Kỹ thuật đo lường 1 (phần 3) pptx

- Có thể coi mạch ño như là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính ñại số trên sơ ñồ mạch nhờ vào kĩ thuật ñiện tử theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị ño.. Giáo trình: kỹ thuật ño lư

Trang 1

Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật

Chương 3 MẠCH ðO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG THÔNG TIN ðO 3.1 Khái niệm chung

3.1.1 ðịnh nghĩa

- Mạch ño lường là thiết bị kỹ thuật 1àm nhiệm vụ biến ñổi, gia công thông tin ,

phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lí thống nhất

- Có thể coi mạch ño như là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính ñại số trên

sơ ñồ mạch nhờ vào kĩ thuật ñiện tử theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị ño

3.1.2 Phân loại mạch ño: Theo chức năng của các mạch ño mà ta có thể phân

thành nhiều loại mạch ño như sau:

- Mạch tỷ lệ: là mạch thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số k

Nghĩa là nếu ñại lượng vào là x thì ñại lượng ra là kx

ðại diện cho các loại này là: ñiện trở sun, bộ phân áp, máy biến áp, ,máy biến

dòng, v.v

- Mạch khuếch ñại: Cũng giống như mạch tỉ lệ mạch khuếch ñại làm nhiệm vụ

nhân thêm một hệ số K gọi là hệ sô khuếch ñại Tuy nhiên ở mạch khuếch ñại thì

thông thường, công suất ra lớn hơn công suất vào (ñiều này ngược với mạch tỉ lệ),

nghĩa là ñại lượng vào ñiều khiển ñại lượng ra

- Mạch gia công và tính toán: Bao gồm các mạch thực hiện các phép tính

ñại số như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân,v.v

- Mạch so sánh: là mạch so sánh giữa hai ñiện áp Mạch này thường ñược sử

dụng trong các thiết bị ño dùng phương pháp so sánh

- Mạch tạo hàm: Là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép ño nhằm

mục ñích tuyến tính hóa các ñặc tính của tín hiệu ño ở ñầu ra các bộ phận cảm biến

- Mạch biến ñổi A/D, D/A: là loại mạch biến ñổi từ tín hiệu ño tương tự thành

số và ngược lại, sử dụng cho kỹ thuật ño số và chế tạo các mạch ghép nối với máy

Là loại mạch thông dụng nhất ðối với mạch một chiều thường dùng mạch Sun, còn

ñối với mạch xoay chiều thường dùng biến dòng ñiện

Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 47

Version1 - Tháng 8 năm 2009

Trang 2

Ta có: ICT KI; thông thường KI > 1 và ñược gọi hệ số phân dòng ñiện

ðiện trở Sun Rs ñược tính theo công thức sau:

RS = RCT (3-1)

KI1

- Sun có cấu tạo như là ñiện trở 4 cực: 2 cực dòng và 2 cực áp Hai cực dòng

ñược ñưa dòng ñiện IS vào còn hai cực áp sẽ lấy áp ra mắc vào cơ cấu chỉ thị hoặc ñưa

tới mạch phía sau (h.3-2) Trên Sun thường ghi dòng ñiện IS có thể ñi qua nó và ñiện áp

ở ñầu ra là: Us = IsRs = (I - ICT) Rs và cấp chính xác

- ðể ñạt ñộ chính xác cao một Sun thường chỉ làm việc với một chỉ thị nhất ñịnh

và phải có dây nối ñã xác ñịnh ñiện trở ðể ñiều chỉnh ñiện trở Sun ta có thể xẻ rãnh

Trang 3

- ðể tính các ñiện trở R1, R2, R3, R4 ta có thể dựa vào biểu thức (3-1) như sau: Lập

hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:

Trong công nghiệp Sun ñược làm bằng vật liệu có ñiện trở rất ít phụ thuộc nhiệt ñộ

như Manganin Thường người ta chế tạo Sun với dòng ñiện từ vài mA ñiện áp Sun cỡ 60,

75, 100, 150 và 300 mV

- Ứng dụng: Sun ñược dùng chủ yếu trong mạch một chiều Trong mạch xoay

chiều có thể dùng khi tải là thuần trở Còn khi tải là ñiện kháng thì mắc phải sai số về

góc pha

ðiện trở Sun chủ yếu sử dụng ñể mở rộng thang ño trong các ampemet một

chiều

2 Biến dòng ñiện

Biến dòng ñiện (BI) là một máy biến áp ñặc biệt có

cuộn sơ cấp rất ít vòng cho dòng phụ tải trực tiếp chạy

qua; cuộn thứ cấp nhiều vòng hơn, dây nhỏ và ñược nối

kín mạch với một ampemet (hoặc cuộn dòng của công

tơ, wattmet ) Vì ñiện trở của ampemet rất nhỏ cho

nên có thể coi máy biến dòng luôn làm việc ở chế ñộ

Trang 4

Trang 5

Thông thường, ñể dễ dàng cho việc chế tạo và sử dụng, W1 chỉ có một vòng, ứng với

dòng ñiện I1 ở chế ñộ ñịnh mức theo một dãy số ưu tiên nào ñó; W2 nhiều vòng hơn ứng

với dòng I2 ở chế ñộ ñịnh mức là: I2ñm = 1A hoặc I2ñm = 5A

Ví dụ: máy biến dòng: 100/5 ; 200/5; 300/ 5…

Trong trường hợp ampemet nối hợp bộ với biến dòng ñiện thì số chỉ của ampemet

ñược khắc vạch theo giá trị dòng ñiện I1 phía sơ cấp

3.2.2 Mạch tỉ lệ về áp

1 Mạch phân áp

Là mạch phân ñiện áp, thường U1 lớn hơn U2 tức là công suất vào lớn hơn công suất ra

Ta phân biệt một số mạch như sau

Ta phân biệt hai trường hợp:

- Khi không có tải hay RT =  ta có:

Lúc tải là những cơ cấu ño có ñiện trở không ñổi, người ta dùng R2 là ñiện trở của

ngay bản thân cơ cấu, trong trường hợp này phân áp chỉ có ñiện trở R1 và ñược gọi là ñiện

trở phụ (h.3-6)

ðiện trở phụ ñược tính như sau:

Ở ñây m = Ux

UCT tỉ số giữa ñiện áp cần ño và ñiện áp trên cơ cấu chỉ thị

Trang 6

Nếu một Volmet có nhiều thang ño thì cách U3

tính các ñiện trở phụ như sau:

Thông thường ñó là một biến trở trượt ñược gắn thêm một thang chia ñộ, trên ấy

có khắc hệ số phân áp tương ứng với vị trí của nó Những biến trở trượt phân ñiện áp với

ñộ chính xác không cao (thường từ 1 - 5%)

Các phân áp có cấp chính xác cao (0,05 - 0,1) ñược chế tạo theo kiểu nhảy cấp

hoặc bố trí thành từng cấp thập phân (Hình 3-7) Vật liệu thường làm bằng dây ñiện trở

manganin có hệ số nhiệt ñiện trở thấp ðiện áp vào U1 cố ñịnh, còn ñiện áp ra biến thiên từ

0,0001 U1 ñến 0,9999U1

Trang 7

b, Mạch phân áp ñiện dung

Phân áp ñiện dung có thể dùng trong mạch xoay chiều, các tụ ñiện C1, C2 ñược

ghép nối tiếp với nhau và ñược ñặc trưng bằng ñiện dung C1, C2 cùng với các ñiện trở rò

R1, R2 theo mô hình thay thế song song(Hình 3-8)

Lúc này m không phụ thuộc vào tần số nữa Vì vậy mà phân áp ñiện dung

thường ñược sử dụng trong mạch có tần số cao

Mạch phân áp ñiện dung thường ñược sử dụng ñể giảm áp trong các mạch xoay

chiều ở ñầu vào và các vônmét ñiện tử xoay chiều hay các dao ñộng kí ñiện tử

c, Mạch phân áp ñiện cảm

ðặc ñiểm của mạch phân áp ñiện cảm là ñầu vào và ñầu ra ñược nối với nhau

bằng ñiện và bằng từ Hình 3-9 vẽ mạch phân áp ñiện cảm, có thể coi là một biến áp

tự ngẫu Muốn phân áp có ñộ chính xác cao, biến áp phải gần ñiều kiện lý tưởng Lúc

Trang 8

Trang 9

Ưu ñiểm của phân áp này là hệ số phân áp K ít thay ñổi lúc tải ñầu ra thay ñổi

Nhưng nhược ñiểm là tần số thay ñổi sẽ gây ra sai số tần số

2 Mạch biến ñiện áp ño lường(Bu)

Mạch biến ñiện áp cũng là hình thức của mạch phân áp ñiện cảm, chỉ khác là U1

có thể nhỏ hơn hay lớn hơn U2 (tức là Ku có thể lớn hơn hay nhỏ hơn 1) khi U2 > U1 ta

có biến áp tăng áp, U2 < U1 ta có biến áp hạ áp Các ñiện áp U1, U2 có thể liên hệ với

nhau cả về ñiện và từ (biến áp tự ngẫu) hoặc có thể chỉ nối nhau bằng từ và cách ñiện

Trong hướng dẫn sử dụng của biến ñiện áp thường chỉ rõ công suất ñịnh mức,

ñiện áp vào U1 và ñiện áp ra U2 và hệ số Ku, các ñầu nối của cuộn sơ cấp ñược lí hiệu

là A, X cuộn thứ cấp là a, x

Ngược với biến dòng ño lường ở biến áp ño lường sử dụng ở chế ñộ hở mạch

cuộn thứ cấp Vì thế cuộn thứ cấp thường ñược nối với Volmét có ñiện trở vào lớn

(Hình 3-10) ñể ño ñiện áp U2 sau ñó nhân với Ku ta có U1

ðiện áp ñịnh mức của cuộn thứ cấp

thường là 100V Còn ñiện áp ñịnh mức của

cuộn sơ cấp chính là ñiện áp cần ñi hay kiểm

tra

Cấp chính xác của biến áp ño lường là

0,05; 0,1; 0,2; 0,5

3.3 Mạch khuếch ñại ño lường

ðứng về phương diện gia công tin tức,

mạch khuếch ñại (Kð) cũng xem như một

biến áp ño lường ngược với mạch tỷ lệ là ở mạch Kð thường có công suất ra lớn hơn công suất vào Có thể

coi ñại lượng vào ñiều khiển ñại lượng ra ðây là ưu việt của mạch ñiện tử Nhờ có khuếch

ñại, người ta ñã tăng ñộ nhạy của các thiết bị ño lên rất nhiều cho phép ño ñược những

ñại lượng ño rất nhỏ mà trước kia không ño ñược

Trang 10

3.4.1 Mạch Kð lặp lại

Trong các thiết bị ño tín hiệu ño ñược lấy ra từ các bộ cảm biến có công suất ra rất

nhỏ Muốn khuếch ñại ñược những tín hiệu như vậy ñòi hỏi ñiện trở vào của bộ khuếch

ñại phải rất lớn ðể tạo ñược ñiều ñó thường ta sử dụng các mạch lặp lại ở ñầu vào (mạch

Ura

-EC

b)

Mạch lặp lại sử dụng tranzito bình thường (h.3-11a) ðặc ñiểm của mạch này là

ñiện trở vào lớn ñiện trở ra nhỏ Nhờ có phản hồi âm sâu hệ số Kð theo ñiện áp Ku = 1

C

b

 - là hệ số khuếch dòng của tranzito

- ðể tăng ñiện trở vào người ta sử dụng Kð thuật toán với phản hồi âm sâu

(Hình 3-11b)

Trang 11

Trang 12

Giáo trình: kỹ thuật ựo lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật

3.3.2 Mạch Kđ ựo lường

Trong các mạch ựo lường thường sử dụng bộ Kđ ựo lường đó là kết hợp giữa

các bộ lặp lại và các bộ Kđ ựiện áp Hình 3-12 chỉ rõ một bộ Kđ ựể ựo ựiện áp ra của

Có thể ựiều chỉnh bằng cách thay ựổi ựiện trở R2 điện áp vào ựược ựặt vào hai

ựầu của hai mạch lặp lại, như thế tạo khả năng ựo hiệu ựiện thế giữa hai ựầu vào này

so với ựất

Ở tầng thứ hai sử dụng IC3 có hệ số Kđ là:

K2 = R R

Trang 13

Trang 14

3.4 Mạch gia công tính toán

3.4.1 Mạch cộng

Là loại mạch thực hiện phép cộng Thông

thường là cộng ñiện áp

Hình 3-13 là sơ ñồ mạch cộng ñiện

áp dùng Kð thuật toán (KðTT) mắc theo

mạch ñảo dấu Tín hiệu ra Ura tỉ lệ với tổng

ñại số của các tín hiệu vào

i1 Hình 3-13: Mạch cộng ñiện áp với

Kð thuật toán ñảo dấu Trường hợp mắc theo sơ ñồ không ñảo dấu, ta có mạch ở hình 3-14

U1 2

U2 1

Un

(3-15)

R R

Hình 3-14: Mạch cộng ñiện áp R1

với KðTT không ñảo dấu

R4

Mạch Kð hiệu hai ñiện áp ở ñầu vào

thường sử dụng KðTT, trong mạch tổ hợp giữa

mạch ñảo dấu và không ñảo dấu (h.3-15)

Trang 15

Trang 16

1

Trong trường hợp này thì sai số của mạch là ít nhất Với mạch này thì ñiện trở

vào của hai ñầu vào không nhất thiết phải giống nhau ðiện trở vào ở mạch ñảo dấu

giống như ở mạch Kð ñảo dấu, còn ñiện trở vào ở mạch không ñảo dấu bằng tổng các ñiện

trở R2 và R3

3.4.3 Mạch nhân

Có rất nhiều trường hợp phải sử dụng mạch nhân như khi ño công suất P = UI

cos  hoặc phải nhân hai ñiện áp, v.v vì thế mạch nhân trong ño lường là rất quan

trọng

Trong ño lường phần tử nhân ñược dùng rộng rãi là phần tử ñiện ñộng, sắt ñiện

ñộng, và cảm ứng ñã ñược xét ở chương 2 Các mạch nhân này ñược dùng ñể chế tạo các

Wátmét ño công suất tác dụng và phàn kháng; chế tạo công tơ ñiện… Ngoài ra mạch

nhân còn có thể sử dụng chuyển ñổi Hôn (Hall) và các bộ nhân ñiện tử sử dụng các bộ

KðTT (do giới hạn của chương trình nên ta không xét)

3.4.4 Mạch chia

Mạch chia ñược sử dụng rộng rãi trong các phép ño gián tiếp Kết quả phép

chia có khi là một ñại lượng nhưng cũng có khi là con số không thứ nguyên thường ñặc

trưng cho phẩm chất Thông dụng nhất là các phương pháp: lôgômét, mạch cầu, mạch

chia ñiện tử,

* Mạch chia bằng cơ cấu chỉ thị logomet có góc quay tỷ lệ với tỷ số hai dòng

ñiện(chương 2)

* Mạch chia dựa trên mạch cầu cân

bằng là mạch lấy tỉ số giữa hai ñiện trở của

hai nhánh của cầu (h.3-16)

Khi cầu cân bằng ta có phương trình:

R3 thường là một biến trở có ñiện trở

toàn bộ là tâm của góc quay  = f1(R3)

Hình 3-16: Mạch cầu cân bằngsử

dụng làm mạch chia

Trang 17

4

R R

Một mạch tích phân ñược biểu diễn như hình 3-17

Quan hệ giữa ñiện áp vào và ra của bộ tích phân như sau:

Trong mạch này tốc ñộ thay ñổi

của ñiện áp ra tỉ lệ nghịch với hằng số

thời gian  = R1C

* Trường hợp khi tín hiệu vào thay

ñổi theo kiểu bậc thang thì tốc ñộ thay ñổi

c) Vi phân sử dụng KðTT

Trang 18

Trang 19

Tuy nhiên trong thực tế ñể nâng cao ñộ chính xác ta thường kết hợp mạch CR với

KðTT (h.3-18c) ðây là mạch Kð có phản hồi bằng ñiện trở ðiện áp ra của mạch vi phân

Trong kỹ thuật ño lường người ta sử dụng rất rộng rãi mạch so sánh

(Comparator) Dùng mạch so sánh là ñể phát hiện thời ñiểm bằng nhau của hai ñại

lượng vật lý nào ñó (ñiện áp chẳng hạn) Trong phương pháp ño kiểu so sánh thường sử

dụng mạch so sánh ñể phát hiện ñộ lệch khỏi ñiểm không của ñiện kế

Mạch so sánh ngày nay thường ñược sử dụng với bộ KðTT (khuếch ñại thuật

toán) mắc theo kiểu một ñầu vào hay hai ñầu vào, hoặc có thêm phản hồi dương nhỏ ñể

tạo ra ñặc tính trễ của bộ so sánh Mạch so sánh cũng có thể tạo ra bằng các ñiện trở mẫu

chẳng hạn mạch cầu, mạch ñiện thế kế với thiết bị chỉ thị lệch không bằng ñiện kế.Do

giới hạn của chương trình, ta chỉ xét một vài mạch so sánh cơ bản

Trang 20

3.5.1 Bộ so sánh các tín hiệu khác dấu bằng KðTT (khuếch ñại thuật toán) mắc

theo mạch một ñầu vào

Bộ so sánh tín hiệu một ñầu vào ñược

biểu diễn ở hình 3-19a ñể so sánh hai ñiện

áp vào khác dấu nhau Ở thời ñiểm cân bằng

ñiện áp ra Ura của mạch so sánh sẽ chuyển

sang một trạng thái khác.Quá trình chuyển

trạng thái ñó ñược biểu diễn ở hình 3-19b

Trước thời ñiểm  ñiện áp Uc nhỏ hơn ñiện

áp ñặt Esp (Set point) vì thế mà Esp sẽ quyết

ñịnh trạng thái ở ñầu ra Trong trường hợp

Kð rơi vào chế ñộ không ổn ñịnh tuyến tính

Việc chuyển trạng thái sẽ xẩy ra với một

thời ñiểm trễ nào ñấy  là thời gian phóng

của một tụ ñiện kí sinh nào ñấy của KðTT

Mạch cầu ñược xem như là một mạch so sánh ñiện trở Tuy nhiên thực chất là

ta biến thành sự so sánh hai mức ñiện thế Cấu tạo của mạch cầu gồm có: 4 ñiện trở R1,

c)

Hình 3-20: Mạch cầu ño

Trang 21

ðể ñạt ñược trạng thái cân bằng người ta thường ñiều chỉnh một trong 4 nhánh ñó

(ví dụ R2 chẳng hạn) Quá trình tìm cân bằng là quá trình ñiều chỉnh ñể so sánh hai ñiện

thế Uc và Ud Khi bằng nhau thì ñiện kế chỉ 0 ta có hệ thức(3-25) không phụ thuộc vào

ñiện áp nguồn Nếu chế tạo các ñiện trở chính xác (bằng vật liệu manganin) thì có thể sử

dụng mạch cầu ñể ño ñiện trở với ñộ chính xác cao

Thật vật giả sử thay R1 bằng ñiện trở cần ño Rx Ở trạng thái cân bằng ta có:

Nếu chọn R3 = R4 thì Rx = R2 ðây là phép ño ñiện trở với ñộ chính xác

cao Nguyên lý của phép ño thực hiện theo phương pháp so sánh cân bằng

5.5.3 Mạch ñiện thế kế

Là mạch ño dựa trên phương pháp so sánh cân bằng giữa hai ñiện áp: ñiện áp cần

ño Ux và ñiện áp mẫu EN Hình 3-21a là sơ ñồ khối của mạch ño ñiện thế kế ðiện áp Ux

ñược so sánh với ñiện áp EN Ở thời ñiểm bằng nhau ðọc EN suy ra Ux Hình

3-21b là sơ ñồ nguyên lý cụ thể

ðầu tiên bật công tác K sang vị trí 1 ñiều chỉnh R1 sao cho kìm ñiện kế chỉ 0 Lúc

ñó ta có:

EN = INRN hay IN = EN/RN là ñại lượng chính xác vì EN và RN là pin mẫu và

ñiện trở mẫu Bây giờ bật công tắc K sang vị trí 2 ñiều chỉnh Rx sao cho ñiện kế chỉ 0

Định dạng
Số trang	28
Dung lượng	1,06 MB