Bai giang do luong dien TBD

Để đo những đại lượng không điện, nói chung ta phải sử dụng những mạch chuyển đổi để biến những đại lượng này thành dòng điện hoặc điện áp rồi áp dụng phương pháp đo như đối với đại lượn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÕN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG MÔN

ĐO LƯỜNG ĐIỆN & THIẾT BỊ ĐO

ĐỖ QUANG ĐẠO Tháng 12 năm 2012

MỤC LỤC Chương 1

KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG 1

1.1.1 Đại lượng điện 1

1.1.2 Đại lượng không điện: 1

1.2 CHỨC NĂNG, ĐẶC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ĐO 2

1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 2

1.4 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 2

1.4.1 Định nghĩa sai số trong đo lường 2

1.4.2 Các loại sai số và các nguồn gây ra sai số 3

1.4.3 Giới hạn của sai số 7

1.5 NHỮNG PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 8

1.6 LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƯỜNG 8

1.7 SỰ LỰA CHỌN, TÍNH CẨN THẬN VÀ CÁCH DÙNG THIẾT BỊ ĐO 9

1.8 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG 10

1.8.1 Hệ thống đo lường dạng tương tự (Analog) 10

1.8.2 Hệ thống đo lường dạng số (Digital) 11

1.8.3 Tính linh hoạt trong sự điều khiển từ xa thiết bị đo lường 12

Chương 2 CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG 2.1 CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM 1

2.1.1 Cơ cấu từ điện 1

2.1.2 Cơ cấu điện từ 3

2.1.3 Cơ cấu điện động 5

2.1.4 Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ cơ điện 7

2.2 THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ 7

2.2.1 Cơ sở chung của các cơ cấu chỉ thị số 7

2.2.2 Thiết bị hiện số 7

Chương 3 ĐO DÕNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 3.1 ĐO DÕNG MỘT CHIỀU (DC) – DÕNG XOAY CHIỀU (AC) 10

3.1.1 Đo dòng DC 10

3.1.2 Đo dòng AC 13

3.1.3 Ảnh hưởng của Ampe kế đến mạch đo 15

3.2 ĐO ĐIỆN ÁP DC – AC 16

3.2.1 Đo điện áp DC 16

3.1.2 Đo điện áp AC 18

3.1.3 Ảnh hưởng của Vôn kế đến mạch đo 20

3.3 ĐO ĐIỆN ÁP DC BẰNG BIẾN TRỞ 21

3.3.1 Mạch đo thực tế 21

3.3.2 Mạch đo có trị số cụ thể 22

3.4 VÔN KẾ ĐIỆN TỬ DC 23

3.4.1 Đo điện áp DC dùng Transistor 23

3.4.2 Đo điện áp DC dùng FET 24

3.4.3 Đo điện áp DC dùng khuếch đại thuật toán (Op-amp) 24

3.4.4 Đo điện áp DC giá trị nhỏ dùng phương pháp “Chopper” 25

3.5 VÔN KẾ ĐIỆN TỬ AC 26

3.5.1 Khái quát 26

3.5.2 Phương pháp chỉnh lưu diode 26

3.5.3 Phương pháp trị hiệu dụng thực 26

3.5.4 Phương pháp trị đỉnh 27

3.6 AMPE KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÕNG DC-AC 27

3.6.1 Đo dòng DC 27

3.6.2 Đo dòng AC 28

3.7 CÁC MẠCH ĐO DÕNG VÀ ĐO ÁP THÔNG DỤNG 28

3.7.1 Mạch đo dòng điện 28

3.7.2 Mạch đo điện áp 30

Chương 4 ĐO ĐIỆN TRỞ 4.1 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VÔN KẾ VÀ AMPE KẾ 32

4.2 MẠCH ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG OHM KẾ 32

4.3 CẦU WHEATSTONE 35

4.3.1 Cầu Wheatstone cân bằng 35

4.3.2 Cầu Wheatstone không cân bằng 36

4.4 CẦU ĐÔI KELVIN 37

4.5 ĐO ĐIỆN TRỞ CÓ TRỊ SỐ LỚN 38

4.5.1 Phương pháp đo điện trở lớn dùng vôn-kế và microampe-kế 38

4.5.2 Mega ohm chuyên dụng 40

4.6 ĐO ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT 42

4.6.1 Khái niệm cơ bản 42

4.6.2 Mạch đo điện trở đất 43

Chương 5 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM, HỖ CẢM 5.1 ĐO C, L VÀ M DÙNG VÔN KẾ, AMPE KẾ 50

5.1.1 Đo tụ điện 50

5.1.2 Đo điện cảm 50

5.1.3 Đo hỗ cảm 51

5.2 ĐO C VÀ L DÙNG CẦU ĐO 52

5.2.1 Cầu Wheatstone xoay chiều 52

5.2.2 Cầu đơn giản đo C và L 53

5.2.3 Cầu đo LC phổ quát 54

Chương 6 ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 6.1 ĐO CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU (DC) 56

6.1.1 Phương pháp dùng Vôn kế và Ampe kế 56

6.1.2 Dùng Watt kế 57

6.2 ĐO CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU (AC) MỘT PHA 57

6.2.1 Dùng Vôn kế và Ampe kế 57

6.2.2 Dùng Watt kế 58

6.2.3 Dùng phối hợp Biến dòng, Biến áp kết hợp Watt kế điện động 58

6.2.4 Đo công suất hiệu dụng của tải Bằng Bộ Biến đổi nhiệt điện 58

6.3 ĐO CÔNG SUẤT TẢI BA PHA 59

6.4 ĐO CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA TẢI 59

6.4.1 Công suất phản kháng tải một pha 59

6.4.2 Công suất phản kháng tải ba pha 60

6.5 ĐO ĐIỆN NĂNG 60

6.5.1 Điện năng kế một pha 60

6.5.2 Điện năng kế ba pha 60

6.6 ĐO CÔNG SUẤT, ĐIỆN NĂNG BẰNG WATT MET, CÔNG-TƠ ĐIỆN TỬ (SV tự tham khảo sách) 61

6.7 ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT (Cos) 61

6.7.1 Đo cos dùng Vôn kế và Ampe kế 61

6.7.2 Cos kế dùng cơ cấu điện động 61

6.8 THIẾT BỊ CHỈ THỊ ĐỒNG BỘ HÓA (SYNCHRONOSCOPE) 61

6.9 TẦN SỐ KẾ (SV tự tham khảo sách) 62

6.10 MẠCH ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG, HỆ SỐ CÔNG SUẤT, TẦN SỐ THÔNG DỤNG 62

6.10.1 Mạch đo công suất 64

6.10.2 Mạch đo điện năng xoay chiều 65

6.10.3 Mạch đo hệ số công suất 68

6.10.4 Mạch đo tần số 69

Chương 7 DAO ĐỘNG KÝ 7.1 ỐNG PHÓNG ĐIỆN TỬ (CRT – CATHODE RAY TUBE) 70

7.2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG DAO ĐỘNG KÝ 70

7.2.1 Sơ đồ chung 70

7.2.2 Khối khuếch đại Y 70

7.2.3 Khối khuếch đại X 71

7.3 SỰ TẠO ẢNH TRÊN MÀN HÌNH DAO ĐỘNG KÝ 71

7.3.1 Tín hiệu vào trục X, Y 71

7.3.2 Sự đồng bộ giữa X(t) và Y(t) 71

7.4 DAO ĐỘNG KÝ HAI TIA 72

7.4.1 Cấu tạo 72

7.4.2 Sơ đồ khối 72

7.5 ĐẦU ĐO 73

7.6 BỘ TẠO TRỄ 73

7.7 DAO ĐỘNG KÝ SỐ VÀ DAO ĐỘNG KÝ CƠ, ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ (SV tự tham khảo sách) 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

 Đại lượng điện (Electrical Measurand)

 Đại lượng không điện (Non-Electrical Measurand)

Hình 1.1: Mô hình thiết bị đo

1.1.1 Đại lượng điện:

Đại lượng điện được chia làm 2 loại:

những đại lượng mang năng lượng điện Khi đo các đại lượng này, năng lượng của những đại lượng cần đo này sẽ cung cấp cho các mạch đo

các đại lượng này, bản thân chúng không mang năng lượng cho nên cần phải cung cấp dòng hoặc áp khi đưa các đại lượng này vào mạch đo

1.1.2 Đại lượng không điện:

Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ

ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc, …) Để đo những đại lượng không điện, nói chung ta phải sử dụng những mạch chuyển đổi để biến những đại lượng này thành dòng điện hoặc điện áp rồi áp dụng phương pháp đo như đối với đại lượng điện

Hình 1.2: Mô hình thiết bị đo thực tế, sử dụng máy tính

1.2 CHỨC NĂNG, ĐẶC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ĐO:

Chức năng và đặc điểm cơ bản của thiết bị đo nói chung là cung cấp thông tin chính xác và kịp thời về đại lượng đang được khảo sát Kết quả đo có thể được lưu trữ, hiển thị

và truyền để điều khiển

1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG:

Sự chính xác của thiết bị đo lường được xác định thông qua việc chuẩn hóa (calibration) khi thiết bị được xuất xưởng Việc chuẩn hóa được xác định thông qua 4 cấp như sau:

 Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International Standard) Các thiết bị đo lường muốn

được cấp chuẩn quốc tế đều phải được thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế tại Paris (Pháp) Những thiết bị đo được chuẩn hóa theo cấp 1 đều được định kỳ kiểm tra và đánh giá định kỳ

 Cấp 2: Chuẩn quốc gia (National Standard) Các thiết bị đo lường tại các

Viện định chuẩn quốc gia ở các nước trên thế giới được định theo chuẩn quốc tế

và các thiết bị đo lường trong một quốc gia được Viện định chuẩn quốc gia kiểm tra, đánh giá và cấp giấy chứng nhận đạt chuẩn

 Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone Standard) Trong một quốc gia có thể có nhiều

chuẩn khu vực, và thiết bị dùng để định chuẩn đều phải đạt Chuẩn quốc gia (Cấp 2)

 Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm (Laboratory Standard) Trong một khu vực

có thể có nhiều phòng thí nghiệm được cấp phép để định chuẩn cho các thiết bị dùng trong công nghiệp

Tóm lại: Thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được chuẩn hóa tại cấp nào sẽ mang

chất lượng tiêu chuẩn đo lường của cấp đó Ngoài ra, để đảm bảo độ chính xác và tin cậy, các thiết bị đo lường đều phải định kỳ chuẩn hóa

1.4 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG:

1.4.1 Định nghĩa sai số trong đo lường:

(expected value) Nhìn chung, một giá trị đo lường bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số, dẫn đến kết quả đo có thể không đúng như mong muốn Có 3 loại sai số cơ bản: sai số chủ quan, sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

1.4.2 Các loại sai số và các nguồn gây ra sai số:

 Sai số chủ quan xảy ra do lỗi của người sử dụng thiết bị đo và phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả hoặc ghi kết quả không đúng theo quy trình họat động của thiết bị đo

 Sai số hệ thống phụ thuộc vào thiết bị đo, cũng như điều kiện môi trường Ngoài sai số chủ quan và sai số hệ thống thì sai số còn lại được phân loại là sai

số ngẫu nhiên Đối với sai số ngẫu nhiên, việc đánh giá cũng như phân tích được thực hiện dựa vào phương pháp thống kê

 Các nguồn gây sai số:

XYe

n

n n r

Y

XY1

%100

V1

 Độ chính xác tương đối:

98,002,01

X

XX

Trong đó:

1,10197

Vậy tính chính xác của phép đo lần thứ 10 là 96%

 Phân tích thống kê trong đo lường Lý thuyết thống kê được áp dụng để phân tích độ chính xác của một thiết bị đo hoặc phép đo thông qua những giá trị nhận được Thông qua việc phân tích số liệu giá trị nhận được, ta có thể biết độ chính xác của phép đo hoặc của thiết bị đo và từ đó có thể đưa ra được những sự thay đổi/điều chỉnh để phép đo hoặc thiết bị đo đạt kết quả chính xác hơn trong

 Trị số trung bình:

n

xx

dn  n

n

dd

dσ

2 n 2

2 2

+ Nếu số lần đo nhỏ hơn 30 (n < 30):

1n

dd

dσ

2 n 2

2 2 1

dd

d3

2e

2 n 2

2 2 1

1,1188,1174,1182,1181175,1162,1182,116

Độ lệch:

Độ lệch trung bình:

mm7,08

5,02,08,06,06,01,16,04,1

Độ lệch chuẩn:

mm86,0

18

)5,0()2,0()8,0()6,0()6,0()1,1()6,0()4,1(

Bài giải:

Trị số trung bình:

10

2,1545,141,1585,151,1685,1475,1445,151,1535,14

-1,4 0,6 -1,1 -0,6 0,6 0,8 0,2 0,5

Độ lệch:

Độ lệch trung bình:

V42,0

10

08,067,033

,022,077,0D

110

)08,0()67,0()

33,0()22,0()77,0(σ

2 2

2 2

)110(10

)08,0()67,0()

33,0()22,0()77,0(3

2e

2 2

2 2

2 Rd

1.4.3 Giới hạn của sai số:

Phần lớn các nhà sản xuất thường xác định sai số của thiết bị đo bằng sai số tầm đo,

-0,77 -0,02 0,33 -0,37 -0,27 0,98 0,73 -0,02 -0,67 0,08

tế sai số thực của thiết bị đo có thể nhỏ hơn giá trị này

Ví dụ: Vôn-kế có sai số tầm đo ± 2% ở tầm đo (thang đo) 300V Tính giới hạn sai

Ví dụ: Vôn-kế và ampe-kế được dùng để xác định công suất tiêu thụ của điện trở

Cả hai thiết bị này đều ở sai số tầm đo ± 1% Nếu vôn-kế được đọc ở tầm đo 150V có chỉ

thị 80V và ampe-kế được đọc ở tầm đo 100mA là 70mA

Giới hạn sai số tầm đo của vôn-kế: 150V × 1% = 1,5V

80

5,1

1.5 NHỮNG PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ:

Tổng quát thiết bị đo điện tử thường được cấu tạo bằng ba phần như sau:

Hình 1.3: Sơ đồ khối thiết bị đo điện tử

Cảm biến: Phần tử biến đổi các đại lượng đo không điện sang đại lượng điện Bộ

phận này chỉ có khi thiết bị đo điện tử đo các đại lượng trong công nghiệp

Bộ chế biến tín hiệu: Biến đổi tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở, ) cho

phù hợp với bộ chỉ kết quả Bộ này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch điều hợp tổng trở, mạch khuếch đại tín hiệu đủ lớn cho bộ chỉ thị kết quả Có thể là mạch cầu đo (đối với đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung) Ngoài ra trong bộ chế biến có thể là mạch lọc, mạch chỉnh lưu, mạch sửa dạng tín hiệu, mạch chopper, mạch biến đổi tín hiệu A/D,

Bộ chỉ thị kết quả: Trong phần này kết quả đo được chỉ thị dưới hai hình thức kim

hoặc số hiển thị

1.6 LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƯỜNG:

Trong quá khứ lợi ích thiết thực của cơ học và quang học đã giúp ích cho kỹ thuật

đo lường Hiện tại và tương lai điện tử đã và đóng góp rất nhiều trong sự phát triển cho thiết bị đo lường Các đại lượng điện và đại lượng không điện được cảm biến đo lường chuyển đổi sang tín hiệu điện Các tín hiệu này được các mạch điện tử chế biến cho phù hợp với mạch đo, mạch thu thập dữ liệu đo lường Ngày nay chúng ta không còn nghi ngờ

gì về những ưu điểm của mạch điện tử:

1.7 SỰ LỰA CHỌN, TÍNH CẨN THẬN VÀ CÁCH DÙNG THIẾT BỊ ĐO:

Có những thiết bị đo rất tốt, rất chính xác nhưng sẽ cho kết quả sai hoặc không chính xác nếu chúng ta không biết sử dụng hoặc sử dụng không đúng qui định của thiết bị

đo Do đó chúng ta phải quan tâm đến cách thức và qui trình sử dụng của từng thiết bị đo Ngoài ra chúng ta phải chọn thiết bị đo cho phù hợp với đại lượng đo

Phần lớn các thiết bị đo có độ nhạy cao tương đối phức tạp, đòi hỏi chúng ta cẩn thận khi sử dụng nếu không dễ gây ra hư hỏng hoặc làm cho thiết bị đo không chính xác Vậy bắt buộc người sử dụng phải đọc và tìm hiểu kỹ đặc tính, cách sử dụng, qui trình hoạt động của máy trước khi cho máy bắt đầu hoạt động Lựa chọn thiết bị đo phải phù hợp với mức độ chính xác theo yêu cầu của đại lượng đo Vì mức độ chính xác và độ nhạy của thiết

bị có liên quan trực tiếp với giá tiền của máy Nghĩa là máy càng chính xác, càng nhạy thì giá càng cao Nhiều khi theo yêu cầu của đại lượng đo không cần dùng đến thiết bị quá nhạy hoặc độ chính xác quá cao Khi sử dụng máy phải cẩn thận, tránh nguy hiểm cho máy

đo vì quá tầm đo hoặc bị chấn động cơ học (do di chuyển hoặc va chạm cơ học, ), thường đối với thiết bị chỉ kim Ngoài ra phải lưu ý đến điều kiện của tải phối hợp với thiết bị đo (đối với thiết bị đo điện tử) ví dụ như: đáp ứng tần số, phối hợp trở kháng, Nếu không thỏa các điều kiện này cũng gây ra sai số thiết bị đo

Để tránh hư hỏng cho thiết bị đo, luôn luôn đòi hỏi người sử dụng máy phải đọc qua và hiểu rõ Tài liệu chỉ dẫn (Service manual) cho những thiết bị đo mới sử dụng lần đầu

1.8 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG:

1.8.1 Hệ thống đo lường dạng tương tự (Analog):

 Hệ thống đo lường một kênh (hình 1.4)

Hình 1.4: Hệ thống đo lường tương tự (Analog)

Tín hiệu đo được tạo ra từ cảm biến đo lường (transducer) do đại lượng đo tác động vào Tín hiệu này đi qua mạch chế biến tín hiệu (signal conditioner) Sau đó đi vào bộ phận trình bày kết quả (display) và thiết bị ghi (record) để cho bộ phận đọc kết quả sử dụng ngay kết quả đo này Ngoài ra hệ thống đo lường còn liên kết với hệ thống điều khiển tự động bằng cách lấy tín hiệu đo ở ngõ ra của mạch chế biến tín hiệu đưa qua mạch so sánh với tín hiệu chuẩn để điều khiển đối tượng (đại lượng) đang được đo

Ví dụ: đại lượng đo là nhiệt độ thì đối tượng điều khiển cũng là nhiệt độ

 Hệ thống đo lường nhiều kênh:

Trong trường hợp cần đo nhiều đại lượng đo, mỗi đại lượng đo ở một kênh Như vậy sau mỗi tín hiệu đo được lấy ra từ mạch chế biến tín hiệu ở mỗi kênh sẽ đưa qua mạch phân kênh (multiplexer) để được sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền (dây dẫn hay vô tuyến) Để có sự phân biệt các đại lượng đo, trước khi đưa vào mạch phân kênh cần phải mã hóa hoặc điều chế (Modulation – MOD) theo tần số khác

giải mã hoặc giải điều chế (demodulation – DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo Đây cũng

là hình thức đo lường từ xa (telemety) cho nhiều đại lượng đo

Hình 1.5: Hệ thống đo lường tương đồng nhiều kênh

1.8.2 Hệ thống đo lường dạng số (Digital):

đích xử lý nhanh tín hiệu đo, chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng analog khi truyền đi xa Cách ly tốt hơn và dễ thực hiện hơn nếu dùng phương pháp quang học (dùng cách thức ghép bằng tín hiệu quang) Đây cũng là hình thức thường dùng hiện nay

Với sự phát triển của máy tính cá nhân, hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số dùng

PC để tự động hóa hệ thống đo lường ở mức độ cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng Do

đó, chúng ta bước sang một giai đoạn mới Máy tính hóa thiết bị đo lường

Trong hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số, tín hiệu dạng Analog được chuyển đổi sang tín hiệu dạng số (digital) bằng các mạch ADC (analog digital converter) để cho bộ vi

(digital analog converter) để chuyển đổi lại

Ngoài ra hệ thống đo lường dạng số còn có ưu điểm là sự hoạt động thông minh nhờ vào chương trình phần mềm (software) cài đặt vào máy tính để xử lý tín hiệu đo lường

và điều khiển hệ thống tự động hóa

Hình 1.6: Hệ thống đo lường số kết hợp với P

1.8.3 Tính linh hoạt trong sự điều khiển từ xa thiết bị đo lường:

Hệ thống đo lường dạng số nhờ sự kết nối với máy tính, đã điều khiển từ xa (remote) các chức năng của hệ thống đo lường bằng cách sử dụng các đường truyền số liệu

Như máy tính PC điều khiển thiết bị đo lường thông qua bộ giao tiếp chuẩn (interface bus standard) thông dụng là IE 488 hoặc RS232C Phần giao tiếp truyền số đa năng (GPIB - general purpose interface bus) được thiết kế để thực hiện sự điều khiển

Chương 2 CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG

2.1 CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM:

2.1.1 Cơ cấu từ điện:

Hình 2.1: Cơ cấu chỉ thị từ điện

2.1.1.1 Cấu tạo:

Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:

 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 là khe 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 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động:

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

đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

I.W.S.Bαd

W: số vòng dây của khung dây Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:

I.SD

I.S.W.Bαα.DI.S.W.BM

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây Từ biểu thức mômen quay suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

 Chỉ đo đƣợc dòng điện một chiều

 Đặc tính của thang đo đều

D

S.W.B

 Chế tạo các loại Ampe kế, Vôn kế, Omh kế nhiều thang đo, dải đo rộng

A, áp

trong điện thế kế

 Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15kHz; được sử dụng để chế tạo các đầu rung

 Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau

 Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự: Vôn kế điện tử, tần số kế điện tử, pha

kế điện tử, …

 Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo được dòng, áp xoay chiều

2.1.2 Cơ cấu điện từ:

Hình 2.2: Cơ cấu chỉ thị điện từ

2.1.2.1 Cấu tạo:

Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:

 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 thị 6, đối trọng 7 Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ chia

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện hút lõi thép 2 (phần động) vào khe hở không khí với mômen quay:

αd

dL.I.2

1αd

αd

dL.D2

1αM

Từ phương trình trên ta thấy:

 Góc quay α tỉ lệ với bình phương của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của dòng điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều

 Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dα là một đại lượng phi tuyến

 Cản dịu thường bằng không khí hoặc cảm ứng

 Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn cơ cấu từ điện

 Độ chính xác kém hơn cơ cấu từ điện do có hiện tượng từ dư trong lá sắt non

 Thường chỉ được dùng trong lĩnh vực công nghiệp

2.1.2.5 Ứng dụng:

2.1.3 Cơ cấu điện động:

2.1.3.1 Cấu tạo:

Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:

 Phần tĩnh: bao 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 đi 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

Hình 2.3: Cơ cấu chỉ thị điện động

2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động:

động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α

Mômen quay được xác định như sau:

αd

dW

q Trong đó:

Có hai trường hợp xảy ra:

2 1

12.I.Iαd

dM.D2

1

Trong đó:

M12: hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động

φcos.I.I.αd

dM.D2

1

Trong đó:

Từ các biểu thức trên ta rút ra đƣợc đặc tính chung của cơ cấu điện động:

 Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều

nên có thể ứng dụng làm Watt kế đo công suất

2.1.3.5 Ứng dụng:

Chế tạo các Ampe kế, Vôn kế, Watt kế một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp; các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ.Trong mạch có tần số cao phải có mạch bù tần số (đo đƣợc dải tần đến 20kHz)

2.1.4 Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ cơ điện:

2.2 THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ:

2.2.1 Cơ sở chung của các cơ cấu chỉ thị số:

Thiết bị chỉ thị số bao gồm nhiều khối chức năng bên trong, nhiệm vụ chính là hiển thị thông tin đo được theo yêu cầu, có thể theo dạng số (digital) hoặc dạng tương tự (analog) Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo chỉ số

Hình 2.4: Sơ đồ khối thiết bị chỉ thị số

Khi xử lý tín hiệu đầu vào có nhiệm vụ biến đổi thông tin cần đo thành tín hiệu số Sau đó, tín hiệu được tính toán và hiển thị thông tin đo được, kết quả hiển thị có thể ở dạng

Thường thấy trong những thiết bị những năm 80 Đèn khí có cấu tạo gồm anốt là một cái lưới còn catốt là các con số từ 0-9 và các dấu +, -, … Khi có điện áp catốt nào thì kí hiệu tương ứng sáng lên

Nhược điểm của thiết bị hiện số bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ 200V) do vậy mà độ tin cậy thấp

Hình 2.5: Thiết bị hiện số bằng đèn khí

b) Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh:

Là loại thiết bị hiện số được sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ

Về cấu tạo: gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ a-g được sắp xếp như hình

2.6.a, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tương ứng có các đầu ra để cấp tín hiệu cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung Khi có tín hiệu cho phép điốt nào hoạt động thì điốt đó sẽ sáng, phối hợp sự sáng tối của các điốt sẽ cho ra các con số: 0-9, các ký hiệu, các ký tự…

Hình 2.6: Cơ cấu chỉ thị số bằng LED 7 thanh

Tùy mục đích sử dụng còn có các loại LED 7 thanh có thêm các thanh hiển thị dấu chấm (.) thập phân, loại có nhiều hơn 7 thanh sắp xếp theo những hình dạng khác nhau…

Hình 2.6.b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7

vạch - thường là giải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các bộ giải mã được chế thành các

vi mạch: họ TTL, họ CMOS, …

Điện áp thuận rơi trên mỗi điốt của mỗi thanh khoảng 1,2V và dòng thuận qua LED tương ứng với độ sáng thích hợp vào khoảng 20mA tùy độ lớn của LED Nhược điểm chính của LED 7 thanh là yêu cầu dòng lớn

c) Cơ cấu chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD:

Hình 2.7: Cấu tạo ô tinh thể lỏng LCD và hiển thi số 7 thanh bằng LCD

Có cấu tạo như hình 2.7 Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học Chúng được đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết hợp tủa ở mặt trong

Ở trạng thái bình thường không bị kích hoạt ô tinh thể lỏng trong suốt cho ánh sáng đi qua nên thanh hiển thị tương ứng trùng với mặt phông Khi được kích hoạt (bởi điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung vuông tần số khoảng 50-60Hz) ô tinh thể lỏng phản xạ lại ánh sáng và thanh hiển thị tương ứng sẽ nổi trên mặt phông

Ưu điểm của thiết bị hiển thị tinh thể lỏng là tiêu thụ dòng rất nhỏ, cả 7 thanh của hiển thị tinh thể lỏng loại nhỏ chỉ yêu cầu dòng khoảng 80µA

Chương 3

ĐO DÕNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP

3.1 ĐO DÕNG MỘT CHIỀU (DC) – DÒNG XOAY CHIỀU (AC):

Hình 3.1b: Sơ đồ nguyên lí mạch đo dòng

Để mở rộng tầm đo của cơ cấu từ điện, thông thường người ta sử dụng một điện trở

Trong đó:

m max s

RIR







Trong đó:

có một điện trở shunt, khi chuyển tầm đo là chuyển điện trở shunt

Ví dụ 3.1:

.950

10.5010

.5010

1010.50

3 6

3

3 6

Hình 3.2a: Mạch đo dòng có nhiều tầm đo

với giá trị là 1mA, 10mA, 100mA tương ứng với vị trí B, C và D Dòng chịu đựng tối đa

Bài giải:

Tại vị trí B (1mA):

.950

10.50RR

3 3

.9950

10.50)RΩk(R

6

6 3

2 1

.99950

10.50)RRΩk(

6

6 3

2 1

Từ (2) và (4) suy ra:

Ω337,47200

10004,10467R

R6,52199

R1

3

3 3

Thế (5) vào (3):

Ω526,01999

1R6,521000

Vậy:

dây cố định với lực từ động F không đổi:

InInIn

 Mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện động: Trong trường hợp ampe-kế dùng cơ cấu chỉ thị điện động (sắt điện động) được mắc như hình 3.2b thì sự mở rộng tầm đo bằng cách mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động (như cơ cấu từ điện) trong khi cuộn cố định được mắc nối tiếp với cuộn dây di động Cách tính toán điện trở shunt cũng giống như ampe-kế cơ cấu từ điện

Hình 3.2b: Ampe-kế cơ cấu điện động

3.1.2 Đo dòng AC:

Cơ cấu điện từ và cơ cấu điện động đều hoạt động được với dòng AC Cơ cấu từ điện không thể hoạt động trực tiếp với dòng AC, do đó dòng AC cần phải được biến đổi thành dòng DC Có thể sử dụng phương pháp biến đổi nhiệt điện

 Dùng cơ cấu từ điện đo dòng AC (phương pháp chỉnh lưu bằng diode):

Trị trung bình của dòng điện:

 T

0

max cl

T

1I

Hình 3.3a: Dòng chỉnh lưu (bán kỳ) qua cơ cấu

Hình 3.3b: Dòng chỉnh lưu (toàn kỳ) qua cơ cấu

.I20,636

=0,636.I

=

 Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện:

Hình 3.4: Bộ biến đổi nhiệt điện

Bộ biến đổi nhiệt điện (hình 3.4) gồm có dây điện trở đƣợc đốt nóng bởi trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều cần đo Cặp nhiệt điện đƣợc cung cấp nhiệt lƣợng do dòng điện này sẽ tạo ra điện áp một chiều (dòng DC) cho cơ cấu từ điện

hd T

Trong đó:

R: điện trở của dây đốt nóng

Ngoài ra khi dùng bộ biến đổi này còn phải quan tâm đến sự thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh, sự gia tăng nhiệt lượng khi dòng điện đo được duy trì sẽ làm cho

3.1.3 Ảnh hưởng của Ampe kế đến mạch đo:

Hình 3.5: Cách mắc Ampe kế đo dòng

Nói chung, nội trở của Ampe kế thay đổi theo thang đo Thang đo càng lớn thì nội

số do ảnh hưởng của Ampe kế trở nên không đáng kể

Ví dụ:

Hình 3.6

Bài giải:

+ Tại vị trí B:

mA05,10Aμ50mA10III

mA10Ω5,4Ω45,0Ω05,0

mV50R

RR

VI

mV50ΩkAμ50RIV

m S

3 2 1

S S

m max S

mV50R

R

VI

mV50Ωk,4ΩkAμ50RRI

V

2 1

S S

3 m max S

05,0

mV50R

VI

mV50Ωk,4Ωk45,0ΩkAμ50RRRI

V

1

S S

3 2 m max S

đo

RR

V





đƣợc nối vào để hạn dòng chạy qua cơ cấu đo Mạch đo điện áp đƣợc minh họa ở hình 3.7

Hình 3.7: Mạch đo điện áp

Tổng trở vào của Vôn kế là:

Để mở rộng tầm đo (đo được những giá trị điện áp khác nhau), cách thông thường

là nối tiếp với cơ cấu đo những điện trở có giá trị thích hợp Tổng trở của Vôn kế sẽ thay đổi theo tầm đo, tổng trở càng lớn thì giá trị của tầm đo điện áp càng cao và ngược lại

Cho nên người ta thường dùng trị số của độ nhạy Ω/VDC của vôn-kế để xác định tổng trở vào cho mỗi tầm đo

Bài giải:

+ Tại V 1 (2,5V):

V5,2RI

VRI

VR

max

1 1 max

1 1

+ Tại V 2 (10V):

Ωk75Aμ100

V5,7I

VVR

max

1 2

+ Tại V 3 (50V):

Ωk400Aμ100

V40I

VVR

max

2 3

Ví dụ 3.7:

công suất tiêu tán trên điện trở R nối tiếp với cơ cấu đo của Vôn kế, biết rằng cơ cấu đo có nội trở là 100Ω

Hình 3.8b Bài giải:

Ta có:

k RI

P

k k

k R mA R

mA R

R

R

m m

75,1450

9,5

9,51,0650

30050300

3.2.2 Đo điện áp AC:

Nguyên tắc đối với cơ cấu từ điện, điện áp AC được chuyển thành DC rồi áp dụng phương pháp đo điện áp DC hay sử dụng bộ biến đổi nhiệt điện

Đối với cơ cấu điện động, điện từ vôn-kế AC dùng cơ cấu này phải mắc điện trở nối tiếp với cơ cấu như trong vôn-kế DC vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều

Hình 3.9a: Mạch đo điện áp AC

Ta có:

hd max

cltb

) rms ( D hd m 1 ) rms ( AC

I.2.318,0II

VI.RRV

m max

) rms ( D ) rms ( AC 1

max

) rms ( D ) rms ( AC m 1

R2

.314,0I

VV

R

2.314,0I

VV

RR

Ωk39,171444

,0

Aμ50

V7,0V202

.314,0I

VV

RR

1

max

) rms ( D ) rms ( AC m 1

Để cho vôn-kế AC không phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu AC người ta dùng vôn-kế AC có bộ biến đổi nhiệt điện (hình 3.9b) các điện trở thay đổi tầm đo được nối tiếp với điện trở cung cấp nhiệt lượng cho cặp nhiệt điện

Hình 3.9b: Mạch đo điện áp AC dùng bộ nhiệt điện

3.2.3 Ảnh hưởng của Vôn kế đến mạch đo:

Khi Vôn kế được mắc vào phần tử cần đo điện áp, giá trị điện áp đo được sẽ bị ảnh hưởng do nội trở của Vôn kế Nếu tổng trở của Vôn kế càng lớn thì sai số của giá trị đo càng nhỏ và ngược lại

Hình 3.10: Mạch tương đương khi mắc Vôn kế

Ωk10V20R

R

RVV

2 1

1251013

12520R

//

RR

R//

RVV

V 2 1

V 2

%10010

804,9

3.3 ĐO ĐIỆN ÁP DC BẰNG BIẾN TRỞ:

Điện áp DC có thể được đo bằng cách dùng một biến trở chuyên dùng được gọi là biến trở đo lường

B 1 : nguồn cấp cho mạch đo

B 2 : nguồn chuẩn

R 1 : biến trở điều chỉnh cho dòng điện I

R 2 : nội trở nguồn chuẩn G: điện kế (cơ cấu từ điện)

Hình 3.11: Mạch đo điện áp bằng biến trở

của biến trở đo lường được điều chỉnh sao cho kim của điện kế chỉ số “0”và vị trí của con chạy C ở vị trí chuẩn (ở vạch “0”)

 Đo điện áp: Công tắc S được chuyển sang vị trí 2, con chạy C được thay đổi sao cho dòng qua điện kế chỉ “0” Lúc này, giá trị của áp đo được hiển thị trên vạch, tương ứng với vị trí của con chạy C

 Ưu điểm lớn nhất của phương pháp đo này là không bị ảnh hưởng nội trở của

3.3.1 Mạch đo thực tế:

Để dòng I được xác định một cách chính xác và điều chỉnh được tuyến tính

sự điều chỉnh được tuyến tính)

Hình 3.11a: Mạch đo thực tế

trí của khóa F) và điều chỉnh nhỏ (thay đổi con chạy C)

3.3.2 Mạch đo có trị số cụ thể:

Hình 3.11b: Mạch đo cụ thể của mV – kế

Đây là thiết bị đo điện áp (mili vôn–kế) cụ thể có ba tầm đo lớn

3.4.1 Đo điện áp DC dùng Transistor:

Hình 3.12: Mạch đo điện áp DC dùng BJT (ngõ vào đơn cực)

Hình 3.13: Mạch đo điện áp DC dùng BJT (ngõ vào vi sai)