Kỹ thuật đo lường dòng điện và điện áp

Đo dòng điện trung bình và lớn: a, Đo dòng điện trung bình : Dòng điện trung bình là 1mA < Itb < 200 A Sử dụng trực tiếp các A.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo thích hợp

CHƯƠNG 3

3.1 ĐO DÒNG ĐIỆN 3.2 ĐO ĐIỆN ÁP

3.1 ĐO DÒNG ĐIỆN :

1.Yêu cầu cơ bản phép đo dòng điện :

Dụng cụ đo trực tiếp dòng điện gọi là

Am pemét

_ Khi chưa có A.mét:

I = U / Rt_ Khi có A.mét :

* Điện trở A.mét càng nhỏ phép đo càng chính xác

* A.mét phải có đặc tính động đáp ứng được dải tần số dòng điện cần đo

A

Khi đo A được mắc nối tiếp

với tải hay mạch điện cần đo dòng điện

 % = (I - IA).100% / I ≈ RA.100% / Rt

2 Cấu tạo A.mét :

a A.mét từ điện :

Mỗi chỉ thị từ điện khi chế tạo có các thông

số định mức :

* Im : dòng điện làm kim chỉ thị lệch hết thang đo( IFS )

* Rm : Điện trở cuộn dây

* Um : Điện áp định mức

_ Khi I < Im A.mét là một chỉ thị từ điện và RA = Rm

_ Khi I > Im mở rộng giới hạn cho chỉ thị bằng

cách mắc điện trở RS // với chỉ thị

Giá trị điện trở RS được xác định :

Với : n = I/Im hệ số mở rộng giới hạn đo

RA = RS.Rm

RS+Rm =

Rmn

Um

_ Điện trở RS được chế tạo bởi vật liệu có hệ số t0 nhỏ

_ Để chỉ thị có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở

RS theo sơ đồ :

+ Dùng RS nhiều cấp – vạn năng

+ Dùng R S nhiều cấp – vạn năng

_ Khi nhiệt độ thay đổi Rm của chỉ thị thay đổi làm thay đổi kết qủa đo gây

ra sai sốâ do nhiệt.

RS

Im RmI

Sai số nhiệt độ xác định theo công thức :

Để bù sai số nhiệt độ, người ta mắc điện trở Rb nối tiếp với cơ cấu đo :

_ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ

_ Khi dòng điện I ≤ Im dòng điện định mức cuộn dây phần tĩnh thì Ampemét là chỉ thị điện từ.

_ Khi I  Im phải mở rộng giá trị thang đo bằng cách phân đoạn cuộn dây phần tĩnh Thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau.

b Ampe mét điện từ:

Với : F = I.W = const Trong đó :

- F: Sức từ động của cuộn dây

- I: dòng điện chạy trong cuộn dây

- W: số vòng của cuộn dây

Ví dụ ; cuộn dây phân làm 4 đoạn

• Bài tập

Thường dùng để đo dòng điện miền tần số cao hơn tần số công nghiệp (cỡ

400  2000 HZ) Đồng thời như đã biết cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao với dòng điện xoay chiều, vì vậy Ampe mét điện động cũng có tính chính xác cao.

Có 2 loại sơ đồ mạch của Ampemét điện động:

* Khi dòng điện cần đo : I <= 0,5A thì

Ampemét có cuộn dây động và cuộn dây tĩnh

mắc nối tiếp.

* Khi dòng điện cần đo : I > 0,5A thì

Ampemét cuộn dây động và cuộn dây tĩnh mắc

song song với nhau.

là Ampe mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode

Icltb = 0,318.Imax = 0,318 2.I

Icltb = 0,637.Imax = 0,637 2.I

I2

3 Đo dòng điện trung bình và lớn:

a, Đo dòng điện trung bình :

Dòng điện trung bình là 1mA < Itb < 200 A

Sử dụng trực tiếp các A.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo thích hợp để đo.

b, Đo dòng điện lớn :

* Dòng điện một chiều: sử dụng các Ampe mét

một chiều kết hợp với điện trở sunh ngoài.

* Dòng điện xoay chiều: sử dụng các A.mét

xoay chiều kết hợp với biến dòng điện

Biến dòng điện là một máy biến áp đặc biệt làm

việc ở chế độ thứ cấp ngắn mạch

Kiđm = I1đm / I2đm

K iđm : Tỉ số biến dòng điện định mức

BI

Chú ý : - Tải nối vào thứ cấp biến dòng điện là các tải có gía trị

điện trở nhỏ

- Nếu BI có dòng điện ở sơ cấp mà không sử dụng thì phải

U V = E.R tđ / ( R+ R tđ )

3.2 ĐO ĐIỆN ÁP :

1.Yêu cầu cơ bản phép đo điện áp :

Dụng cụ đo trực tiếp điện áp gọi là V Mét

Khi đo V.mét được mắc song song với tải

hay mạch điện cần đo điện áp.

Vì vậy :

* Điện trở V.mét càng lớn phép đo càng chính xác

* V.mét phải có đặc tính động đáp ứng được dải tần số điện áp cần đo

_ Khi chưa có V.mét:

U = E.Rt / Rt + R

_ Khi có V.mét :

Phép đo phạm phải sai số :

2 Cấu tạo V.mét :

a, V.mét từ điện :

_ Khi U < Um V.mét là một chỉ thị từ điện và RV = Rm

_ Khi U > Um mở rộng giới hạn cho chỉ

thị bằng cách mắc điện trở RP nối tiếp với

Giá trị điện trở RP được xác định :

Với : m = U/Um hệ số mở rộng giới hạn đo

RV = m.Rm

Điện trở của vônmét :

chỉ thị từ điện

_ Để chỉ thị có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở

Rp theo sơ đồ :

+ Dùng Rp từng cấp + Dùng Rp nhiều cấp – vạn năng

Giá trị điện trở RP được xác định :

Với : mi = Ui / Um hệ số mở rộng giới hạn đo thứ i

Rpi = (mi – mi-1).Rm

Rp1 = (m1 – 1).Rm

Rp3 = (m3 – m2).Rm

RVi = mi.Rm

Điện trở của V.mét thay đổi theo giới hạn đo.Do vậy người ta thường

dùng trị số của độ nhạy SDC =  / VDC của V.mét để xác định tổng trở vào ơ’ mỗi giới hạn đo cho V.mét Rvi = Ui.SDC

là V.mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode

Ucltb = 0,318.Umax = 0,318 2.U

VOM DE-360TRe

Ta thường dùng để đo điện áp xoay chiều ở tần số công nghiệp Vì yêu cầu điện trở trong của Vôn mét lớn nên dòng điện chạy qua cuộn dây

Để mở rộng và tạo ra vônmét nhiều

thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn

dây các điện trở phụ (giống như trong

Vôn mét từ điện)

Khi đo điện áp xoay chiều ở 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 trở phụ

c.Vônmét điện từ:

Nó cấu tạo phần động giống Ampemét điện động, còn số lượng vòng dây ở

phần tĩnh nhiều hơn so với phần tĩnh Ampemét vì Vônmét yêu cầu điện trở trong

lớn,tiết diện dây phần tĩnh nhỏ Trong Vônmét điện động và cuộn dây tĩnh luôn mắc nối tiếp với nhau, tức là:

Người ta có thể chế tạo Vônmét điện động nhiều thang đo, bằng cách thay đổi mắc song song hoặc mắc nối tiếp hai phân đoạn cuộn dây tĩnh và nối tiếp với các điện

d.Vôn mét điện động :

3 Đo điện áp trung bình và lớn:

a, Đo điện áp trung bình :

Điện áp trung bình là các gía trị 200mV < Utb < 600 V

Sử dụng trực tiếp các V.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo thích hợp để đo.

b, Đo điện áp lớn :

* Điện áp một chiều: sử dụng các Vôn mét một

chiều kết hợp với điện trở phụ ngoài.

* Điện áp xoay chiều: sử dụng các V.mét xoay

chiều kết hợp với biến điện áp

Biến điện áp là một máy biến áp đặc biệt làm

việc ở chế độ thứ cấp hở mạch

U1 = Kuđm.U2

Thường U 2đm = 100 V

Vì vậy điện áp U 2 được đo bởi các V.mét thông thương

Kuđm = U1đm./ U2đm

K uđm : Tỉ số biến điện áp định mức

Chú ý : Tải nối vào thứ cấp biến điến áp là những tải có điện trở lớn :

V.mét, cuộn điện áp của các thiết bị đo

RV

3.3 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở :

1.Sơ đồ mạch đo :

B 1 : Nguồn cung cấp mạch đo

B 2 : Nguồn chuẩn

R 1 : Biến trở điều chỉnh

G: Điện kế từ điện

2.Nguyên lý đo :

a, Chuẩn trước khi đo:

• Khoá S để ở vị trí (1) Điều chỉnh R1 để G chỉ “O” B2 = VBC = RBC.I

I = B1 / ( R1 + RAB ) = B2/RBC

b, Khi đo :

Khoá S chuyển qua vị trí (2).Điện áp VX cần đo được so sánh với VAB

Điều chỉnh con chạy C để điện kế G chỉ “0” tức là :

VX = V/BC = R/BC I

Trên vạch đo của của biến trở RAB người ta khắc độ theo điện áp cần đo VX

3.Mạch đo thực tế :

3.4 Vôn mét điện tử đo điện áp DC :

Vôn mét điện tử là tập hợp của các bộ chỉnh lưu, khuyếch đại và cơ

cấu chỉ thị từ điện.

Sơ đồ khối V.mét điện tử đo điện áp DC

1, V.mét điện tử dùng Transistor :

Mạch đo dùng BJT

* Sơ đồ : _ Mạch đo: Q 1 ,Q 2 mắc vi sai _ Điện áp vào được đưa vào cực B 1 ,B 2 _ Điện áp ra lấy ở cực E 1 ,E 2

* Nguyên lý : _ Khi V i = 0, I B1 = I B2 , I E1 = I E2 , V E1 = V E2 ,

I m = 0 _ Khi V i ≠ 0, I B1 ≠ I B2 , I E1 ≠ I E2 , V E1 ≠ V E2 ,

Chỉ thị

Khuyếch đại có điều chế.

Mạch đo dùng JFET kênh N

1V

3V 10V 30V 100V

2, V.mét điện tử dùng JFET :

Mạch đo dùng BJT thường có điện trở đầu vào nhỏ Để có điện trở đầu vào lớn,người ta thường sử dụng BJT + mạch phân giới hạn đo hoặc sử dụng JFET kênh N

* Tổng trở vào của vôn mét là là tổng trở của mạch phân áp giới hạn đo

RV = R1+R2+R3+R4+R5 = 6M + 2.1M + 0.6M + 210K + 90K = 9 M

* Như vậy tổng trở của các V.mét điện tử không đổi theo giới hạn đo

3, V.mét điện tử dùng khuyếch đại thuật toán IC(Op-Amp) :

Vôn mét loại này dùng để đo những tín hiệu đo lường có trị số nhỏ hoặc

rất nhỏ,do vậy cần phải KĐ trước khi biến đổi tín hiệu.

Mạch KĐ loại này có đặc điểm:

_ Hệ số KĐ phù hợp với độ chính xác và độ tuyến tính cao

_ Hệ số KĐ phải ổn định với sự thay đổi của nhiệt độ

_ Sai số do trôi điểm 0 và điện áp Offset càng nhỏ càng tốt

* Mạch không có KĐ điện áp :

•* Mạch KĐ chuyển đổi điện áp sang dòng điện :

+

-I m

4, V.mét điện tử dùng phương pháp “Chopper”:

Khi đo các giá trị điện áp DC nhỏ cần phải dùng mạch khuyếch đại ghép

nhiều tầng để tăng hệ số khuyếch đại

* Nguyên lý :

_ Tín hiệu đo DC được đưa vào mạch khuếch đại điện áp có phối hợp trở kháng trước khi đưa vào mạch Chopper.

* Mạch đo được thực hiện như sơ đồ :

Để sự trôi điểm phân cực mỗi tầng độc lập nhau phải dùng cách ghép AC Cho nên tín hiệu đo DC được biến đổi sang AC và được khuyếch đại.

Như vậy sự trôi điểm phân cục ở

tầng đầu sẽ được các tầng sau khuyếch đại và sẽ lẫn vào tín hiệu đo

Mạch Chopper dùng JFET

_ Tín hiệu sau mạch Chopper là tín AC thay đổi (xung vuông) có biên độ là mức điện áp DC cần đo và có tần số là tần số của tín hiệu dao động Tín hiệu này được đưa vào mạch khuếch đại AC để khuếch đại lớn lên

_ Sau khi được khuyếch đại,tín hiệu này được đưa vào mạch giải điều chế để loại bỏ tín hiệu dao động chỉ lấy điện áp DC ( có kết hợp với mạch lọc hạ

thông ).

_ Tín hiệu DC được đưa vào mạch khuếch đại điện áp DC và đưa ra chỉ thị

hiển thị kết qủa phép đo.

Trong thực tế người ta thường sử dụng mạch Chopper dùng Phương pháp

quang hay JFET

Khi U GS > 0 thì JFET kênh N dẫn.

Khi V GS > V p thì JFET kênh P không dẫn Với V p : điện áp ngẽn của JFET kênh P.

JFET họat động như một khóa điện tử.

* Mạch Chopper dùng Phương pháp quang :

Mạch dao động tạo ra tín hiệu điều khiển 2 Diot phát quang D 5 ,D 6 tuần tự chớp tắt Hai diot quang (photo diot) D 1 ,D 3 cùng nhận nguồn phát từ D 5 và hai diot D 2 ,D 4 cùng nhận phát quang từ D 6

_ Tụ C s được nạp tới trị số đỉnh của xung vuông Sau đó mạch lọc sẽ loại bỏ tín

hiệu dao động để cho ra tín hiệu một chiều V 0

_ Sự dẫn của D 1 ,D 3 và không dẫn của D 2 ,D 4 hoặc sự dẫn của D 2 ,D 4 và không dẫn của

D 1 ,D 3 tạo xuất hiện sau diot D 4 một xung vuông được khuyếch đại lên.

_ Khi D 1 ,D 2 ,D 3 ,D 4 cùng nhận được ánh sáng chiếu vào xem như tiếp điểm đóng

còn khi không nhận được ánh sáng xem như tiếp điểm hở

3.5õ Vôn mét điện tử đo điện áp AC :

1 Khái niệm :

Để đo điện áp xoay chiều, chúng ta phải chỉnh lưu các điện áp này

thành một chiều và trị số đo thường được đọc theo trị hiệu dụng.

t

U AC

U

U max

Các hệ số biến đổi :

* Hệ số hình dạng :

UmaxU =

• Bài tập

Đối với tín hiệu hình sin - Chỉnh lưu 1/2 chu kỳ k f = 2,22

- Chỉnh lưu toàn chu kỳ k f = 1,11

Người ta có thể thực hiện theo :

2 V.mét điện tử đo điện áp AC :

a Phương pháp chỉnh lưu trị trung bình:

V.mét đo điện áp AC

Im = (icltbxR1)/R2

Im = Vđo-cltb/R2

Vi = icltb x R1

b Phương pháp trị hiệu dụng thực :

Người ta thực hiện theo sơ đồ :

- Mạch nhân để có trị bình phương

- Mạch lấy trị trung bình

- Mạch lấy căn bậc hai để có trị hiệu

C

Bình phương Trung bình Căn bậc hai

Vhd (RMS )

Phương pháp trị hiệu dụng thực

thường dùng trong thực tế là bộ

biến đổi nhiệt để chuyển đổi trị

hiệu dụng của tín hiệu cần đo ở

dạng và tần số bất kỳ sang tín

hiệu một chiều.

Mạch đo trị hiệu dụng dùng bộ

chuyển đổi nhiệt

V đo

Bộ chuyển đổi Cặp nhiệt

c Phương pháp trị số đỉnh :

Mạch biến đổi trị số tín hiệu đo thành tín hiệu DC có trị số bằng tri số đỉnh bằng mạch nhân đôi điện áp hoặc mạch kẹp.

Mạch đo điện áp AC dùng mạch nhân đôi điện áp

- Mạch dùng JEF kênh N

làmnhiệm vụ mạch đệm.

- Mạch nhân đôi điện áp gồm:

C 1 , C 2 , D 1 ,D 2 .

- Biến trở R C dùng để điều chỉnh

điện áp ra của mạch.

Mạch kẹp dương và mạch lọc hạ thông

- Mạch kẹp dương: dùng C 1 ,D 1

- Mạch lọc hạ thông : dùng R 1 ,C 2

Điện áp DC ra âm V 1 = - 2V p +V D Điện áp DC ra âm V 2 = - V p

+V đo

-V đo

V D 0V

-2V o +V D

-V p = V 2 0V

Mạch đo điện áp DC

Mạch đo trị số đỉnh thường dùng trong các V.mét điện tử:

Mạch đo trị số đỉnh có hồi tiếp

-Khi e(t) < V D diot ngưng dẫn

-Khi e(t) > V D diot dẫn và tụ C được nạp đến điện thế đỉnh E m

-Mạch khuyếch đại A 2 có (k=1) ngăn cách C với điện áp ngõ ra

-Khóa K có nhiệm vụ xả điện cho tụ chuẩn bị cho chu trình đo sau.

-Điện trở R 1 không cho mạch KĐ A 1 dao động khi C nạp điện.

-Khuyết điểm của mạch là đáp ứng tần số của mạch bị giới hạn do hiện tương bão hòa của mạch KĐ A1 khi e(t) < V C .

Mạch khuyếch đại A1 là mạch KĐ đảo dấu Khi e(t) > - VC, V1<0 và D1 dẫn Sự hồi tiếp trong hai mạch khuyếch đại cho ra một điện áp E = - E m Điện áp rơi trên diot và điện áp sai lệch (do không đối xứng) của mạch KĐ A2 bị loại bỏ Khi e(t) giảm, V1 tăng làm D2 dẫn để tránh sự bão hoà của Mạch KĐ A1 Trị số đỉnh dương của e(t) được đảo dấu và nạp vào tụ C Như vậy không có dòng rỉ nào qua diot và tổng trở vào rất lớn của A2.

Mạch đo trị số đỉnh không có hồi tiếp

A1

A2

A1

A2

3.6 V.mét Chỉ thị số :

2.Nguyên lý :

_ Đại lượng cần đo X(t) qua bộ biến đổi (BĐX) thành xung,số xung N tỷ

lệ với độ lớn X(t) được đưa vào bộ giải mã hóa (MH), bộ gỉai mã (GM)

và đến chỉ thị số Các khâu mã hóa,giải mã và đèn hiện số tạo thành

bộ chỉ thị số

_ Mã số : Mã số là nhũng ký hiệu về tập hợp số,từ tổ hợp của ký hiệu ta có thể đọc bất kỳ con số nào.

+ Mã cơ số 10 : mã thập phân có 10 ký tự ( 10 số )

+ Mã cơ số 2 : là mã có hai trạng thái 0,1

+ Mã 2 – 10 : Mã BCD là sự liên hệ giữa mã cơ số 2 và 10

_ Mạch đếm : dùng để đếm các trạng thái Để tiện quan sát và dễ đọc

người ta thường dùng thang đếm 10.

_ Chỉ thị số : là sự thể hiện các trạng thái bằng các con số Thường dùng là LED 7 đoạn.

_ Bộ giải mã : là bộ biến đổi từ mã cơ số 2 hoặc 2-10 thành cơ số 10 Các bộ giải mã thường chế tạo dưới dạng vi mạch (IC)

a Vôn mét số chuyển đổi thời gian :

Đến thời điển t 2 khi U X = U K , thiết bị SS phát xung tác động lên Trigiơ đóng khóa K.

với thời gian từ t 1 đến t 2 bộ đếm đếm được N xung

b Vôn mét số chuyển đổi tần số : U K

= 1

2 U 0 dt

T K 0

1

1 U X dt = U 2

T K 0

Khi K 1 mở các xung có tần số f x được đưa vào bộ đếm trong thời gian T mở bộ đếm

đếm được N số xung.

•3.7 Am pe kế điện tử đo dòng điện :

1.A.mét điện tử đo dòng DC :

2.A.mét điện tử đo dòng AC

Nguyên lý các A.mét điện tử đo dòng điện DC là biến đổi dòng điện DC thành điện áp DC bằng cách cho dòng điện Iđo qua các điện trở Rs theo sơ đồ

Nguyên lý các A.mét điện tử đo dòng điện AC là biến đổi dòng điện IAC thành điện áp VAC bằng cách cho dòng điện Iđoqua các điện trở Rs theo sơ đồ Sau đó chỉnh lưu điện áp VAC thành VDC và đo điện áp DC này để suy ra dòng điện IACcần đo.

1 Đo điện áp bằng Dao động ký điện tử :

- Điện áp Ux cần đo được đưa vào trục Y

- Điều chỉnh các nút điều khiển của DĐK

để trên OSC xuất hiện dạng tín hiệu

Tính chiều cao điện áp cần đo :

h = SY.n -S Y : hằng số đọc trên nút điều

Dao động ký

3.8 Đo dòng điện và điện áp nhỏ

2 Đo điện áp bằng phương pháp cân bằng bù :

_ UK: Là điện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở RK khá chính xác.

_ CT: là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp U = Ux – UK gọi là cơ quan chỉ không

Có các loại bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tạo điện áp mẫu UK.

a Sơ đồ :

,nếu U  0 thì điều chỉnh con trượt D của điện trở mẫu RK sao cho U = 0 tức Ux = UK

b Nguyên lý :

_ Khi đo người ta so sánh Ux và UK

_ Đọc kết quả trên điện trở mẫu RK đã được khắc độ theo điện áp cần đo