard)

Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các trung tâm định chuẩn này sẽ

mang chuẩn khu vực (zone standard)

Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm - trong từng khu vực sẽ có những phòng thí

nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bị được dùng trong sản xuất công nghiệp Như vậy các thiết bị được chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm