Kỹ thuật điện đại cương - Chương 8 pptx

Dụng cụ đo trực tiếp: ở loại này đại lượng cần đo X được đưa vào bộ phận chuyển đổi để chuyển thành biến thiên của dòng điện hay điện áp theo X.. Dụng cụ đo kiểu so sánh ở' dụng cụ đo

Chương 8 Đo lường điện

Mục tiêu: Các cơ cấu đo, và các phương pháp đo điện

Đ8-1 Những khái niệm chung về đo lường điện

1 Định nghĩa:

Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đại lượng nào đó với đơn vị của nó

Để tiến hành đo lường một đại lượng nào đó ta cần các mẫu đo và dụng cụ đo Mẫu đo dùng để tạo ra đại lượng vật lý có trị số cho trước như các điện trở,

điện cảm và điện dung mẫu, pin mẫu Các dụng cụ đo dùng để gia công các tín hiệu trong quá trình đo thành các dạng có thể theo dõi và điều chỉnh được

2 Sơ đồ khối của dụng cụ đo

Theo quá trình đo thì dụng cụ đo có hai loại: dụng cụ đo trực tiếp và dụng cụ

đo kiểu so sánh

a Dụng cụ đo trực tiếp:

ở loại này đại lượng cần đo X được đưa vào bộ phận chuyển đổi để chuyển thành biến thiên của dòng điện hay điện áp theo X Cơ cấu đo sẽ chuyển sự

biến thiên này thành chỉ thị bằng kim chỉ hay chỉ thị số (hình 8-1)

b Dụng cụ đo kiểu so sánh

ở' dụng cụ đo kiểu so sánh đại lượng cần đo X được so sánh với một đại lượng chuẩn XC, sai lệch |X - XC| sẽ được chuyển đổi thành biến thiên của dòng điện hay điện áp, sau đó tác động vào cơ cấu đo Chỉ thị có thể là kim chỉ hay chỉ thị số (hình 8-2)

H8-1

hay I X

Chuyển đổi U X Cơ cấu đo

Chỉ thịH8-2

X

So sánh

X C

Sai số tuyệt đối ∆x là hiệu số giữa kết quả đo được Xđ và trị số đúng X của đại lượng cần đo: ∆x = |Xđ - X|

b) Sai số tương đối

Sai số tương đối δ được tính bằng tỷ số giữa sai số tuyệt đối và trị số đo được

Xđ Sai số tương đối thường được tính bằng phần trăm 100%

X

∆xδ%

d

±

=

c) Sai số của dụng cụ đo

Sai số của dụng cụ đo γ là tỷ số giữa sai số tuyệt đối với cỡ đo của dụng cụ Sai số của dụng cụ đo còn gọi là sai số tương đối quy đổi 100%

X

∆xγ%

dm

=

Trong đó Xđm là cỡ đo của dụng cụ Nếu dụng cụ đo có chỉ thị kim chạy về hai phía của thang đo thì Xđm tính bằng tổng giá trị định mức của hai phía

d) Sai số cơ bản của dụng cụ đo

Sai số cơ bản của dụng cụ đo là sai số của dụng cụ đo trong điều kiện làm việc tiêu chuẩn (nhiệt độ 20 ± 50C), độ ẩm tương đối là (65 ± 15)% và áp suất khí quyển (750 ± 30)mmHg

Căn cứ vào sai số cơ bản, người ta chia dụng cụ đo thành các cấp chính xác

Ví dụ dụng cụ có cấp chính xác 1 có nghĩa là sai số tương đối của dụng cụ ở

điều kiện làm việc tiêu chuẩn không vượt quá 1%

Dụng cụ có cấp chính xác < 0,5 là cấp chính xác cao thường dùng làm dụng cụ mẫu Các dụng cụ đo công nghiệp thường có cấp chính xác từ 1

4 Các thông số của dụng cụ đo

Mục đích để đánh giávà sử dụng dụng cụ đo

- Cỡ đo của thang đo là giá trị lớn nhất thang đo có thể đo được

- Cỡ đo của dụng cụ đo là giá trị lớn nhất mà dụng cụ đo có thể đo được

Trong đó ∆α là độ biến thiên của chỉ thị đo và ∆x là biến thiên của đại lượng cần đo

Nếu dụng cụ đo gồm nhiều khâu chuyển đổi nối tiếp thì độ nhạy của chúng bằng tích độ nhạy của từng khâu: S = S1ì S2ì ì Sn

- Công suất tiêu thụ của dụng cụ đo Để đo được chính xác, công suất tiêu thụ của dụng cụ đo phải nhỏ

- Đặc tính động của dụng cụ đo đặc trưng bằng thời gian ổn định của dụng

cụ Đối với dụng cụ có kim chỉ, khi kim dao động nhỏ hơn 1% trị số của thang

đo thì coi như đã ổn định

- Số vạch chia trên thang đo, số vạch chia càng nhiều càng chính xác

- Cấp chính xác, cấp chính xác càng nhỏ càng tốt

Đ8-2 Cơ cấu đo điện cơ

1 Các bộ phận chính của cơ cấu điện cơ

Trong dụng cụ đo trực tiếp, cơ cấu biến đổi điện cơ có nhiệm vụ biến đổi

điện năng của đại lượng cần đo thành cơ năng làm dịch chuyển bộ phận chỉ thị Về cấu tạo cơ cấu điện cơ có hai phần chính: phần tĩnh và phần quay Theo phương pháp biến đổi năng lượng điện từ thì cơ cấu điện cơ có các kiểu

từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng và tĩnh điện

Mômen quay của cơ cấu điện cơ là tốc độ biến thiên của năng lượng điện

từ Wđt theo góc quay α của phần động :

Khi phần động quay, dây treo (hình 8-3a) hoặc lò xo phản kháng (hình 8-3b)

bị xoắn lại sinh ra mômen cản tỷ lệ với góc quay: Mc = k.α

Trong đó k là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của lò xo hoặc dây treo Phần động sẽ ở vị trí cân bằng khi Mq = Mc, do đó góc quay Mq

k

1

α=phụ thuộc vào đại lượng cần đo

H8-3a

Khi đo phần động dao động quanh vị trí cân bằng Để dập nhanh dao động này, cụ đo thường có bộ phận cản dịu Trong loại cản dịu kiểu không khí, phần động là lá kim loại mỏng có thể chuyển động trong hộp rỗng khi kim dao động, lực cản của không khí có tác dụng dập tắt nhanh dao động.Trong loại cản dịu kiểu cảm ứng, phần động là khung nhôm để tạo nên khung dây Khi kim dao động khung nhôm dao động trong lòng của nam châm sinh ra dòng điện cảm ứng trong khung nhôm Tác dụng của từ trường lên dòng cảm ứng này có xu hướng làm tắt dần dao động

Mômen cản dịu Mcd tỷ lệ với tốc độ chuyển động của phần động :

Ngoài ra còn có các bộ phận như: đối trọng để cân bằng phần động, các

bộ phận hiệu chỉnh vị trí ban đầu của kim

Bộ phận chỉ thị có thể kim chỉ chỉ thị ánh sáng, thiết bị ghi

2 Các ký hiệu ghi trên mặt của chỉ thị điện cơ

Trên mặt dụng cụ đo điện cơ có ghi nhiều ký hiệu để chỉ dẫn khi sử dụng Sau

đây là những ký hiệu chủ yếu:

- Đại lượng cần đo và thang đo của dụng cụ: V: vônmét; A: ampemét; W:

oátmét

- Kiểu cơ cấu đo

Ví dụ: Hình 8-4 giới thiệu dụng cụ đo là vonmét, kiểu điện từ, cấp chính xác

0.5, đặt đứng, điện áp thử cách điện 2kV.Vonmét có thang đo lớn nhất là

~ 0.5 2

V

300 0

H8-4

I

-≈

3 Cơ cấu từ điện

a Cấu tạo

Cơ cấu gồm khung dây động (1) có tiết diện dây nhỏ chuyển động trong lòng nam châm vĩnh cửu NS có từ cảm cao (2) Để tạo nên từ trường mạnh và đều giữa phần động và phần tĩnh có hình trống (3) bằng vật liệu dẫn từ tốt Ngoài

ra còn có lò xo phản kháng, trục và kim chỉ thị, cơ cấu biến đổi từ điện được

vẽ trên hình 8-5

b Nguyên lý làm việc

Cho dòng điện cần đo(I) vào

khung dây phần động Dòng

điện chạy trong khung dây

nằm trong từ trường của nam

châm vĩnh cửu (NS), sẽ chịu

tác dụng của lực điện từ và

tạo nên mômen làm quay

- d là chiều rộng của khung dây

Phần động ở vị trí cân bằng khi mômen quay bằng mômen cản: Kq.I = K.α Góc quay của phần động: I SI

S= là độ nhạy của dụng cụ đo

c Đặc điểm của dụng cụ

- Góc quay α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện, nên dụng cụ chỉ đo được đại

lượng một chiều và thang đo chia đều Để đo dòng điện xoay chiều cần có bộ

phận chỉnh lưu dòng điện xoay chiều ra một chiều

- Dụng cụ có độ nhạy cao vì từ trường của nam châm vĩnh cửu mạnh

- Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, tiêu thụ năng

- Khả năng quá tải kém vì dây quấn phần động có tiết diện bé (d = 0,01mm)

d Lôgômét từ điện

Là cơ cấu đo từ điện, nhưng phần động có 2 khung dây được gắn trên cùng trục quay, khi có 2 dòng điện I1 và I2 chạy qua chúng sinh ra hai mômen quay ngược chiều nhau(hình 8-6)

Góc quay α là hàm số của tỷ số giữa hai

dòng điện Lôgômet thường chế tạo làm

b Nguyên lý làm việc

Cho dòng điện cần đo(I) vào cuộn dây phần tĩnh, cuộn dây tĩnh trở thành nam châm điện, hút miếng sắt non vào lòng cuộn

dây làm phần động quay đi góc α Khi đó cuộn

dây tích luỹ năng lượng từ trường là:

1α

c Đặc điểm của cơ cấu

- Góc quay tỷ lệ với bình phương của dòng điện nên thang đo chia không

- Dụng cụ có thể đo được dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, vì khi thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần tĩnh các miếng thép luôn

được từ hoá cùng cực tính Hình dáng miếng thép được chế tạo sao cho

α

L

∂

∂

giảm theo góc quay α để thang đo có thể chia tương đối đều

- Dụng cụ chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, vì khe hở không khí giữa phần động và phần tĩnh lớn, hơn nữa từ trường bản thân của cơ cấu cũng nhỏ

- Độ chính xác thấp do có tổn hao trong lõi thép

- Khả năng quá tải cao, vì cuộn dây có dòng điện cần đo là phần tĩnh nên tiết diện dây có thể lớn

- Cơ cấu đơn giản, rẻ tiền, chủ yếu dùng để đo dòng điện và điện áp xoay chiều tần số công nghiệp

2

1

Trong đó L1, L2 là điện cảm của cuộn

dây không phụ thuộc vào góc quay α M

là hỗ cảm của hai cuộn dây, M thay đổi

khi phần động quay

Mômen quay:

α

MIIα

II

- Mômen quay tỷ lệ với tích số I1I2 Nếu khung dây phần động mắc song song với tải còn cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp với tải, thì mômen quay tỷ lệ với công suất tải tiêu thụ, nên dụng cụ có thể dùng để đo công suất

- Độ nhạy của dụng cụ thấp, vì hỗ cảm giữa hai cuộn dây nhỏ

- Chịu ảnh hưởng nhiều của từ trường ngoài

- Độ chính xác cao vì không có tổn hao trong lõi thép

- Khả năng quá tải kém vì cuộn dây phần động kích thước nhỏ

- Cấu tạo phức tạp đắt tiền

Để tăng độ nhạy người ta chế tạo cơ cấu sắt điện động (hình 8-6) trong đó cuộn dây phần tĩnh có lõi sắt từ, làm tăng từ thông của cuộn dây và do đó tăng mômen quay

6 Cơ cấu cảm ứng

a Cấu tạo

Phần tĩnh của cơ cấu có 2 cuộn dây lõi thép Cuộn dòng điện có tiết diện dây lớn, số vòng ít mắc nối tiếp với tải Cuộn điện áp có số vòng dây nhiều và tiết diện dây bé nối song song với tải (hình 8-9)

Phần động của cơ cấu là đĩa nhôm

gắn với trục quay và bộ phận chỉ thị

b Nguyên lý làm việc

Cho dòng điện i vào cuộn dòng

điện, sẽ tạo nên từ thông Φi trùng với

pha dòng điện, từ thông Φi xuyên qua

đĩa nhôm cảm ứng trong đĩa nhôm

dòng điện i1

Đặt điện áp vào cuộn điện áp, dòng

điện iu qua cuộn dây điện áp sẽ tạo nên

từ thông Φu Từ thông Φu làm cảm ứng

trong đĩa nhôm dòng i2

Dòng điện i1 nằm trong từ trường Bu, dòng điện i2 mằn trong từ trường Bi,chịu tác dụng lực tạo thành mô men làm đĩa nhôm quay Mômen quay được tính bằng biểu thức:

Mq =K.f.ΦuΦi.sinψ =KpUIcosϕ=Kp.P

Đĩa nhôm quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra mômen cản tỷ lệ với tốc độ quay: Mc = Kc.n Khi Mq = Mc thì đĩa quay với tốc độ đều:

Kp.P = Kc.n Tích phân 2 vế phương trình trên trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 ta có:

∫ = =∫2 =

1

c c

p 2

Hay là: N

K

KAP.t

p

c

=

= = CN (8-4)

Trong đó: A là điện năng tiêu thụ

N là số vòng quay của đĩa trong khoảng thời gian từ t1 đến t2

= C là hằng số của dụng cụ

c Đặc điểm của cơ cấu

- Số vòng quay của phần động tỷ lệ với điện năng tiêu thụ, nên cơ cấu được chế tạo làm công tơ đo điện năng

- Độ chính xác thấp vì khi làm việc dòng điện xoáy trong đĩa nhôm gây tổn hao công suất

- Cơ cấu phụ thuộc vào tần số

Đ8-3 Đo lường số

Ngày nay đo lường số là tiến bộ kỹ thuật quan trọng trong các dụng cụ đo vì

có độ chính xác cao và gắn liền với hệ thống tính toán, điều khiển tự động

1 Sơ đồ khối của chỉ thị số

Đaị lượng cần đo x được đưa vào bộ biến đổi, để biến đổi thành số xung N tỉ

lệ với độ lớn của x Số xung N được đưa vào bộ mã hoá thành tín hiệu cơ số

2-10, sau đó được xử lý, rồi đến bộ giải mã, tín hiệu mã 2-10 được biến đổi

sang cơ số 2, thì ta chia liên tiếp số cơ số

10 cho 2 và số dư trong phép chia đọc

ngược là số biểu diễn trong hệ 2

Các ký hiệu từ 0 ữ9 trong mã 10 đ−ợc biểu diễn sang mã 2, sau đó ghép vào mã 10 thành mã 2-10

Ví dụ: 12340 = 0001 0010 0011 0100 0000;

56789 = 0100 0101 0111 1000 1001

3 Bộ mã hoá.Thiết bị kỹ thuật để thực hịên mã hoá là trigơ

Trigơ có 2 đầu vào R và S, 2 đầu ra là Q và Q rất tiện cho việc mã hoá cơ số 2

Khi đ−a xung U vào cả 2 đầu của Trigơ thì ở 2 đầu ra cho 2 xung vuông ng−ợc pha nhau

Nếu nối liên tiếp các trigơ nh− hình8-11a thì tín hiệu ra có dạng 8-11b

Để thể hiện mã 2-10 ít nhất phải có 4 trigơ Các số mã 2-10 thể hiện bằng trigơ theo qui luật 2n với n là số trigơ Bốn trigơ thể hiện đuợc 16 số, muốn thể

10 số trong mã 2 -10 phải có phản hồi khi có xung thứ 9

Khi có xung thứ 9 thì tất cả các trigơ phải ở trạng thái 1 và khi có mã thứ 10, thì tất cả các trigơ phải chuyển về trạng thái 0 và đưa điều khiển sang 4 tri gơ tiếp theo, tương tự như đếm hết hàng đơn vị sang hàng chục

Hình 8-11a phản hồi thực hiện ở trigơ cuối trở về trigơ 3 và 2 Khi có xung thứ 8 vào thì đầu ra của trigơ 4 xuất hiện tín hiệu phản hồi về 2 và 3 đưa chúng

về trạng thái 1

Trigơ 4 Tri gơ 3 Tri gơ 2 Tri gơ 1

Luật làm việc của bộ giải mã 7 thanh như

sau: tín hiệu vào là mã 2-10, đầu ra là các vạch

d

e

a

c gf

dH8-12

LuËt lµm viÖc cña bé gi¶i m· 7 thanh

C¸c bé gi¶i m· ®−îc chÕ t¹o d−íi d¹ng vi m¹ch hä 74, vÝ dô vi m¹ch SN74247

Vi m¹ch SN74247 cã c¸c ®Çu ra hë cùc gãp Nã ®−îc dïng ®iÒu khiÓn bé chØ thÞ LED cã chung Anèt +5V, dßng Anèt tõ 5mA ÷ 20mA

Đó là một đèn neon gồm 1 anốt và 10 catốt có hình các số từ 0 đến 9 Khi có

điện áp giữa anốt và catốt nào thì catốt đó sẽ sáng lên và con số đó xuất hiện Ưu điểm của chỉ thị này là có độ sáng rõ, nhưng tiêu thụ công suất lớn, điện

áp cao Hiện nay không dùng nữa

b Chỉ thị diốt phát quang hoặc tinh thể lỏng 7 thanh (hình 8-12)

Điốt phát quang là chất bán dẫn phát sáng khi đặt vào điện áp một chiều, còn tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng thái trong suốt sang trạng thái mờ và ta có thể nhìn thấy màu sắc ở nền đằng sau Tinh thể lỏng tiêu thụ công suất rất nhỏ (0,1 àA một thanh) còn điốt phát quang là 10mA Hiện nay tinh thể lỏng được sử dụng nhiều dưới dạng vi mạch

Đ8- 4 Đo dòng điện và điện áp

Trong các đại lượng điện, dòng điện và điện áp là hai đại lượng cơ bản nhất có quan hệ chặt chẽ với nhau

1 Đo dòng điện

Để đo dòng điện ta mắc nối tiếp ampemét với mạch điện cần đo

Để đo dòng điện một chiều có thể dùng các ampemét từ điện và điện từ Để

mở rộng thang đo với dòng điện một chiều người ta dùng điện trở sơn RS nối song song với cơ cấu đo (hình 8-15)

Dòng điện qua cơ cấu đo là:

cc s

s A

RR

RI

I

+

=Trong đó: I là dòng điện cần do, Rcc là điện trở của cơ cấu đo

Nếu muốn mở rộng thang đo n lần tức là:

s

cc s

RRnI

Suy ra điện trở của sơn Rs là:

1n

W/2

dây tĩnh thành nhiều phần bằng nhau và có thể thay đổi cách nối để có các thang đo khác nhau.(hình 8-17)

Để đo dòng điện xoay chiều bằng dụng cụ từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều

Để đo dòng điện DC nhỏ thì dùng àA điện tử Hình 8-18 là sơ đồ nguyên lý của àA điện

(Ucc), là điện áp làm cho kim chỉ hết thang đo,

muốn mở rộng thang đo m lần nghĩa là U/Ucc = m

thì:

U

UU

R

R

cc

cc cc

p = ư = ư hay là Rp = Rcc (m - 1)

Trong đó: Rcc điện trở của cơ cấu

Khi cần đo điện áp lớn (cỡ kV) người ta dùng máy

biến điện áp để hạ điện áp cao xuống điện áp thấp

Để nâng cao độ chính xác của phép đo, người

Để đo U có tần số lớn, dùng vônmet điện tử Điện áp cần đo được chỉnh lưu

và đưa vào bộ khuyếch đại một chiều (hình 8-21)

Đầu ra của khuyếch

đại một chiều là cơ cấu

Để đo điện trở ta có thể dùng Ampemet đo dòng

điện I và Volmet đo điện áp U trên R Điện trở cần đo:

I

U

Rx =

Trên hình 8-22 có: Rx + Ra = U/I, điện trở Ampemet

Ra gây sai số của phép đo, nếu điện trở cần đo nhỏ thì

ảnh hưởng của điện trở Ampemet Ra càng lớn, vì thế sơ đồ dùng để đo điện trở trung bình và lớn

U

I= + do đó:

v v

v x

R

1UI

1U

IR

U.RR

ư

=

ư

Điện trở Volmet Rv gây sai số của phép đo, nếu

điện trở cần đo càng nhỏ thì điện trở Volmet Rv ảnh

( )x

x cc p

RfRRR

E

++

Trên hình 8-25 dòng điện

x 1 p1 1

Rrr

UI

++

Trong đó r1, r2 là điện trở của cuộn dây phần

động r , p1 r là điện trở phụ để điều chỉnh p2

Góc quay α của mêgômmét tỷ lệ với tỷ số của

hai dòng điện nghĩa là:

2 p2 2

1

Rrr

rrfI

Ifα

d Cầu điện trở

Để đo điện trở chính xác hơn thì dùng phương pháp so sánh với điện trở mẫu bằng cầu điện trở Hình 8-26 là sơ đồ của cầu đo điện trở, điện trở cần đo Rx là một nhánh của cầu, các điện trở mẫu R2, R3, R1 có thể điều chỉnh được Nguồn cung cấp E nối vào một đường chéo của cầu, còn đường chéo kia là cái chỉ không

Điều chỉnh các điện trở để điện kế chỉ không, khi đó cầu cân bằng nên:

x

R

RR

R = hay là

1

3 2 xR

RR

H8-25