BAI GING k THUT DO LNG CM BIN

7 1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự 1.3.1 Cơ sở chung Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch đo thành năng lượng cơ học làm quay phần

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

CẢM BIẾN

2

PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU

CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 1.1 Lý luận chung về đo lường

1.1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo

a Định nghĩa

Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường

Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau:

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số

so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép

so với đơn vị

Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là:

- Biến đổi tín hiệu và tin tức

- So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường

- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng:

Ax = X/XoTrong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo

X : Đại lượng cần đo

b Phân loại phép đo

Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau Ta có thể phân ra như sau:

a Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất

Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả

đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này

b Đo gián tiếp:

Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp

1.1.2 Sai số, phương pháp giảm sai số

a Sai số của phép đo

Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức độ cẩn thận khi đo…Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo

mà có sai số Đó là sai số của phép đo Có thể phân loại sai số của phép đo như sau:

• Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo

và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo

• Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo…

• Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng Ví dụ như do mắt kém, do cẩu thả…

• Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm…

 Theo quy luật xuất hiện của sai số

• Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi

có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo

Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh “0” không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm

đo v.v

Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin

bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác

Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả

đo nhằm loại sai số hệ thống

Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống

• Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất Giá trị

và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất

b Sai số của dụng cụ đo

Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại Có thể đó là những nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra Trên cơ sở đó người

ta phân biệt hai loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

• Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

• Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…) Sai số này còn gọi là sai số phụ

Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác

Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo đó:

XN: là giá trị cực đại của thang đo

Δm: là sai số tuyệt đố cực đại

c Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp

Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần nhớ rằng đại lượng cần đo có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp

Giả sử X là đại lượng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lượng đo được bằng phép đo trực tiếp

X = F(Y,V,Z)



Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y

so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X

- Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở

đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S

= const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo

- Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ

là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo)

XY

R  max  min 

XA

A  

1.2.4 Điện trở - công suất tiêu thụ

a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở của nó Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đo Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu ra của khâu trước đó dưới dạng điện áp (nghĩa là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất) Ví dụ vônmét phải có RV >> thì càng tốt

b) Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn

7

1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự

1.3.1 Cơ sở chung

Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch

đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc  so với phần tĩnh Loại dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng

Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7

Y = fY(X)

 = f(X)

 = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang đo đều hay không đều

Phương trình đặc tính thang đo:

- Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu, trong cơ cấu tích luỹ một năng lượng điện từ trường We Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động một góc d Thực hiện một công cơ học:

2

1 U C

We  - cơ cấu tĩnh điện

+ Trong cuộn dây: 2

2

1 I L

We  - cơ cấu điện từ

+ Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, điện động

- Mô men cản hình 1.8:

Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì phần động sẽ quay đi một góc lớn nhất có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé Để xác định quan hệ chặt chẽ giữa góc quay  và mô men quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có một mô men tác động ngược chiều với mô men quay gọi là mô men cản (Mc)

Ta dễ dàng tạo một mô men tỷ lệ với 

nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây treo:

Mc = D 

Trong đó:

D - mô men cản riêng của lò xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước)

8

- Phương trình đặc tính thang đo:

Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu

đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc (c là vị trí cân bằng của phần động) Ta có:

e

1

Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều Nhưng không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích được Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị

Nội dung phương pháp: Bằng thực

nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay

Mq = f() với các giá trị X khác nhau Ví dụ với

cơ cấu điện từ ta xây dựng các đừng cong

1;2;3;4 (hình 1.9) với các giá trị X tương ứng

40;60;80 và 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm

kim lệch toàn thang) Giả sử Xm = I0 = 50mA;

các đường cong Mq cắt đường cong mô men cản

tại các điểm A, B, C, D ta được các vị trí 1, 2,

3, 4 ứng với các trị số này các trị số tương

ứng của X là 20, 30, 40, 50mA Như vậy ta có

thang đo theo đơn vị của đại lượng đầu vào

 Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số

 Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung gian; từ quan hệ cho giá trị X tính ra Y Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị

số Y ta được thang đo theo đơn vị Y

- Mô men ổn định hình 1.10:

Dưới tác động của mô men quay phần

động lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng

với lúc Mq = Mc Nhưng vì quán tính nên phần

động không dừng ở c mà di chuyển đến vị trí 1

= c + , ở vị trí này mô men tác động lên phần

động:

Mc - Mq = MôđQuá trình ngược lại: 2 = c - ; mô men

tác động:

Mq - Mc = Môđ

2 trước khi về c Phương tr

Mc Hay: Mc - Mq - M

-Từ đồ thị hình 1.11 ta có:

ms =

ms = Theo sự phân tích trên thì Mphần động về vị trí cân b

n định là chiều của mô men có trị số nhỏ hơn

: (với phần động dùng dây căng, dây treo

0, do ma sát nó dừng ở Phương trình cân bằng:

- Mq = Mms

Mms = 0 hình 1.11 ta có:

= c - 1

= 2 - cphân tích trên thì Môđ ngược với Mms; Môđtrí cân bằng, còn mô men ma sát có khuynh hướng ngtrí  nào đó khác c

n, chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

là hai bộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đ, lò xo phản, khung quay, ) Chất lượng của chúng quy

c làm bằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm, cùng bán kính 0,05  0,3mm; có độ cứng cao

: Làm bằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc

ều chỉnh lên xuống

9

ng trở về vị trí cân bằng hơn

dây căng, dây treo không xét đến mô men

ôđ có khuynh hướng kéo

ng ngựơc lại Khi Môđ =

c khoét nón lõm có góc đỉnh bằng 80o

b) Lò xo phản kháng

- Công dụng:

+ Đưa dòng vào khung dây (t

+ Tạo ra mômen cản cân b

Yêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị đượ

lò xo phải ổn định ( trị số của nó không thay đ

nhiệt độ) Để đạt được yêu cầu

trên lò xo thường được chế tạ

- Đặc điểm:

+ Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13)

+ Đầu trong của lò xo gắn v

kim cố định trên trục quay

+ Trong một cơ cấu chỉ thị

c) Kim chỉ thị (Hình 1.14)

Công dụng: chỉ thị góc quay

Yêu cầu: Kim phải nhẹ, b

nên được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm ho

của kim xung quay vị trí cân bằng

- Cấu tạo: Có hai lo1.15)

+ Cản dịu không khí: gồm m

có cánh chuyển động liền v

tạo ra sự chênh lệch ở bên trong v

+ Cản dịu cảm ứng từ: gồ

trong khe hở của một nam châm v

tương hỗ giữa dòng điện từ trường c

của phần động

òng vào khung dây (từ điện, điện động, sắt điện động)

n cân bằng với mômen quay

ợc chính xác mômen cản riêng D của

a nó không thay đổi theo thời gian và

ạo từ những vật liệu có khả năng đàn hồi l

c (Hình 1.13)

n với trục quay, đầu ngoài gắn với bộ điề

ị có hai lò xo phản kháng ngược chiều nhau

góc quay  , bền vững, không bị han rỉ

p kim nhôm hoặc có thể làm

ủa kim phụ thuộc vào cấp ảng cách để đọc kết quả đo

: Trên mặt màu trắng người ta khắc độ màu đen và ngư

ả ngày lẫn đêm thì khắc vạch bằng chất phát quang

t nam châm vĩnh cửu tạo nên một dòng cảm ứng Do s

ng của nam châm tạo một lực chống lại s

Hình 1.15 thì cánh chuyển

ng có hình quạt di chuyển

ng Do sự tác động

i sự chuyển động

Phần động: Khung quay 5 có lõi nhôm nhẹ và khối lượng rất nhỏ, trên quấn dây đồng 0,03 0.2mm, toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay 3, trục này tì vào trụ 9; Trên trục quay còn có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, lò xo cản 7 đồng thời có nhiệm vụ đưa điện vào khung dây, kim chỉ thị 2 và thang đo 8 Phía sau kim chỉ thị có mang đối trọng 4 để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo;

b) Nguyên lý hoạt động

Khi cho dòng điện chạy qua, khung dây quay dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng một góc d Mô men quay tạo ra được tính:

Mq= d

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

s: diện tích khung dây

w: số vòng của khung dây

: góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu

I Bsw

d ( ) = BswI

Khi cân bằng:

Mq = Mc BswI = D

D

Bsw



 : Phương trình đặc tính thang đo cơ cấu từ điện

Ta thấy B, s, w, D là hằng số nên góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I

c) Đặc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Góc quay  tỷ lệ thuận với dòng điện I nên chỉ sử dụng trong mạch đo một chiều

- Góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo đều

- Độ nhạy S = Bsw

D

1 của cơ cấu cao vì có từ trường lớn; Thông thường người ta

dùng hằng số của dụng cụ C theo dòng hoặc áp Ví dụ hằng số theo dòng

d) ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng

- Dùng chế tạo các loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V)

- Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng đo không điện

- Dùng để chế tạo ra các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmet điện tử, tần số

kế điện tử…

- Dùng với bộ chỉnh lưu, cặp nhiệt có thể đo giá trị xoay chiều

1.3.4 Cơ cấu điện từ

a) Cấu tạo

- Loại cuộn dây dẹt:

Phần tĩnh: là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc

Phần động: là một lõi thép (2) được gắn trên trục quay (5) Lõi thép có thể quay tự

do trong khe làm việc của cuộn dây Bộ phận cản dịu không khí (4) được gắn vào trục

quay Kim 6 và đối trọng 7 c

Mômen cản được tạo bởi hai lò xo 3 ng

Năng lượng trong cu

 c) Đặc điểm

- Góc quay  tỷ lệ với bình ph

là không phụ thuộc vào chi

cấu chỉ thị điện từ có thể

một chiều

- Thang đo không đều do đ

thang đo còn phụ thuộc vào t

phi tuyến Để làm cho đ

ng 7 cũng được gắn lên trục quay Kim quay trên b

i hai lò xo 3 ngược chiều nhau

i cuộn dây tròn (hình 1.13 b)

n I chạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay đư

ng trong cuộn dây: We =

) 2

(

I d

dL d

I L d



 trí cân bằng:



.I2 D.d

2

2

d

dL

D  ; Phương trình đặc tính thang đo cơ c

i bình phương của dòng điện, tức

c vào chiều của dòng điện do vậy cơ

ể đo trong mạch xoay chiều và

u do đặc tính bậc hai Đặc tính của vào tỷ số 

d

dL là một đại lượng làm cho đặc tính thang đo đều thì tỷ số

i theo quy luật ngược với bình phương

p sẽ có đường tuyến tính (hình này cần phải tính toán mạch từ,

13

c quay Kim quay trên bảng khắc độ 8

n mômen quay được xác định:

c tính thang đo cơ cấu điện từ

14

kích thước, hình dáng, lõi động và vị trí đặt dây sao cho phù hợp

- Cản dịu thường bằng không khí, cảm ứng

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ chính xác không cao nhất là khi đo dòng một chiều sẽ bị sai số do hiện tượng từ trế, từ dư Độ nhấp nháy thấp bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài

d) ứng dụng

- Dùng chế tạo Ampe mét, Vôn mét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp có cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5 và 1,0 ở tần số cao cần tính toán mạch bù

1.3.5 Cơ cấu điện động

a) Cấu tạo (hình 1-15)

- Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua (được chia làm hai cuộn ghép lại có khe hở ở giữa để cho trục quay chui qua đồng thời để tiện lắp ghép)

- Phần động: gồm khung dây 2 đặt trong

lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2 được gắn với

trục quay, trên trục còn có lò xo cản, bộ phận

cản dịu và kim chỉ thị

Cả phần động và phần tĩnh được bao kín

bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hưởng của

từ trường ngoài Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị

điện động thường dùng loại cảm ứng khi có màn

chắn từ và dùng kiểu không khí khi không có

màn chắn từ bảo vệ

b) Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường

Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây động và tạo lên mômen quay làm phần động quay một góc 

Mq =

 d

1L1I12 +

2

1L2I22 + M12I1I2Với: L1, L2: là điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động

=

 d

dM12

I1I2

ở vị trí cân bằng Mq = Mc nên:

 d

dM12 I

1I2 = D.

Suy ra: =

 d

dM D

dM12 i

1i2Phần động vì có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ:

Mq = t

0 qt

dtmT

1

Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin(t-):

T m m

d

dM t

t I

I T

M

0

12 2

dM

2 1 12

Khi cân bằng thì: Mq = Mc:



 I I cos d

dM

2 1

c) Đặc điểm

- Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều

- Góc lệch  phụ thuộc vào tích I1 I2 nên thang đo không đều Có thể thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi dM12/d theo hàm ngược với I1I2 để đạt được thang đo đều

- Mô men quay tỷ lệ với dòng hiệu dụng và cos nên có thể sử dụng cơ cấu để chế tạo Wattmet đo công suất

- Ưu điểm : cơ bản của cơ cấu này là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều (không có vật liệu sắt từ nên không có dòng xoáy)

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện có công suất nhỏ không thích hợp

16

- Mq của cơ cấu không lớn vì từ trường của bản thân các cuộn dây sinh ra nhỏ , từ thông khép kín mạch qua không khí có từ trở lớn nên tổn hao từ nhiều Do đó cơ cấu điện động chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài Để đảm bảo cho cơ cấu làm việc tốt phải

- Phần động là một đĩa kim loại 1(thường có cấu tạo bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay quay trên trụ 5

Về nguyên tắc cơ cấu này hoạt động dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa phần động do đó cơ cấu này chỉ làm việc ở mạch xoay chiều Để chỉ thị số vòng quay của đĩa người ta gắn vào trục của cơ cấu chỉ thị số cơ khí

17

Các dòng điện xoáy IX1, IX2 được sinh ra trong đĩa nhôm lệch pha với E1, E2 bởi góc 1,2 vì ngoài điện trở thuần còn có thành phần cảm ứng

Do sự tác động tương hỗ giữa từ thông 1, 2 các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 mà sinh

ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng làm quay đĩa nhôm

Giá trị tức thời của mômen quay Mt do sự tác động tương hỗ giữa 1 tvà dòng điện tức thời ix1 là :

1

1 1 T

0 m 1 m 1 T

Ta cũng xét các mômen thành phần như sau:

M11: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix1

M12: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix2

M21: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix1

M22: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix2Tương tự cách tính ở trên ta có:

M21 có dấu ngược nhau Cũng chính nhờ có sự ngược dấu này mà mômen tổng sẽ kéo đĩa quay về một phía duy nhất Nghĩa là mômen quay sẽ là:

Mq = C12 1.Ix2sin + C21 2.Ix1sin

Nếu dòng điện tạo ra 1, 2 là hình sin và đĩa đồng nhất( chỉ có điện trở thuần) thì các dòng điện xoáy sinh ra sẽ tỷ lệ với tần số f và từ thông sinh ra nó

Tức là: Ix1 = C3.f 1 và Ix2 = C4.f 2

- Điều kiện để có mômen quay ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt được giá trị cực đại nếu như góc lệch pha giữa hai từ trường đó là:  =

2



- Mq phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường

- Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều

Nhược điểm: Mq phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số

d) ứng dụng:

Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng để chế tạo công tơ đo năng lượng Đôi khi người ta còn sử dụng để đo tần số

1.3.7 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

a) Cấu tạo chung: như hình 5.10: có hai hoặc nhiều bản cực, bao gồm các bản cực tĩnh (bản cực 1 ở hình (a), bản cực 2 ở hình (b)) và ít nhất một bản cực là phần động (bản cực

2 ở hình (a), bản cực 1 ở hình (b)) được gắn với trục quay, kim chỉ thị, lò xo phản kháng…

Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

b) Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật thể tích điện Phần động của cơ cấu là một trong các vật thể đó, sự chuyển dịch của nó gây ra

sự thay đổi năng lượng điện trường tạo bởi các vật thể tích điện

Khi đặt vào hai bản cực tĩnh và động một điện áp U, giữa chúng sinh ra một điện trường

có năng lượng We được tính:

với C là điện dung giữa các điện cực

Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực tích điện tạo ra mômen quay làm

Ở trạng thái cân bằng Mq = Mc tính được góc quay α của phần động:

c) Các đặc tính chung: từ phương trình (5.2) suy ra các đặc tính cơ bản của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện:

1.4 Thiết bị chỉ thị số

Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng…

1.4.1 Cơ cấu chỉ thị số bằng đèn khí:

Thường thấy trong những thiết bị

những năm 80 Đèn khí có cấu tạo gồm

anốt là một cái lưới còn catốt là các con số

từ 0-9 và các dấu +,-,V,A… Khi có điện

áp catốt nào thì kí hiệu tương ứng sáng

lên

Nhược điểm của thiết bị hiện số

bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ

200V) do vậy mà độ tin cậy thấp

1.4.2 Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh:

Là loại thiết bị hiện số được sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ

Về cấu tạo: gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ a-g được sắp xếp như hình 5.21a, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tương ứng có các đầu ra để cấp tín hiệu cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung Khi có tín hiệu cho phép điốt

Hình 5.21b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7 vạch

- thường là gải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các bộ giải mã được chế thành các vi mạch: họ TTL là các vi mạch 7446, 7447; họ CMOS là các vi mạch 4511; các vi mạch 4543SN74247, TIL308…

Điện áp thuận rơi trên mỗi điốt của mỗi thanh khoảng 1,2V và dòng thuận qua LED tương ứng với độ sáng thích hợp vào khoảng 20mA tùy độ lớn của LED Nhược điểm chính của LED 7 thanh là yêu cầu dòng lớn

1.4.3 Cơ cấu chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD:

21

Có cấu tạo như hình 5.22 Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học Chúng được đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết hợp tủa ở mặt trong

Ở trạng thái bình thường không bị kích hoạt ô tinh thể lỏng trong suốt cho ánh sáng đi qua nên thanh hiển thị tương ứng trùng với mặt phông Khi được kích hoạt (bởi điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung vuông tần số khoảng 50-60Hz) ô tinh thể lỏng phản xạ lại ánh sáng và thanh hiển thị tương ứng sẽ nổi trên mặt phông

Ưu điểm của thiết bị hiển thị tinh thể lỏng là tiêu thụ dòng rất nhỏ, cả 7 thanh của hiển thị tinh thể lỏng loại nhỏ chỉ yêu cầu dòng khoảng 80µA

2.1.1 Mở rộng thang đo: Mạch đo phải có sự mở rộng cho từng loại cơ cấu

1) Mở rộng cho cơ cấu từ điện

Dòng điện cho phép qua cơ cấu này thường

từ 10-1  10-2A với điện trở của cơ cấu từ 20 

2000 Vì vậy khi sử dụng cơ cấu này để đo các

dòng điện có trị số lớn hơn giới hạn này người ta

phải mắc thêm các điện trở Sun Rs song song với

điện trở cơ cấu

(Hình 2.1)

Dòng điện đo: I = Im + IS

Im : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị

IS : dòng điện qua điện trở Sun Điện trở Sun RS được xác định:

Rs = 0 0 0

0

1t

I I n ; với n =

0 t

II

n : hệ số mở rộng thang đo

It : dòng điện thang đo

I0: dòng điện max của cơ cấu chỉ thị

R0 : nội trở của cơ cấu

Trên cơ sở các điện trở shun mắc song song với cơ cấu người ta chế tạo các ampemet nhiều thang đo (hình 2.2):

Hình 2.2

Để Ampemet có độ chính xác không thay đổi ở các thang cần chế tạo Sun có độ

ổn định và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu chỉ thị ít nhất một cấp Các điện trở shun được chế tạo bằng manganni và chỉnh định rất chính xác Do đó điện trở Sun không thay đổi theo nhệt độ, trong khi đó điện trở cơ cấu thay đổi theo nhiệt độ:

R0 = R0o (1 + t)

R0 nội trở ở t0C

23

R0o nội trở ở 00C

 hệ số nhiệt độ của dây quấn trên khung (với đồng  = 0,4 %/ 0C)

Ta có thể tính sai số do nhiệt độ của ampemet từ điện:

II

thường lớn hơn sai số cơ cấu Để khắc phục

người ta loại trừ hoặc giảm do nhiệt độ Người

ta mắc thêm nhiệt điện trở RT nối tiếp với điện

trở cơ cấu (Hình 2.3)

2) Mở rộng cho cơ cấu điện từ (Hình 2.4)

Thay đổi số vòng dây quấn cho cuộn dây tĩnh với số sức từ động không đổi:

F =I1.w1= I2.w2= =In.wn

Hình 2.4 Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: cuộn dây tròn có

số ampe vòng I.w = 200A.vòng, cuộn dây dẹt có I.w = 100  150A.vòng)

Hình 2.4a đo dòng điện nhỏ I, hình 2.4b đo dòng điện bằng hai lần dòng điện đo ở hình 2.4a là 2I

3) Mở rộng cho cơ cấu điện động

Ampemet điện động thường đo ở dòng điện tần số cao hơn tần số công nghiệp (400  2000Hz) Độ chính xác cao (0,2; 0,5) Có hai loại mạch Ampemet:

- Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc nối tiếp Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc mắc song song với nhau (Hình 2.5):

A: Cuộn tĩnh; B: Cuộn động

24

- Hoặc mắc điện trở Sun song

song với cuộn động (tương tự cơ cấu

từ điện), còn cuộn tĩnh mắc nối tiếp

với cuộn động Cách tính điện trở

Sun tương tự như Ampemet từ điện

(Hình bên)

2.2 Đo dòng xoay chiều

Nguyên lý đo: Cơ cấu điện từ, điện động đều hoạt động được với dòng xoay chiều Do đó có thể dùng trực tiếp cơ cấu này hoặc mở rộng thang đo như đã nói ở trên Riêng đối với cơ cấu từ điện cần biến đổi dòng AC thành đòng DC Cơ cấu từ điện chính xác và được sử dụng nhiều trong phần lớn các Ampemet (đồng hồ vạn năng Multimeter – V.O.M)

2.2.1 Ampemet từ điện đo dòng AC

1) Ampemet chỉnh lưu

a/ Chỉnh lưu nửa chu kỳ (Hình 2.6)

Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

I* cltb = 0

0

1T cl

i dt I

Giả sử ta có dòng điện AC: iAC = ImaxSint;

Khi đó: icl = ImaxSint với: 0  t  T/2

icl = 0 với: T/2  t  T Vậy: Icltb = 0,318 Imax = 0,318 2 Ihd (tín hiệu Sin)

(Trường hợp dòng AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu)

b/ Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 2.7)

Trị chỉnh lưu trung bình của dòng điện:

I* cltb = 0

0

2T cl

25

c/ Mở rộng thang đo: Dùng điện trở sun cho diode và cơ cấu từ điện Diode mắc nối tiếp cơ cấu từ điện, do đó có dòng Icltb qua cơ cấu, còn dòng AC qua điện trở sun (Hình 2.8)

Hình 2.8 Như vậy với cách bố trí sơ đồ chỉnh lưu như vậy, các ampemet sẽ chỉ giá trrị trung bình của dòng xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động, đo dòng xoay chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng Vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng cụ đo dòng xoay chiều, các ampe điện từ dùng chỉnh lưu phải khắc độ theo trị hiệu dụng

Cách biến đổi để khắc độ ampe chỉnh lưu theo trị hiệu dụng:

Mômen quay tức thời:

Mt = B.S.W.i ; i = ImaxSin t

Mô men quay trung bình trong một chu kỳ:

 Biến đổi: . cltb .

- Các Ampemet chỉnh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ (do điện trở thuận ngược của diod thay đổi không giống nhau: nhiệt độ tăng thì điện trở ngược giảm nhiều hơn so với điện trở thuận dẫn đến hệ số chỉnh lưu sẽ giảm)

Mạch bù như hình 2.9:

26

Hình 2.9 Nếu cần đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị) thì mắc mạch

chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo, không cần sun

Trường hợp cần đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị mắc cơ cấu song song với sun

ở đây sun vừa để mở rộng giới hạn đo vừa để bù sai số do tần số và nhiệt độ

Trong hình a: RCu dùng để bù nhiệt độ còn L dùng để bù tần số

Trong hình b: C để bù sai số do tần số

2) Dùng biến đổi nhiệt điện

Ampemét nhiệt điện cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ

cặp nhiệt ngẫu đã biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện

một chiều, cấu tạo như hình 2.10:

1 Sợi dây được dốt nóng nhờ dòng điện Ix

2 Cặp nhiệt ngẫu

3 Chỉ thị từ điện để đo sức điện động nhiệt điện

Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện như sau:

Khi có dòng xoay chiều Id chạy qua sợi dây dẫn, dây dẫn bị đốt nóng Nhiệt độ của

  (k0là hằng số phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn) nhiệt độ này làm nóng đầu

công tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ xuất hiện suất điện động:

E k  k k I k I

(k 1là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của loại cặp nhiệt ngẫu)

Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với nhau thông qua cơ cấu chỉ thị từ

điện, trong cơ cấu này có dòng điện đi qua và kim sẽ lệch đi một góc 

0

t m

Im: dòng điện đi qua cơ cấu

Rn: điện trở cặp nhiệt ngẫu

Ro: điện trở cơ cấu chỉ thị

0

d

d n

27

Để tăng sức điện động nhiệt Et dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị từ điện người ta thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua một bộ khuếch đại một chiều

Ampemét nhiệt điện có sai số lớn, khả năng quá tải kém, công suất tổn hao lớn

Ưu điểm cơ bản của nó là cho phéo đo dòng điện ở tần số cao, giải tần làm việc rộng (từ một chiều đến hàng trăm MHz)

2.3 Đo dòng điện nhỏ

Tức là đo dòng điện Id  I0 , để đo được dòng này cần phải có các thiết bị có độ nhạy cao Ta thường gặp các dụng cụ đo dòng nhỏ như: điện kế cơ điện, điện lượng kế, các dụng cụ điện tử mà thành phần cơ bản là các là các bộ khuếch đại một chiều, xoau chiều, chỉnh lưu… kết hợp với chỉ thị từ điện

2.4 Đo dòng điện lớn

2.4.1 Đo dòng một chiều lớn

1) Ghép song song các sun (Hình 2.11)

Id = I1+ I2 + + Ii + + In Với:

I1; I2; dòng định mức ghi trên các sun

R1; R2; điện trở sun tương ứng

r1; r2; được mắc tương ứng với R1; R2; trong mạch áp theo quan hệ:

i i

28

Bằng phương pháp gián tiếp ta đo được dòng cần đo:

0 1

1

n d

Id : dòng điện trong cuộn dây tạo lực từ

W : số vòng dây quấn trên mạch từ

Khe hở không khí nhất định nên: 0 = const;  = const

Ta đo B (bằng thiết bị đo hoặc chuyển đổi Hall) rồi suy ra Iđ

3) Dùng biến dòng một chiều (Hình 2.13)

Biến dòng một chiều

dựa trên cơ sở bộ điều chế từ

tức là dựa trên sự ảnh hưởng

của từ trường DC trên lõi sắt từ

mà lõi đó được kích thích bởi

H1 = F1/l

H2 = F2/l

F1; F2 : sức từ động tổng trong từng lõi xuyến

l : chiều dài trung bình của lõi xuyến

Trong lõi I; sức từ động do hai cuộn sinh ra ngược nhau:

1 2 2

1 I W i Wd H

l



Trong lõi II; sức từ động do hai cuộn sinh ra cùng chiều:

2 I W i Wd H

l



Giả sử i2 biến thiên dạng sin nên khi i2 = 0 thì: H = H1 = H2 = I Wd 1

lDựa vào mối quan hệ giữa H và B; giữa H và  để xét sự tác dụng của i2 trong lõi xuyến và ảnh hưởng của Id; tìm mối quan hệ giữa Id và i2

Xét nửa chu kỳ dương:

Dòng i2 tăng, H2 tăng, H1 giảm Do mối quan hệ H và  (hình vẽ) nên khi H2 tăng trong một phạm vi nào đó thì  sẽ là hằng (trong lõi II) Trong khi đó H1 sẽ giảm đến H0(H0 0 tức IdW1  i2W2)

ở phạm vi này  tăng rất nhanh làm cho điện cảm L2 của cuộn W2 (trong lõi I) cũng tăng:

 ; có hướng ngược với U2 nên i2 không tăng được, chỉ thoả mãn điều kiện:

Từ đây ta thấy rằng dùng Ampemet đo dòng i2 sẽ suy ra được Id

Giống như biến dòng xoay chiều: tỷ số 1

30

nay người ta chế tạo được biến dòng một chiều với dòng định mức từ 15  70kA, cấp chính xác 0,5

2.4.2 Đo dòng điện xoay chiều lớn

Đo bằng phương pháp kết hợp biến dòng AC

với các Ampemét Trong các Ampemét điện từ, sức từ

động tối đa F = I.W là 200 Ampe-vòng Nếu số dây là

một thì có thể đo được dòng tối đa là 200A Muốn đo

dòng lớn hơn 200A ta phải dùng các Ampemét điện từ,

điện động kết hợp với biến dòng

Biến dòng thường có lõi hình xuyến bằng thép

kỹ thuật điện, trên đó có quấn hai cuộn dây, sơ cấp W1

V dụ: I2 = 5A còn I1 có thể là: 15A; 30A; 100A; 150A; 200A; 400A; 500A; 600A ứng với mỗi dòng I1 sẽ có kI nhất định Việc kết hợp biến dòng và Ampemet xoay chiều phải chọn phù hợp thang đo với dòng thứ cấp I2 của biến dòng

Nguyên lý đo là chuyển dòng đo Iđ thành điện

áp đo bằng cách cho dòng đo đi qua điện trở RS

như hình 2.15

2.5.2 Đo dòng AC

Nguyên lý đo: ta chuyển dòng AC thành

điện áp AC qua RS như đo dòng DC; Sau đó huyển

điện áp AC thành điện áp DC bằng những phương

pháp đã biết

31

2.6 ảnh hưởng của Ampemet đến mạch đo

Ta thấy mỗi Ampemet đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi thang đo Do đó thang đo càng lớn nội trở ampe RA càng nhỏ Khi mắc nối tiếp với điện trở tải cần đo dòng thì sẽ ảnh hưởng đến mạch đo

Khi không có đồng hồ Ampe:

I = U/RtKhi mắc ampemet có nội trở RA vào mạch:

Iđ = U/(Rt +RA) Sai số của ampemet: % 100% 100%

1R

RI

32

CHƯƠNG 3 ĐO ĐIỆN ÁP 3.1 Đo điện áp dùng dụng cụ đo tương tự

3.1.1 Đo điện áp một chiều

Nguyên lý đo: Điện áp được chuyển thành dòng điện đo đi qua cơ cấu chỉ thị hình 3.1 Nếu cơ cấu chỉ thị có I0 và điện trở nối tiếp thì:

0 0

I R R

U I

Với vôn mét từ điện:

Cơ cấu từ điện được chế tạo có điện áp định mức

khoảng 50  75mV Muốn chế tạo các Vônmét đo điện áp có

trị số lớn hơn phạm vi này, phải nối nối tiếp với cơ cấu các điện trở phụ bằng manganin (không thay đổi theo nhiệt độ)

Tính điện trở phụ RP phù hợp với điện áp cần đo Ud :

0 0

d p

UU

Phương pháp mở rộng thang đo: Bằng cách trên để tạo thành Vônmét có nhiều thang đo ta nối nối tiếp nhiều điện trở phụ với cơ cấu (hình 3.2; hình 3.3):

Với vôn mét điện từ, điện động: cũng bằng cách nối thêm điện trở phụ RP để hạn chế dòng qua cơ cấu theo biểu thức trên Riêng đối với cơ cấu điện động thì cuộn tĩnh được nối tiếp với cuộn động (hình 3.4)

3.1.2 Đo điện áp xoay chiều

33

Nguyên lý đo: Đối với cơ cấu điện từ, điện động dùng làm vôn mét AC phải nối điện trở nối tiếp như trong vôn mét DC vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều Đối với cơ cấu từ điện thì phải chỉnh lưu hoặc biến đổi nhiệt

1 Vônmét điện từ

Được dùng để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp Vì yêu cầu điện trở trong của Vônmét lớn nên dòng điện chạy trong cuộn dây nhỏ Số lượng vòng dây trên cuộn tĩnh là rất lớn khoảng 1000 đến 6000 vòng Để mở rộng và tạo ra Vônmét nhiều thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ (giống Vônmét từ điện)

Khi đo điện áp xoay chiều ở miền tần số cao hơn tần số công nghiệp sẽ xuất hiện sai số do tần số Để khắc phục sai số này người ta mắc các tụ điện song song với các điện trở phụ (hình 3.5):

Phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu điện động:



1 2

34

Khi khoá SW ở vị trí 1 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối song song với nhau ta có giới hạn đo 150V; Khi khoá SW ở vị trí 2 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối nối tiếp với nhau có giới hạn đo 300V Tụ C tạo mạch bù tần số cho Vôn mét

3 Vônmét từ điện

a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Cách xác định điện trở nối tiếp cho cơ cấu từ điện:

Mạch đo hình 3.7: Diod D1 chỉnh lưu dòng điện

xoay chiều i = ImaxSint ở bán kỳ dương

Diod D2 bảo vệ cho diod D1 và cơ cấu khi điện áp

ngược lớn

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được

xác định:

UAC (RMS) = (R1 + R0)Ihd + UD (RMS) Mà: Icltb = I0 = 0,318Imax = 0,318 2Ihd

b) Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 3.8)

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC

3.1.3 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

a) Cơ sở của phương pháp so sánh

Các dụng cụ đo ở trên sử dụng cơ cấu cơ điện

để hiển thị kết quả đo (dụng cụ đọc thẳng), vì vậy

cấp chính xác không thể vượt quá cấp chính xác của

cơ cấu

Muốn đo điện áp chính xác hơn phải dùng

phương pháp so sánh với mẫu (tức là so sánh với

điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu)

Phương pháp này còn gọi là phương pháp bù

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được mô tả trên hình 3.10: Uk = I.Rk

Uk làđiện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở mẫu Rk khá chính xác

CT là thiết bị tự động phát hiện sự chêng lệch điện áp U = Ud – Uk gọi là cơ cấu chỉ không Khi đo ngưới ta so sánh Ud và Uk, nếu kim chỉ khác không thì điều chỉnh con trượt D của biến trở Rk sao cho kim chỉ không thì đọc kết quả trên biến trở Rk đã khắc độ theo thứ nguyên của điện áp

Có nhiều loại dụng cụ bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tạo điện áp mẫu Uk

b) Điện thế kế một chiều điện trở lớn

Được chế tạo trên cơ sở giữ nguyên dòng điện ổn định, thay đổi điện trở Rk để thay đổi điện áp Uk bù với điện áp Ud cần đo Để phép đo này đảm bảo độ chính xác cao thì cần phải đảm bảo các điều kiện sau

- Điện trở mẫu chính xác cao (do vật liệu, quy trình công nghệ, thiết bị mẫu quyết định)

- Dòng điện qua điện trở mẫu chính xác cao (mạch hợp lý và nguồn ổn định)

- Chỉ thị cân bằng đủ nhạy để phát hiện sự chênh lệch giữa tín hiệu đo và mẫu

36

Mạch điện thế kế DC cổ điển (Hình 3.11)

Gồm hai bộ phận:

Bộ phận tạo dòng công tác IP gồm: nguồn

cung cấp U0, điện trở điều chỉnh, Ampemet và điện

trở mẫu Rk

Bộ phận mạch đo gồm: Điện áp cần đo Ud,

điện kế chỉ sự cần bằng và một phần điện trở mẫu

Đầu tiên phải xác định dòng công tác IP nhờ nguồn

U0 , điện trở điều chỉnh và Ampemét Giữ giá trị IP

cố định trong suốt thời gian đo, điều chỉnh con

trượt

của điện trở Rk đến khi điện kế chỉ không, đọc kết quả đo trên điện trở mẫu.Khi đó:

Ud = Uk = IP.Rk Trong điện thế kế này còn tồn tại Ampemet, vậy độ chính xác không thể vượt quá

độ chính xác của Ampemet

Để loại Ampemet ra khỏi mạch của điện thế kế người ta dùng pin mẫu để xác định dòng công tác với sơ đồ như hình 3.12 Sơ đồ gồm hai mạch: tạo dòng công tác IP và mạch đo

- Nối điện kế G vào hai đầu 1–1, để xác định

dòng công tác, điều chỉnh Rđ/c để điện kế G chỉ

- Sau đó không thay đổi Rđ/c, đưa điện kế G sang

2–2 để đo sức điện động Ed điều chỉnh con trượt Rk cho

đến điện kế chỉ không Lúc đó:

Ed = URk = Uk = IP.Rk = k

n

N R R

E .Giá trị pin mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ được tính theo công thức sau:

ENt = EN 20oC – 40.10-6(t - 20) – 10-6(t - 20)2Trong đó:

En20oC: là giá trị của pin mẫu ở nhiệt độ chuẩn 20oC, thường En20oC = 1,0186V;

có độ chính xác khá cao 0,001%  0,01%

t: là nhiệt độ nơi sử dụng điện kế

Vì vậy khi sử dụng điện thế kế, trước tiên phải tính giá trị EN theo nhiệt độ nơi đặt điện thế kế và đặt pin mẫu đúng giá trị đã định

Pin mẫu có giá trị không tròn, nên khi tính có sai số đáng kể Để khắc phục người

ta cần làm tròn dòng công tác, do đó người ta mắc thêm vào một điện trở Rđ/ch

Các bước thực hiện đo điện áp và sử dụng điện thế kế để đo các đại lượng điện khác:

Bước 1: Điều chỉnh dòng công tác

37

- Mắc dụng cụ mạch điện thế kế theo đúng sơ đồ, nguồn cung cấp, pin mẫu và điện kế

- Tính toán giá trị pin mẫu và đặt đúng giá trị pin mẫu đã tính vào điện thế kế

- Đặt hai đầu đo của điện kế ở vị trí 1-1, điều chỉnh điện trở Rđ/c cho đến khi điện kế chỉ zero

Bước 2: Tiến hành đo

- Đặt hai đầu đo của điện kế sang vị trí 2-2, giữ nguyên Rđ/c, điều chỉnh con trượt của Rk cho đến khi điện kế chỉ không, ta sẽ có:

Ex = IP.Rk Chú ý:

- Trường hợp đo điện áp nhỏ, rất nhỏ sẽ có sai số do tiếp xúc Nên cần sử dụng điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

- Muốn đo điện áp lớn cần dùng mạch phân áp và điện thế kế một chiều điện trở lớn

- Điện thế kế được chế tạo với độ chính xác cao hơn các dụng cụ đo cơ điện Vì các đại lượng mẫu được chế tạo chính xác, điện kế tin cậy

c) Điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

Nguyên tắc chế tạo: giữ

nguyên điện trở mẫu RK; thay đổi

dòng công tác IP qua RK để thay đổi

UK = IP.RK bù lại với địên áp cần đo

Biến trở AB là biến trở đo lường

Khoá SW có hai vị trí dùng để chuẩn

cho máy đo và đo đại lượng Uđ Dòng

trong mạch cần đo:

AB

R R K

E I





1 1 1

0 ≤ K1 ≤ 1: phụ thuộc vào vị trí con chạy

38

Điện kế G dùng để xác định sự cân bằng của mạch đo Dòng I được giữ không đổi (đã được định sẵn) Do đó trước khi đóng, khoá SW ở vị trí 1 Nguồn chuẩn E2 được đưa vào so sánh với UBC

Tại vị trí con chạy C, điện kế G chỉ "0" hay: E2 = UBC = RBC I  dòng I được xác định

Nếu G chỉ khác "0" thì dòng I định trước đã thay đổi Khi đó điều chỉnh R1 để G chỉ "0"; nghĩa là K1 thay đổi, dòng I có trị số như cũ (vì E1 thay đổi do nguồn pin yếu hoặc mạnh quá quy định

Sau đó khoá SW được chuyển sang vị trí 2 là điện áp cần đo Uđ được so sánh với

UBC; tiếp tục điều chỉnh con chạy C cho đến khi G chỉ không:

U'BC = R'BC I Như vậy tại vị trí RBC ta có:

mã theo điện áp trên điện trở AB)

ưu điểm của phương pháp này là không chịu ảnh hưởng của nội trở Uđ (vì dòng qua điện kế G bằng không, nên không có điện áp rơi trên nội trở của nguồn cần đo)

3.1.5 ảnh hưởng của Vonmét trên mạch đo điện áp

Voltmét đã lấy một phần năng lượng của đối tượng đo nên gây ra sai số như sau: hình 3.15

Khi chưa mắc volt mét vào mạch đo Điện áp

rơi trên tải:

t ng t

R R

E





Khi mắc voltmét vào mạch Voltmét sẽ đo

điện áp rơi trên tải:

v v e

RR

ng t

RRR

e t

v t

R R R

R U

Điện áp UBE = 0,7V; hệ số khuếch đại

 = 100 Nguồn cung cấp Ecc = 20V; dòng lệch toàn thang I0 = 1mA

Đưa RP vào sao cho RP + R0 = 9,3k (Cho kết quả chẵn)

Bộ phân áp gồm R4; R5 ; R6 ; trong đó R5 là biến trở ( triết áp)

- Mạch cơ cấu đo nằm trên đường chéo của cầu đo là transisto và R

- Điện rở R1 tạo nên thế bazơ bằng 0 khi mà EX = 0

U= UE – UP = - 0,7 – (- 0,7) = 0

Do đó giả sử đo:

EX = 5V

UE = 5 – 0,7 = 4,3V điện áp đặt nên cơ cấu đo: U = UE – UP = 4,3 – (- 0,7) = 5V Nếu điện áp EX = 10V thì:

UE = 10 – 0,7 = 9,3

U = 9,3 – (- 0,7) = 10V Chú ý: - Khi EX  0 xuất hiện dòng Im ( dòng qua cơ cấu), để UP = const thì I4  Im

dẫn đến mạch phân áp tiêu thụ công suất dáng kể của nguồn, do đó cần nâng cao công suất nguồn (việc này đôi khi gặp khó khăn)

- Kho UP var do có dòng Im Sai số được tính bởi tỉ số :

4 m

II

mI