BG ky thuat do luong cam bien bui gia thinh

Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: - Biến đổi tín hiệu và tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường - Chu

PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU

CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 1.1 Lý luận chung về đo lường

1.1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo

a Định nghĩa

Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường

Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau:

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số

so với đơn vị đo

Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép so với đơn vị

Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là:

- Biến đổi tín hiệu và tin tức

- So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường

- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng:

Ax = X/Xo

Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo

X : Đại lượng cần đo

Xo : Đơn vị đo

Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là đo lường học

Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học vào phục

vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường

Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo

b Phân loại phép đo

Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau Ta có thể phân

ra như sau:

a Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất

Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này

b Đo gián tiếp:

Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp

Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo

1.1.2 Sai số, phương pháp giảm sai số

a Sai số của phép đo

Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức độ cẩn thận khi

đo…Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số

Đó là sai số của phép đo Có thể phân loại sai số của phép đo như sau:

• Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc

và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo…

• Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng Ví dụ như do mắt kém, do cẩu thả…

• Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng

đo cũng như dụng cụ đo Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm…

 Theo quy luật xuất hiện của sai số

• Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo

Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng

cụ đo không chính xác (chỉnh “0” không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm đo v.v

Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác

Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn

Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế; sử dụng các bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh

Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống

Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống

• Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân

mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được

Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất

b Sai số của dụng cụ đo

Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại Có thể đó là những nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra Trên cơ sở đó người ta phân biệt hai loại sai số

là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

• Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

• Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…) Sai số này còn gọi là sai số phụ

Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác

Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo đó:

𝛾 % =𝛥

𝑋 100%

XN: là giá trị cực đại của thang đo

Δm: là sai số tuyệt đố cực đại

c Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp

Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần nhớ rằng đại lượng cần đo

có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp

Giả sử X là đại lượng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lượng đo được bằng phép đo trực tiếp





Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so

với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X

- Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu ra

và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S = const và

được gọi là độ nhạy của thiết bị đo

- Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ là

phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo)

Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X thì ta

có quan hệ tuyến tính

- Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có:

S = S1 S2 Sn Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X  ) thì Y không thể xác định được Nguyên nhân

X

R max  min 

XA

A 

1.2.4 Điện trở - công suất tiêu thụ

a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở của nó Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đo Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu ra của khâu trước đó dưới dạng điện áp (nghĩa là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất) Ví dụ vônmét phải có RV >> thì càng tốt

b) Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn

1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự

1.3.1 Cơ sở chung

Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc  so với phần tĩnh Loại dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng

Mạch đo

Cơ cấu đo

Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7

Y = fY(X)

 = f(X)

 = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang

đo đều hay không đều

Phương trình đặc tính thang đo:

- Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu, trong cơ cấu tích luỹ một năng lượng điện

từ trường We Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động một góc d Thực hiện một công cơ học:

dA = Mq.d

Theo định luật bảo toàn năng lượng: dA = dWe

Suy ra:

d

dW

q + Trong tụ: 2

2

1UC

We  - cơ cấu tĩnh điện

+ Trong cuộn dây: 2

2

1IL

We  - cơ cấu điện từ

+ Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, điện động

- Mô men cản hình 1.8:

Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì phần động sẽ quay đi một góc lớn nhất có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé Để xác định quan hệ chặt chẽ giữa góc quay  và

mô men quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có một mô men tác động ngược chiều với

mô men quay gọi là mô men cản (Mc)

Ta dễ dàng tạo một mô men tỷ lệ với  nhờ

lò xo xoắn, dây căng, dây treo:

Mc = D 

Trong đó:

D - mô men cản riêng của lò xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước)

- Phương trình đặc tính thang đo:

Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc (c là vị trí cân bằng của phần động) Ta có:



 D.d

dWe



Ta có phương trình đặc tính thang đo:



d

dWD

e.1

Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều Nhưng không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích được Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị

Nội dung phương pháp: Bằng thực

nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay Mq

= f() với các giá trị X khác nhau Ví dụ với cơ cấu

điện từ ta xây dựng các đừng cong 1;2;3;4 (hình 1.9)

với các giá trị X tương ứng 40;60;80 và 100% Xm

(Xm - giá trị định mức làm kim lệch toàn thang) Giả

sử Xm = I0 = 50mA; các đường cong Mq cắt đường

cong mô men cản tại các điểm A, B, C, D ta được

các vị trí 1, 2, 3, 4 ứng với các trị số này các trị

số tương ứng của X là 20, 30, 40, 50mA Như vậy ta

có thang đo theo đơn vị của đại lượng đầu vào

 Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số

 Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung gian; từ quan hệ cho giá trị X tính ra Y Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị số Y ta được thang đo theo đơn vị Y

- Mô men ổn định hình 1.10:

Dưới tác động của mô men quay phần động

lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng với lúc Mq

= Mc Nhưng vì quán tính nên phần động không dừng

+ Khi phần động từ  = 0 đến c do có

ma sát nên không đến được c mà dừng lại ở 1 :

- Mc + Mq = Mms

Hay: Mq - Mc - Mms = 0 + Quá trình đại lượng đo giảm, phần động từ max về 0, do ma sát nó dừng ở 2

trước khi về c Phương trình cân bằng:

1.3.2 Những bộ phận, chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

a) Trục và trụ (Hình 1.12)

Trục quay

Trụ quay Hình 1.12

Trục và trụ là hai bộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đảm bảo cho phần động quay (kim chỉ, lò xo phản, khung quay, ) Chất lượng của chúng quyết định sai số do ma sát

- Trục: được làm bằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm,  = 45  600, tận cùng bán kính 0,05  0,3mm; có độ cứng cao

- Trụ: Làm bằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc đỉnh bằng 80o trụ có thể được điều chỉnh lên xuống

b) Lò xo phản kháng

- Công dụng:

+ Đưa dòng vào khung dây (từ điện, điện động, sắt điện động)

+ Tạo ra mômen cản cân bằng với mômen quay

Yêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị được chính xác mômen cản riêng D của lò xo

phải ổn định ( trị số của nó không thay đổi theo thời gian và nhiệt độ) Để

trên lò xo thường được chế tạo từ những vật liệu có khả năng đàn hồi lớn

- Đặc điểm:

+ Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13)

+ Đầu trong của lò xo gắn với trục quay, đầu ngoài gắn với bộ điều chỉnh O của kim cố định trên trục quay

+ Trong một cơ cấu chỉ thị có hai lò xo phản kháng ngược chiều nhau

c) Kim chỉ thị (Hình 1.14)

Công dụng: chỉ thị góc quay 

Yêu cầu: Kim phải nhẹ, bền vững, không bị han rỉ nên

được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm hoặc có thể làm bằng

thuỷ tinh

Đặc điểm: Hình dạng của kim phụ thuộc vào cấp chính

xác của dụng cụ đo và khoảng cách để đọc kết quả đo

Hình 1.14 d) Thang đo

- Là mặt khắc độ: Trên mặt màu trắng người ta khắc độ màu đen và ngược lại Nếu dụng cụ dùng làm việc cả ngày lẫn đêm thì khắc vạch bằng chất phát quang

- Góc lệch của kim phụ thuộc vị trí đặt, độ chính xác

- Phía dưới của thang đo luôn luôn đặt một gương để tránh sai số (khi đọc quan sát kim trùng với bóng của nó)

e) Bộ phận cản dịu

- Công dụng: Dùng để nhanh chóng chóng xác

lập kết quả đo bằng cách hạn chế sự dao động của kim

xung quay vị trí cân bằng

- Cấu tạo: Có hai loại cản dịu (Hình 1.15)

1.3.3 Cơ cấu từ điện

KÝ hiÖu:

a) Cấu tạo.(Hình 1.12)

Hình 1.12

Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu 1, lõi sắt non 6 Đường sức từ qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm Trong khe hở này từ cảm B đều tại mọi điểm

Phần động: Khung quay 5 có lõi nhôm nhẹ và khối lượng rất nhỏ, trên quấn dây đồng 0,03 0.2mm, toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay 3, trục này tì vào trụ 9; Trên trục quay còn có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, lò xo cản 7 đồng thời có nhiệm vụ đưa điện vào khung dây, kim chỉ thị 2 và thang đo 8 Phía sau kim chỉ thị có mang đối trọng 4 để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo;

Năng lượng điện từ We tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở làm việc  và dòng điện chạy trong khung dây I:

We = .I

Mà ta có:  = Bsw

Trong đó:

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

s: diện tích khung dây

w: số vòng của khung dây

: góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu

Các giá trị B, s, w là những hằng số (không đổi khi khung dây quay)

Do đó: Mq =

d

)Ø(d =



d

IBsw

d( )

= BswI

Khi cân bằng:

Mq = Mc BswI = D

Suy ra: I

D

Bsw



 : Phương trình đặc tính thang đo cơ cấu từ điện

Ta thấy B, s, w, D là hằng số nên góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I

c) Đặc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Góc quay  tỷ lệ thuận với dòng điện I nên chỉ sử dụng trong mạch đo một chiều

- Góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo đều

- Độ nhạy S = Bsw

D

1 của cơ cấu cao vì có từ trường lớn; Thông thường người ta dùng

hằng số của dụng cụ C theo dòng hoặc áp Ví dụ hằng số theo dòng

d) ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng

- Dùng chế tạo các loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V)

- Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng đo không điện

- Dùng để chế tạo ra các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmet điện tử, tần số kế điện tử…

- Dùng với bộ chỉnh lưu, cặp nhiệt có thể đo giá trị xoay chiều

1.3.4 Cơ cấu điện từ

KÝ hiÖu:

a) Cấu tạo

- Loại cuộn dây dẹt:

Phần tĩnh: là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc Phần động: là một lõi thép (2) được gắn trên trục quay (5) Lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây Bộ phận cản dịu không khí (4) được gắn vào trục quay Kim 6

và đối trọng 7 cũng được gắn lên trục quay Kim quay trên bảng khắc độ 8 Mômen cản được tạo bởi hai lò xo 3 ngược chiều nhau

- Ngoài ra còn loại cuộn dây tròn (hình 1.13 b)

b) Nguyên lý hoạt động

Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay được xác định:

Mq=

 d dWe

Năng lượng trong cuộn dây: We =

)2

.(

Id

dLd

ILd

Mq



Khi Mq = MC ở vị trí cân bằng:

dL 

2.2

1Id

dL

là

một đại lượng phi tuyến Để làm cho đặc tính thang đo đều thì tỷ số

d

dL phải thay đổi theo quy luật ngược với bình phương của dòng điện, tổng hợp sẽ có đường tuyến tính (hình 1.14)

Hı̀nh 1-13 a)

b)

Để đạt được điều này cần phải tính toán mạch từ,

kích thước, hình dáng, lõi động và vị trí đặt dây sao cho phù

hợp

- Cản dịu thường bằng không khí, cảm ứng

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá

tải lớn

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ chính xác

không cao nhất là khi đo dòng một chiều sẽ bị sai số do hiện

tượng từ trế, từ dư Độ nhấp nháy thấp bị ảnh hưởng của từ

trường bên ngoài

Hình 1-14 d) ứng dụng

- Dùng chế tạo Ampe mét, Vôn mét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp có cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5 và 1,0 ở tần số cao cần tính toán mạch bù

1.3.5 Cơ cấu điện động

a) Cấu tạo (hình 1-15)

- Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua (được chia làm hai cuộn ghép lại có khe hở ở giữa để cho trục quay chui qua đồng thời để tiện lắp ghép)

- Phần động: gồm khung dây 2 đặt trong lòng

cuộn dây tĩnh Khung dây 2 được gắn với trục quay,

trên trục còn có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim

chỉ thị

Cả phần động và phần tĩnh được bao kín

bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hưởng của từ

trường ngoài Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động

thường dùng loại cảm ứng khi có màn chắn từ và

dùng kiểu không khí khi không có màn chắn từ bảo

vệ

b) Nguyên lý làm việc

Hình 1-15 Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây động và tạo lên mômen quay làm phần động quay một góc 

Mq =

 d

1L

1I1 + 2

1L

2I2 + M12I1I2

Với: L1, L2: là điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động

M1,2 : là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động

I1, I2 : dòng DC trong cuộn tĩnh, động

Điện cảm L1, L2 = const khi khung dây quay trong cuộn tĩnh nên ta có:

Mq =

 d

=

 d

I1I2

ở vị trí cân bằng Mq = Mc nên:

 d

I1I2 = D.

Suy ra: =

 d

dM D

Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin(t-):

T m m

d

dMt

tI

IT

M0

12 2

c) Đặc điểm

- Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều

- Góc lệch  phụ thuộc vào tích I1 I2 nên thang đo không đều Có thể thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi dM12/d theo hàm ngược với I1I2 để đạt được thang đo đều

- Mô men quay tỷ lệ với dòng hiệu dụng và cos nên có thể sử dụng cơ cấu để chế tạo Wattmet đo công suất

- Ưu điểm : cơ bản của cơ cấu này là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều (không có vật liệu sắt từ nên không có dòng xoáy)

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện có công suất nhỏ không thích hợp

- Mq của cơ cấu không lớn vì từ trường của bản thân các cuộn dây sinh ra nhỏ , từ thông khép kín mạch qua không khí có từ trở lớn nên tổn hao từ nhiều Do đó cơ cấu điện động chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài Để đảm bảo cho cơ cấu làm việc tốt phải có chắn từ

- Phần động là một đĩa kim loại 1(thường có cấu tạo bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay quay trên trụ 5

Về nguyên tắc cơ cấu này hoạt động dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa phần động do đó cơ cấu này chỉ làm việc ở mạch xoay chiều Để chỉ thị số vòng quay của đĩa người ta gắn vào trục của cơ cấu chỉ thị số cơ khí

b) Nguyên lý làm việc

Khi cho các dòng điện I1, I2 vào cuộn dây phần tĩnh sẽ sinh ra các từ thông 1, 2 các từ thông này cũng như dòng điện lệch nhau một góc  (hình 1.22c) Các từ thông 1 , 2 cắt đĩa nhôm làm xuất hiện trong đĩa nhôm các suất điện động tương ứng E1, E2lệch pha với các từ thông một góc

M =   C  I  sin  t sin(  t   ) dt  C  I cos 

T

1 dt M T

1

1 1 T

0 m 1 m 1 T

0 t

Để đơn giản ta có thể coi đĩa nhôm chỉ có điện trở thuần do đó các góc: 1 2 0 và

Ta cũng xét các mômen thành phần như sau:

M11: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix1

M12: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix2

M21: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix1

M22: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix2

- Điều kiện để có mômen quay ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt được giá trị cực đại nếu như góc lệch pha giữa hai từ trường đó là:  =

2



- Mq phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường

- Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều

Nhược điểm: Mq phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số

d) ứng dụng:

Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng để chế tạo công tơ đo năng lượng Đôi khi người

ta còn sử dụng để đo tần số

1.3.7 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

a) Cấu tạo chung: như hình 5.10: có hai hoặc nhiều bản cực, bao gồm các bản cực tĩnh (bản cực

1 ở hình (a), bản cực 2 ở hình (b)) và ít nhất một bản cực là phần động (bản cực 2 ở hình (a), bản cực 1 ở hình (b)) được gắn với trục quay, kim chỉ thị, lò xo phản kháng…

Hình 5.10 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

b) Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật thể tích điện Phần động của cơ cấu là một trong các vật thể đó, sự chuyển dịch của nó gây ra sự thay đổi năng lượng điện trường tạo bởi các vật thể tích điện

Khi đặt vào hai bản cực tĩnh và động một điện áp U, giữa chúng sinh ra một điện trường có năng lượng We được tính:

với C là điện dung giữa các điện cực

Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực tích điện tạo ra mômen quay làm quay điện cực động (phần động)

Mômen quay được tính:

Mômen cản:

Mc = D.α

Ở trạng thái cân bằng Mq = Mc tính được góc quay α của phần động:

c) Các đặc tính chung: từ phương trình (5.2) suy ra các đặc tính cơ bản của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện:

Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi

đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD,

màn hình cảm ứng…

1.4.1 Cơ cấu chỉ thị số bằng đèn khí:

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 +,-,V,A… 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

1.4.2 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 5.21a, 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…

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 5.21b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7 vạch - thường là gải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các bộ giải mã được chế thành các vi mạch: họ TTL là các vi mạch 7446, 7447; họ CMOS là các vi mạch 4511; các vi mạch 4543SN74247, TIL308…

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

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

Có cấu tạo như hình 5.22 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 2 ĐO DÒNG ĐIỆN 2.1 Đo dòng điện một chiều

Nguyên lý đo: cả ba cơ cấu từ điện, điện từ, điện động nói trên đều hoạt động với dòng

DC nên được sử dụng làm chỉ thị của Ampemet DC Nhưng cần mở rộng thang đo cho thích hợp

2.1.1 Mở rộng thang đo: Mạch đo phải có sự mở rộng cho từng loại cơ cấu

1) Mở rộng cho cơ cấu từ điện

Dòng điện cho phép qua cơ cấu này thường từ

10-1  10-2A với điện trở của cơ cấu từ 20  2000

Vì vậy khi sử dụng cơ cấu này để đo các dòng điện có

trị số lớn hơn giới hạn này người ta phải mắc thêm các

điện trở Sun Rs song song với điện trở cơ cấu

(Hình 2.1)

Dòng điện đo: I = Im + IS

Im : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị

IS : dòng điện qua điện trở Sun Điện trở Sun RS được xác định:

Rs = 0 0 0

0

1t

I I n

  ; với n = 0

tII

n : hệ số mở rộng thang đo

It : dòng điện thang đo

I0: dòng điện max của cơ cấu chỉ thị

R0 : nội trở của cơ cấu

Trên cơ sở các điện trở shun mắc song song với cơ cấu người ta chế tạo các ampemet nhiều thang đo (hình 2.2):

Hình 2.2

Để Ampemet có độ chính xác không thay đổi ở các thang cần chế tạo Sun có độ ổn định

và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu chỉ thị ít nhất một cấp Các điện trở shun được chế tạo bằng manganni và chỉnh định rất chính xác Do đó điện trở Sun không thay đổi theo nhệt

độ, trong khi đó điện trở cơ cấu thay đổi theo nhiệt độ:

R0 = R0o (1 + t)

R0 nội trở ở t0C

R0o nội trở ở 00C

 hệ số nhiệt độ của dây quấn trên khung (với đồng  = 0,4 %/ 0C)

Ta có thể tính sai số do nhiệt độ của ampemet từ điện:

thường lớn hơn sai số cơ cấu Để khắc phục người

ta loại trừ hoặc giảm do nhiệt độ Người ta mắc

thêm nhiệt điện trở RT nối tiếp với điện trở cơ cấu

(Hình 2.3)

2) Mở rộng cho cơ cấu điện từ (Hình 2.4)

Thay đổi số vòng dây quấn cho cuộn dây tĩnh với số sức từ động không đổi:

F =I1.w1= I2.w2= =In.wn

Hình 2.4 Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: cuộn dây tròn có số ampe vòng I.w = 200A.vòng, cuộn dây dẹt có I.w = 100  150A.vòng)

Hình 2.4a đo dòng điện nhỏ I, hình 2.4b đo dòng điện bằng hai lần dòng điện đo ở hình 2.4a là 2I

3) Mở rộng cho cơ cấu điện động

Ampemet điện động thường đo ở dòng điện tần số cao hơn tần số công nghiệp (400  2000Hz) Độ chính xác cao (0,2; 0,5) Có hai loại mạch Ampemet:

- Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc nối tiếp Khi dòng I  0,5A cuộn động

và cuộn tĩnh mắc mắc song song với nhau (Hình 2.5):

A: Cuộn tĩnh; B: Cuộn động

- Hoặc mắc điện trở Sun song

song với cuộn động (tương tự cơ cấu từ

điện), còn cuộn tĩnh mắc nối tiếp với

cuộn động Cách tính điện trở Sun tương

tự như Ampemet từ điện (Hình bên)

2.2 Đo dòng xoay chiều

Nguyên lý đo: Cơ cấu điện từ, điện động đều hoạt động được với dòng xoay chiều Do đó

có thể dùng trực tiếp cơ cấu này hoặc mở rộng thang đo như đã nói ở trên Riêng đối với cơ cấu

từ điện cần biến đổi dòng AC thành đòng DC Cơ cấu từ điện chính xác và được sử dụng nhiều trong phần lớn các Ampemet (đồng hồ vạn năng Multimeter – V.O.M)

2.2.1 Ampemet từ điện đo dòng AC

1) Ampemet chỉnh lưu

a/ Chỉnh lưu nửa chu kỳ (Hình 2.6)

Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

I*cltb = 0

0

1T cl

i dt I

Giả sử ta có dòng điện AC: iAC = ImaxSint;

Khi đó: icl = ImaxSint với: 0  t  T/2

icl = 0 với: T/2  t  T Vậy: Icltb = 0,318 Imax = 0,318 2.Ihd (tín hiệu Sin)

(Trường hợp dòng AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu)

b/ Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 2.7)

Trị chỉnh lưu trung bình của dòng điện:

I*cltb = 0

0

2Tcl

c/ Mở rộng thang đo: Dùng điện trở sun cho diode và cơ cấu từ điện Diode mắc nối tiếp

cơ cấu từ điện, do đó có dòng Icltb qua cơ cấu, còn dòng AC qua điện trở sun (Hình 2.8)

Hình 2.8 Như vậy với cách bố trí sơ đồ chỉnh lưu như vậy, các ampemet sẽ chỉ giá trrị trung bình của dòng xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động, đo dòng xoay chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng Vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng cụ đo dòng xoay chiều, các ampe điện từ dùng chỉnh lưu phải khắc độ theo trị hiệu dụng

Cách biến đổi để khắc độ ampe chỉnh lưu theo trị hiệu dụng:

Mômen quay tức thời:

Mt = B.S.W.i ; i = ImaxSin t

Mô men quay trung bình trong một chu kỳ:

B S W ID

I  : hệ số hình dáng của dòng điện

Do đó: .

d

B S WI

D k

 (nếu dòng điện có dạng sin thì kd = 1,11) Nhận xét:

- Ampemet chỉnh lưu có độ nhạy cao, tiêu thụ công suất nhỏ, làm việc ở tần số cao (dùng

ở tần số 500 2000Hz); nếu tần số tăng cao hơn ( có thể đến 50kHz) thì hệ số chỉnh lưu giảm do ảnh hưởng của điện dung giữa hai tiếp giáp của diod nên để có ampemet chính xác cần có mạch

bù tần số

- Các Ampemet chỉnh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ (do điện trở thuận ngược của diod thay đổi không giống nhau: nhiệt độ tăng thì điện trở ngược giảm nhiều hơn so với điện trở thuận dẫn đến hệ số chỉnh lưu sẽ giảm)

Mạch bù như hình 2.9:

Hình 2.9 Nếu cần đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị) thì mắc mạch chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo, không cần sun Trường hợp cần đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị mắc cơ cấu song song với sun ở đây sun vừa để mở rộng giới hạn đo vừa để bù sai số do tần số và nhiệt độ

Trong hình a: RCu dùng để bù nhiệt độ còn L dùng để bù tần số

Trong hình b: C để bù sai số do tần số

2) Dùng biến đổi nhiệt điện

Ampemét nhiệt điện cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ cặp

nhiệt ngẫu đã biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều,

cấu tạo như hình 2.10:

1 Sợi dây được dốt nóng nhờ dòng điện Ix

2 Cặp nhiệt ngẫu

3 Chỉ thị từ điện để đo sức điện động nhiệt điện

Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện như sau:

Khi có dòng xoay chiều Id chạy qua sợi dây dẫn, dây dẫn bị đốt nóng Nhiệt độ của dây

  (k0là hằng số phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn) nhiệt độ này làm nóng đầu công tác của

cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ xuất hiện suất điện động:

1 1 0 2

E k k k I k I(k1là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của loại cặp nhiệt ngẫu)

Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với nhau thông qua cơ cấu chỉ thị từ điện,

trong cơ cấu này có dòng điện đi qua và kim sẽ lệch đi một góc 

0

t m

Im: dòng điện đi qua cơ cấu

Rn: điện trở cặp nhiệt ngẫu

Ro: điện trở cơ cấu chỉ thị

Từ đó ta suy ra:

2

2 2

0

d

d n

Để tăng sức điện động nhiệt Et dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị từ điện người ta

thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua một bộ khuếch đại một chiều

Ampemét nhiệt điện có sai số lớn, khả năng quá tải kém, công suất tổn hao lớn

Ưu điểm cơ bản của nó là cho phéo đo dòng điện ở tần số cao, giải tần làm việc rộng (từ

một chiều đến hàng trăm MHz)

2.3 Đo dòng điện nhỏ

Tức là đo dòng điện Id I0 , để đo được dòng này cần phải có các thiết bị có độ nhạy

cao Ta thường gặp các dụng cụ đo dòng nhỏ như: điện kế cơ điện, điện lượng kế, các dụng cụ

điện tử mà thành phần cơ bản là các là các bộ khuếch đại một chiều, xoau chiều, chỉnh lưu… kết

Id = I1+ I2 + + Ii + + In

Với:

I1; I2; dòng định mức ghi trên các sun

R1; R2; điện trở sun tương ứng

r1; r2; được mắc tương ứng với R1; R2; trong mạch áp theo quan hệ:

1 2

1 2

i i

r

R  R  R sao cho dòng qua các ri; ri rất nhỏ so với dòng qua sun

U0 : điện áp rơi trên các sun Bằng phương pháp gián tiếp ta đo được dòng cần đo:

0 1

1n d

t t

I WF

Id : dòng điện trong cuộn dây tạo lực từ

W : số vòng dây quấn trên mạch từ

0 : hệ số từ thẩm của không khí

S : tiết diện của cực từ

Nếu W =1 thì ta có:

B = 0.Id



Khe hở không khí nhất định nên: 0 = const;  = const

Ta đo B (bằng thiết bị đo hoặc chuyển đổi Hall) rồi suy ra Iđ

3) Dùng biến dòng một chiều (Hình 2.13)

Biến dòng một chiều dựa

trên cơ sở bộ điều chế từ tức là

dựa trên sự ảnh hưởng của từ

trường DC trên lõi sắt từ mà lõi

đó được kích thích bởi dòng AC

W2 quấn trên lõi xuyến II ngược chiều với W2 quấn trên lõi xuyến I

W1 mắc vào mạch một chiều có dòng Id cần đo chạy qua; W2 mức vào mạch xoay chiều

U2.Nguyên lý làm việc như sau:

Dòng Id chạy trong W1 tạo ra sức từ động IdW1 trong cả hai lõi I và II theo chiều như hình

vẽ Dòng i2 chạy trong W2 tạo ra trong hai xuyến I và II sức từ động i2W2 (có chiều như hình vẽ nửa chu kỳ đầu) Cường độ từ trường trong hai lõi được xác định theo định luật dòng toàn phần:

H1 = F1/l

H2 = F2/l

F1; F2 : sức từ động tổng trong từng lõi xuyến

l : chiều dài trung bình của lõi xuyến

Trong lõi I; sức từ động do hai cuộn sinh ra ngược nhau:

1 2 2 1

d

I W i WH

l



Trong lõi II; sức từ động do hai cuộn sinh ra cùng chiều:

1 2 2 2

d

I W i WH

và ảnh hưởng của Id; tìm mối quan hệ giữa Id và i2

Xét nửa chu kỳ dương:

Dòng i2 tăng, H2 tăng, H1 giảm Do mối quan hệ H và  (hình vẽ) nên khi H2 tăng trong một phạm vi nào đó thì  sẽ là hằng (trong lõi II) Trong khi đó H1 sẽ giảm đến H0 (H0 0 tức

IdW1 i2W2)

ở phạm vi này  tăng rất nhanh làm cho điện cảm L2 của cuộn W2 (trong lõi I) cũng tăng:

2 2

2

2 0t

SWW

 ; có hướng ngược với U2 nên i2 không tăng được, chỉ thoả mãn điều kiện:

IdW1 i2W2 1

2 2 d

W

W



Từ đây ta thấy rằng dùng Ampemet đo dòng i2 sẽ suy ra được Id

Giống như biến dòng xoay chiều: tỷ số 1

2.4.2 Đo dòng điện xoay chiều lớn

Đo bằng phương pháp kết hợp biến dòng AC với

các Ampemét Trong các Ampemét điện từ, sức từ động tối

đa F = I.W là 200 Ampe-vòng Nếu số dây là một thì có thể

đo được dòng tối đa là 200A Muốn đo dòng lớn hơn 200A

ta phải dùng các Ampemét điện từ, điện động kết hợp với

biến dòng

Biến dòng thường có lõi hình xuyến bằng thép kỹ

thuật điện, trên đó có quấn hai cuộn dây, sơ cấp W1 và thứ

cấp W2 như hình…

Thông thường dòng sơ cấp I1 lớn nên số lượng

vòng dây W1 ít hơn số vòng dây W2 Biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch vì RA nhỏ, ta có:

V dụ: I2 = 5A còn I1 có thể là: 15A; 30A; 100A; 150A; 200A; 400A; 500A; 600A

ứng với mỗi dòng I1 sẽ có kI nhất định Việc kết hợp biến dòng và Ampemet xoay chiều phải chọn phù hợp thang đo với dòng thứ cấp I2 của biến dòng

Nguyên lý đo là chuyển dòng đo Iđ thành điện áp

đo bằng cách cho dòng đo đi qua điện trở RS như hình

2.15

2.5.2 Đo dòng AC

Nguyên lý đo: ta chuyển dòng AC thành điện

áp AC qua RS như đo dòng DC; Sau đó huyển điện áp

AC thành điện áp DC bằng những phương pháp đã

biết

2.6 ảnh hưởng của Ampemet đến mạch đo

Ta thấy mỗi Ampemet đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi thang đo

Do đó thang đo càng lớn nội trở ampe RA càng nhỏ Khi mắc nối tiếp với điện trở tải cần đo dòng thì sẽ ảnh hưởng đến mạch đo

Khi không có đồng hồ Ampe:

I = U/Rt

Khi mắc ampemet có nội trở RA vào mạch:

Iđ = U/(Rt +RA) Sai số của ampemet: % 100% 100%

1

R

RI

CHƯƠNG 3 ĐO ĐIỆN ÁP 3.1 Đo điện áp dùng dụng cụ đo tương tự

3.1.1 Đo điện áp một chiều

Nguyên lý đo: Điện áp được chuyển thành dòng điện đo đi qua cơ cấu chỉ thị hình 3.1 Nếu cơ cấu chỉ thị có I0 và điện trở nối tiếp thì:

0 0

IRR

UI

Với vôn mét từ điện:

Cơ cấu từ điện được chế tạo có điện áp định mức khoảng

50  75mV Muốn chế tạo các Vônmét đo điện áp có

trị số lớn hơn phạm vi này, phải nối nối tiếp với cơ cấu các điện trở phụ bằng manganin (không thay đổi theo nhiệt độ)

Tính điện trở phụ RP phù hợp với điện áp cần đo Ud :

0 0

0 0

d p

ta nối nối tiếp nhiều điện trở phụ với cơ cấu (hình 3.2; hình 3.3):

Với vôn mét điện từ, điện động: cũng bằng cách nối thêm điện trở phụ RP để hạn chế dòng qua cơ cấu theo biểu thức trên Riêng đối với cơ cấu điện động thì cuộn tĩnh được nối tiếp với cuộn động (hình 3.4)

3.1.2 Đo điện áp xoay chiều

Nguyên lý đo: Đối với cơ cấu điện từ, điện động dùng làm vôn mét AC phải nối điện trở nối tiếp như trong vôn mét DC vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều Đối với cơ cấu từ điện thì phải chỉnh lưu hoặc biến đổi nhiệt

1 Vônmét điện từ

Được dùng để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp Vì yêu cầu điện trở trong của Vônmét lớn nên dòng điện chạy trong cuộn dây nhỏ Số lượng vòng dây trên cuộn tĩnh là rất lớn khoảng 1000 đến 6000 vòng Để mở rộng và tạo ra Vônmét nhiều thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ (giống Vônmét từ điện)

Khi đo điện áp xoay chiều ở miền 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 (hình 3.5):

2 Vônmét điện động

Cấu tạo của Vônmét điện động số vòng dây cuộn tĩnh lớn, tiết diện dây nhỏ Cuộn tĩnh A

và cuộn động B luôn luôn nối nối tiếp với nhau, tức:



1 .2

dM

I I cos

Nên có thể viết phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu cho vôn mét:

 = 2 1,2

2 V

Khi khoá SW ở vị trí 1 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối song song với nhau ta có giới hạn

đo 150V; Khi khoá SW ở vị trí 2 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối nối tiếp với nhau có giới hạn đo 300V Tụ C tạo mạch bù tần số cho Vôn mét

3 Vônmét từ điện

a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Cách xác định điện trở nối tiếp cho cơ cấu từ điện:

Mạch đo hình 3.7: Diod D1 chỉnh lưu dòng điện xoay

chiều i = ImaxSint ở bán kỳ dương

Diod D2 bảo vệ cho diod D1 và cơ cấu khi điện áp

ngược lớn

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được xác

định:

UAC (RMS) = (R1 + R0)Ihd + UD (RMS) Mà: Icltb = I0 = 0,318Imax = 0,318 2Ihd

b) Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 3.8)

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được

- Cùng một cơ cấu (từ điện) tổng trở vào của vôn mét AC sẽ nhỏ hơn tổng trở vào của vôn mét DC

- Khuyết điểm của vônmét AC chỉnh lưu là phụ thuộc vào dạng tín hiệu và tần số cao có ảnh hưởng tới tổng trở và điện dung ký sinh của diod

- Để khắc phục sự ảnh hưởng của dạng và tần số của tín hiệu đo AC ta dùng vôn mét có

bộ biến đổi nhiệt điện (hình 3.9)

3.1.3 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

a) Cơ sở của phương pháp so sánh

Các dụng cụ đo ở trên sử dụng cơ cấu cơ điện để

hiển thị kết quả đo (dụng cụ đọc thẳng), vì vậy cấp

chính xác không thể vượt quá cấp chính xác của cơ cấu

Muốn đo điện áp chính xác hơn phải dùng

phương pháp so sánh với mẫu (tức là so sánh với điện áp

cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu) Phương pháp

này còn gọi là phương pháp bù

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được mô tả trên hình 3.10: Uk = I.Rk

Uk làđiện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở mẫu

Rk khá chính xác

CT là thiết bị tự động phát hiện sự chêng lệch điện áp U = Ud – Uk gọi là cơ cấu chỉ không Khi đo ngưới ta so sánh Ud và Uk, nếu kim chỉ khác không thì điều chỉnh con trượt D của biến trở Rk sao cho kim chỉ không thì đọc kết quả trên biến trở Rk đã khắc độ theo thứ nguyên của điện áp

Có nhiều loại dụng cụ bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tạo điện áp mẫu Uk

b) Điện thế kế một chiều điện trở lớn

Được chế tạo trên cơ sở giữ nguyên dòng điện ổn định, thay đổi điện trở Rk để thay đổi điện áp Uk bù với điện áp Ud cần đo Để phép đo này đảm bảo độ chính xác cao thì cần phải đảm bảo các điều kiện sau

- Điện trở mẫu chính xác cao (do vật liệu, quy trình công nghệ, thiết bị mẫu quyết định)

- Dòng điện qua điện trở mẫu chính xác cao (mạch hợp lý và nguồn ổn định)

- Chỉ thị cân bằng đủ nhạy để phát hiện sự chênh lệch giữa tín hiệu đo và mẫu

Mạch điện thế kế DC cổ điển (Hình 3.11)

Gồm hai bộ phận:

Bộ phận tạo dòng công tác IP gồm: nguồn cung

cấp U0, điện trở điều chỉnh, Ampemet và điện trở mẫu

Rk

Bộ phận mạch đo gồm: Điện áp cần đo Ud, điện

kế chỉ sự cần bằng và một phần điện trở mẫu

Đầu tiên phải xác định dòng công tác IP nhờ nguồn U0 ,

điện trở điều chỉnh và Ampemét Giữ giá trị IP cố định

trong suốt thời gian đo, điều chỉnh con trượt

của điện trở Rk đến khi điện kế chỉ không, đọc kết quả đo trên điện trở mẫu.Khi đó:

- Nối điện kế G vào hai đầu 1–1, để xác định dòng

công tác, điều chỉnh Rđ/c để điện kế G chỉ không, tức

là:

EN = URn = IP.Rn 

n

N PR

E

I 

- Sau đó không thay đổi Rđ/c, đưa điện kế G sang 2–2

để đo sức điện động Ed điều chỉnh con trượt Rk cho đến điện

kế chỉ không Lúc đó:

Ed = URk = Uk = IP.Rk = k

n

N RR

E

Giá trị pin mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ được tính theo công thức sau:

ENt = EN 20oC – 40.10-6(t - 20) – 10-6(t - 20)2

Trong đó:

En20oC: là giá trị của pin mẫu ở nhiệt độ chuẩn 20oC, thường En20oC = 1,0186V; có độ

chính xác khá cao 0,001%  0,01%

t: là nhiệt độ nơi sử dụng điện kế

Vì vậy khi sử dụng điện thế kế, trước tiên phải tính giá trị EN theo nhiệt độ nơi đặt điện thế kế và đặt pin mẫu đúng giá trị đã định

Pin mẫu có giá trị không tròn, nên khi tính có sai số đáng kể Để khắc phục người ta cần làm tròn dòng công tác, do đó người ta mắc thêm vào một điện trở Rđ/ch

Các bước thực hiện đo điện áp và sử dụng điện thế kế để đo các đại lượng điện khác: Bước 1: Điều chỉnh dòng công tác

- Mắc dụng cụ mạch điện thế kế theo đúng sơ đồ, nguồn cung cấp, pin mẫu và điện kế

- Tính toán giá trị pin mẫu và đặt đúng giá trị pin mẫu đã tính vào điện thế kế

- Đặt hai đầu đo của điện kế ở vị trí 1-1, điều chỉnh điện trở Rđ/c cho đến khi điện kế chỉ zero

Bước 2: Tiến hành đo

- Đặt hai đầu đo của điện kế sang vị trí 2-2, giữ nguyên Rđ/c, điều chỉnh con trượt của

Rk cho đến khi điện kế chỉ không, ta sẽ có:

Chú ý:

- Trường hợp đo điện áp nhỏ, rất nhỏ sẽ có sai số do tiếp xúc Nên cần sử dụng điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

- Muốn đo điện áp lớn cần dùng mạch phân áp và điện thế kế một chiều điện trở lớn

- Điện thế kế được chế tạo với độ chính xác cao hơn các dụng cụ đo cơ điện Vì các đại lượng mẫu được chế tạo chính xác, điện kế tin cậy

c) Điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

Nguyên tắc chế tạo: giữ nguyên

điện trở mẫu RK; thay đổi dòng công

tác IP qua RK để thay đổi UK = IP.RK bù

lại với địên áp cần đo Ud: hình 3.13

3.1.4 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở

Biến trở AB là biến trở đo lường

Khoá SW có hai vị trí dùng để chuẩn cho

máy đo và đo đại lượng Uđ Dòng trong mạch

cần đo:

ABRRK

EI





1 1 1

0 ≤ K1 ≤ 1: phụ thuộc vào vị trí con chạy

Điện kế G dùng để xác định sự cân bằng của mạch đo Dòng I được giữ không đổi (đã được định sẵn) Do đó trước khi đóng, khoá SW ở vị trí 1 Nguồn chuẩn E2 được đưa vào so sánh với UBC

Tại vị trí con chạy C, điện kế G chỉ "0" hay: E2 = UBC = RBC I  dòng I được xác định Nếu G chỉ khác "0" thì dòng I định trước đã thay đổi Khi đó điều chỉnh R1 để G chỉ "0"; nghĩa là K1 thay đổi, dòng I có trị số như cũ (vì E1 thay đổi do nguồn pin yếu hoặc mạnh quá quy định

Sau đó khoá SW được chuyển sang vị trí 2 là điện áp cần đo Uđ được so sánh với UBC; tiếp tục điều chỉnh con chạy C cho đến khi G chỉ không:

U'BC = R'BC I Như vậy tại vị trí RBC ta có:

U'BC = R'BC I = Uđ

I đã được xác định; do đó UBC được xác định bởi điện trở R'BC (thường người ta mã theo điện áp trên điện trở AB)

ưu điểm của phương pháp này là không chịu ảnh hưởng của nội trở Uđ (vì dòng qua điện

kế G bằng không, nên không có điện áp rơi trên nội trở của nguồn cần đo)

3.1.5 ảnh hưởng của Vonmét trên mạch đo điện áp

Voltmét đã lấy một phần năng lượng của đối tượng đo nên gây ra sai số như sau: hình 3.15

Khi chưa mắc volt mét vào mạch đo Điện áp rơi

trên tải:

t ng t

RR

E



Khi mắc voltmét vào mạch Voltmét sẽ đo điện

áp rơi trên tải:

v v e

RR

ng t e

RR

RRR

e t

v t U

R

RRR

RU

UU

3.2 Volt mét điện tử đo điện áp DC

Giả sử chọn transisto loại Si có :

Điện áp UBE = 0,7V; hệ số khuếch đại

 = 100 Nguồn cung cấp Ecc = 20V; dòng lệch toàn thang I0 = 1mA

Đưa RP vào sao cho RP + R0 = 9,3k (Cho kết quả chẵn)

RV =

0

10101

Bộ phân áp gồm R4; R5 ; R6 ; trong đó R5 là biến trở ( triết áp)

- Mạch cơ cấu đo nằm trên đường chéo của cầu đo là transisto và R

- Điện rở R1 tạo nên thế bazơ bằng 0 khi mà EX = 0

a Xét trường hợp EX = 0 (ngắn mạch que đo – chưa đo)

UE = 10 – 0,7 = 9,3

U = 9,3 – (- 0,7) = 10V Chú ý: - Khi EX  0 xuất hiện dòng Im ( dòng qua cơ cấu), để UP = const thì I4  Im

dẫn đến mạch phân áp tiêu thụ công suất dáng kể của nguồn, do đó cần nâng cao công suất nguồn (việc này đôi khi gặp khó khăn)

- Kho UP var do có dòng Im Sai số được tính bởi tỉ số :

4 mII

mI

Và RE1 = RE2 , cho nên UE1 = UE2 Khi đó dòng IM qua cơ cấu chỉ thị bằng không

 Khi điện áp vào: EX > 0 ; IB1 > IB2, suy ra IE1 > IE2

Cho nên UB1 > UB2 dòng IM qua cơ cấu chỉ thị phụ thuộc vào UE1 - UE2 nghĩa là phụ thuộc điện áp EX Đối với mỗi mạch đo sẽ có EX cực đại khiến cho transisto đạt đến trạng thái bão hoà UE1 - UE2 cực đại

VD : EX = 1V, khiến cho UE1 - UE2= 1V ( mức điện áp bão hoà cầu đo)

 Khi điện áp vào : EX < 0, IB1 > IB2 ; suy ra UE1 < UE2 dẫn đến UE1 - UE2< 0 lúc đó dòng điện I M đo qua E2 đến E1 ( khi đó cực tính của đồng hồ phải đảo lại)

Chú ý: Khi đo điện áp EX ( dương hay âm ) điểm mass của mạch đo bao giờ cũng được nối với điểm mass của mạch cần đo ( Nếu ngõ vào lấy theo kiểu đơn cực ngoại trừ ngõ vào lấy theo kiểu vi sai)

 Khi cần đo điện áp VA- VB của một mạch cần khảo sát, chúng ta cần phải lần lượt

đo VA so với điểm mass, VB so với điểm mass ( nếu ngõ vào theo kiểu đơn cực ) Còn nếu ngõ vào theo vi sai thì chúng ta đưa hai đầu đo vào 2 điểm A,B ( trong

đó điểm mass của mạch đo được nối với mass mạch cần đo)

 Trong thực tế nếu mạch không thoả mãn điều kiện lý tưởng nghĩa làkhi: EX = 0V

mà UE1  UE2 khi đó chúng ta dùng mạch đo (Hình 3.20) sau đây có biến trở R5 ( biến trở chỉnh 0 của mạch đo) điều chỉnh con chạy R5 để cho mạch đo phân cực lại sao cho IB1 = IB2 và UE1 = UE2

 Mạch đo điện áp có ngõ ra được lấy ở hai cực phát còn được gọi là mạch theo điện áp vì điện áp ra có hệ số khuếch đại bằng 1 so với điện áp vào

Nếu muốn điện áp ra lớn hơn điện áp vào ( mạch đo có hệ số khuếch đại lớn hơn 1) thì ngõ ra được lấy ở cực thu C1, C2 của T1, T2 như mạch (Hình 3.21):

Transisto T1;T2; các điện trở R2; R5;R4 tạo thành mạch khuếch đại vi sai, R3 là điện trở điều chỉnh cân bằng nhờ đạt được trạng thái cân bằng tải do có UC1 = UC2 hay Ur = 0 Các điện trở R1; R6; R4 tạo nên dòng phân cực một chiều cho T1; T2 ở chế độ khuếch đại A; R4 còn gây hồi tiếp âm với hai transisto T1; T2 về dòng một chiều, cũng như dòng tín hiệu nhở đó mà nâng cao tính ổn định và điện trở vào của sơ đồ

Sơ đồ ta thấy với giả thiết UB2 = 0, điện áp vào EX tác dụng lên T1 thì hiệu số hai điện áp bazơ được khuếch đại và tác dụng tới đồng hồ

Ta được: Ur = A UV

UV = EX : Đơn cực

UV = UB1 – UB2 : Vi sai 3.2.2 Mạch đo điện áp DC dùng transisto trường JFET

Mạch đo dùng transisto có khuyết điểm là tổng trở vào của bản thân transisto nhỏ (vài K ) Do đó người ta thường dùng mạch đo có ngõ vào dùng JFET để có tổng trở vào lớn như (Hình 3.22) sau đây kết hợp với mạch phân thang đo điện áp:

Tổng trở vào của mạch đo: tổng trở vào của vôn kế là tổng trở vào của mạch phân tầm đo:

Zi = Ra+ Rb+Rc+ Rd = 800k + 100k + 60k + 40k = 1M

Do đó mỗi thang đo (1V; 5V; 10V; 25V) tổng trở vào Zi không đổi là 1M

Đặc điểm của mạch phân thang đo là mạch phân áp vào mạch đo

Thí dụ: ở thang đo 1V (đo điện áp  1V) được đưa vào mạch đo Vì mạch đo có điện áp bão hoà ở 1V

Khi đo điện áp lớn hơn 1V thì khoá SW chuyển sang thang đo lớn hơn (ví dụ 10V) thì khi đó mạch phân áp sẽ tạo ra điện áp Ui vào mạch đo:

V

Như vậy R= 1M; UGmax = 1V

Nếu :

+ EX = 20V thì UG = 20 40 0,8

1000  V Tra sổ tay: UGS = 0  - 5V

Để UE2 = 4,3V thì UP = 5V do đó phải điều chỉnh R5

Tương tự khi UG = 1V thì US = 6V; UE1 = 6 - 0,7 = 5,3V

Suy ra:

Ur = UE1 – UE2 = 5,3 – 4,3 = 1V

Ta được kết quả đo bằng số chỉ Voltmet nhân với hệ số suy giảm

3.2.3 Mạch đo điện áp DC dùng khuếch đại thuật toán (operational amplifier - OA)

Đặc tính cơ bản: những tín hiệu đo lường thường có giá trị nhỏ hoặc rất nhỏ, nhất là những tín hiệu ngõ ra của cảm biến đo lường, cho nên cần phải khuếch đại nhưng tín hiệu này trước khi chế biến

Những nét đặc trưng quan trọng của mạch khuếch đại đo lường gồm những điểm sau:

- Hệ số khuếch đại được lựa chọ phù hợp với độ chính xác và độ tuyến tính cao

- Ngõ vào vi sai có khả năng tốt nhất để có hệ số truất thải tín hiệu chung lớn nhất

- Độ ổn định cho hệ số khuếch đại với sự thay đổi nhiệt độ hoạt động

- Sai số do sự trôi và điện áp bù DC càng nhỏ càng tốt

Hiện nay mạch khuếch đại đo lường dùng vi mạch khuếch đại thuật toán được chế tạo mang đặc tính cơ bản nói trên nên chúng ta không cần quan tâm đến việc thiết kế mạch khuếch đại đo lường như dùng từng con tranzito rời Ngoài ra hệ số khuếch đại hoàn toàn phụ thuộc vào phần tử bên ngoài do chúng ta quyết định khi thiết kế

Chính vì lý do vậy nên chúng ta phân tích mạch đo lường dùng trong máy hiện số sử dụng OA

1 Mạch đo không có khuếch đại điện áp (Hình 3.23):

Ta thấy mạch khuếch đại ngăn cách tổng

trở của mạch phân thang đo và đồng hồ chỉ

thị Trong trường hợp này là mạch KĐ không

đảo dấu (vì tín hiệu vào ngõ + của OA):

Ur = Uv

2 Mạch đo có khuếch đại điện áp (Hình 3.24):

Trường hợp tín hiệu đo có giá trị nhỏ chúng ta

dùng mạch khuếch đại không đảo dấu có hệ số lớn

hơn 1:

Ur = Uv (1+

2

1R

R)

Ví dụ: Cho Uv = 0,1V; R1 = 90k; R2= 10k; R0 = 1k; Dòng max qua cơ cấu I0 = 50A Xác định RP để cho dòng qua đồng hồ chỉ thị cực đại

50

VkA

1

1 0

1

0

1

R

URRRR

RRRUR

Như vậy: (Uv)max = R1.I0

Ví dụ: Uv = 0,1V; xác định R1 để cho dòng Im bằng dòng max I0 Khi cơ cấu đo có I0 = 50A; R0 = 1k

Giải: Theo trên ta có:

Uv = R1 I0

Nên tại U = 0,1V

R1 =      k

A

VA

VI

Uv

210

.50

1050

1,0

6 1

4 Mạch khuếch đại dạng vi sai:

Giới thiệu mạch trừ: Khi cần trừ hai điện áp ta

thực hiện theo sơ đồ hình 3.26

Điện áp ra được tính theo:

Ur = K1 U1 + K2 U2

Xác định K1; K2 theo phương pháp sau:

a Cho U2 = 0; mạch làm việc như khuếch đại

đảo

Ta có:

a

ra a

UUR

U

U1 0  0

/ ; (U0 = Ua – Ub )

Suy ra: Ura = - a U1 = K1 U1 (do U0  0)

b Khi U1 = 0; mạch làm việc dạng khuếch đại không đảo

R

UR

R

R  nên: Ur1 = - U01

Và: Ur2 = 2

1 02 2

2

1 R (U U )R

3.2.4 Mạch đo điện áp DC giá trị nhỏ dùng phương pháp “Chopper” (Mạch đóng ngắt)

Để đo điện áp DC có giá trị nhỏ (vài mV) phải dùng khuếch đại ghép nhiều tầng để tăng

hệ số khuếch đại Nếu ghép theo kiểu trực tiếp (ghép DC) thì sự trôi điểm phân cực tầng đầu sẽ được tầng sau khếch đại do đó sẽ lẫn tín hiệu Vậy ta phải dùng cách ghép AC để sự trôi mỗi tầng khuếch đại độc lập với nhau Như thế tín hiệu đo được chuyển từ DC sang AC, sau đó khuếch đại lên bằng mạch khuếch đại AC

Sơ đồ khối mạch đo hình 3.28: