(NB) Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Bảo trì thiết bị cơ điện - Trung cấp) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên sử dụng được các loại máy đo thông dụng để đo các thông số mạch điện; hiểu được cách đo các thông số và các đại lượng điện cơ bản của mạch điện.
ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐO LƯỜNG
1.1.1 Khái niệm: Đo lường là khái niệm mang ý nghĩa rất rộng trong thực tế vì mọi phương cách nhằm nắm bắt đặc tính của đối tượng đều có thể được xem là đo lường Đo lường điện là một phần nhỏ trong khái niệm chung đó, nó là một quá trình thu nhận, biến đổi đại lượng cần đo thành tín hiệu điện và xử lí để phù hợp với sự quan sát hoặc điều khiển
Trong quá trình điều khiển, đo lường là bước đầu tiên quyết định độ chính xác của kết quả điều khiển Đo lường không chỉ cần đầy đủ thông tin mà còn phải chính xác về đặc tính của đối tượng đo Đo lường điện có các đặc điểm riêng biệt do lĩnh vực này mang những đặc trưng riêng so với các lĩnh vực khác, từ đó yêu cầu các phương pháp đo phù hợp Có hai phương pháp chính để xác định thông số của đối tượng: đo trực tiếp, khi ta đọc trực tiếp giá trị trên thiết bị đo, và đo gián tiếp thông qua các thông số trung gian, sau đó sử dụng công thức toán học để tính ra giá trị mong muốn.
1.1.2 Ý nghĩa của đo lường: Đo lường nói chung và đo lường điện nói riêng có một ý nghĩa vô cùng quan trọng trong đời sống con người Trước khi khống chế và điều khiển bất kỳ đối tượng nào thì con người cần phải nắm bắt được đầy đủ và chính xác những thông số về đối tượng đó, và điều này chỉ thực hiện được nhờ vào quá trình đo lường.
PHÂN LOẠI CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG
Trong lĩnh vực đo lường điện, các đại lượng đo được phân thành hai loại chính dựa trên tính chất của chúng: đại lượng điện và đại lượng không điện Việc phân biệt này giúp đảm bảo chính xác trong quá trình đo lường điện và không điện Hiểu rõ đặc điểm của từng loại đại lượng là yếu tố quan trọng để ứng dụng phù hợp trong các hệ thống đo lường điện tử.
Gồm hai loại: Đại lượng điện tác động (active):
Trong đo đạc điện tử, các đại lượng mang năng lượng như điện áp, dòng điện và công suất đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng cho mạch đo, do đó không cần nguồn năng lượng từ bên ngoài Khi năng lượng từ đối tượng đo quá lớn có thể gây hư hỏng cho thiết bị, cần giảm xuống phù hợp, còn khi năng lượng quá nhỏ, cần khuyếch đại để đảm bảo độ chính xác Các đại lượng điện thụ động (passive) không cung cấp năng lượng cho mạch đo, chỉ phản ứng với năng lượng từ mạch.
Các đại lượng như điện trở, điện dung, điện cảm và hỗ cảm là những thông số không mang năng lượng điện nội tại, do đó khi đo các đại lượng này cần cấp nguồn điện cho mạch đo bằng pin hoặc nguồn điện ngoài Trong quá trình đo, việc duy trì nguồn năng lượng ổn định và liên tục là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Con người luôn có ham muốn kiểm soát các đối tượng xung quanh theo ý muốn, trong đó nhiều đối tượng như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, độ pH, nồng độ, đều ở dạng không điện Để điều khiển các đối tượng này trong công nghiệp hiện đại, cần chuyển đổi các đại lượng không điện thành tín hiệu điện để xử lý trong mạch điện Quá trình chuyển đổi này được thực hiện bằng cảm biến hoặc bộ chuyển đổi, đảm bảo phản ánh chính xác sự thay đổi của đại lượng không điện tại đầu vào Trong xu thế công nghiệp hóa, việc điều khiển các hệ thống này chủ yếu dựa vào máy móc và tín hiệu điện nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quản lý hệ thống.
CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG
1.3.1 Chức năng thiết bị đo lường:
Hầu hết các thiết bị đo đều cung cấp chức năng chỉ thị kết quả đo để khảo sát các đại lượng một cách chính xác Ngoài ra, kết quả đo có thể được ghi lại liên tục trong quá trình thực hiện, giúp theo dõi và kiểm soát dữ liệu Các thiết bị này còn có khả năng truyền tín hiệu để điều khiển các đại lượng khác theo mục đích quy định, hỗ trợ giám sát quá trình đo lường một cách hiệu quả.
1.3.2 Đặc tính thiết bị đo lường:
Mỗi loại thiết bị đo sở hữu những đặc tính riêng biệt giúp phân biệt rõ ràng với các thiết bị đo khác Các đặc điểm quan trọng của thiết bị đo bao gồm nguyên lý đo, cách chỉ thị kết quả, tính chất của mạch giao tiếp ngõ vào và khả năng xử lý kết quả đo Hiểu rõ các yếu tố này giúp chọn lựa thiết bị phù hợp, nâng cao hiệu quả đo lường trong các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG
Phương pháp đo lường là cách thức nhằm xác định và lấy giá trị chính xác của đại lượng cần đo Đây là bước quan trọng trong quá trình thu thập dữ liệu, giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả Có thể phân chia phương pháp đo thành hai loại chính, bao gồm phương pháp đo thủ công và phương pháp đo tự động, phù hợp với từng mục đích và yêu cầu đo lường khác nhau Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp giúp tối ưu hóa quá trình kiểm tra, đánh giá và nâng cao hiệu quả của các hoạt động kỹ thuật và sản xuất.
Phương pháp đo gián tiếp yêu cầu sử dụng các đại lượng liên quan để xác định giá trị của đại lượng cần đo Giá trị của đại lượng đo được tính dựa trên công thức liên hệ với các đại lượng liên quan này, giúp quá trình đo đạt chính xác và hiệu quả hơn.
Phương pháp đo trực tiếp: Không cần thông qua những đại lượng khác mà trực tiếp đo đối tượng đó
Chẳng hạn ta dùng Volt kế và Ampe kế để đo điện áp rơi và dòng điện chạy qua linh kiện điện trở, sau đó sử dụng công thức R = U
I để tính giá trị R, đây là cách đo gián tiếp, hoặc cũng có thể dùng Ohm kế đo giá trị R, gọi là cách đo trực tiếp
Việc phân biệt phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp chỉ mang ý nghĩa tương đối, tùy thuộc vào khía cạnh xem xét Ví dụ, khi dùng đồng hồ điện tử (DMM) đo dòng điện qua điện trở, chức năng đo dòng của đồng hồ được xem là đo trực tiếp Tuy nhiên, xét kỹ hơn về cấu tạo, mọi đại lượng ngõ vào đều chuyển thành tín hiệu điện áp trước khi vào mạch đo, do đó dòng điện này thực chất đã được đo gián tiếp qua điện áp trung gian.
SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG
Hình 1.1 trình bày sơ đồ tổng quát của hệ thống đo lường, giúp làm rõ các thành phần chính trong quá trình đo lường Trong đó, đại lượng cần đo là các thông số và tính chất của đối tượng cần đo, có thể tồn tại dưới dạng điện hoặc không điện Việc xác định chính xác đại lượng cần đo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống đo lường.
CẦN ĐO CẢM BIẾN MẠCH ĐO
HIỂN THỊ, LƯU TRỮ, ĐIỀU KHIỂN
Cảm biến là linh kiện hoặc thiết bị có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng cần đo thành dạng tín hiệu điện trước khi gửi đến các khối xử lý tiếp theo Chức năng chính của cảm biến là thu thập dữ liệu chính xác từ môi trường hoặc hệ thống, giúp quá trình giám sát và kiểm soát hoạt động hiệu quả hơn Các loại cảm biến đa dạng phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, tự động hóa và điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống tự động.
Mạch đo là tập hợp các bộ phận giao tiếp, khuyếch đại và chuyển đổi tín hiệu điện đầu vào, nhằm xử lý và biến đổi tín hiệu phù hợp để hiển thị, lưu trữ hoặc điều khiển hệ thống.
Hệ thống hiển thị, lưu trữ và điều khiển đóng vai trò quan trọng trong quá trình đo lường, giúp người vận hành dễ dàng quan sát và nhận biết giá trị của đại lượng đo được Các chức năng này còn cho phép lưu trữ dữ liệu để xử lý sau hoặc tự động điều khiển các thiết bị liên quan, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình vận hành hệ thống đo lường.
SỰ CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG
1.6.1 Ý nghĩa của sự chuẩn hóa:
Mục đích của công việc đo lường là để thu thập các thông số chính xác về đối tượng cần đo Để đạt được điều này, con người không thể dựa hoàn toàn vào các giác quan mà phải sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng Việc sử dụng thiết bị đo đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập, hỗ trợ quá trình phân tích và đưa ra quyết định chính xác hơn.
Thiết bị đo do nhà chế tạo cung cấp và đã qua kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt trước khi xuất xưởng Tuy nhiên, trong quá trình vận chuyển, các tác động gây va đập hoặc rung lắc có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác của thiết bị Do đó, việc kiểm tra và bảo trì sau khi nhận hàng là cần thiết để đảm bảo thiết bị hoạt động chính xác và hiệu quả.
Người sử dụng luôn mong muốn chọn thiết bị có cấp chính xác cao nhất để đáp ứng yêu cầu công việc Tuy nhiên, thiết bị càng chính xác thì cấu tạo càng phức tạp và giá thành càng đắt đỏ, do đó cần xác định mức độ chính xác phù hợp để tối ưu chi phí Hiểu rõ yêu cầu công việc giúp người dùng tiết kiệm chi phí, thời gian và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Các Trung tâm kiểm định được thành lập để đánh giá chất lượng thiết bị một cách khách quan, chính xác và cấp giấy chứng nhận chất lượng Việc chuẩn hóa (Calibration) là bước quan trọng nhằm đảm bảo độ chính xác của thiết bị trước khi đưa vào sử dụng, góp phần nâng cao độ tin cậy trong quá trình đo đạc.
Tùy thuộc vào công việc cụ thể của người sử dụng, thiết bị cần đáp ứng các cấp chính xác khác nhau để đảm bảo chất lượng phù hợp Việc xây dựng nhiều cấp chuẩn hóa khác nhau giúp kiểm định và đánh giá chất lượng thiết bị một cách chính xác ở các mức độ khác nhau Phân cấp thiết bị như vậy không chỉ đảm bảo sự chính xác mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí cho các bên liên quan.
Việc chuẩn hóa một thiết bị được xác định theo 1 trong 4 cấp sau:
Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard)
Các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris (Pháp), đảm bảo đạt tiêu chuẩn quốc tế về độ chính xác Các thiết bị đo lường chuẩn hóa cấp 1 này được đánh giá và kiểm tra định kỳ dựa trên trị số đo tuyệt đối của các đơn vị cơ bản vật lý, đã được hội nghị quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận Việc duy trì và kiểm tra định kỳ các thiết bị này nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong các hoạt động đo lường toàn cầu.
Cấp 2: Chuẩn quốc gia (National standard)
Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia trên thế giới đều được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn quốc tế nhằm đảm bảo độ chính xác và tin cậy Các thiết bị này khi được hiệu chuẩn tại Viện định chuẩn quốc gia sẽ mang chuẩn quốc gia, phản ánh đúng các tiêu chuẩn đo lường quốc gia đã được công nhận Việc duy trì tính chuẩn quốc tế của các thiết bị đo lường là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng và tính universality trong các hoạt động đo lường toàn cầu.
Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone standard)
Trong một quốc gia, mỗi khu vực có thể có nhiều Trung tâm định chuẩn (standard zone center) riêng biệt để đảm bảo độ chính xác của các thiết bị đo lường Các thiết bị đo lường tại các trung tâm này đều phải được mang chuẩn quốc gia, nhằm duy trì tiêu chuẩn chính xác và đáng tin cậy Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các Trung tâm định chuẩn sẽ mang chuẩn khu vực, phù hợp với vùng địa lý và quy định của từng khu vực.
Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm (Lab standard)
Trong quy trình chuẩn hóa, mỗi khu vực đều có các phòng thí nghiệm được công nhận để đảm bảo độ chính xác của các thiết bị dùng trong sản xuất công nghiệp Các thiết bị được chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm này sẽ đáp ứng tiêu chuẩn phòng thí nghiệm, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong quá trình sản xuất Việc có các phòng thí nghiệm chuẩn hóa được công nhận giúp nâng cao chất lượng và tin cậy của các thiết bị công nghiệp, đồng thời tuân thủ các quy định chất lượng quốc tế.
Do đó các thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được định chuẩn tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường cấp đó
Sau một khoảng thời gian sử dụng, thiết bị đã được định chuẩn cần được kiểm định lại để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn Việc kiểm định định kỳ giúp duy trì hiệu quả và tuổi thọ của thiết bị, đồng thời đảm bảo tuân thủ quy chuẩn chất lượng Giấy chứng nhận chất lượng chỉ có giá trị trong một khoảng thời gian nhất định, do đó, việc gia hạn hoặc cấp mới chứng nhận là cần thiết để duy trì tiêu chuẩn hoạt động.
TÍNH TOÁN SAI SỐ VÀ CẤP CHÍNH XÁCCÁC BIỆN PHÁP AN TOÀN KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO
KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO
Trong quá trình đo lường, khi một phép đo không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo, ta nói phép đo đó đã mắc sai số Có thể khẳng định rằng tất cả các phép đo đều gặp phải sai số, dù thiết bị đo có chất lượng cao đến đâu, sai số vẫn tồn tại, chỉ khác biệt ở mức độ lớn nhỏ của sai số đó.
1.7.1 Nguyên nhân gây ra sai số:
Nguyên nhân chủ quan của sai số đo lường xuất phát từ người thực hiện phép đo, do chưa nắm vững nguyên lý đo, không đảm bảo các điều kiện cần thiết trong quá trình đo hoặc ghi kết quả không chính xác Việc làm chủ các kỹ thuật đo và đảm bảo độ chính xác trong quá trình thực hiện là yếu tố quan trọng để giảm thiểu sai số chủ quan Đảm bảo sự chính xác của kết quả đo đòi hỏi người dùng hiểu rõ nguyên lý đo và thực hành cẩn thận trong từng bước thực hiện.
Nguyên nhân khách quan thường gồm các yếu tố không do chủ quan gây ra, gây ra sai số trong quá trình đo Những sai số này thường phức tạp, xuất phát từ các yếu tố như thiết bị đo hoặc tác động của môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến kết quả đo lường.
Sai số thô là loại sai số xuất hiện khi kết quả đo có sự chênh lệch rõ ràng và vô lý so với giá trị thực của đại lượng cần đo, do vi phạm điều kiện cơ bản của phép đo, sơ xuất của người thực hiện hoặc tác động của ngoại cảnh Ví dụ phổ biến là đọc sai vị trí dấu phẩy hoặc nhầm lẫn khi đọc số liệu đã đo được, gây ra sai số thô trong kết quả đo lường.
Sai số thô dễ dàng nhận biết khi thực hiện phép đo nhiều lần và phát hiện các giá trị đo có sự khác biệt rõ rệt so với các lần đo còn lại Khi xác định được sai số thô, chúng ta nên loại bỏ chúng khỏi bảng số liệu để đảm bảo độ chính xác của kết quả Trong quá trình tính toán sai số, việc loại bỏ sai số thô rất quan trọng nhằm giữ cho các kết quả đo phản ánh chính xác và tin cậy nhất.
Sai số hệ thống: Sai số hệ thống là loại sai số do chính bản thân dụng cụ đo gây ra
Sai số này ảnh hưởng thường xuyên và có quy luật lên kết quả đo Do vậy ta có thể loại trừ hoặc giảm nhỏ sai số hệ thống
Người ta thường chia sai số hệ thống thành hai loại:
Sai số hệ thống là loại sai số mà nguyên nhân và độ lớn của nó đã được xác định rõ, xuất hiện khi dụng cụ đo đã bị sai lệch Ví dụ như kim đồng hồ Ampe kế đã chỉ 0,1A trước khi có dòng điện, hoặc thước kẹp đã cho chiều dài là 0,1mm khi chưa kẹp vật cần đo Sai số này có thể khử bằng cách hiệu chỉnh kết quả bằng cách cộng hoặc trừ lượng sai số tùy theo từng trường hợp.
Sai số hệ thống là loại sai số mà nguyên nhân đã rõ ràng, nhưng độ lớn chính xác của nó chưa được biết chính xác và phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo Mỗi dụng cụ đo có cấp chính xác riêng; ví dụ, nhiệt kế có ghi rõ độ chính xác là 0,5°C, do đó khi đo nhiệt độ của một vật, giá trị thực có thể nằm trong khoảng từ 19,5°C đến 20,5°C nếu nhiệt kế chỉ chính xác đến 20°C.
Cách tính sai số hệ thống:
Trên một số dụng cụ đo, such as thước kẹp, thường được ghi rõ sai số hệ thống tối đa có thể mắc phải, ví dụ như 0,05mm Đây chính là sai số hệ thống của dụng cụ đo, giúp người dùng hiểu rõ giới hạn chính xác của thiết bị và đảm bảo kết quả đo lường tin cậy Hiểu rõ về sai số hệ thống là yếu tố quan trọng trong quá trình sử dụng dụng cụ đo để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của các số liệu đo lường.
Đối với các dụng cụ không ghi rõ sai số hệ thống (ngoại trừ dụng cụ điện), chúng ta có thể ước lượng sai số hệ thống bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của dụng cụ đo Trong trường hợp độ chia quá nhỏ, ta sẽ lấy một độ chia làm sai số hệ thống của thiết bị đo nhằm đảm bảo tính chính xác và phù hợp với tiêu chuẩn đo lường.
- Đối với các dụng cụ đo điện (Ampe kế, Volt kế ) thì sai số hệ thống Xh mắc phải khi đo được tính theo công thức:
Xh = k.Xm (1.1) k: Cấp chính xác của dụng cụ đo
Giá trị cực đại trên thang đo của dụng cụ, còn gọi là giá trị định mức Xđm, là mức cao nhất mà dụng cụ có thể đo được Sai số này áp dụng cho toàn bộ thang đo, có nghĩa là mọi phép đo điện có giá trị lớn hay nhỏ đều chịu ảnh hưởng của sai số này Để đảm bảo độ chính xác, khi sử dụng dụng cụ đo điện, người dùng nên chọn tầm đo phù hợp, sao cho kim của dụng cụ càng gần với giá trị cực đại của thang đo thì độ chính xác càng cao Nếu phát hiện kim lệch ít khỏi vạch trung tâm, nên điều chỉnh tầm đo để kim nằm trong khoảng 1/3 thang đo tính từ phải sang, giúp phép đo chính xác hơn.
Sai số của phép đo, sau khi đã loại trừ nguyên nhân từ sai số thô và sai số hệ thống, chính là sai số ngẫu nhiên, phản ánh những biến động không dự đoán trước trong quá trình đo lường.
Sai số ngẫu nhiên là kết quả của nhiều yếu tố gây ra mà chúng ta không thể tách riêng hay tính riêng từng yếu tố Những yếu tố này thường tác động đồng thời và ảnh hưởng đến kết quả một cách không thường xuyên, biến đổi bất thường và không theo quy luật rõ ràng Hiểu rõ về sai số ngẫu nhiên giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình phân tích dữ liệu và ra quyết định.
Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, các giác quan của người làm thử có thể không chính xác hoặc thiếu nhạy bén, dẫn đến việc không phân biệt đúng vị trí của hai vạch chia trên thước kẹp hoặc không bấm đồng hồ chính xác vào thời điểm xảy ra hiện tượng Ngoài ra, sự thay đổi ngẫu nhiên của điều kiện thí nghiệm như nhiệt độ, áp suất hoặc nguồn điện trong mạch có thể gây ra sai số trong kết quả đo, do chúng ta không thể phát hiện kịp thời những biến đổi này Các yếu tố này làm tăng khả năng mắc sai số trong đo lường, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả thí nghiệm.
Sai số ngẫu nhiên có độ lớn và chiều thay đổi hỗn loạn, khiến chúng ta không thể loại bỏ hoàn toàn khỏi kết quả vì không biết chính xác đặc điểm của chúng Để giảm thiểu ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên, chúng ta phải áp dụng các phương pháp của lý thuyết xác suất thống kê, nhờ đó xác định khả năng xảy ra của các lỗi này để từ đó có biện pháp điều chỉnh hoặc giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường.
1.7.3 Cách tính và biểu diễn sai số:
Sau khi loại trừ sai số thô, phép đo của một đại lượng chỉ còn phạm phải sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Sai số tổng hợp của phép đo được tính bằng tổng của hai loại sai số này, giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo đạc Hiểu rõ các loại sai số này là yếu tố quan trọng trong quá trình phân tích dữ liệu và nâng cao chất lượng đo lường trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật.
Xth: Sai số hệ thống
Xht: Sai số hệ thống
Xn: Sai số ngẫu nhiên
Qua nghiên cứu về sai số trong phép đo, người ta nhận thấy rằng:
- Số lần xuất hiện sai số ngẫu nhiên có cùng độ lớn và trái dấu nhau là bằng nhau
- Số liệu chứa sai số càng lớn thì có số lần xuất hiện càng ít
- Trị số tuyệt đối của các sai số ngẫu nhiên không vượt quá một giới hạn xác định
SỬ DỤNG CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ TRONG ĐO LƯỜNG
CƠ CẤU TỪ ĐIỆN
Cơ cấu đo kiểu từ điện có hai phần chính là phần động và phần tĩnh
Hình 2 1: Cơ cấu đo từ điện
Khuôn nhôm hình chữ nhật được quấn nhiều vòng dây đồng, trong đó dây đồng có tiết diện nhỏ từ 0,02 đến 0,05 mm và được phủ lớp cách điện bên ngoài, tạo nên cấu trúc chắc chắn và an toàn cho ứng dụng điện tử.
Cơ cấu đo kiểu từ điện, khung dây ở phần động
Cơ cấu đo kiểu từ điện, khung dây ở phần động, dùng chỉnh lưu bán dẫn
Cơ cấu đo kiểu từ điện, nam châm ở phần động
Khung dây được gắn với hai bán trục, trong đó đầu bán trục chế tạo từ vật liệu cực cứng như thép vonfram, giúp đảm bảo độ bền và chính xác trong chuyển động Đầu trục đặt trên ổ đỡ dạng côn lõm (góc đỉnh khoảng 80°), bề mặt ổ đỡ được phủ lớp chân kính bằng vật liệu SiO2, giảm ma sát và hao mòn Khung dây di chuyển trong khe hở không khí nhờ lực tương tác từ trường giữa dòng điện chạy qua khung và từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo thành nguyên lý hoạt động quan trọng của hệ thống Để tối ưu hóa hiệu suất, toàn bộ khối lượng của khung dây cần được giảm thiểu càng nhiều càng tốt, nhằm hạn chế tác động của moment quán tính đối với chuyển động quay quanh hai bán trục.
Các loại cơ cấu từ điện có phần quay bao gồm khung dây và nam châm vĩnh cửu, được sử dụng phổ biến trong các đồng hồ đo vạn năng và đồng hồ chỉ thị nhỏ trong ô tô, máy bay, và máy kéo Cơ cấu từ điện với phần quay là khung dây thường ứng dụng trong thiết bị đo điện để biến đổi tín hiệu điện, trong khi loại có phần quay là nam châm vĩnh cửu phù hợp cho các đồng hồ chỉ thị cần độ chính xác cao và hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau.
Trong các đồng hồ đo có độ nhạy cao, người ta sử dụng dây treo hoặc dây căng để thay thế cho bán trục và lò xo xoắn ốc, giúp nâng cao độ chính xác của thiết bị Dây treo giúp loại bỏ ma sát giữa bán trục và chân kính, từ đó cải thiện đáng kể độ chính xác của dụng cụ đo Chức năng chính của dây treo là giữ cho khung dây lơ lửng thay cho ổ đỡ và truyền điện vào hai đầu khung Ngoài ra, dây treo còn kết hợp với lò xo xoắn để tạo ra moment cản, giúp duy trì độ ổn định của đồng hồ đo.
Hình 2 2: Phần động cơ cấu từ điện
Hình trụ tròn được đặt giữa hai cực của nam châm vĩnh cửu, đảm bảo khe hở không khí giữa chúng đủ nhỏ và cân đối giữa các cực từ Nhờ lõi sắt non, điện trở của từ trường giảm đáng kể, giúp tăng mật độ từ thông qua khe hở không khí Điều này tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống từ, nâng cao khả năng dẫn từ và sử dụng nam châm hiệu quả hơn.
Lõi sắt non hình trụ tròn tạo ra từ trường đều hướng tâm qua khe hở không khí, với cường độ từ trường khoảng 0,2 đến 0,5 Tesla Hướng tâm của từ trường giúp lực tác dụng luôn vuông góc với các cạnh của khung dây, làm tăng hiệu quả của quá trình cảm ứng từ.
Lò xo xoắn ốc có hai đầu khung dây với các lò xo xoắn ngược chiều nhau, một đầu gắn vào bán trục của khung dây và đầu kia cố định Chức năng chính của lò xo xoắn ốc là tạo ra moment cản Mc nhằm cân bằng với lực điện từ trong hệ thống Ngoài ra, lò xo còn được sử dụng để dẫn dòng điện vào và ra khỏi khung dây, đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị.
Kim chỉ thị gắn liền với khung quay để dễ dàng dịch chuyển theo vị trí trên mặt thang đo, giúp đọc chính xác giá trị đo Đầu kim dẹt, có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng chiều dày của nét vạch trên thang chia độ, đảm bảo độ chính xác khi đo lường Kim thường làm bằng nhôm mỏng uốn hình ống, đuôi có đối trọng giúp giữ thăng bằng của phần động, ổn định khi quay Trong các dụng cụ đo có cấp chính xác thấp, kim làm bằng nhôm mỏng có đường gân ở giữa để tăng độ cứng, còn trong các dụng cụ có cấp chính xác cao hơn, kim được chế tạo rất mảnh, có thể làm bằng thủy tinh hoặc kim loại nhỏ, giúp nâng cao độ chính xác của phép đo.
Các dụng cụ đo có cấp chính xác cao thường sử dụng chỉ thị quang học do khả năng đạt độ chính xác cao mà không cần chế tạo kim thật nhẹ, thẳng và dài theo yêu cầu sản xuất cơ khí Trong hệ thống chỉ thị quang học, trục quay của bộ phận động gắn một gương nhỏ, phản xạ ánh sáng từ nguồn sáng mạnh vào thang chia độ Khoảng cách lớn giữa gương quay và thang chia độ khiến cho khi gương quay một góc nhỏ, vệt sáng trên thang di chuyển với khoảng cách lớn, giúp đo lường chính xác hơn.
Để đảm bảo chính xác trong phép đo, cần thiết để kim không bị dao động quanh vị trí đo mà phải nhanh chóng ổn định, giúp người thực hiện có thể quan sát kết quả dễ dàng Do đó, hệ thống đo phải được trang bị bộ phận giảm dao động hiệu quả, giúp cản dịu rung lắc của kim và cải thiện độ chính xác của phép đo.
Thay vì chế tạo bộ cản dịu riêng, người ta đã tận dụng hiện tượng tự cảm của khung dây để ngăn chặn dao động, làm cho khung dây bằng nhôm có thể xem như một vòng ngắn mạch Khi khung dây chuyển động, dòng điện cảm ứng sinh ra do sự biến thiên của từ thông, tạo ra lực phản ứng chống lại dao động của khung dây theo nguyên lý cảm ứng điện từ Phương pháp cản dịu dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ này được ứng dụng phổ biến vì lực cản sinh ra khá mạnh Ngoài ra, cản dịu bằng không khí nhờ cánh quạt hoặc piston chuyển động trong hộp không khí cũng được sử dụng, tuy nhiên lực cản tạo ra bằng phương pháp này nhỏ hơn so với phương pháp dựa trên cảm ứng điện từ.
Nam châm vĩnh cửu gồm hai cực N và S gắn liền với bộ phận dẫn từ bằng thép non để tạo ra từ trường cố định và ổn định Lõi thép hình trụ giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì từ trường đều, đảm bảo khe hở giữa phần tĩnh và phần động đủ nhỏ để tối ưu hiệu quả từ trường Nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử và máy móc công nghiệp nhờ tính bền vững và khả năng giữ từ tính lâu dài.
2.1.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo:
Khi dòng điện chạy qua khung dây, từ trường cảm ứng sinh ra tác dụng với từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo ra lực tương tác ảnh hưởng đến các cạnh của khung và gây ra moment quay để dịch chuyển phần động Chiều của lực tương tác được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi dòng điện trong khung dây tăng lên, nó sẽ làm cho khung quay nhiều hơn, góc quay lớn hơn và kim chỉ số di chuyển xa hơn, giúp đo lường chính xác hơn các đại lượng điện như dòng điện.
Lực F tác dụng lên các cạnh khung dây có cường độ bằng nhau nhưng ngược chiều nhau, gây ra các phản ứng đồng thời Những lực này được đặt cách trục của khung một khoảng bằng nửa chiều rộng của khung dây, giúp duy trì cân bằng và ổn định cho cấu trúc Việc hiểu rõ đặc điểm này rất quan trọng trong việc phân tích các lực tác dụng và thiết kế các khung dây có độ bền cao.
F: Lực điện từ tác dụng lên một cạnh khung dây [N]
B: Độ cảm ứng từ trong khe hở không khí [T] l: Chiều dài tác dụng của khung dây [m] b: Bề rộng khung dây [m]
I: Cường độ dòng điện chạy qua khung dây [A]
Khi khung dây dịch chuyển, lò xo xoắn ốc tạo ra moment cản Mc
Kc: Hệ số cản của lò xo
Kc: phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo lò xo cũng như kích thước hình dạng của nó
: Góc lệch của kim chỉ thị, hay góc xoắn của lò xo
Khi Mq = Mc thì khung dây đứng yên ở vị trí tương ứng với dòng điện cần đo, ta có:
KI: hệ số tỉ lệ dòng điện
- Góc lệch tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I Dòng điện chạy qua khung dây càng lớn thì góc lệch càng tăng
Để tăng độ nhạy của cơ cấu đo, bạn có thể nâng cao cảm ứng từ B trong khe hở không khí hoặc gia tăng số vòng dây quấn của khung dây, từ đó cải thiện khả năng phát hiện và đo lường chính xác hơn.
2.1.4 Đặc điểm của cơ cấu từ điện: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu từ điện:
- Từ trường của nam châm vĩnh cửu tạo ra mạnh do vậy cơ cấu có độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường nhiễu bên ngoài
- Công suất tiêu hao nhỏ tùy theo dòng điện Imax, thường từ 25 200W
- Cấp chính xác cao (k = 0,05) nên thường dùng làm dụng cụ chuẩn trong PTN
CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
2.2.1 Kí hiệu và cấu tạo:
Hình 2 3: Cơ cấu điện từ loại dẹt
Hình 2 4: Cơ cấu điện từ loại tròn
Dụng cụ đo kiểu điện từ gồm hai loại chính là loại cuộn dây dẹt và loại cuộn dây tròn
Loại dẹt có phần tĩnh là một cuộn dây dẹt không có lõi thép, giúp đảm bảo hiệu quả hoạt động và tối ưu hóa kết cấu Phần động của nó gồm trục quay gắn lá thép non hình bán nguyệt nằm trong khe hở hẹp của cuộn dây, tạo ra quá trình cảm ứng điện từ tối ưu Trên trục còn được gắn thêm lá đệm bằng nhôm giúp ổn định kim tại vị trí cân bằng, nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ mang lại hiệu quả hoạt động chính xác và bền bỉ.
Cuộn dây tròn có phần tĩnh gồm một lá thép tĩnh gắn cố định, trong khi phần động nằm giữa có gắn lá thép non làm bằng vật liệu sắt từ mềm để tạo ra khả năng cảm ứng từ cao Trục quay nằm giữa phần động, được gắn kim chỉ thị và lò xo xoắn giúp điều chỉnh và kiểm soát hoạt động của cuộn dây Sự kết hợp của các thành phần này tạo nên một bộ phận cảm ứng chính xác, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao trong hệ thống điện.
2.2.2 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo:
Cơ cấu điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý của nam châm điện hút lá thép non để tạo ra từ trường Khi dòng điện AC hoặc DC chạy qua cuộn dây, nó sinh ra từ trường mạnh, từ hóa hai lá thép tĩnh và động cùng cực tính Từ trường này đẩy nhau, làm lá thép động di chuyển, tạo ra moment quay và khiến trục quay cùng kim chỉ thị xoay theo Mức độ lớn của từ trường quyết định góc quay của kim chỉ theo dòng điện đo, trong đó dòng điện đi vào phần cố định, không vào phần quay Cơ cấu này giúp biến dòng điện thành sự chuyển động của kim chỉ thị một cách chính xác và hiệu quả.
Cơ cấu đo kiểu điện từ dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài gây ra kết quả đo không chính xác Để khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng màn chắn từ bằng thép permalloy dày khoảng 0,2mm để bảo vệ cơ cấu Ngoài ra, phương pháp chế tạo cơ cấu đo có phần tĩnh gồm hai cuộn dây giống nhau được bố trí sao cho từ trường của chúng tạo ra moment quay cùng chiều tác dụng lên trục, trong khi từ trường ngoài tạo ra hai moment ngược nhằm khử lẫn nhau Đây chính là cơ cấu ATSLATICH, còn gọi là kiểu vô hướng, giúp giảm ảnh hưởng của từ trường ngoại lai và nâng cao độ chính xác của kết quả đo.
Lá sắt từ mềm được sử dụng để tận dụng tính chất dễ nhiễm từ và mất từ khi không có dòng điện, giúp cảm biến hoạt động chính xác Khi dòng điện không truyền qua, lá sắt mất từ tính, lò xo sẽ đưa kim chỉ thị trở về vị trí ban đầu Lực từ động F tạo ra lực hút hoặc đẩy, làm cho miếng sắt di động dễ dàng mở hoặc đóng mạch điện, đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị cảm biến.
Ta có năng lượng từ trường trong lòng cuộn dây:
2𝐿 𝐼 2 (2.9) L: điện cảm, phụ thuộc vào vị trí của lá sắt từ tức là giá trị góc quay Đối với dòng điện một chiều:
𝑑𝛼 (2.10) Đối với dòng điện xoay chiều, moment quay trung bình:
Khi khung dây dịch chuyển, lò xo xoắn ốc tạo ra moment cản Mc
Kc: Hệ số cản của lò xo, phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo lò xo cũng như kích thước hình dạng của nó
: Góc lệch của kim chỉ thị, hay góc xoắn của lò xo
Khi Mc = Mq thì kim chỉ thị đứng yên:
2 Kc dL d = KI là hệ số tỉ lệ dòng điện
2.2.3 Đặc điểm của cơ cấu điện từ: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu điện từ:
- Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, công nghệ chế tạo không phức tạp Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật của cơ cấu này
- Khả năng chịu quá tải cao hơn cơ cấu từ điện do cuộn dây nằm ở phần tĩnh nên có thể quấn các cỡ dây lớn
- Đo được cả dòng điện một chiều và xoay chiều mà không cần đến bộ chỉnh lưu như cơ cấu từ điện
- Góc quay của kim chỉ thị phụ thuộc phi tuyến vào dòng điện, nên thang đo có vạch chia không đều
Từ trường của cuộn dây do chính dòng điện cần đo tạo ra thường yếu, dẫn đến độ nhạy của chỉ thị kém và dễ bị ảnh hưởng bởi các từ trường ngoài môi trường.
- Năng lượng tiêu hao của cơ cấu điện từ lớn hơn cơ cấu từ điện, công suất này khoảng 0,520W
- Do có tổn hao sắt từ và hiện tượng từ trễ nên cơ cấu điện từ mắc sai số lớn hơn khiến cho cấp chính xác không cao
Điện kháng của cuộn dây tăng theo tần số (f), do đó, cơ cấu này thường không thích hợp để đo dòng điện có tần số thay đổi lớn, thường chỉ dưới vài chục Hz Ngoài ra, ảnh hưởng của dòng điện xoáy trên miếng sắt di động cũng tăng theo chiều tăng của tần số tín hiệu, gây ảnh hưởng đến độ chính xác của đo lường.
- Được dùng chủ yếu trong lĩnh vực điện công nghiệp với cấp chính xác thấp.
CƠ CẤU ĐIỆN ĐỘNG
Cơ cấu từ điện kết hợp với cơ cấu điện từ, trong đó khung quay mang kim chỉ thị được điều khiển bằng khung cố định tạo từ trường nhờ vào các cuộn dây điện từ, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh để biến đổi năng lượng điện thành cơ năng một cách chính xác và hiệu quả.
Cơ cấu sắt điện động
Cơ cấu điện động gồm cuộn dây cố định và cuộn dây di động (khung quay)
Hình 2 5: Cơ cấu điện động
Thông thường, cuộn dây di động không có lõi sắt non để tránh hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy Cuộn dây cố định được chia thành hai phần bằng nhau và đặt cách nhau gần để tạo ra từ trường đồng đều Hai nửa cuộn dây này được mắc nối tiếp với nhau, và cuộn dây di động nằm trong lòng cuộn dây tĩnh, giúp chịu ảnh hưởng từ trường của cuộn dây cố định.
Trục phần quay được trang bị kim chỉ thị và hai lò xo xoắn nhằm tạo ra moment cản, giúp cơ cấu hoạt động chính xác Trục quay có vai trò đỡ và dẫn điện từ bên ngoài vào phần quay, đảm bảo nguồn năng lượng liên tục Để tăng độ nhạy của cơ cấu, người ta đôi khi sử dụng dây treo thay cho trục và ổ đỡ Cuộn dây ở phần tĩnh thường được quấn với kích cỡ lớn để tối ưu hóa khả năng dẫn điện, trong khi cuộn dây ở phần động thường có cỡ dây nhỏ hơn để phù hợp với yêu cầu hoạt động.
Cơ cấu sắt điện động gồm các cuộn dây phần tĩnh quấn trên lõi thép, giúp tăng cường từ trường và tạo ra từ trường đều trong khu vực hoạt động Lõi thép không chỉ làm giảm ảnh hưởng của từ trường ngoài mà còn tăng độ nhạy và ổn định của cơ cấu, đồng thời giảm chi phí sản xuất so với các loại cơ cấu điện động không có lõi thép Tuy nhiên, việc sử dụng lõi thép cũng gây ra tổn hao sắt từ và hiện tượng từ trễ, làm giảm độ chính xác của cơ cấu trong một số ứng dụng.
2.3.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo:
Điểm khác biệt chính của dụng cụ đo này so với các thiết bị khác là dòng điện đo được được truyền qua cả phần động và phần tĩnh của cơ cấu điện động Điều này tạo ra hai từ trường đối diện nhau, sinh ra moment quay và giúp đo lường chính xác đại lượng cần thiết.
Khi có dòng điện i1, i2 (một chiều hoặc xoay chiều) đi vào cuộn dây di động và cố định, trong lòng cuộn dây cố định xuất hiện từ trường mới, thay thế cho từ trường nam châm vĩnh cửu Từ trường này tác động lực điện từ lên cuộn dây động, sinh ra hiện tượng cảm ứng điện từ và lực tương tác trong hệ thống.
Nếu i1, i 2 là dòng điện một chiều thì:
Nếu i1, i2 là dòng điện xoay chiều: i1 = I1max.sinwt, i2 = I2max.sin(wt - ) thì:
I1max.sinwt I2max.sin(wt - )dM12 d dt
I1, I2: Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều [A]
Mc: Moment cản của lò xo
Khi Mc = Mq thì kim chỉ thị đứng yên
Khi dòng điện i1 đi vào hai nửa cuộn dây tĩnh và i2 đi vào cuộn dây động, mô men quay sẽ tỷ lệ thuận với tổng cường độ dòng điện của cả hai cuộn dây Nếu sử dụng cùng một dòng điện i cho cả hai cuộn dây, mô men quay sẽ tỷ lệ với bình phương của cường độ dòng điện đó Đối với dòng điện một chiều, góc quay sẽ tỷ lệ với bình phương cường độ dòng điện, được mô tả bởi công thức = KI.I1.I2 Trong trường hợp dòng điện xoay chiều, cần xét thêm góc lệch pha giữa hai dòng điện, và mô men quay sẽ tỷ lệ với tích của cường độ dòng điện và cosinus của góc lệch pha, cụ thể là = KI.I1.I2.cos.
2.3.4 Đặc điểm của cơ cấu điện động: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu điện động:
Cơ cấu này có độ chính xác cao, với hệ số xác định k từ 0,05 đến 0,1, nhờ vào việc không sử dụng lõi sắt từ gây tổn hao từ tính và hiện tượng từ trễ Đây chính là ưu điểm nổi bật giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
- Khả năng quá tải về dòng lớn hơn cơ cấu từ điện vì có tiết diện dây lớn
- Đo được cả dòng điện một chiều và xoay chiều mà không cần đến bộ chỉnh lưu như cơ cấu từ điện
- Được sử dụng để chế tạo dụng cụ đo dòng điện, điện áp, đặc biệt là dụng cụ đo công suất
- Góc quay của kim chỉ thị phụ thuộc phi tuyến vào dòng điện nên vạch chia của thang đo không đều
- Từ trường cuộn dây tĩnh yếu nên độ nhạy của cơ cấu kém dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài
- Cơ cấu điện động tiêu hao năng lượng lớn hơn cơ cấu từ điện, công suất này khoảng 18 20W
- Chỉ được dùng trong lĩnh vực điện công nghiệp, dụng cụ tự ghi.
CƠ CẤU CẢM ỨNG
Cơ cấu cảm ứng được ứng dụng chủ yếu trong chế tạo đồng hồ đo điện năng
Cơ cấu đo kiểu cảm ứng gồm hai phần chính:
Phần tĩnh của thiết bị gồm có cuộn dòng điện và cuộn điện áp, được quấn trên lõi thép giống như nam châm điện, đảm bảo hoạt động chính xác trong quá trình đo Cuộn dòng điện có tiết diện lớn và số vòng ít mắc nối tiếp với mạch cần đo, giúp đo dòng điện hiệu quả Trong khi đó, cuộn điện áp có số vòng nhiều hơn và tiết diện nhỏ hơn, nối song song với mạch đo để đo điện áp chính xác Nam châm vĩnh cửu tạo ra moment phản kháng khi đĩa nhôm quay, góp phần vào quá trình đo điện áp và dòng điện một cách ổn định.
Phần động của đồng hồ điện là đĩa nhôm tròn và mỏng, có tâm đĩa gắn trục liên kết với hệ thống bánh răng Hệ thống này giúp thay đổi trị số hiển thị điện năng đã tiêu thụ, đảm bảo chính xác trong quá trình đo lường.
2.4.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo:
- Khi dòng điện i chạy vào cuộn dòng điện sẽ tạo nên từ thông i trùng pha với i
Từ thông này xuyên qua đĩa nhôm ở hai vị trí
Khi đặt điện áp vào cuộn dây, dòng điện sẽ xuất hiện chạy trong cuộn dây theo quy luật tỷ lệ thuận với điện áp u Dòng điện này tạo ra từ thông u, phản ánh mối liên hệ giữa điện áp và từ thông trong mạch Do điện cảm lớn của cuộn dây, góc lệch pha giữa dòng điện iu và điện áp u gần bằng , gây ra hiện tượng trễ pha rõ rệt trong mạch điện cảm.
2 Từ thông u của cuộn điện áp chia làm hai phần: L khép mạch qua lõi thép, không xuyên qua đĩa nhôm và
u xuyên qua đĩa nhôm, khép mạch qua gông từ
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.4.4 Đặc điểm của cơ cấu cảm ứng:
- Moment quay lớn làm đĩa quay nhanh và đủ lực làm chuyển động cơ cấu bánh răng
- Số vòng quay của phần động tỉ lệ với điện năng tiêu thụ trên tải
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Hoạt động của cơ cấu phụ thuộc vào tần số f
Hình 2 6: Cơ cấu cảm ứng
CƠ CẤU ĐO TĨNH ĐIỆN
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.5.4 Đặc điểm của cơ cấu tĩnh điện:
Góc quay của thiết bị tỷ lệ thuận với bình phương điện áp đặt vào, cho phép đo điện áp một chiều và xoay chiều hiệu quả Phạm vi đo của thiết bị từ 10 V đến hàng chục kV, đáp ứng các ứng dụng đo điện áp cao trong hệ thống điện Ngoài ra, thiết bị có khả năng đo tần số trong khoảng từ 10 Hz đến 10 MHz, phù hợp với các nhu cầu phân tích tín hiệu điện trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và tự động hóa.
- Cơ cấu có độ nhạy cao và tiêu thụ công suất thấp Cấp chính xác cao (k = 0,05)
- Không chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài và dạng điện áp.
CƠ CẤU ĐO ĐIỆN TỬ
Phần tĩnh của bộ cảm biến gồm các lá nhôm cố định, mỗi lá gồm hai nửa vòng tròn đặt cách nhau một khoảng cách hẹp, trong khi phần động là lá nhôm mỏng hình chữ Z có thể chuyển động trong khe hở của phần tĩnh Giữa phần tĩnh và phần động hình thành tụ điện có điện dung C nhờ điện môi là không khí, và khi điện áp được đặt vào hai lá nhôm này, lực tĩnh điện sinh ra tác dụng tạo moment quay Khi phần động quay, lò xo phản kháng bị xoắn lại, tạo ra moment cản, và đến khi hai moment này cân bằng thì phần động dừng lại, khiến kim chỉ thị đứng yên và phản ánh chính xác giá trị đo đạc Để tăng tốc độ ổn định, phần động này còn được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu giúp kim nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng.
Khi đặt điện áp lên các bản cực của phần tĩnh và phần động, tụ điện C sẽ tích lũy năng lượng điện trường với dạng WE = 1/2 CU² Lực tác dụng giữa hai bản cực gây ra moment quay, làm phần động quay theo chiều tăng điện áp Khi moment quay cân bằng với moment cản của lò xo, cơ cấu dừng lại, giúp kim chỉ thị hiển thị chính xác giá trị điện áp trên thang đo.
2.6.3 Đặc điểm của cơ cấu tĩnh điện:
Góc quay của thiết bị tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào, cho phép đo điện áp một chiều và xoay chiều một cách chính xác Phạm vi đo điện áp rộng từ 10 V đến hàng chục kV, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Ngoài ra, thiết bị có khả năng đo tần số từ 10 Hz đến 10 MHz, đảm bảo độ chính xác trong các phép đo đa dạng về tần số.
- Cơ cấu có độ nhạy cao và tiêu thụ công suất thấp Cấp chính xác cao (k = 0,05)
- Không chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài và dạng điện áp
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 2:
2.5 Cơ cấu đo tĩnh điện
2.6 Cơ cấu đo điện tử
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 2:
Câu 1 Bộ phận cản dịu trong cơ cấu từ điện là:
Câu 2 Công thức tính góc lệch của kim chỉ thị trong cơ cấu từ điện là:
Câu 3 Ưu điểm của cơ cấu từ điện là:
A) Góc quay tuyến tính theo dòng điện nên khoảng chia đều đặn
B) Đo được cả dòng một chiều và xoay chiều
C) Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, công nghệ chế tạo không phức tạp
D) Khả năng chịu quá tải cao
Câu 4 Nhược điểm của cơ cấu từ điện là:
A) Thang đo có khoảng chia không đều
B) Không đo trực tiếp được dòng điện xoay chiều
C) Chỉ đo được những dòng điện có giá trị lớn
D) Khả năng chịu quá tải cao
Câu 5 Thiết bị đo gây ra sai số vì lý do nào sau đây?
B) Do người vận hành thiết bị đo không chính xác
C) Ảnh hưởng của điều kiện mội trường
D) Tất cả các đáp án còn lại đều đúng.
ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP
ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC)
3.1.1 Đo dòng điện một chiều (DC):
- Cơ cấu đo từ điện thường chỉ được dùng đo dòng điện từ vài chục đến vài trăm
Để đo các dòng điện từ 50 đến 500μA, ta có thể sử dụng thiết bị phù hợp trong phạm vi này Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều dòng điện cần đo có trị số lớn hơn nhiều so với phạm vi này Để thực hiện điều đó một cách chính xác, cần mở rộng thang đo dòng điện bằng cách sử dụng các điện trở shunt phù hợp Việc sử dụng điện trở shunt giúp chuyển đổi dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ hơn, dễ đo và đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo lường điện dòng lớn.
Điện trở shunt là loại điện trở mắc song song với cơ cấu đo, giúp mở rộng phạm vi đo và bảo vệ thiết bị Nhờ có điện trở shunt, dòng điện cần đo chỉ chạy qua một phần nhỏ của cơ cấu đo, phần lớn dòng chảy qua điện trở shunt nhằm giảm tải và bảo vệ thiết bị Điều này cho phép sử dụng cơ cấu đo với điện trở shunt để đo các dòng điện lớn, lên tới vài chục ampe, dù dòng điện qua cơ cấu chính vẫn rất nhỏ.
Im: Dòng điện chạy qua cơ cấu [A]
IS: Dòng điện chạy qua điện trở shunt [A]
Hình 3.1: Mạch đo dòng điện dung điệntrở Shunt
Trong cơ cấu đo lường, Ta thường gọi dòng điện chạy qua là Im, dòng điện này có giá trị lớn nhất là Imax, hay còn gọi là dòng điện cực đại Imax là dòng điện đủ lớn để làm kim đo lệch hết thang đo IFS (Full Scale), đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo lường.
Im.Rm = IS.RS = I Rm.RS
RS = Rm n - 1 (3.3) n là hệ số hiệu chỉnh dòng điện:
- Do vậy để mở rộng các thang đo dòng điện ra n lần thì điện trở shunt cần có trị số nhỏ hơn điện trở mạch cơ cấu đo (n–1) lần
- Mạch đo dòng điện trong đồng hồ đo điện vạn năng:
Để đo các dòng điện có trị số khác nhau, trong đồng hồ đo điện vạn năng người ta sử dụng hai loại điện trở shunt chính là điện trở shunt riêng biệt và điện trở shunt vạn năng Việc lựa chọn loại shunt phù hợp giúp đảm bảo độ chính xác trong đo lường dòng điện, phù hợp với từng mức trị số dòng điện cần kiểm tra Sử dụng điện trở shunt đúng cách là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác của đồng hồ vạn năng khi đo dòng điện.
Mạch đo dòng điện dùng điện trở shunt riêng biệt: Ứng với mỗi thang đo dòng đều có một điện trở shunt riêng biệt không liên quan với nhau
Hình 3.2: Cơ cấu đo dùng điện trở shunt riêng biệt
Các điện trở shunt tách biệt nhau giúp thuận lợi cho việc sửa chữa và hiệu chỉnh giá trị, nhưng điều này làm tăng số điện trở dây quấn, không có lợi về mặt kinh tế Khi mối nối chuyển mạch tiếp xúc kém hoặc mất tiếp xúc, điện trở shunt có thể bị loại khỏi mạch, dẫn đến dòng điện cần đo chạy trực tiếp qua cấu trúc đo và gây quá tải hoặc đứt khung dây.
- Vì những khuyết điểm trên mà kiểu mạch đo dòng điện dùng điện trở shunt riêng biệt ít được sử dụng trong đồng hồ đo điện vạn năng
Mạch đo dòng điện dùng điện trở shunt vạn năng (shunt Ayrton):
Hình 3 3: Cơ cấu đo dùng điện trở Shunt vạn năng
Shunt vạn năng tích hợp tất cả các shunt riêng rẽ của các thang đo khác nhau, giúp tiết kiệm điện trở dây và tối ưu hóa quá trình đo lường Nhờ tính năng này, shunt của các thang đo trước cũng là một phần của shunt trong các thang đo sau, đảm bảo sự liên kết chặt chẽ và hiệu quả trong từng phạm vi đo Đặc biệt, khi chuyển mạch thay đổi tầm đo, dù tiếp xúc có kém hoặc không tiếp xúc, cơ cấu đo vẫn không gây quá tải vì hai đầu shunt vạn năng đã được hàn cố định chắc chắn với đầu của cơ cấu đo, đảm bảo độ bền và ổn định trong quá trình sử dụng.
Các đồng hồ đo điện vạn năng hiện nay chủ yếu sử dụng shunt vạn năng để đo dòng điện, giúp đảm bảo độ chính xác và thuận tiện trong quá trình đo Tuy nhiên, việc sửa chữa và hiệu chỉnh mạch đo dùng shunt vạn năng đòi hỏi phải thực hiện theo đúng thứ tự các thang đo, vì sai sót trong quá trình này có thể gây ra sai lệch kết quả đo lường hoặc hỏng thiết bị.
Các đặc tính của điện trở shunt: Điện trở shunt được chia làm hai loại: điện trở shunt trong và điện trở shunt ngoài Đặc điểm chung:
- Phân dòng để mở rộng thang đo dòng điện cho cơ cấu khi dòng cần đo lớn hơn dòng giới hạn của cơ cấu
- Được mắc song song với cơ cấu đo
Dây đo điện được chế tạo từ các vật liệu ổn định với nhiệt độ như Manganin (Cu 85%, Mn 12%, Ni 3%) hoặc Conxtan, giúp đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng đo điện Những vật liệu này có hệ số nhiệt điện trở thấp, giữ cho kết quả đo luôn chính xác dù có biến đổi nhiệt độ môi trường Sử dụng vật liệu ổn định nhiệt độ như Manganin và Conxtan là lựa chọn lý tưởng để nâng cao độ tin cậy của các thiết bị đo điện.
Ví dụ: Manganin có hệ số nhiệt điện trở = (1 3) 10 -5 [/ oC ]
Cu có hệ số nhiệt điện trở = 4.10 -3 [/ oC ] gấp 100 lần của Manganin
- Điện trở shunt được chế tạo với độ chính xác cao có thể từ 1% đến 0,1%
- Điện trở shunt phải chính xác, nên khi tính toán thường phải lấy 3 4 số lẻ Đặc điểm riêng:
Điện trở shunt thường có hình dạng giống như các loại điện trở thông thường hoặc dạng lò xo, với hai cực và thường được tích hợp sẵn trong cơ cấu đo để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo dòng điện.
- Điện trở shunt ngoài có bốn cực, trong đó có hai cực để nối với cơ cấu đo, hai cực để nối với mạch đo
Điện trở shunt ngoài thường có giá trị nhỏ hơn điện trở shunt trong để khả năng phân dòng lớn hơn, giúp đo dòng điện chính xác và hiệu quả hơn Các shunt trong thường chỉ phù hợp cho dòng qua tối đa vài chục Ampe, trong khi shunt ngoài có thể chịu được dòng lên đến hàng trăm hoặc thậm chí nghìn Ampe, phù hợp cho các ứng dụng đo dòng lớn.
Phương pháp giải bài tập thiết kế mạch đo dòng điện sử dụng điện trở shunt vạn năng gồm các bước chính là: đổi tất cả các đơn vị về đơn vị chuẩn để đảm bảo tính nhất quán; viết phương trình cân bằng điện áp trên các nhánh mắc song song, trong đó điện áp trên mỗi nhánh bằng dòng điện chạy qua nhánh nhân với điện trở của nhánh; giải phương trình chứa giá trị điện trở shunt lớn nhất để tìm ra kết quả chính xác; cuối cùng, thay giá trị vừa tìm được vào các phương trình còn lại, có thể kết hợp thêm một phương trình nữa để xác định chính xác các điện trở shunt thành phần.
Cho cơ cấu đo có Rm = 3 [k], Imax = 50 [A]
Tầm đo 2: đo dòng 1 [mA]
Tầm đo 1: đo dòng 10 [mA] a Tính giá trị điện trở R1, R2, R3? b Tính giá trị điện trở shunt của ba tầm đo?
3.1.2 Đo dòng điện xoay chiều (AC):
Các cơ cấu điện từ và điện động có khả năng đo trực tiếp dòng điện xoay chiều, trong khi đó cơ cấu từ điện không thể thực hiện nhiệm vụ này Để sử dụng cơ cấu từ điện trong việc đo dòng điện xoay chiều, cần phải kết hợp chúng với mạch chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trước khi đưa vào hệ thống đo Các sơ đồ chỉnh lưu phù hợp có thể được sử dụng để tích hợp với cơ cấu từ điện nhằm đảm bảo đo chính xác và hiệu quả.
Sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kì:
Hình 3.4 trình bày sơ đồ mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, trong đó điện trở R và diode D2 đóng vai trò bảo vệ diode D1 khỏi tác động của phân cực ngược trong bán kỳ D1 Dòng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo được ký hiệu là hd cltb I, thể hiện chức năng của mạch trong quá trình chỉnh lưu.
Icltb = Imax là dòng điện tối đa chạy qua cơ cấu
Sơ đồ chỉnh lưu toàn chu kì kiểu cầu (sử dụng 4 diode):
Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh luu toàn kì Dòng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: hd cltb I
Icltb = Imax là dòng điện tối đa chạy qua cơ cấu t iTB i HD i TB i CL
Dòng điện xoay chiều trước khi vào bộ chỉnh lưu t i
Dòng điện xoay chiều sau khi ra bộ chỉnh lưu t iTB i HD i TB i CL
Dòng điện xoay chiều trước khi vào bộ chỉnh lưu t i
Dòng điện xoay chiều sau khi ra bộ chỉnh lưu
Chỉnh lưu toàn chu kỳ cho phép dòng điện chạy qua cơ cấu trong cả hai bán kỳ, đảm bảo hiệu quả cao hơn so với chỉnh lưu nửa kỳ Trong sơ đồ hai nửa chu kỳ, trị số dòng điện chỉnh lưu lớn gấp đôi so với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ, giúp tăng cường khả năng truyền tải và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện Việc sử dụng chỉnh lưu toàn chu kỳ mang lại lợi ích vượt trội về mặt công suất và ổn định dòng điện, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi dòng điện liên tục và ổn định hơn.
Sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì sử dụng 2 diode và 2 điện trở:
Hình 3.6: Sơ đồ chỉnh luu 2 nửa chu kì dung 2 diode và 2 điện trở
Sơ đồ mới đã thay thế hai diode trong mạch chỉnh lưu cầu bằng hai điện trở, vẫn đảm bảo chức năng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều hiệu quả Việc giảm số diode trong mạch giúp giảm thiểu sai số do nhiệt tác động, nâng cao độ chính xác và độ bền của hệ thống chỉnh lưu Đây là giải pháp tối ưu để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực từ nhiệt trong quá trình hoạt động.
Sơ đồ này phải đảm bảo các điều kiện sau:
- Khi đo dòng điện tải, cơ cấu phải đảm bảo dòng điện chạy qua vẫn là dòng điện xoay chiều để không ảnh hưởng đến mạch tải bên ngoài
- Trong hai nửa chu kì đều có dòng điện chạy qua cơ cấu theo một chiều nhất định Hoạt động:
ĐO ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC)
3.2.1 Đo điện áp một chiều (DC):
Nguyên lý đo điện áp hoạt động dựa trên việc chuyển đổi điện áp cần đo thành dòng điện đi qua cơ cấu chỉ thị Điều này có nghĩa là, quá trình đo điện áp diễn ra qua dòng điện chạy qua các cơ cấu đo như cơ cấu từ điện, điện từ, hoặc điện động Các cơ cấu này đều được sử dụng rộng rãi trong các Volt kế để đo điện áp một chiều chính xác và hiệu quả.
Khi sử dụng các cơ cấu chỉ thị trực tiếp đo điện áp một chiều, trị số điện áp đo được thường không vượt quá 1V do giới hạn đo của thiết bị bị hạn chế bởi dòng lệch toàn phần Để đo các điện áp lớn hơn một cách chính xác, cần mở rộng thang đo bằng cách sử dụng các điện trở phụ Rp mắc nối tiếp với cơ cấu đo.
Hình 3 8: Sơ đồ mạch đo volt kế
Trị số điện áp cần đo:
Im: Dòng điện chạy qua cơ cấu [A]
Rm: Điện trở nội của cơ cấu []
Rp: Điện trở phụ mắc nối tiếp với cơ cấu []
Tổng trở vào của Volt kế:
Tổng trở vào Volt kế không phải là một giá trị cố định mà thay đổi theo phạm vi đo điện áp Khi tầm đo điện áp lớn hơn, điện trở phụ mắc nối tiếp cũng sẽ tăng lên, dẫn đến tổng trở vào đo cũng lớn hơn.
Việc mở rộng thang đo điện áp ta có thể sử dụng điện trở phụ mắc riêng biệt hoặc điện trở phụ vạn năng
Mạch đo điện áp dùng điện trở phụ riêng biệt:
Hình 3 9: Cơ cấu đo dùng điện trở phụ riêng biệt
Trong mỗi tầm đo điện áp, còn có một điện trở phụ tương ứng, với giá trị điện trở tăng dựa trên mức điện áp đo được Mạch có điện trở phụ mắc nối tiếp này giúp dễ dàng sửa chữa và điều chỉnh, mặc dù vẫn có một số nhược điểm giống như mạch sử dụng điện trở shunt riêng biệt.
Volt kế dùng cơ cấu từ điện có Rm = 0,5 [k], Imax = 100 [A]
Giả sử mạch đo điện áp của Volt kế sử dụng điện trở phụ riêng biệt
Hãy tính giá trị điện trở phụ cho ba tầm đo V1 = 2,5 [V], V2 = 10 [V], V3 = 50 [V]
Mạch đo điện áp dùng điện trở phụ vạn năng:
Hình 3 10: Cơ cấu đo dùng điện trở phụ vạn năng
Trong mạch đo điện áp dùng điện trở phụ vạn năng, điện trở phụ của thang đo nhỏ là một phần trong điện trở phụ của thang đo lớn hơn, giúp tiết kiệm chi phí và được sử dụng nhiều trong các đồng hồ đo vạn năng Tuy nhiên, việc sửa chữa và điều chỉnh gặp khó khăn hơn do các điện trở phụ liên quan chặt chẽ với nhau; khi điện trở phụ của thang đo nhỏ gặp sự cố, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của thang đo lớn hơn, làm giảm khả năng đo điện áp chính xác.
Volt kế dùng cơ cấu từ điện có Rm = 300 [], IFS = 0,3 [mA] Giả sử mạch đo điện áp của Volt kế sử dụng điện trở phụ vạn năng
Hãy tính giá trị điện trở phụ để thang đo điện áp của đồng hồ vạn năng đo được điện áp: 6 [V], 30 [V], 150 [V]
3.2.2 Đo điện áp xoay chiều (AC):
Các cơ cấu đo kiểu điện từ và điện động đều có khả năng đo trực tiếp điện áp hiệu dụng AC, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng cần đo lường trong hệ thống điện Phương pháp mở rộng thang đo điện áp một chiều đã được nghiên cứu và áp dụng thành công cho các cơ cấu này khi cần mở rộng phạm vi đo điện áp xoay chiều, giúp nâng cao độ chính xác và linh hoạt trong quá trình đo lường điện áp AC.
Riêng với cơ cấu từ điện khi cần đo điện áp AC thì phải sử dụng thêm bộ chỉnh lưu
Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng một diode(Mạch chỉnh lưu bán kỳ):
Hình 3 11: Sơ đồ mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 1 diode
D1: Diode nắn dòng điện bán kì dương
D2: Diode bảo vệ D1 trong bán kì âm tránh điện áp phân cực ngược gây hư hỏng khi đo điện áp xoay chiều có giá trị lớn
Dòng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: hd cltb I
Icltb = Imax là dòng điện tối đa chạy qua cơ cấu
VAC = (R + Rm).Ihd + VD (tính theo trị hiệu dụng) hd
Cho một cơ cấu có Rm = 1 [k], IFS = 50 [A] được mắc thành mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng một diode
Hãy xác định giá trị điện trở RP khi cần đo VAC = 10 [V], cho biết VD = 0,6 [V]
Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 4 diode (Mạch chỉnh lưu toàn kỳ):
Hình 3 12 Sơ đồ mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 4 diode
Dòng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: hd cltb I
Icltb = Imax là dòng điện tối đa chạy qua cơ cấu
VAC = (R + Rm).Ihd + 2.VD (tính theo trị hiệu dụng) hd
Cho một cơ cấu có Rm = 1 [k], IFS = 50 [A] được mắc thành mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng mạch chình lưu toàn kỳ
Hãy xác định giá trị điện trở RP khi cần đo VAC = 10 [V], cho biết VD = 0,6 [V]
Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 2 diode kết hợp 2 điện trở:
3.2.3 Ảnh hưởng của Volt kế đối với mạch đo:
Volt kế là thiết bị dùng để đo điện áp, được mắc song song với phần tử cần đo Nhờ đó, tổng trở của Volt kế sẽ mắc song song với phần tử đo, giúp đo chính xác điện áp mà không làm thay đổi mạch điện Việc lắp đặt Volt kế đúng cách đảm bảo kết quả đo ổn định và tin cậy trong các ứng dụng điện tử và điện lực.
Sơ đồ mắc Volt kế vào mạch:
Hình 3 14: Sơ đồ mắc volt kế vào mạch đo Khi chưa mắc Volt kế vào mạch thì:
Sau khi mắc Volt kế vào mạch thì:
Volt kế chỉ giá trị:
R1 + R2 R2 V, có thể coi ảnh hưởng của Volt kế không đáng kể đối với mạch đo
Cho mạch điện có R1 = 6 [], R2 = 4 [] Điện áp đặt vào hai đầu mạch: 10 [V] Volt kế có RV = 200 [k] Hãy xác định ảnh hưởng của Volt kế
3.2.4 Đo điện áp một chiều bằng phương pháp biến trở
Trong quá trình đo điện áp, cần thực hiện phép so sánh giữa điện áp cần đo (chưa biết giá trị) và điện áp chuẩn (đã biết giá trị) Khi hai điện áp bằng nhau, giá trị của điện áp cần đo sẽ được suy ra từ giá trị của điện áp chuẩn, giúp xác định chính xác mức điện áp cần đo một cách nhanh chóng và chính xác.
Sử dụng điện kế G (Galvanometer) để kiểm tra sự cân bằng của hai điện áp Khi hai điện áp bằng nhau, kim của điện kế G sẽ chỉ về vị trí 0, cho thấy hệ thống đang cân bằng Như vậy, giá trị điện áp cần đo chính xác bằng giá trị điện áp chuẩn.
Hình 3 15: Đo điện áp một chiều bằng phương pháp biến trở
B1: Nguồn điện áp một chiều cấp cho mạch đo [V]
VR1: Biến trở điều chỉnh dòng điện chuẩn I []
VR2: Biến trở đo lường để đưa ra áp chuẩn []
G: Điện kế (cơ cấu từ điện)
R: Nội trở của nguồn áp chuẩn ban đầu []
S: Khóa chuyển hai vị trí A, B
Vị trí A: Dùng để chuẩn đồng hồ đo trước khi thực hiện đo
Vị trí B: Để thực hiện đo điện áp cần đo Vx
Gọi phần điện trở tính từ vị trí 1 đến con trượt K của VR1 là: R1
Gọi phần điện trở tính từ vị trí 1 đến con trượt K của VR2 là: R2
Trong quá trình sử dụng, nguồn điện áp B1 có thể thay đổi giá trị do pin yếu hoặc mạnh quá mức, ảnh hưởng đến kết quả đo Để khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng biến trở VR1 để điều chỉnh dòng điện I trong mạch sao cho không đổi khi nguồn B1 thay đổi trong phạm vi cho phép Trước khi thực hiện đo điện áp Vx, người dùng cần di chuyển con chạy của biến trở để thiết lập dòng điện phù hợp, đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.
Khi điều chỉnh VR2 về vị trí định trước dựa trên điện áp ghi trên thang đo, ta sử dụng nguồn chuẩn B2 để chuẩn hóa đồng hồ đo Nếu kim của G không nằm tại vị trí 0, điều đó cho thấy điện áp chuẩn B2 có sự sai lệch so với điện áp từ VR2, và ta cần điều chỉnh biến trở VR1 để dòng điện I trong mạch đo trở về giá trị ban đầu, giúp kim của điện kế G chỉ về vị trí 0 Quá trình kiểm tra và định chuẩn đồng hồ đo kết thúc khi kim của điện kế đạt vị trí chính xác, đảm bảo đo lường đúng chuẩn.
Khóa S được chuyển sang vị trí B để thực hiện so sánh điện áp giữa R2 và Vx Sau đó, điều chỉnh con chạy K của biến trở đo VR2 sao cho kim điện kế chỉ về 0, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo lường điện áp.
Thông thường, người ta ghi trị số điện áp trên VR2 để dễ dàng xác định điện áp chuẩn khi con chạy K dịch chuyển đến các vị trí khác nhau Khi con chạy K dừng lại, ta có thể kiểm tra thang đo để biết giá trị điện áp cần đo chính xác Việc này giúp dễ dàng theo dõi và kiểm soát hệ thống điện một cách hiệu quả, đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn.
Dòng điện chạy qua điện kế G = 0 không gây rơi điện áp trên điện trở nội của nguồn điện áp Vx cần đo, giúp phương pháp đo này đạt độ chính xác cao Phương pháp đo điện áp bằng biến trở hiện được sử dụng để định chuẩn cho các thiết bị đo như Volt kế và Ampe kế một chiều, đảm bảo độ chính xác trong các phép đo điện.
Sơ đồ mạch định chuẩn cho Volt kế một chiều:
Hình 3 16: Sơ đồ định chuẩn cho Volt kế 1 chiều
R1: Biến trở được kết hợp với R2 tạo thành mạch phân áp []
V: Volt kế cần định chuẩn mắc song song với biến trở R1 [V]
Khi thay đổi giá trị R1, điện áp rơi trên nó cũng thay đổi theo và được đo bằng phương pháp đo điện áp bằng biến trở như đã trình bày ở phần trước Giá trị của volt kế V sẽ được so sánh với điện áp V1 để xác định độ chính xác của volt kế cần được định chuẩn.
Sơ đồ mạch định chuẩn cho Ampe kế một chiều:
Hình 3 17: Sơ đồ định chuẩn cho Ampe kế 1 chiều