KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 2 pdf

Nguyên lý hoạt động của CRT là dùng điện trường để điều khiển đường đi của một chùm electron được phóng ra từ súng điện tử và cho hướng lên màn huỳnh quang để vẽ dao động đồ của tín hiệu

3.3 Chỉ thị bằng đèn ống tia âm cực

Trong các thiết bị quan sát và ghi dạng tín hiệu, bộ phận chỉ thị thường dùng đèn ống tia âm cực (CRT - Cathode Ray Tube) Nguyên lý hoạt động của CRT là dùng điện trường để điều khiển đường đi của một chùm electron được phóng ra từ súng điện tử và cho hướng lên màn huỳnh quang để vẽ dao động đồ của tín hiệu cần nghiên cứu Trên hình 1-225 là sơ đồ nguyên lý của đèn ống tia âm cực CRT

Hình 1-22 Nguyên lý cấu tạo của đèn ống tia âm cực (CRT)

3.3.1 Súng điện tử

Súng điện tử có nhiệm vụ tạo ra một chùm tia điện tử nhỏ, có năng lượng cao bắn tới màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Súng điện tử được cấu tạo từ catốt, lưới điều chế và các anốt Catốt thường được làm từ niken được đốt nóng gián tiếp nhờ sợi đốt bằng nguồn xoay chiều 6,3V Cực lưới cũng làm bằng niken có dạng hình trụ bao bọc lấy catốt Nhờ điện áp phân cực trên catốt và các anốt mà chùm điện tử phát xạ từ catốt sau khi được điều tiết bởi lưới điều chế được tiêu tụ và gia tốc sẽ có đủ năng lượng và độ tụ cao phóng thẳng về màn huỳnh quang

3.3.2 Hệ thống điều tiêu

Các anốt A1, A2, A3 tạo ra một hệ thống có tác dụng như một thấu kính điện tử Chức năng của chúng là điều tiêu chùm tia điện tử từ catốt tới Trên hình 1-23 chỉ

ra các mức thế phân cực cho catốt, lưới và các anốt Catốt A1 tạo ra trường hội tụ và gia tốc sơ bộ chùm tia điện tử Do A1 và A3 được giữ ở thế đất, trong khi thế A2 điều chỉnh quanh –2kV, kết quả sự phân bố các đường đẳng thế giữa các anốt có dạng như trên hình 1-23

Hình 1-23 Hình dang phân bố điện thế giữa

Các electron khi đi qua A1 như một chùm phân kỳ, khi cắt ngang các đường đẳng thế chúng chịu lực tác dụng của điện trường theo hướng vuông góc với các đường đẳng thế Hình dạng các đường đẳng thế của A1 tạo nên lực hội tụ, còn A3 tạo

ra lực phân kỳ đối với chùm electron (xem hình 1-23) Có thể thay đổi các lực này nhờ điều chỉnh thế phân cực cho A2, thế này điều chỉnh điểm điều tiêu của chùm nên A2 đôi khi còn gọi là vành hội tụ

3.3.3 Hệ thống lái tia điện tử

Chùm tia electron từ súng điện tử phóng ra được điều khiển bởi hệ thống lái chùm tia trước khi đi tới màn huỳnh quang Hệ thống bao gồm hai cặp phiến lái tia: cặp phiến lệch đứng và cặp phiến lệch ngang đặt vuông góc với nhau thường gọi tắt là cặp phiến YY và XX (hình 1-24)

Nếu trên một cặp phiến lệch đặt một hiệu điện thế, thì giữa chúng sẽ tồn tại một điện trường Khi electron bay vào vùng không gian giữa hai bản sẽ chịu tác dụng lực điện trường làm thay đổi quỹ đạo chuyển động Độ lệch của điểm sáng do chùm tia điện tử tạo nên trên màn hình so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử qua khoảng không gian giữa hai bản Cường độ điện trường càng lớn cũng như thời gian bay của điện tử càng lâu thì độ lệch của quỹ

đạo càng tăng Cường độ điện trường tỷ lệ vơí điện áp U y đặt vào cặp phiến lệch

(hình 1-24), và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d giữa hai phiến Thời gian bay của điện tử qua khoảng giữa hai phiến tỷ lệ với độ dài l của phiến và tỷ lệ nghịch với tốc tộ

của điện tử, tốc độ của điện tử lại tỷ lệ với điện áp anốt A2 Như vậy tăng A2 thì độ sáng trên màn hình tăng, nhưng đồng thời cũng làm giảm độ lệch của tia điện tử Nói cách khác làm giảm độ nhạy của ống tia điện tử

Từ hình vẽ ta thấy độ lệch của tia điện tử còn phụ thuộc vào L là khoảng

cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn huỳnh quang Như vậy, ta có quan hệ:

2

2

lL được gọi là độ nhạy của CRT, nó bằng độ lệch của tia

sáng trên màn tính ra mm khi đặt trên phiến lệch một hiệu điện thế là 1vôn Các CRT thông thường có độ nhạy từ 0,2 ÷ 1mm/V

l

U y

Hình 1-24

U

3.3.4 Màn huỳnh quang

Màn hình của CRT được tạo ra bằng cách mạ một lớp huỳnh quang bằng phốt pho ở mặt trong Khi có điện tử bắn vào thì tại những điểm đó sẽ phát sáng huỳnh quang Thời gian phát sáng có thể kéo dài trong vài miligiây, vài giây, thậm chí lâu hơn nữa Tùy thuộc vào vật liệu mà ánh sáng huỳnh quang phát ra có thể có màu xanh lơ, đỏ, xanh lục hoặc màu trắng

Phốt pho sử dụng ở màn hình là chất cách điện, nếu không có sự phát xạ thứ cấp, màn hình sẽ có thế âm khi các electron sơ cấp tích tụ lại, và chúng có thể lớn tới mức đẩy ngược chùm electron tới Để triệt bỏ hiệu ứng này, trên thành cổ ống CRT

được phủ một lớp than chì để thu gom và trung hòa các electron tích tụ (xem hình

1-22)

3.3.5 Điều chỉnh độ chói

Độ chói của hình ảnh tạo ra trên màn hình phụ thuộc vào mật độ số electron trong chùm tia tới Để điều chỉnh mật độ electron người ta điều chỉnh điện áp lưới điều chế M Mặt khác độ chói còn phụ thuộc vào tốc độ của electron tới, nghĩa là chúng phải được gia tốc tới tốc độ khả dĩ cao nhất Tuy nhiên nếu tốc độ của chùm electron quá cao thì tác dụng của điện áp làm lệch lên chùm tia sẽ giảm khi chúng đi qua hệ thống làm lệch, và độ nhạy lái tia sẽ kém Do vậy người ta thường bố trí một

hệ thống gia tốc sau làm lệch khi tia điện tử đã đi qua các tấm lái tia Một dây xoắn

ốc bằng chất có điện trở cao được cho kết tủa bên trong phần loe của ống CRT Điểm đầu nối đất còn đầu cuối có điện thế cao tới +12kV, nhờ vậy tạo ra một điện trường gia tốc liên tục chùm electron trước khi nó đập vào màn hình Hệ thống này đôi khi còn gọi là cực hậu gia tốc

3.4 Chỉ thị bằng âm thanh và ánh sáng

Trong các thiết bị đo lường dùng chỉ thị bằng âm thanh thường sử dụng ống nghe vì đây là loại chỉ thị rất nhạy có thể phát hiện được các dòng điện có công suất

rất nhỏ đến micrôoat hay điện áp rất thấp đến micrôvon Ống nghe có độ nhạy cao ở phạm vi tần số hợp với tai nghe, tức vào khoảng 800 đến 1200 Hz nên dùng làm chỉ thị âm tần rất thích hợp Đối với các máy đo chỉ thị cân bằng (chỉ thị 0) khi dùng ống nghe làm chỉ thị có thể đo đạc xác định các đại lượng rất nhanh Các ống nghe dùng trong đo lường thường có điện trở cao và có cấu tạo để có độ nhạy cao với tần số vào khoảng 1000Hz

Trong các thiết bị đo lường nhằm phát hiện và chỉ báo các mức ngưỡng áp dụng trong các hệ thống bảo vệ, thì việc sử dụng các tín hiệu âm thanh hoặc ánh sáng để chỉ thị là rất có ý nghĩa về mặt cảnh báo, tín hiệu gây chú ý để báo hiệu cho con người biết về sự cố để có biện pháp khắc phục

3.5 Lưu trữ kết quả đo lường

Để có thể lưu trữ kết quả đo lường người ta sử dụng nhiều biện pháp khác nhau: Sử dụng các máy ghi chuyên dụng; thiết kế các hệ thống đo có sử dụng vi xử lý và hệ thống nhớ trên đĩa từ; ghép nối hệ đo với máy vi tính và điều khiển tự động

Các máy ghi là các thiết bị cho phép ghi lại kết quả đo diễn biến theo thời gian Có thể ghi bằng nhiều cách:

3.5.1 Ghi liên tục: Thường là dùng băng giấy chạy liên tục và quá trình diễn

biến của đại lượng được ghi thành một đường cong, và qua đó có thể xác được được sự phụ thuộc của đại lượng theo thời gian

3.5.2 Ghi gián đoạn: Việc ghi được thực hiện theo từng thời gian nhất định và

thường kết hợp để ghi nhiều đại lượng khác nhau bằng một máy nhờ các bộ chuyển mạch Kết quả của phép ghi có thể là những con số hoặc các đường chấm chấm Có nhiều phương pháp ghi khác nhau:

– Ghi bằng bút ghi: là loại ghi đơn giản nhất

– Ghi bằng phương pháp cơ điện: Dùng phương pháp tia lửa điện để đánh thủng giấy ghi từng lúc, hoặc dùng phản ứng hóa học trên giấy ghi

– Ghi bằng phim ảnh, giấy ảnh

– Ghi trên băng từ

– Ghi bằng phương pháp số trên đĩa từ

– Ghi trên đĩa quang CD v.v

4 DỤNG CỤ ĐO DIỆN, SAI SỐ, CẤP CHÍNH XÁC

Có nhiều loại, tùy theo nguyên tắc thiết kế mạch và nguyên lý tác động mà người ta chia ra hai loại cơ bản là:

- Các dụng cụ đo tương tự (analog)

- Các dụng cụ đo theo phương pháp số (digital)

Các dụng cụ đo tương tự thường dùng chỉ thị bằng kim trên mặt đồng hồ điện kế Đa số các dụng cụ đo điện thông dụng là loại cơ điện, tùy thuộc vào nguyên lý tác động của cơ cấu đo mà người ta chia ra các loại sau :

- Cơ cấu đo từ điện (điện kế khung quay);

- Cơ cấu đo kiểu điện từ;

- Cơ cấu đo kiểu điện động;

- Cơ cấu đo kiểu nhiệt điện;

- Cơ cấu đo tĩnh điện;

- Cơ cấu đo kiểu cảm ứng Trên bảng 1-1 chỉ ra các ký hiệu quy ước trên mặt đồng hồ đo điện và ý nghĩa của chúng

Bảng 1-1

Cơ cấu đo kiểu từ điện

Cơ cấu đo kiểu điện từ

Lôgôm ét từ điện

Lôgôm ét điện từ

Cơ cấu đo kiểu điện động

Lôgôm ét điện động

Cơ cấu đo sắt điện động

Lôgôm ét sắt điện động

Cơ cấu đo kiểu nhiệt điện

Cơ cấu đo kiểu tĩnh điện

Cặp nhiệt ngẫu trực tiếp

Cặp nhiệt ngẫu gián tiếp

M àn chắn tĩnh điện

M àn chắn từ

Cơ cấu hiệu chỉnh

Giá trị từ trường ngòai gây

ra sai lệch chỉ số dụng cụ Giá trị điện trường ngòai gây ra sai lệch chỉ số dụng cụ đo

Điện áp kiểm tra độ cách điện 500V

Điện áp kiểm tra độ cách điện trên 500V (ï 2 kV) không kiểm tra điện áp cách điện

Đặt dụng cụ thẳng đứng

Đặt dụng cụ nằmg ngang

Dòng m ột chiều

Dòng xoay chiều

Dòng điện một chiều và xoay chiều

Định hướng của dụng cụ

đo trong từ trường trái đất Cấp chính xác tính theo phần trăm giá trị cuối cùng thang đo Cấp chính xác tính theo phần trăm chiều dài thang đo

Các máy đo có độ chính xác cao thường được lắp đặt thêm các mạch bổ trợ bằng các linh kiện điện tử, bán dẫn, và cơ cấu chỉ thị thường dùng loại từ điện

Trong các dụng cụ đo theo phương pháp số, đại lựợng đo tương tự lối vào được số hóa nhờ các mạch biến đổi tương tự số ADC (Analog to Digital Converter), sau đó đưa qua mạch đếm, giải mã và chỉ thị bằng các đèn LED 7 đoạn (LED - Light Emitting Diode) hoặc đèn tinh thể lỏng 7 đoạn

Theo đại lượng đo người ta chia các dụng cụ đo điện ra theo tên gọi: như Ampekế, Miliampekế, Micrôampekế, Vôn kế, Milivônkế, Ômkế,v.v

4.2 Sai số

Bất kỳ phép đo nào cũng mắc phải sai số, Theo cách biểu diễn sai số thì có 2 loại sai số sau :

4.2.1 Sai số tuyệt đối:

Là hiệu giữa giá trị thực của đại lượng đo và trị số đo được bằng phép đo:

X T - Giá trị thực của đại lượng đo

X m - Giá trị đo được bằng phép đo Như vậy ∆Χ có thể có giá trị dương hoặc âm Tuy nhiên, do XT ta chưa biết,

nên trong thực tế người ta thường lấy giá trị gần đúng của XT bằng cách đo nhiều lần và xem giá trị trung bình của n lần đo gần đúng với XT

1Xn

1

4.2.2 Sai số tương đối:

Để đánh giá độ chính xác của phép đo, người ta dùng sai số tương đối δX và biểu diễn ra phần trăm:

%100

Χ

∆Χ

=Χ

4.3 Cấp chính xác của đồng hồ đo điện

Để đánh giá độ chính xác của đồng hồ đo điện, người ta dùng khái niệm cấp chính xác của dụng cụ Cấp chính xác của dụng cụ đo điện được định nghĩa là:

%100

%

max max ⋅

Dụng cụ đo điện có 8 cấp chính xác sau : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 và 5 Cấp chính xác được ghi trên mặt của đồng hồ đo Biết cấp chính xác ta có thể tính được sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép của phép đo:

∆Xmax = γ% Amax / 100 (1-29)

2,5 Sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép sẽ là:

∆Xmax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA

Vượt quá giá trị 2,5mA này đồng hồ sẽ không còn đạt cấp chính xác 2,5 nữa

4.4 Các cách tính sai số

4.4.1 Sai số của phép đo với các thang đo khác nhau:

Trong thực tế khi đo với một máy đo có cấp chính xác nhất định, nhưng khi thay đổi thang đo thì sai số tuyệt đối của phép đo sẽ thay đổi, cách tính theo công thức (1-29)

Ví dụ: Một vôn kế có cấp chính xác 1,5 khi dùng thang đo 50V mắc sai số cho phép lớn nhất là :

∆ Umax = 1,5 50 / 100 = 0,75V Nhưng nếu dùng thang đo 100V thì sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép lại là

∆ U’max = 1,5 100 / 100 = 1,5V

4.4.2 Sai số tương đối của tổng 2 đại lượng

Nếu hai đại lượng đo có tính chất độc lập với nhau, mỗi đại lượng có sai số tương đối riêng biệt δA và δB thì sai số tương đối của tổng 2 đại lượng (A + B) sẽ là :

B A

B

A B

∆+

∆

=

+ ) (

B A

B B A

A

+

4.4.3 Sai số tương đối của tích 2 đại lượng

Nếu hai đại lượng độc lập với nhau mà mỗi đại có một trị số sai số tương đối riêng biệt thì sai số tương đối của tích 2 đại lượng (A.B) được xác định:

δ (1-34)

CHƯƠNGII: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN

§ 1 KHÁI NIỆM CHUNG

Các đại lượng điện được chia làm hai loại: loại tác động (active) và loại thụ động (passive)

– Loại tác động: Các đại lượng mang năng lượng như điện áp, dòng điện, công suất

là những đại lượng tác động Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ tác động lên mạch đo và cơ cấu đo Trong các trường hợp năng lượng quá lớn phải sử dụng các mạch phân dòng, phân áp hoặc các mạch lấy mẫu đại lượng đo (biến áp, biến dòng) Trường hợp ngược lại, nếu các đại lượng đo quá nhỏ, phải sử dụng các mạch khuếch đại để khuếch đại chúng lên đủ lớn để mạch đo có thể làm việc bình thường

cảm, điện dung là các đại lượng thụ động Khi đo các đại lượng này phải có nguồn điện áp để cung cấp năng lượng cho chúng trong mạch đo

§ 2 ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN VẠN NĂNG

2.1 Các chỉ tiêu chất lượng của đồng hồ vạn năng

2.1.1 Độ nhạy γ

Độ nhạy của đồng hồ biểu thị mối quan hệ phụ thuộc của góc lệch phần động khi có dòng điện tác động lên cơ cấu đo Nó chính là dòng điện nhỏ nhất có khả năng làm lệch kim chỉ thị lên hết thang độ Dòng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao Độ nhạy của đồng hồ tỉ lệ với mật độ từ thông của nam châm vĩnh cửu, số vòng của khung dây điện kế, và tỷ lệ nghịch với lực cản của lò xo xoắn

Các đồng hồ có độ nhạy cao thường có độ nhạy (50÷20)µA Độ nhạy thực tế của đồng hồ thường bị giảm đi vì có sun vạn năng đấu song song với khung dây

Trên mặt của đồng hồ đo thường có ghi trị số điện trở vào ứng với mỗi vôn (Ω/V) Muốn tính ra độ nhạy thực tế chỉ cần số lấy nghịch đảo của điện trở vào ứng với mỗi vôn Ví dụ, đồng hồ vạn năng 500 T có điện trở vào ứng mỗi vôn là 20.000 Ω/V thì độ nhạy thực tế sẽ là:

1/

000.20

1

=Ω

=Ω

=

Như vậy, đồng hồ có số Ω/V càng lớn thì dòng điện làm lệch hết thang độ càng nhỏ và đồng hồ càng nhạy Dòng điện này thường rẽ nhánh qua mạch sun vạn năng, nên dòng điện thực tế chạy trực tiếp qua khung dây điện kế nhỏ hơn Chẳng

hạn, đồng hồ 500 T có độ nhạy thực tế là 50 µA, nhưng dòng thực tế qua khung dây chỉ là 40 µA Đồng hồ 108 T có trị 5000Ω/V, độ nhạy thực tế là 200 µA, nhưng dòng qua khung dây chỉ là 63 µA

2.1.2 Cấp chính xác

Do mạch đo dùng phối hợp để đo cả điện áp, dòng điện và điện trở nên cấp chính xác của đồng hồ vạn năng thường thấp hơn các máy đo riêng lẻ Cấp chính xác được biểu thị theo sai số phần trăm đối với trị số lớn nhất của thang đo Cấp chính xác đối với điện xoay chiều thì nhỏ hơn đối với điện một chiều vì ảnh hưởng của đặc tuyến chỉnh lưu phi tuyến

Trên mặt đồng hồ thường ghi rõ cấp chính xác đối với điện một chiều và xoay chiều Các đồng hồ thông dụng có cấp chính xác 2,5 đối với điện một chiều và 4 đối với điện xoay chiều

2.1.3 Tính thăng bằng

Đồng hồ vạn năng có tính thăng bằng tốt thì dù để nằm, để đứng hay nghiêng kim chỉ thị vẫn về đúng số 0 Điều đó chứng tỏ trọng tâm của khung quay nằm đúng trên đường nối hai mũi nhọn của trục quay

2.2 Mạch đo trong đồng hồ đo điện vạn năng

Sơ đồ khối trình bày nguyên lý tổ chức mạch đo trong một đồng hồ đo điện vạn năng chỉ ra trên hình 2-1 Mạch gồm 3 khối chức năng cơ bản: khối đo dòng điện, khối đo điện áp và khối đo điện trở Cơ cấu chỉ thị dùng điện kế từ điện G

Mạch đo IMạch đo UMạch đo R

I U R

-Hình 2-1 Sơ đồ khối mach đo của đồng hồ đo điện

2.2.1 Mạch đo dòng điện một chiều

Các cơ cấu đo từ điện chỉ đo được từ vài chục tới vài trăm micrôampe (µA) Nhưng trong thực tế ta cần đo những dòng điện có trị số lớn hơn nhiều, muốn vậy phải mở rộng thang đo cho đồng hồ Sơ

đồ nguyên lý mắc sun mở rộng thang đo

cho điện kế chỉ ra trên hình 2-2

Rs

Rg Ig

Is I

Gọi dòng cần đo là I, dòng làm lệch toàn phần cơ cấu đo là Ig, điện trở cơ

cấu đo là Rg, điện trở sun là RS, từ hình

I = I S + I g

g

S S

g

R

R I

g

g S

g

R

R n

I nI

I I

I

1

1

Ig

Rg

I1 I2 I3

+ _Các sun đấu riêng rẽ ứng

với từng thang đo khác nhau (hình

2-3) Việc chọn thang đo được

thực hiện nhờ chuyển mạch SW

Giá trị của các điện trở sun R 1 ,

R 2 , R 3 được tính theo công thức

(2-1)

Sun riêng rẽ có ưu điểm

Hình 2-3 Mạch sun riêng rẽ

là tách rời nhau nên dễ dàng

kiểm tra hiệu chỉnh và sửa chữa

Tuy nhiên, không kinh tế vì tăng số điện trở dây quấn Mặt khác khi chuyển mạch bị tiếp xúc xấu hoặc không tiếp xúc, mạch sun sẽ bị ngắt, toàn bộ dòng đo sẽ đổ qua điện kế làm cháy khung dây của đồng hồ Do vậy kiểu sun riêng rẽ ít sử dụng trong thực tế

b) Mạch sun vạn năng

Mạch sun vạn năng có đặc điểm là bao gồm tất cả các sun riêng rẽ của từng thang đo Các sun riêng rẽ đấu nối tiếp với nhau và toàn bộ điện trở sun đấu song song thường trực với cơ cấu đo (hình 2-4)

1

2 3 4

R1 R2

1 2