giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường

- Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, ký hiệu: - Cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ, ký hiệu: - Cơ cấu chỉ thị kiểu điện động, ký hiệu: - Cơ cấu chỉ thị kiểu cảm ứng, ký hiệu: - Cơ cấu chỉ thị kiểu tĩ

Giới thiệu chung về đo lường

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG

1 Định nghĩa

Đo lường là một quá trình đánh giá, định lượng đại lượng cần đo để so sánh với đại lượng được chọn làm đại lượng chuẩn nhằm thuận tiện cho việc đánh giá hoặc điều khiển

2 Mục đích và yêu cầu

Mục đích: Để xác định giá trị của đại lượng cần đo Xem giá trị đo có đúng với yêu cầu hay không để có sự điều chỉnh chính xác

Yêu cầu: Cần đạt đến độ chính xác cao, nhưng tùy thuộc vào đối tượng, ví dụ đo lường cho công nghiệp thì cần những đồng hồ đo loại công nghiệp, nếu cho mục đích nghiên cứu thì cần những đồng hồ đo chính xác hơn

3 Các đại lượng đo lường

Trong lĩnh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta phân

ra hai lọai cơ bản

Đại lượng điện, như là I,V, R, L, C, P, …

Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa học, sinh học, y học,… không mang đặc trưng của đại lượng điện, như là nhiệt độ, độ ẩm, lực, moment, ứng suất, …

4 Phân loại các cách thức thực hiện phép đo

Để có thể đo lường chúng ta phải sử dụng các thiết bị đo, vậy những dụng cụ và thiết bị giúp cho việc định tính và định lượng cho đại lượng cần đo được gọi là thiết bị đo

Tùy theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự (Analog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital)

- Dụng cụ đo tương tự là dụng cụ đo mà kết quả đo là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lượng đo Các dụng cụ loại này loại này là dụng cụ đo chỉ thị kim và dụng cụ đo có cơ cấu tự ghi

- Dụng cụ đo số là dụng cụ đo mà kết quả đo được thể hiện bằng số

Hình 1.1: a) Dụng cụ đo chỉ thị kim, b) Dụng cụ đo có cơ cấu tự ghi,

c) Dụng cụ đo thể hiện bằng số

Để thực hiện một phép đo người ta có thể sử dụng nhiều cách khác nhau, ta có thể phân biệt các cách sau đây:

Giới thiệu chung về đo lường a- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất

Cách đo này cho kết quả ngay Dụng cụ đo được sử dụng thường tương ứng với đại lượng đo Ví dụ: đo điện áp thì dùng voltmeter chẳng hạn trên mặt voltmeter đã khắc độ sẵn bằng vôn Thực tế đa số các phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này

b- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả suy ra được từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp

Ví dụ: Để đo điện trở ta có thể sử dụng định luật ohm R = U/I Ta cần đo điện áp và dòng điện bằng cách đo trực tiếp sau đó tính ra điện trở

Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn, là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp

c- Đo thống kê: Để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta phải sử dụng cách đo thống kê Tức là phải đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bình Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo

5 Đơn vị đo

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ Trên thế giới người ta đã đặt ra những đơn vị tiêu chuẩn như: (tham khảo thêm phần tài liệu do giáo viên gởi kèm)

1MW = 1.000KW = 1.000.000W hay ghi cách khác 1MW = 103KW = 106W

1W = 1.000mW = 1.000.000µW hay ghi cách khác 1W = 103mW = 106µW

1µW = 0.001mW = 0.000001W hay ghi cách khác 1µW = 10-3mW = 10-6W

1W = 0.001KW = 0.000001 MW hay ghi cách khác 1W = 10-3KW = 10-6MW

Giới thiệu chung về đo lường

6 Các sai số

Bất cứ loại đồng hồ nào dù chế tạo chính xác đến đâu cũng có sai số Sai số là giá trị chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số gồm có hai loại:

a Sai số cơ bản: là sai số vốn có của dụng cụ đo do quá trình chế tạo dụng cụ đo quyết định, ví dụ như ma sát ổ trục, khắc vạch trên mặt dụng cụ đo không chính xác,…

b Sai số phụ: là sai số do phương pháp đo không chính xác, điều kiện môi trường khi đo khác với điều kiện tiêu chuẩn, sai số do cá tính, thói quen của người thực hiện công việc

đo lường gây nên,…

Để biểu thị sai số người ta đưa ra:

- Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa giá trị đo được – x’ và giá trị thực – x (giá trị x là giá trị của đại lượng cần đo được xác định với độ chính xác rất cao nhờ các dụng cụ đo mẫu chuẩn)

'

xx

%x

xx

Ở đây: - xđm là trị số lớn nhất của thang đo

- CCX là cấp chính xác

Trong điều kiện làm việc tiêu chuẩn (nhiệt độ: (20 ± 5)0C, độ ẩm tương đối: (65 ± 15)%, áp suất khí quyển: (750 ± 30)mmHg) và với thao tác đo tốt thì sai số tương đối định mức chủ yếu do sai số cơ bản gây nên Vì vậy người ta dùng sai số tương đối định mức để biểu thị độ chính xác của đồng hồ

Ví dụ: theo tiêu chuẩn việt nam T.C.V.N 1689-T5 có hiệu lực từ 1-1-1977 thì dụng cụ đo có cấp chính xác: 0,1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; 5

Cấp chính xác được ghi trên mặt dụng cụ đo

Ví dụ: Một đồng hồ đo điện áp xoay chiều loại chỉ thị kim có giá trị thang đo lớn nhất là 500V, cấp chính xác của đồng hồ này là 2.5 Hãy cho biết nếu kim của đồng hồ chỉ tại vạch 480, thì giá trị đúng là khoảng bao nhiêu?

Giải: với CCX = 2.5, Xđm = 500V, x’= 480V

100

5005.2

=

×

=

∆xTừ (1.1) ta có ∆x =x−x' = x−480 =12.5

5.124805

.12

−

Giới thiệu chung về đo lường

7 Các bộ phận chủ yếu của dụng cụ đo Phân loại dụng cụ đo, các ký hiệu trên mặt dụng cụ đo

Nói chung tất cả các loại dụng cụ đo thường có hai bộ phận cơ bản là cơ cấu chỉ thị và mạch đo Mạch đo dùng để biến đổi các đại lượng cần đo thành những đại lượng điện (điện áp, dòng điện,…) Có trị số phù hợp tác dụng trực tiếp lên cơ cấu chỉ thị

Cơ cấu chỉ thị kiểu kim chỉ thị gồm có: phần động và phần tĩnh, làm nhiệm vụ biến đổi điện năng đưa vào thành cơ năng tác dụng lên phần động Phần động gắn liền với kim chỉ thị, góc quay của kim xác định trị số của đại lượng đưa vào cơ cấu chỉ thị

Căn cứ vào nguyên lý làm việc người ta phân thành 5 loại cơ cấu chỉ thị kiểu kim

- Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu điện động, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu cảm ứng, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu tĩnh điện, ký hiệu:

Trên cơ sở những cơ cấu này, ở một số dụng cụ đo cơ cấu chỉ thị còn thêm một số chi tiết khác để mở rộng khả năng sử dụng, lúc ấy ngoài những ký hiệu cơ bản trên còn phải ghi thêm các ký hiệu phụ khác Ví dụ:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện có chỉnh lưu, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu sắt điện động, ký hiệu:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu từ nhiệt điện, ký hiệu:

- Tỷ số mét (logomét) kiểu từ điện, ký hiệu:

- Tỷ số mét (logomét) kiểu điện từ, ký hiệu:

- Tỷ số mét điện động, ký hiệu:

- Tỷ số mét cảm ứng, ký hiệu:

Ngoài ra trên mặt dụng cụ đo còn ghi đại lượng đo: ampe kế (ampe mét) ký hiệu

A, vôn kế – V, wát kế – W, ôm kế – Ω, công tơ – Wh, hệ số công suất – cosφ, loại dòng điện mà dụng cụ sử dụng: dòng điện một chiều ký hiệu , xoay chiều , cả một chiều và xoay chiều , xoay chiều ba pha

Giới thiệu chung về đo lường

Các ký hiệu về cách đặt dụng cụ:

- Đặt thẳng đứng, ký hiệu: ↑ hoặc ┴

- Đặt nằm ngang, ký hiệu:→ hoặc

- Đặt nghiêng một góc φ, ký hiệu:

Các ký hiệu thử cách điện của dụng cụ:

ví dụ dụng cụ được thử cách điện ở điện áp 2kv được ký hiệu:

2kv hoặc Ký hiệu cấp chính xác của dụng cụ: 0,1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; 5

Ví dụ trên mặt dụng cụ đo ghi: 1,5 - ┴

Có nghĩa là dụng cụ đo có cấp chính xác 1,5 với cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, đặt thẳng đứng và điện áp thử cách điện là 2kv

8 Độ tác động nhanh

Độ tác nhanh hay còn gọi là thời gian chỉ thị là thời gian ngắn nhất để dụng cụ đo xác lập kết quả đo được trên bề mặt của chỉ thị Đối với dụng cụ đo tương tự thời gian này khoảng 4 giây, còn đối với dụng cụ do hiển thị số thì thời gian này khoảng 1 giây

9 Độ nhạy

Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng:

X

Y

S = với Y là đại lượng ra, X là đại lượng vào

Nếu một dụng cụ đo có nhiều khâu biến đổi bên trong thì độ nhạy chung của dụng cụ đo là tích số của các độ nhạy thành phần: S = S1 S2 S3 S4 S5 ….Sn

Các loại cơ cấu chỉ thị CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO CƠ BẢN

1 Chỉ thị bằng cơ cấu từ điện

a Cấu tạo

Hình 2.1: Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, và ký hiệu của nó

Cơ cấu chỉ thị gồm hai thành phần chính: phần tĩnh là nam châm vĩnh cửu 2 để tạo

ra từ trường, phần quay là phần khung nhôm 1 xung quanh quấn dây đồng (Φ = 0.02 ÷ 0.2

mm, bọc lớp cách điện mỏng) và được gắn với trục, toàn bộ khối lượng khung quay phải càng nhỏ càng tốt để sao cho moment quán tính càng nhỏ, trên trục có gắn kim chỉ thị 3 (phía sau kim chỉ thị được đặt một đối trọng để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay) và lò xo phản kháng 5 - lò xo phản kháng có nhiệm vụ kéo kim chỉ thị về vị trí ban đầu Để giảm khe hở không khí giữ hai cực nam châm và làm cho từ trường mạnh hơn, đều hơn, người ta cho vào khung nhôm lõi thép cố định 7

b Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện một chiều I chạy

vào cuộn dây phần động, từ trường nam

châm vĩnh cửu sẽ tác dụng lên hai cạnh

khung dây khi trục khung dây nằm thẳng

góc với đường sức từ trường một lực F

(theo quy tắc bàn tay trái), lực từ trên hai

thanh dẫn là ngược chiều nhau,và tạo ra

moment quay Mq Hình 2.2: Nguyên tắc hoạt động của khung

dây được đặt trong từ trường của nam châm

Rm

Ký hiệu của cơ cấu từ điện

Cấu tạo của cơ cấu từ điện

1 Khung quay

2 Nam châm vĩnh cửu

3 Kim chỉ thị

4 Thang chia

5 Lò xo phản kháng

6 Hai dây dẫn, cung cấp điện cho khung dây

7 Lõi sắt

6

6

7

Các loại cơ cấu chỉ thị Dưới tác dụng của Mq, khung sẽ quay một góc α, moment quay được tính theo biểu thức:

Với B: độ tự cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện của khung dây

W: số vòng dây của khung dây

I : dòng điện chạy vào khung dây

Khi lò xo phản kháng bị xoắn lại sẽ sinh ra monent cản Mc tỷ lệ thuận với góc quay α và được tính:

α.D

MC =Trong đó D là hằng số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước lò xo

Kim của cơ cấu sẽ đứng yên khi moment cản Mc cân bằng với moment quay Mq

Như vậy: góc quay tỷ lệ với dòng điện một chiều chạy vào khung Dòng điện càng lớn thì góc quay sẽ càng lớn

c Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện

Từ trường của cơ cấu mạnh nên ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, tổn thất điện năng trong cơ cấu ít nên độ chính xác cao

Loại dụng cụ đo kiểu từ điện có thể đo được các đại lượng một chiều, không đo được các đại lượng xoay chiều, nếu muốn đo thì dòng điện chạy vào khung quay phải qua

cơ cấu chỉnh lưu

- Ứng dụng: Cơ cấu từ điện thường dùng trong các dụng cụ đo như: ampe kế, vôn kế, wát kế, đồng hồ vạn năng (VOM), điện kế

Hình ảnh của một số dụng cụ đo sử dụng cơ cấu từ điện

Hình 2.3: Hình ảnh của một số dụng cụ đo sử dụng cơ cấu từ điện

Các loại cơ cấu chỉ thị

2 Chỉ thị bằng cơ cấu điện từ

a Cấu tạo

Hình 2.4: Cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ với

cuộn dây phẳng

1- cuộn dây, 2- lõi thép, 3- lò xo phản

kháng, 4- cơ cấu cản dịu, 5- trục quay, 6-

kim chỉ, 7- đối trọng, 8-thang đo

Hình 2.5: Cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ với cuộn dây tròn

1- cuộn dây, 2- tấm kim loại tĩnh, 3- tấm kim loại động, 4- trục quay có gắn kim

Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện có hai loại: loại cuộn dây phẳng và loại cuộn dây tròn Hai loại này chỉ khác nhau về cấu tạo, còn nguyên lý làm việc thì như nhau

Đối với loại cuộn dây phẳng, phần tĩnh là cuộn dây 1 được quấn thành hình hộp, giữa cuộn dây có rãnh hẹp 9 Phần động là phiến thép 2 làm bằng sắt từ mềm gắn lệch tâm với trục Trên trục 5 có lò xo phản kháng 3, kim 6 và bộ phận cản dịu không khí 4 Khi có dòng điện chạy vào phần tĩnh, làm phần tĩnh sinh ra từ trường, lá thép 2 bị hút vào rãnh 9 làm kim quay đi một góc

Đối với loại cuộn dây tròn, phần tĩnh là cuộn dây 1 quấn thành hình trụ tròn, phía trong đặt hai phiến sắt từ mềm 2 và 3 Phiến 2 cố định, phiến 3 gắn liền với trục, trên trục có gắn kim và lò xo phản kháng và bộ phận cản dịu không khí Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây phần tĩnh, hai phiến thép sẽ được từ hóa giống nhau, các cực cùng tên ở gần nhau sẽ đẩy nhau, làm cho phiến 3 và kim quay đi một góc

Loại cuộn dây tròn so với cuộn dây phẳng thì dễ chế tạo hơn, thang đo chia đều hơn, nhưng từ trường yếu hơn, nên phải chế tạo cuộn dây to và nhiều vòng hơn Hiện nay loại cuộn dây phẳng được dùng nhiều hơn

b Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ

- Ưu điểm: Có thể đo được cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều Cuộn dây phần tĩnh có thể chế tạo với tiết điện lớn nên có khả năng quá tải tốt

- Nhược điểm: Mạch từ khép mạch qua không khí nên từ trường yếu và chịu ảnh hưởng từ trường ngoài Để trừ bỏ ảnh hưởng của từ trường ngoài, người ta bọc cơ cấu đo trong một màn chắn từ bằng kim loại Tổn hao sắt từ trong cơ cấu lớn nên cấp chính xác thấp

- Ứng dụng: Cơ cấu đo kiểu điện từ chế tạo đơn giản, rẻ, nên được sử dụng rộng rãi

9

Các loại cơ cấu chỉ thị

3 Chỉ thị bằng cơ cấu điện động

a Cấu tạo

Cơ cấu điện động bao gồm hai thành phần: 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 chui qua khe hở giữa hai

phần cuộn dây tĩnh

- Phần động gồm một khung dây 2

đặt trong lòng cuộn dây tĩnh 1 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 ngừa

ảnh hưởng của từ trường ngoài

Hình 2.6: Cơ cấu chỉ thị kiểu

điện động

Khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây Từ trường này tác động lên dòng điện I2 chạy trong cuộn dây 2 (phần động) tao nên moment quay làm khung dây 2 quay một góc α và moment quay được tính:

b Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu điện động

- Ưu điểm: có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều

- Nhược điểm: tiêu thụ công suất lớn nên không thích hợp trong mạch công suất

nhỏ Chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ

- Ứng dụng: chế tạo các Ampe kế, vôn kế, wát kế một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosϕ

4 Chỉ thị bằng cơ cấu cảm ứng

a Cấu tạo

Cơ cấu cảm ứng bao gồm phần tĩnh và phần động

-Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động

-Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trụ 5

Hình 2.7: Cơ cấu chỉ thị cảm ứng

1

2

Các loại cơ cấu chỉ thị Nguyên lý làm việc của cơ cấu cảm ứng là dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều (được tạo ra bởi dòng điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều:

Khi dòng điện I1, I2 vào các cuộn dây phần tĩnh làm sinh ra các từ thông Ф1, Ф2 (các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tương ứng), từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm 1 (phần động) làm xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π /2) dẫn đến xuất hiện các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2)

Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tương hỗ với các dòng điện Ix1, Ix2 làm sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng làm quay đĩa nhôm (phần động) Mômen quay được tính:

với: C là hằng số

f là tần số của dòng điện I1, I2

ψ là góc lệch pha giữa I1, I2

b Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu cảm ứng

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

- Nhược điểm: mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số

- Ứng dụng: chủ yếu để chế tạo côngtơ đo năng lượng điện tiêu thụ; có thể đo tần số…

Led có ký hiệu và hình dáng như sau:

Hình 2.8: Ký hiệu và hình dạng của Led

Các loại cơ cấu chỉ thị

Hình (a) là ký hiệu của Led bảy đoạn có anốt chung, hình (b) là ký hiệu của Led bảy đoạn có catốt chung

(a) (b)

Hình 2.9: Led bảy đoạn được cấu thành từ các led đơn

b Ứng Dụng :

Led bảy đoạn được dùng để hiển thị các số từ 0 đến 9 và những chữ cái

Một số loại Led bảy đoạn như sau:

Hình 2.9: Một số loại led bảy đoạn

Các loại cơ cấu chỉ thị 5.3 CHỈ THỊ TINH THỂ LỎNG LCD:

LCD là chữ viết tắt bởi Liquid Crytal Display Tinh thể lỏng dùng trong LCD là những hợp chất hữu cơ có những đặc tính Nematic (các phần tử tinh thể lỏng nằm song song với nhau) Ở nhiệt độ thấp thì LCD ở trạng thái rắn, khi ở nhiệt độ nóng chảy thì LCD chuyển sang trạng thái lỏng

LCD có cách sắp xếp các số và chữ số như Led bảy đoạn có tuổi thọ từ 10.000 đến 100.000 giờ và hiện nay đang được sử dụng thay thế dần các loại Led bảy đoạn

Các loại màn hình LCD như sau:

Hình 2.10: Một số loại màn hình LCD

Đo dòng điện CHƯƠNG 3

ĐO DÒNG ĐIỆN

I CÁC LOẠI NGUỒN ĐIỆN

Nguồn một chiều là các nguồn như pin, bình ắc-quy, máy phát điện một chiều, nguồn xoay chiều đã được chỉnh lưu,… Nguồn một chiều hay còn còn gọi là nguồn DC (Direct Current Power Supply)

Hình 3.1: Các ký hiệu của nguồn một chiều

Nguồn xoay chiều là nguồn điện một pha hoặc ba pha Nguồn xoay chiều hay còn gọi là nguồn AC (Alternating Current Power Supply)

Hình 3.2: Ký hiệu của nguồn một pha và ba pha trung tính nối đất

II ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Các đặc tính cơ bản

Để đo dòng điện người ta dùng ampe kế Khi đo, ampe kế phải mắc nối tiếp với phụ tải Các ampe kế một chiều được chế tạo chủ yếu dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện với các đặc tính cơ bản sau:

- Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,05

- Điện trở cơ cấu (nội trở): khoảng từ 20 Ω ÷ 2000 Ω

- Cần kết nối chính xác đầu + của ampe kế về phía “nguồn dương” và đầu – của ampe kế với đầu dây còn lại

Hình 3.3: Ký hiệu của ampe kế một chiều và thành phần bên trong của ampe kế một

chiều sử dụng cơ cấu từ điện

Ví dụ 1: Hãy tìm giá trị của dòng điện chạy trong mạch sau bằng cách sử dụng ampe kế có nội trở 20 Ω

Hình 3.4: Thực hiện đo dòng điện tải

- Rm : điện trở của khung dây

Sử dụng định luật Ohm: I = U/(Rđ+Rm)= 0.1A Như vậy ta thấy dòng điện chạy qua tải bằng với giá trị lớn nhất mà cơ cấu từ điện có thể chịu đựng được

Đo dòng điện Nếu trong trường hợp điện trở tải là 80Ω, thì dòng điện qua tải và qua khung dây của đồng hồ ampe kế là 0,12A Lúc này khung dây sẽ nóng lên và hư hỏng Vì vậy muốn sử dụng cơ cấu từ điện này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị, phải dùng thêm một điện trở Shunt nối song song với cơ cấu chỉ thị này

Hình 3.5: Mắc điện trở shunt nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện và ký hiệu

Như vậy, đồng hồ Ampe để đo dòng điện một chiều bao gồm cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện có điện trở là Rm và điện trở Shunt – Rs Với Rm lớn hơn Rs rất nhiều (Rm >> Rs) Khi dòng điện đi vào đầu dương (+), một phần nhỏ dòng điện sẽ đi qua khung quay Rm và sẽ làm kim quay, phần lớn còn lại sẽ đi qua Rs và ra khỏi đầu âm (-)

Trên thực tế điện trở của đồng hồ Ampere (nội trở) là rất nhỏ, nhằm mục đích giảm sự tiêu điện năng trên thiết bị này

2 Chọn điện trở shunt cho ampe kế từ điện chỉ có một thang đo hoặc từng thang đo:

Dựa trên các thông số của cơ cấu chỉ thị từ điện và dòng điện cần đo, có thể tính giá trị điện trở shunt phù hợp cho từng dòng điện cần đo là: (hình 3.6)

3 Chọn điện trở shunt cho ampe kế từ điện có nhiều thang đo:

Trên cơ sở mắc shunt song song với cơ cấu chỉ thị có thể chế tạo ampe kế từ điện có nhiều thang đo

Hình 3.6: Mở rộng thang đo với các Shunt mắc song song với cơ cấu từ điện

với: Rm : điện trở của cơ cấu chỉ thị từ điện

m

I

I

n = : hệ số mở rộng thang đo của Ampe kế

I: dòng điện cần đo

Im: dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu được

Đo dòng điện

Hình 3.7 là sơ đồ ampe kế từ điện 4 thang đo (I1, I2, I3, I4) Các điện trở sun RS1, RS2,

RS3, RS4 mắc nối tiếp với nhau rồi nối song song với Rm Tính các điện trở sun RS1, RS2,

RS3, RS4 bằng cách lập hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:

m S

S S S m S

m S

S S S m S

m S

S S S m S

m S

S S S m S

I

InR

n

RRRRR

I

InR

Rn

RRRR

I

InR

RRn

RRR

I

InR

RRRn

RR

1 1 1

1

2 3 4 1

2 2 2

1 2

3 4 2

3 3 3

2 1 3

4 3

4 4 4

3 2 1 4

4

;1

;1

;1

;1

=

=

−

+++

=

=+

=

−

++

=

=+

++

=

−

=

Σ Σ Σ Σ

4 Cách kết nối đồng hồ trong mạch

Đồng hồ Ampe một chiều được mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng điện Theo nguyên tắc như sau:

Hình 3.8: Kết nối đồng hồ Ampe kế trong mạch điện một chiều

5 Các loại đồng hồ Ampe DC trên thực tế

Hình 3.9: Hình dạng một vài loại đồng hồ Ampe một chiều

Hình 3.7: Mở rộng thang đo với các Shunt mắc nối tiếp nhau và

song song với cơ cấu từ điện

Đo dòng điện

III ĐỒNG HỒ AMPE ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Để đo dòng điện xoay chiều ta dùng các loại ampe kế xoay chiều có các cơ cấu đo kiểu điện từ, điện động hay cơ cấu đo kiểu từ điện có chỉnh lưu Trong các loại cơ cấu đo trên thì ampe kế kiểu điện từ có cấp chính xác thấp nhất nhưng lại được dùng nhiều nhất

vì dễ chế tạo và rẽ

Trên thực tế điện trở của đồng hồ Ampere là rất nhỏ, nhằm mục đích giảm sự tiêu thụ điện năng

Hình 3.10: Ký hiệu Ampe kế xoay chiều

1 Ampe kế điện từ

Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ Mỗi cơ cấu điện từ với số ampe vòng nhất định (ví dụ cuộn dây tròn có IW = 200A vòng, cuộn dây phẳng có

IW = 100 ÷ 150 A vòng) do đó khi mở rộng thang đo chỉ cần thay đổi sao cho IW là hằng số bằng cách chia cuộn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách ghép nối các đoạn đó như hình 3.11 a – đo dòng điện nhỏ, hình 3.11 b – đo dòng điện trung bình và hình 3.11 c – đo dòng điện lớn

Hình 3.11: Mở rộng thang đo của Ampe kế điện từ

2 Ampe kế điện động

Thường được sử dụng cho dòng điện ở tần số 50 Hz hoặc cao hơn (400 ÷ 2000 Hz) với đô chính xác cao (cấp 0.5 ÷ 0.2) Tùy theo dòng điện đo mà cuộn dây tĩnh và động được mắc nối tiếp hoặc song song

Hình 3.12: Mở rộng thang đo của Ampe kế điện động

Với dòng điện nhỏ hơn 0.5A người ta mắc nối tiếp cuộn dây động và cuộn dây tĩnh, khi dòng điện lớn hơn 0.5A cuộn dây tĩnh và cuộn dây động được ghép song song như hình 3.12 Ampe kế điện động có độ chính xác cao nên được sử dụng làm dụng cụ đo mẫu

Đo dòng điện

3 Ampe kế chỉnh lưu

Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode Hình 3.13 a là mạch chỉnh lưu bàn kỳ (nữa chu kì) và hình 3.13 b là mạch chỉnh lưu hai nữa chu kỳ (toàn kỳ)

Hình 3.13: Đo dòng điện xoay chiều sử dụng cơ cấu từ điện chỉnh lưu

4 Cách kết nối đồng hồ trong mạch

Đồng hồ Ampe xoay chiều được mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng điện Theo nguyên tắc như sau:

Hình 3.14: Kết nối đồng hồ Ampe kế trong mạch điện xoay chiều

5 Các loại đồng hồ Ampe AC trên thực tế

Hình 3.15: Hình dạng một vài loại đồng hồ Ampe xoay chiều

Đo điện áp CHƯƠNG 4

ĐO ĐIỆN ÁP

I ĐO ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

1 Các đặc tính cơ bản

Vôn kế một chiều cũng được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện Điện áp định mức dành cho cơ cấu này vào khoảng 50 ÷ 75mV Khi đo điện áp, vôn kế được nối song song với đối tượng cần đo điện áp Cần kết nối chính xác đầu + của vôn kế về phía

“nguồn dương” và đầu – của vôn kế với đầu dây còn lại của đối tượng Khi sử dụng vôn kế để đo điện áp cần lưu ý các sai số sinh ra trong quá trình đo

Hình 4.1: Ký hiệu của vôn kế một chiều và thành phần bên trong của vôn kế một

chiều sử dụng cơ cấu từ điện

Ví dụ 1: Hãy tìm giá trị của điện áp đặt lên điện trở R2 trong mạch sau bằng cách sử dụng vôn kế có điện áp định mức đầu vào là 50mV và nội trở là 20,000Ω

Hình 4.2: Thực hiện đo điện áp trên tải

Như vậy ta thấy rằng điện áp trên R2 là 50mV bằng với giá trị định mức của vôn kế này Trong trường hợp muốn đo điện áp là 12V thì ta không thể dùng vôn kế mà phạm

vi điện áp đầu vào chỉ có 50 ÷ 75mV được Như vậy chúng ta cần mở rộng phạm vi đo cho vôn kế bằng cách mắc thêm điện trở phụ – Rp nối tiếp với cơ cấu từ điện như hình 4.3

Hình 4.3: Mắc điện trở phụ Rp nối tiếp với cơ cấu chỉ thị từ điện

và ký hiệu của đồng hồ volt một chiều

Đồng hồ Volt để đo điện áp một chiều bao gồm cơ cấu khung quay có điện trở là

Rm và điện trở phụ Rp Với Rp lớn hơn Rm rất nhiều (Rp >> Rm) Dòng điện đi vào đầu dương (+) sẽ đi qua khung quay Rm, qua Rp và sẽ làm kim quay, sau đó ra khỏi đầu âm (-)

Trên thực tế điện trở của đồng hồ Volt là rất lớn, nhằm mục đích giảm sự tiêu thụ điện năng

AR

R

U

50000.1012

2 1

=+

=+

=

mV

VR

IV

50

05.050001.0

2 2

Đo điện áp

2 Cách kết nối đồng hồ trong mạch

Đồng hồ Volt một chiều được mắc song song với mạch cần đo điện áp Theo nguyên tắc như sau (cần chú ý cực tính của đồng hồ):

Hình 4.4: Cách mắc đồng hồ Vôn kế để đo điện áp một chiều

3 Các loại đồng hồ Volt DC trên thực tế

Hình 4.5: Hình dạng một số loại Vôn kế đo điện áp một chiều

II ĐỒNG HỒ VOLT ĐO ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

1 Vôn kế đo điện áp xoay chiều sử dụng cơ cấu từ điện

Là dụng cụ được phối hợp giữa cơ cấu từ điện và mạch chỉnh lưu như hình 4.6

Hình 4.6: Cấu tạo và ký hiệu của Vôn kế đo điện áp xoay chiều sử dụng cơ cấu từ điện

Đồng hồ Volt để đo điện áp xoay chiều bao gồm cơ cấu khung quay có điện trở là

Rm và điện trở phụ Rp Với Rp lớn hơn Rm rất nhiều (Rp >> Rm) Dòng điện đi vào một đầu của đồng hồ, rồi đi qua cơ cấu chỉnh lưu, sau đó qua khung quay Rm, tiếp tục qua cơ cấu chỉnh lưu, cuối cùng qua Rp và sẽ làm kim quay, sau đó ra khỏi đầu còn lại của đồng hồ

Trên thực tế điện trở của đồng hồ Volt là rất lớn, nhằm mục đích giảm sự tiêu thụ điện năng

2 Vôn kế đo điện áp xoay chiều sử dụng cơ cấu điện từ

Đồng hồ vôn kế đo điện áp xoay chiều sử dụng cơ cấu điện từ được trình bày như hình 4.7

Đo điện áp

Hình 4.7: Cấu tạo và ký hiệu của Vôn kế đo điện áp xoay chiều sử dụng cơ cấu điện từ

Đồng hồ Volt để đo điện áp xoay chiều bao gồm cơ cấu khung quay có điện trở là

Rm và điện trở phụ Rp Với Rp lớn hơn Rm rất nhiều (Rp >> Rm) Dòng điện đi vào đầu một đầu của đồng hồ, sau đó qua khung quay Rm, cuối cùng qua Rp và sẽ làm kim quay, sau đó ra khỏi đầu còn lại của đồng hồ

Trên thực tế điện trở của đồng hồ Volt là rất lớn, nhằm mục đích giảm sự tiêu thụ điện năng

3 Cách kết nối đồng hồ trong mạch

Đồng hồ Volt được mắc song song với mạch cần đo điện áp Theo nguyên tắc như sau:

Tải

Nguồn

Hình 4.8: Cách mắc đồng hồ Vôn kế để đo điện áp xoay chiều

4 Các loại đồng hồ Volt AC trên thực tế

Hình 4.9: Hình dạng một số loại Vôn kế đo điện áp xoay chiều

Đo điện trở

II ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VOLT KẾ VÀ AMPERE KẾ

Dựa vào định luật Ohm để tính toán giá trị điện trở theo cách đo gián tiếp bằng cách sử dụng công thức như sau:

Ι

U

R =Có hai cách đo điện trở bằng đồng hồ Volt và Ampere, với RA là điện trở của đồng hồ Ampere, RV là điện trở của đồng hồ Volt và RX là điện trở cần xác định

Nếu RV >> RX thì:

A V A X

X X

I

VII

VI

A X

X X

I

VI

V-VI

V

Hình 5.1: Đo điện trở bằng Vôn kế và Ampe kế với hai kiểu bố trí khác nhau

III ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG ĐỒNG HỒ HIỂN THỊ KIM

Đây là phương pháp đo trực tiếp bằng cách phối hợp giữa dụng cụ đo kiểu từ điện với nguồn cung cấp là Pin và một số điện trở phụ có độ chính xác cao

Hình 5.2: Mạch nguyên lý của Ohm kế

Trong mạch ta thấy rằng Rp là điện trở phụ làm nhiệm vụ bảo đảm sao cho khi Rx

= 0 (chập hai que đo lại) thì dòng điện qua cơ cấu từ điện là lớn nhất (lệch hết thang chia độ) và làm nhiệm vụ thứ hai là bảo vệ cho cơ cấu từ điện không bị quá dòng

Đo điện trở Áp dụng định luật Ohm, ta có được dòng điện chạy trong mạch được tính theo công thức:

X

R

E R

U I

+ +

- Nếu Rx = ∞ (bị hở mạch) thì I = 0, lúc này không có dòng điện đi qua cơ cấu khung dây Dẫn đến kim không quay Tức là kim phải chỉ giá trị ∞Ω

- Nếu Rx = giá trị nào đó, thì I chạy trong mạch sẽ có giá trị tương ứng với Rx và góc quay của kim cũng đạt giá trị tương ứng

a) Khi Rx = 0 b) Khi Rx = ∞ c) Khi Rx = giá trị nào đó

Hình 5.3: Vị trí của kim chỉ thị tương ứng với các trạng thái của Rx

Từ ba vấn đề trên, nếu góc quay của kim càng lớn thì giá trị của điện trở Rx đang

đo sẽ càng nhỏ và ngược lại góc quay của kim sẽ nhỏ khi giá trị của điện trở đang đo là lớn

Như vậy dễ dàng thấy rằng vạch chia của thang đo điện trở là ngược chiều với thang đo dòng điện và điện áp

Hình 5.4: Vạch chia của thang đo điện trở

IV MỞ RỘNG PHẠM VI ĐO CHO OHM KẾ

Ohm kế nhiều thang đo được thực hiện theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn đo này sang giới hạn đo khác bằng cách thay đổi các giá trị điện trở nội của ohm kế, sao cho khi

Rx = 0 thì vẫn đảm bảo kim chỉ thị lệch hết thang đo

Để mở rộng phạm vi đo của ohm kế có thể thực hiện bằng cách dùng nhiều nguồn cung cấp và các điện trở phân dòng (điện trở Shunt) cho các thang đo khác nhau Minh họa như hình vẽ 5.5