Bài giảng : Đo lường pptx

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứngsuất dùng mạch cầu không cân bằng, đo nhiệt độ… + Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK.. Những d

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

§ 1.1 Định nghĩa, phân loại các loại mẫu đo và dụng cụ đo

1.1.1 Định nghĩa: 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

Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng tỉ số giữa đạilượng cần đo (X) và đơn vị đo (X0):

Từ (1.1) có phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax X0, chỉ rõ sự so sánh X so với

X0, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần đo X phải có tính chất là các giá trị của

nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh đượcthường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được

Như vậy, trong quá trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo

X (các tính chất của nó), đơn vị đo X0 và phép tính toán để xác định tỉ số (1-1) để cócác phương pháp xác định kết quả đo lường AX thỏa mãn yêu cầu

Ví dụ: đo được dòng điện I=5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo là dòng điện I,đơn vị đo là A(ampe), kết quả bằng số là 5

1.1.2 Phân loại các loại mẫu đo và dụng cụ đo: Mẫu và dụng cụ đo được

chia làm hai loại: loại làm mẫu và loại công tác

- Mẫu đo và dụng cụ đo làm mẫu dùng để kiểm tra các mẫu đo và

dụng cụ đo khác , loại này được chế tạo và sử dụng theo các tiêu chuẩn kỹ

thuật đảm bảo làm việc chính xác Được các cơ sở nhà nước quản lý và bảo

quản

- Mẫu đo và dụng cụ đo công tác dùng để đo trong thực tế như trong quátrình sửa chưã , sản xuất , và thí nghiệm

§ 1.2 Các loại phương pháp đo

Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép

đo mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốtquá trình đo lường

Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường phânthành 2 loại phương pháp đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phươngpháp đo kiểu so sánh

1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

a Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng,

nghĩa là không có khâu phản hồi

 Thu được kết quả đo: AX = X/X0 = NX/N0

Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quátrình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị X0 saukhi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộbiến đổi tương tự-số A/D để có NX và N0 , qua khâu so sánh có NX/N0

Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâubiến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại nàythường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm

1.2.2 Phương pháp đo kiểu so sánh

a Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa

là có khâu phản hồi

b Quá trình thực hiện:

Đại lượng đo X và đại lượng mẫu X0 được biến đổi thành một đại lượng vật

lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh

Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với X0) diễn ra trong suốt quá trình đo, khihai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo

Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực hiện quátrình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù)

c Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo

X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ∆X = X - XK Tùy thuộc vàocách so sánh mà sẽ có các phương pháp sau:

Hình 1.1 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng

Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh

+ Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK = NK.X0được so sánh với nhau sao cho ∆X = 0, từ đó suy ra

X = XK = NK.X0  suy ra kết quả đo: AX = X/X0 = NK

Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để được kết quả so sánh là ∆X

= 0 từ đó suy ra kết quả đo

+ Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thịcân bằng (độ chính xác khi nhận biết ∆X = 0)

Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng …

so với X (độ chính xác của phép đo càng cao khi ∆X càng nhỏ so với X)

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứngsuất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ…

+ Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK Phương pháp này chínhxác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên

Thường thì giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu

để xác định giá trị của đại lượng đo X Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết

bị đánh giá trực tiếp như vônmét, ampemét chỉ thị kim

* So sánh đồng thời:

+ Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và

đại lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo

Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước

kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các điểm trùngnhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:

1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm

Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của cáccảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng

Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là:

- Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo

- Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp.

- Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giải một phương trình hay một hệ

phương trình mới có kết quả

- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả.

§ 1.3 Các đặc trưng cơ bản của dụng cụ đo

Mục đích của quá trình đo lường là tìm được kết quả đo lường AX, tuy nhiên

đẻ kết quả đo lường AX thỏa mãn các yêu cầu đặt ra để có thể sử dụng được đòi

hỏi phải nằm vững các đặc trưng của quá trình đo lường

1.3.1 Độ nhạy

- Là 1 thông số khảo sát mối quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào

1.3.2 Ngưỡng nhạy

- Là giá trị nhỏ nhất của đại lượng đo ở đầu vào mà ta biết được ở đầu ra

1.3.3 Thang đo và thang chia độ

- Thang đo là phạm vi làm việc của 1 dụng cụ đo.

- Thang chia độ là 1 khung tròn trên đó có khắc các vạch bằng nhau và

không bằng nhau.Trên mỗi vạch tương ứng với giá trị nhất định của đại lượng

cần đo

1.3.4 C ác sai số và cấp chính xác của dụng cụ đo

a Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống

- Sai số của phép đo: là sai số giữa kết quả đo lường so với giá trị chính xác củađại lượng đo

- Giá trị thực X th của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được

với một độ chính xác nào đó (thường nhờ các dụng cụ mẫu có cáp chính xác caohơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét)

Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khiđánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo

Như vậy, ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo Việc xác định sai

số của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong nhữngnhiệm vụ cơ bản của đo lường học

Sai số của phép đo có thể phân loại theo cách thể hiện bằng số, theo nguồn gây rasai số hoặc theo qui luật xuất hiện của sai số

Tiêu chí phân

loại

Theo cách thể hiện bằng số

Theo nguồn gây ra sai số

Theo quy luật xuất hiện của sai số

Loại sai số

- Sai số tuyệt đối

- Sai số tương đối

- Sai số phương pháp

- Sai số tuyệt đối ∆X: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth :

∆X = X - Xth

- Sai số tương đối yX : là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng phầntrăm: 100 (%)

th X

Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo

Độ chính xác của phép đo ε : đại lượng nghịch đảo của sai số tương đối:

- Sai số hệ thống (systematic error): thành phần sai số của phép đo luôn không đổi

hoặc thay đổi có qui luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo

Qui luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kỳ hoặc theo một quiluật phức tạp nào đó

Ví dụ: sai số hệ thống không đổi có thể là: sai số do khắc độ thang đo (vạch khắc

độ bị lệch…), sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh đường tâmngang sai trong dao động ký…)…

Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự dao động của nguồn cung cấp (pinyếu, ổn áp không tốt…), do ảnh hưởng của trường điện từ…

b Cấp chính xác

- Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải.Cấp chính xác của dụng cụ đo được qui định đúng bằng sai số tương đối qui đổi củadụng cụ đó và được Nhà nước qui định cụ thể: 100 (%)

m

m qdX

với ∆Xm- sai số tuyệt đối cực đại, Xm- giá trị lớn nhất của thang đo

Sau khi xuất xưởng chế tạo thiết bị đo lường sẽ được kiểm nghiệm chất lượng,chuẩn hóa và xác định cấp chính xác Từ cấp chính xác của thiết bị đo lường sẽđánh giá được sai số của kết quả đo

Thường cấp chính xác của dụng cụ đo được ghi ngay trên dụng cụ hoặc ghi trong sổtay kĩ thuật của dụng cụ đo

CÁC CƠ CẤU ĐO

* Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự

Dụng cụ đo tương tự có số chỉ là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liêntục Thường sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu vào là dòng điện, tín hiệu ra làgóc quay của kim chỉ hoặc bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi) Những dụng cụ đonày là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lượng cần đo X như điện áp, dòng điện, tần

số, góc pha … được biến đổi thành góc quay α của phần động (so với phần tĩnh),tức là biến đổi từ năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học Từ đó có biểu thứcquan hệ: α = f (X )

với X là đại lượng điện

Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong các dụng cụ đo các đại lượng: dòng điện,điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở…của mạch điện một chiều và xoaychiều tần số công nghiệp

** Cơ sở chung của các chỉ thị cơ điện

Cấu tạo chung:

- Trục và trụ: đảm bảo cho phần động quay trên trục như: khung dây, kim chỉ, lò xocản…

- Lò xo phản kháng hoặc dây căng và dây treo: tạo ra mômen cản (có mômen cảnriêng D) và dẫn dòng điện vào khung dây Dây căng và dây treo được sử dụng khicần giảm mômen cản để tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ thị

- Kim chỉ: được gắn vào trục quay, độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệvới góc quay α

- Thang đo: là mặt khắc độ khắc giá trị của đại lượng đo

Hình 2.1 Các bộ phận và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

- Bộ phận cản dịu: có tác dụng rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập

vị trí cân bằng nhanh chóng

Nguyên lý làm việc chung:

Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác động của từ trường (donam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu

đo sẽ sinh ra mômen quay Mq tỷ lệ với độ lớn của dòng điện I đưa vào cơ cấu:

Trong đó: D là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước lò xo.

Khi mômen cản bằng mômen quay, phần động của cơ cấu dừng lại ở vị trí cân bằng:

D d

Phương trình (2-1) là phương trình đặc tính thang đo, cho biết đặc tính thang

đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị

Ngoài hai mômen cơ bản trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ thị cơ điệncòn chịu tác dụng của nhiều mômen khác: mômen ổn định, mômen ma sát, mômencản dịu, mômen động lượng…với các tính chất và tác dụng khác nhau

§2.1 Cơ cấu từ điện (Permanent Magnet Moving Coil).

Đây là cơ cấu đo chế tạo theo nguyên tắc lực tương tác của từ trường

trong một nam châm vĩnh cửu lên dòng điện chạy qua cuộn dây của cơ cấu

đo

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

a Cấu tạo : Cơ cấu đo từ điện gồm hai phần chính :

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6

hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi làkhe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dây

được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8

Hình 2.2 Cơ cấu chỉ thị từ điện

b Nguyên lý làm việc:

- Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ

trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

I W S B d

I W S B d d

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

W: số vòng dây của khung dây

- Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:

D

I W S B D

I W S

2.1.2 Đặc điểm và ứng dụng

a Đặc điểm:

* Ưu điểm:- Từ trường mạnh ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài , tổn thất điện

năng trong cơ cấu ít nên độ chính xác cao ( có thể chế tạo tới cấp chính xác 0,05) ,

độ nhạy cao, góc  quay tỷ lệ bậc nhất với dòng điện nên thang chia độ đều

* Khuyết điểm: - Khả năng chịu quá tải kém ( vì tiết diện của cuộn dây phần động

rất nhỏ ) nên rất dễ hỏng do thao tác nhầm của người đo việc chế tạo khó và giáthành đắt , momen quay tỷ lệ bậc nhất với dòng điện nên chỉ đo được các đại lượngđiện một chiều

- Muốn đo được đại lượng điện xoay chiều bằng cơ cấu từ điện thì dụng cụ đo phảikết hợp với bộ chỉnh lưu để biến dòng điện xoay chiều thành một chiều trước khiđưa vào cỏ cấu đo

- Để kim chỉ thị của dụng cụ đo ít dao động xung quanh trị số đo,thì các cơ cấu đo

đều phải có bộ phận cản dịu Nó có nhiệm vụ sinh ra mômen cản dịu lúc kim daođộng làm cho kim chóng ổn định ở cơ cấu đo từ điện khung dây đã là cơ cấu cảndịu : Khi khung dây quay trong từ trường nam châm trong nó sẽ cảm ứng và tạo ra

sđđ e và dòng điện i , từ trường nam châm vĩnh cửu tác dụng lên dòng điện cám

ứng i và trong khung nhôm sẽ tạo ra mômen cản dao động làm cho khung nhômnhanh chóng đứng ở vị trí ổn định

b Ứng dụng :

- Cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo ampemét, vônmét, ômmét nhiềuthang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5)

Lôgômét từ điện: Là loại cơ cấu chỉ thị để đo tỉ số hai dòng điện, hoạt động theo

nguyên lý giống cơ cấu chỉ thị từ điện, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay bằngmột khung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khungdây thứ nhất

Nguyên lý làm việc: trong khe hở của từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt phần

động gồm hai khung quay đặt lệch nhau góc δ (300 ÷ 900) Hai khung dây gắn vàomột trục chung Dòng điện I1 và I2 đưa vào các khung dây bằng các dây dẫn khôngmômen

) (

2

1 2

1 2 1

2 2

1 1

f d d

d d I I

d

d I d

d I M



Đặc tính cơ bản: góc lệch α tỉ lệ với tỉ số của hai dòng điện đi qua các khung dây Ứng dụng: lôgômét từ điện được ứng dụng để đo điện trở, tần số và các đại lượng

không điện

§2-2 Cơ cấu đo điện từ

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

a Cấu tạo: Cơ cấu đo điện từ có hai loại : loại cuộn dây phẳng và loại cuộn dây

tròn Hai loại này chỉ khác nhau về cấu tạo còn nguyên lý làm việc thì như nhau

- Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc)

- Phần động: là lõi thép 2 được gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do

trong khe làm việc của cuộn dây Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không khí 4,kim chỉ 6, đối trọng 7 Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ 8

dL I M

2

2.2.2 Đặc điểm và ứng dụng

a Đặc điểm:

* Ưu điểm : - Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền.

- Momen quay tỷ lệ với bình phương dòng điện nên có thể đo được cả dòng điệnxoay chiều và một chiều

- Cuộn dây phần tĩnh có thể chế tạo với tiết diện lớn nên có khả năng chiu quá tải tốt

* Nhược điểm: Là mạch từ khép mạch qua không khí nên từ trường yếu vì vậy độ

nhạy kém và chịu ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài , tổn hao sắt từ trong cơ cấulớn nên cấp chính xác thấp , góc quay tỷ lệ với bình phương dòng điện nên thang đochia không đều

b Ứng dụng: thường được sử dụng đẻ chế tạo các loại ampemét, vônmét trong nạch

xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2 Ít dùng trong các mạch

có tần số cao

Lôgômét điện từ

Nguyên lý làm việc: có nguyên tắc hoạt động giống lôgômét từ điện Gồm hai cuộn

dây tĩnh A và B, hai lõi đồng được gắn lên cùng một trục quay Khi có dòng điệnchạy qua cả hai cuộn dây thì cuộn A sinh ra mômen quay Mq, cuộn B sinh ramômen cản Mc, ở vị trí cân bằng có:

2 2

2

1 2

2 2 1

d dL

d dL I

I d

dL I d

dL I M

Đặc tính cơ bản: góc lệch α tỉ lệ với bình phương tỉ số các dòng điện Tỉ số này

không thay đổi khi nguồn điện áp cấp cho hai cuộn dây thay đổi → loại trừ được sai

số do sự biến đổi của nguồn cung cấp khi cần đo các đại lượng thụ động

Ứng dụng: đo

các đại lượngnhư điện trở,điện cảm, điệndung (trongmạch xoaychiều), đo tần số,góc pha và cácđại lượng khôngđiện…

§2.3 Cơ cấu

đo điện động2.3.1 Cấu tạo

và nguyên lý làm việc

a/ Cấu tạo:

- Phần tĩnh: gồm: cuộn dây 1 (được chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo

ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn

dây tĩnh

- Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2

được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị

Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh

hưởng của từ trường ngoài

b Nguyên lý làm việc: khi cho dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làmxuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây Từ trường này tác động lên dòng điện I2chạy trong khung dây 2 (phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quaymột góc α

Mômen quay được tính:



d

dW

q  với: We là năng lượng điện từ trường

Có hai trường hợp xảy ra:

- I1 và I2 là dòng điện xoay chiều: 



12 I I d D

dM

Với: ψ là góc lệch pha giữa I1 và I2

Từ (2-6) và (2-7) ta thấy, cơ cấu điện động có thể dùng trong cả mạch điện mộtchiều và xoay chiều Góc quay α phụ thuộc tích (I1.I2) nên thang đo không đều.Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha ψ giữa hai dòng điện nên cóthể ứng dụng làm Oátmét đo công suất

2.3.2 Đặc điểm và ứng dụng

a Đặc điểm:

*Ưu điểm: Là có thể đo được các đại lượng điện một chiều và xoay chiều , cấp

chính xác cao

*Nhược điểm: Là cuộn dây động phải chế tạo với tiết diện nhỏ , nhẹ nên khả năng

chịu quá tải kém cáu tạo phức tạp , giá thành đắt ,từ trường bản thân của dụng cụyếu nên chịu ảnh hưởng bởi từ trường ngoài

Lôgômét điện động: có cấu tạo như hình 2.7: phần tĩnh giống lôgômét điện động,

phần động mắc thêm một khung dây 2 gắn chặt với khung dây 1 chéo nhau một gócy

Nguyên lý làm việc:

Dòng điện I chạy vào cuộn tĩnh A sinh ra từ trường trong lòng cuộn dây, từ trườngnày tác động với dòng I1 chạy trong cuộn dây động B1 và dòng I2 trong cuộn dâyđộng B2 sinh ra các mômen tương ứng là mômen quay Mq và mômen cản Mc

Tại vị trí cân bằng Mq = Mc, tính được góc quay α là: 

1 1

ψ1 là góc lệch pha giữa I và I1

ψ2 là góc lệch pha giữa I và I2

Trường hợp đặc biệt nếu ψ1 = ψ2 = 0, tức là dòng điện trong cuộn tĩnh và cuộn độngcùng pha thì suy ra: α = F (I1 / I2 ) : giống với lôgômét từ điện

Đặc tính cơ bản: Góc quay α tỉ lệ với tỉ số hai dòng điện và với góc lệch pha.

Ứng dụng: Chế tạo các loại dụng cụ đo các đại lượng thụ động như pha kế, tần số

kế, điện dung kế… trong đó sự biến động của nguồn cung cấp không ảnh hưởng đếnkết quả đo

§2.4 Cơ cấu đo kiểu cảm ứng

Cơ cấu đo kiểu cảm ứng chỉ dùng để chế tạo dụng cụ đo các đại lượng điện xoaychiều , chủ yếu để chế tạo công tơ đếm điện năng

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

a Cấu tạo:

Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong

cuộn dây sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động, có ít nhất là 2nam châm điện

Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trụ 5

Hình 2.8 Cấu tạo của cơ cấu cảm ứng

b Nguyên lý làm việc:

Dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều (được tạo ra bởidòng điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó

cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều:

Khi dòng điện I1, I2 vào các cuộn dây phần tĩnh → sinh ra các từ thông Ф1, Ф2 (các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tương ứng), từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm 1 (phần động) → xuất hiện trong đĩa nhôm các sứcđiện động tương ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → xuất hiện các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2) Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tương hỗ vớicác dòng điện Ix1, Ix2 → sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động)

Mômen quay được tính: M q=C fΦ1 Φ2sinψ

với: C là hằng số

f là tần số của dòng điện I1, I2

ψ là góc lệch pha giữa I1, I2

2.4.2 Đặc điểm và ứng dụng

a Đặc điểm: Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha ψ giữa I1, I2 bằng π/2

- Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra các từ trường

- Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều

Nhược điểm: mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số

§3.1 Đo dòng điện:

3.1.1 Đặc điểm của Ampemet

Cơng suất tiêu thụ: khi đo dịng điện ampemét được mắc nối tiếp với các mạch cần

đo

của ampemét RA phải rất nhỏ so với Rt để tổn hao công suất trên ampemét :

PA =RAI2 (3-1) là một giá trị không đáng kể nghĩa là RA « Rt

Dải tần hoạt động: khi đo dòng điện xoay chiều, tổng trở của ampemét còn chịu

ảnh hưởng của tần số:

ZA = RA + XA

với: XA ≈ ωLLA là thành phần trở kháng của cuộn dây ampemét

Để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo, dụng cụ đo xoay chiều phải được thiết

kế chỉ để đo ở các miền tần số sử dụng nhất định (dải tần nhất định) Nếu dùng dụng

cụ đo dòng ở miền tần số khác miền tần số thiết kế sẽ gây ra sai số do tần số

3.1.2 Các loại Ampemet thường gặp và phương pháp mở rộng thang đo

a/ Đo dòng điện 1 chiều:

Các đặc tính cơ bản: các ampemét một chiều được chế tạo chủ yếu dựa trên cơ

cấu chỉ thị từ điện với các đặc tính cơ bản sau:

- Dòng cho phép: thường là 10-1 ÷ 10-2A

- Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,05

- Điện trở cơ cấu: khoảng từ 20Ω ÷ 2000Ω

Vì vậy, muốn sử dụng cơ cấu này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơndòng qua cơ cấu chỉ thị, phải dùng thêm một điện trở sun phân nhánh nối song songvới cơ cấu chỉ thị từ điện

Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện chỉ có một thang đo: dựa trên các thông

số của cơ cấu chỉ thị từ điện và dòng điện cần đo, có thể tính giá trị điện trở

sun phù hợp cho từng dòng điện cần đo là:

Ict : dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu được

Đối với các ampemét đo dòng điện nhỏ hơn 30A thì sun đặt trong vỏ của ampemét.Còn các ampemét dùng đo dòng điện lớn hơn hoặc bằng 30A thì sun đặt ngoài vỏ(coi như một phụ kiện kèm theo ampemét

Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có nhiều thang đo:

Trên cơ sở mắc sun song song với cơ cấu chỉ thị có thể chế tạo ampemét từ điện cónhiều thang đo Hình 3.2 là sơ đồ ampemét từ điện 4 thang đo (I1, I2, I3, I4)

Các điện trở sun RS1, RS2, RS3, RS4 mắc nối tiếp với nhau rồi nối song song với rct.Tính các điện trở sun RS1, RS2, RS3, RS4 bằng cách lập hệ phương trình ứng với cácdòng khác nhau:

CT S

S S S CT S

CT S

S S S CT S

CT S

S S S CT S

CT S

S S S

CT S

I

I n R

n

R R R r R

I

I n R

R n

R R r R

I

I n R

R R n

R r R

I

I n R R R R n

r R

1 1 1

1

2 3 4 1

2 2 2

1 2

3 4 2

3 3 3

2 1 3

4 3

4 4 4 3 2 1 4

4

; 1

; 1

; 1

; 1

Ta có 4 phương trình với 4 ẩn số, giải ra tìm được RS1, RS2, RS3, RS4

Để giữ cho cấp chính xác của ampemét từ điện không thay đổi ở các giới hạn đokhác nhau, phải chế tạo sun với độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu từđiện ít nhất là một cấp

Ví dụ : Cơ cấu từ điện có cấp chính xác 0,5 thì sun phải có cấp chính xác 0,2.

Thường chế tạo sun bằng mangannin và chỉnh định rất chính xác

b Các ampemét xoay chiều:

Tùy theo phạm vi và mục đích sử dụng mà có các loại ampemét xoay chiều cơbản sau:

- Để đo dòng điện xoay chiều miền tần số công nghiệp: thường dùng cácampemét điện từ, điện động và sắt điện động

- Đo dòng điện ở miền tần số âm tần và có thể dùng ở nhiều thang đo khác nhau:thường sử dụng ampemét vòng từ điện chỉnh lưu

- Đo dòng xoay chiều có tần số cao và siêu cao: thường dùng ampemét nhiệt điện

Hình 3.3a Hình 3.3b

CCCT

ICT

RS1I

*Ampemét điện động:

thường dùng để đo dòng điện ở miền tần số cao hơn tần số công nghiệp (cỡ400÷2000Hz) Do cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao đối với tín hiệu xoaychiều vì vậy ampemét điện động cũng có chính xác cao (0,2 ÷ 0,5) nên thường được

Hình 3.5

* Ampemét điện từ : được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Mỗi cơ cấu điện

từ được chế tạo với số ampe.vòng nhất định (I.W):

- Cơ cấu cuộn dây tròn: thường có I.W = 200A vòng

- Cơ cấu cuộn dây dẹt: thường có I.W = 100 ÷ 150A vòng

- Cơ cấu có mạch từ khép kín: I.W = 50 ÷ 1000A vòng

Như vậy để mở rộng thang đo của ampemét điện từ chỉ cần thay đổi thế nào để đảmbảo I.W = const

- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng phương pháp phân đoạn cuộn dâytĩnh của cơ cấu điện từ: ampemét điện từ nhiều thang đo được chế tạo bằng cáchchia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau, thay đổi cách nối ghép cácphân đoạn (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau.

Ví dụ : Ampemét điện từ cĩ hai thang đo: ta chia cuộn dây tĩnh thành hai

phần bằng nhau Nếu nối tiếp hai phân đoạn với nhau ta sẽ đo được dịng điện là 2I(h.3.4)

Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ áp dụng để chế tạo ampemét điện từ cĩ nhiềunhất là ba thang đo, vì khi tăng số lượng thang đo việc bố trí mạch chuyển thang đophức tạp khơng thể thực hiện được

- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng cách dùng biến dịng: khi muốntăng số lượng thang đo lên nhiều thường kết hợp biến dịng với ampemét điện từ để

mở rộng giới hạn đo dịng xoay chiều

I1

W1

W2

I2

Hình 3.6

Cuộn dây sơ cấp của biến dòng mắc nối tiếp với dòng điện cần đo I còn cuộnthứ cấp mắc trực tiếp với(H3.6) ampemét có dòng điện I2 bé chạy qua

Chọn máy biến òng điện có hệ số biến dòng K = I1/I2 thích hợp, ta có thểgiảm dòng điện I2 đến mức phù hợp với thang đo của ampemét

* Ampemét nhiệt điện: Hình 3.5

* Ampemét chỉnh lưu: là ampemét kết hợp cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh

lưu bằng điốt hoặc chỉnh lưu bằng cặp nhiệt ngẫu (gọi là ampemét nhiệt điện)

Các mạch chỉnh lưu thường gặp trong các ampemét chỉnh lưu bao gồm:

Hình 3.7 Mạch chỉnh lưu nửa chu kì

Hình 3.8 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kìTrong các mạch chỉnh lưu này dùng điốt dòng (Si hoặc Ge)

Hình 3.8 Mạch chỉnh lưu hình cầu

3.1.3 Các phương pháp đo dòng điện

- Phương pháp đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo dòng điện như ampemét, mili

ampemét, micrô ampemét để đo dòng và trực tiếp đọc kết quả trên thang chia độcủa dụng cụ đo

- Phương pháp đo gián tiếp: cĩ thể dùng vơnmét đo điện áp rơi trên một điện trở

mẫu (mắc trong mạch cĩ dịng điện cần đo chạy qua ); thơng qua phương pháp tínhtốn ta sẽ được dịng điện cần đo

- Phương pháp so sánh: đo dịng điện bằng cách so sánh dịng điện cần đo với

dịng điện mẫu, chính xác; ở trạng thái cân bằng của dịng cần đo và dịng mẫu sẽđọc được kết quả trên mẫu

Cĩ thể so sánh trực tiếp và so sánh gián tiếp

§3.2 Đo dòng điện

3.2.1 Đặc điểm của Vonmet

Để đo điện áp của mạch điện ta dùng volmét, khi đo ta mắc volmét

song

song với đoạn mạch cần đo Hình 3.9

Những cơ cấu nào dùng để chế tạo thành ampemét cũng có thể chế

tạo thành volmét thật vậy dòng điện qua cơ cấu đo là Iv

Iv = U /rv sẽ làm kim quay một góc tỷ lệ với dòng điện Iv , cũng

chính là tỷ lệ với điện áp cần đo U , trên thang đo ta ghi trị số điện áp Như

vậy volmét chỉ khác ampe mét ở chỗ là điện trở của am mét rất nhỏ còn

điện trở của volmét rất lớn để tổn hao trên điện trở volmét rv là không đáng

kể

Tổn hao trong volmét là : P = rv.Iv2 = rv( U/ rv)2 = U2/ rv

Như vậy ta thấy để P nhỏ thì rv phải rất lớn có như vậy điện áp đo

được chính xác

3.1.2 Các loại Volmet thường gặp và phương pháp mở rộng thang đo

a Vơnmét từ điện đo điện áp một chiều: cơ cấu từ điện chế tạo sẵn, cĩ điện áp định

mức khoảng 50 ÷ 75mV Muốn tạo ra các vơnmét đo điện áp lớn hơn phạm vi này cầnphải mắc nối tiếp với cơ cấu từ điện những điện trở phụ Rp (thường làm bằng vật liệumanganin)

Hình 3.10 a Hình 3.10 a

Cách tính giá trị điện trở phụ phù hợp với điện áp UX cần đo:

X CC

CC CC

U

U R R R R

U R

U I

 gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp

Lúc này điện trở phụ RP được chọn theo công thức: RP = RCC (nu -1)

Bằng phương pháp này có thể tạo ra các vônmét từ điện nhiều thang đo khi mắc nốitiếp vào cơ cấu từ điện các điện trở phụ khác nhau Ví dụ sơ đồ vônmét từ điện có 3thang đo như hình 4.2a

Các vônmét từ điện đo trực tiếp tín hiệu một chiều có sai số do nhiệt độ không đáng kể

vì hệ số nhiệt độ của mạch vônmét được xác định không chỉ là hệ số nhiệt độ dây đồngcủa cơ cấu từ điện mà còn tính cả hệ số nhiệt độ của điện trở phụ trong khi điện trở phụ

có điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ do được chế tạo bằng manganin

b Vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều: đo điện áp xoay chiều bằng cách phối hợp

mạch chỉnh lưu với cơ cấu từ điện để tạo ra các vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều(Hình 4.3):

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý của vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều:

a) Sơ đồ milivônmét chỉnh lưu

b) Sơ đồ vônmét chỉnh lưu

vừa để bù nhiệt độ nên R1 bằng đồng; R2 bằng Manganin còn tụ điện C để bù sai số dotần số

Sơ đồ vônmét chỉnh lưu: như hình 4.3b, trong đó điện cảm L dùng để bù sai số do tần

số; điện trở R1 bằng đồng; điện trở R2 bằng manganin tạo mạch bù nhiệt độ

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 trởphụ