Kỹ thuật đo và Tin học Công nghiệp

Nguyễn Thanh Hường - 2016 Hệ thống và Thiết Chương 4: Phương phỏp và thiết bị đo cỏc đại lượng điện ỏp, dũng điện Đặc điểm của phưương pháp đo các đại lượng điện Đ Đại lưượng điệ

Trang 2

Phần hai:

Đo các đại lượng điện

TS Nguyễn Thanh Hường

2016

Trang 3

Nguyễn Thanh Hường - 2016

Hệ

thống

và

Thiết

Chương 4: Phương phỏp và thiết bị đo cỏc

đại lượng điện ỏp, dũng điện

Đặc điểm của phưương pháp đo các đại lượng điện 

Đ  Đại lưượng điện có thể trực tiếp đo ngay không cần qua các cảm biến Đây là ưưu điểm lớn vì các cảm biến hiện nay là khâu gây ra sai số nhiều nhất, chịu ảnh hưưởng của các yếu tố xung quanh nhiều nhất

Đ  Các phưương pháp đo điện cũng đưược dùng để đo các đại lư

ượng không điện vì đầu ra của cảm biến là điện

Đ  Các đại lưượng điện có thể phân ra thành những nhóm có quan

hệ với nhau!

Trang 4

Nhóm thứ nhất : nhóm các đại lượng chính thức: Điện áp U, dòng

điện I, điện lượng q=It Đo đại lượng này có thể suy ra các đại lư

đo giá trị ở từng thời điểm rồi dùng các phép gia công tín hiệu ngẫu nhiên

Đặc điểm của phương pháp đo các đại lượng điện$

Trang 5

§   Đo dòng điện và điện áp bằng phương pháp đo trực tiếp

w  Thiết bị đo hiển thị tương tự

w  Thiết bị đo hiển thị số

§   Thiết bị đo dòng và áp lớn và rất lớn

w  Phương pháp đo trực tiếp

w  Phương pháp đo gián tiếp

§   Thiết bị đo dòng và áp kiểu so sánh

Trang 6

II Đo dòng trực tiếp và áp trực tiếp

§   Đo dòng và áp một chiều nhiều thang đo

§   Đo dòng và áp xoay chiều nhiều thang đo

Chỉ thị tương tự (cơ cấu chỉ thị cơ

điện)

Chỉ thị số

Trang 7

Điện áp Dòng điện Điện trở Điện cảm Điện dung

Kiểm tra diod Kiểm tra Transitor

Chỉ thị tương tự (cơ cấu chỉ thị cơ

điện)

Chỉ thị số

Trang 8

hay điện áp, tín hiệu ra là góc

quay của kim chỉ kèm với

thang chia độ và các chỉ dẫn

giúp cho người đọc được kết

quả

Hỡnh 4-1: Cỏc dạng thang hiển thị tương tự

Trang 9

w   Phần tĩnh: nam chõm vĩnh cửu hoặc cuộn dõy

w  Phần động: lỏ thộp hoặc cuộn dõy quay trong lũng phần tĩnh

Các chi tiết cơ khí chung của phần động:

Trang 10

Đ  Mômen quay của cơ cấu chỉ thị tương tự chủ yếu do lực điện từ:

We: năng lượng địên từ tích luỹ trong cơ cấu được xỏc định theo từng dạng cơ cấu

α: góc quay của phần động cơ cấu

α

=d

dW

Đ  Tốc độ biến đổi hay thời gian biến đổi là thời gian tính từ lúc đặt tín hiệu vào chỉ thị cho đến khi chỉ thị ổn định để đọc ra kết quả

Dụng cụ cơ điện cần khoảng 1-3 giây

Đ  Độ chính xác: đối với chỉ thị cơ điện, sai số chủ yếu là do sự biến đổi của độ nhạy S và do ngưỡng nhạy của chỉ thị:

γct = dS/S + ε X /Xn$

Trang 11

từ hình trụ Có nhiều kiểu kết cấu mạch từ nhưng đều có mục đích tạo ra từ trường mạnh và đều ở khe hở không khí nằm trong mạch từ

Đ   Ph ần động: một khung dây

có thể quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu.

Đ4.3. Cơ cấu từ địờn : Cấu tạo

1: nam châm vĩnh cửu, 2: kim chỉ thị, 3:

mạch từ và cực từ , 5: khung quay, 6: lõi

sắt từ, 7: lò xo cản, 8: thang chia độ

1

5

Trang 12

W: Số vòng dây I: Dòng địên qua khung dây

Đ  Khi cho dòng địên qua cuộn dây, tác động tương hỗ giữa từ trư

ờng của nam châm và dòng điện làm khung dây quay

Đ  Khi khung dây quay, lò xo sẽ sinh mômen cản tỷ lệ với góc quay α:

MC = Kα

Đ  Kim chỉ ở vị trí cân bằng khi :Mq = MC

Đ ộ nhạy của cơ c ấu

K

BSW

SI =

I S

I K

BSW

I.

=

= α

Phương trỡnh đặc tớnh thang đo

Trang 13

Một số đặc tính kỹ thuật của cơ cấu từ điện

§  Góc quay α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện -> thang đo tuyến

tính

§  Từ trường cơ cấu khá mạnh -> có độ nhạy cao, không chịu

ảnh hưởng của từ trường ngoài

I K

BSW

I.

=

= α

Trang 14

§   Yêu cầu phải có đ iện trở nhỏ, mắc nối tiếp với tải

§   Dßng qua chØ thÞ ICTmax = 100 µ A ÷ 20mA

CC

A I

§   Khi dòng điện lớn hơn dòng định

mức của cơ cấu phải mở rộng thang đo

§4.4. Ampemet một chiều

J J Hãy tính giá trị các điện trở sun???

) 1 ( −

=

n

Rcc Rs

Trang 15

1

3

1

2 3

3

2

1 3

2 2

1

3 2

1 1

3 2

1 3

2 1

=

−

= +

CT

CT S

CT

CT S

S S

S

I I

R R

R

I I

R

R R

I I

R R

R

R R

R I

I I

Trang 16

A I

I I

mA

mV R

R R

V I

S CT

S S

05,1010

50

105

,445

,005

,0

50

3 2

1

=+

=

=Ω+

Ω+

Ω

=+

+

=

µ

mA mA

A I

I I

mA

mV R

R

V I

S CT

S S

05 , 100 100

50

100 45

, 0 05

, 0

50

3 2

= +

=

= Ω +

Ω

= +

=

µ

Cho R1=4,5 ( Ω ), R2 = 0,45 ( Ω ), R3 = 0,05( Ω ), RCT = 1(K Ω ), ICTmax= 50( µ A) TÝnh 3 khoảng ®o cña ampemet

+ Khi K ë tiÕp ®iÓm I1

Khoảng ®o cña ampemet ≈ 10mA

+ Khi K ë tiÕp ®iÓm I2

VS = ICT(RCT + R1) = 50 µ A (1K Ω + 4,5 Ω ) ≈ 50mV

Khoảng ®o cña ampemet ≈ 100mA

VS = ICTRCT = 50µA 1KΩ = 50mV

Trang 17

A I

I I

A

mV R

V I

S CT

S S

1 1

50

1 05

, 0

50

3

≈ +

= +

=

= Ω

Trang 19

R1

II

RR

R

1n

R1

II

RR

R

1n

R1

II

RR

R

3

CT CT

3

CT 3

3 S

2

CT CT

2

CT 2

2 S

1

CT CT

1

CT 1

1 S

cấu

Đ  Nhược điểm này được khắc phục ở sơ đồ (a) - nếu khoá K hỏng thì không có dòng điện qua cơ cấu - như

ng sơ đồ này có nhược điểm

là tính toán phức tạp hơn

Nhược điểm ???

Trang 20

Đ   Hai đầu dòng để đưa dòng IS vào, hai

đầu áp mắc vào cơ cấu chỉ thị

2 đầu áp

2 đầu dòng

Đ   Điện trở đo được trên hai đầu áp Điều này đảm bảo

cho điện trở mắc song song với cuộn dây RS được xác

định chính xác và điện trở tiếp xúc của các đầu ra dòng

được tách khỏi RS

Đ   Thường trên Sun có ghi giá trị dòng IS có thể đi qua

nó, ghi điện áp đầu ra US = ISRS = ( I - ICT)RS và ghi cấp

chính xác

Cấu tạo của sun

Trang 21

§  CÊp chÝnh x¸c cña sun : 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5

§  CÊp chÝnh x¸c cña ampemet tõ 0,2÷2,5

Trang 22

γRs= Sai số biến động của giá trị sun -> nhỏ

γRcc= Sai số của cơ cấu

γcc = Sai số hay biến động về giá trị của điện trở cơ cấu

ICC I

RC

RS

Rt

t 0

Sai số của Ampemet

Sai số chủ yếu do nhiệt độ

J J Làm thế nào để giảm sai số nhiệt độ ???

Trang 23

số điện trở phụ thuộc nhiệt độ bằng 0

J J Giải thích và chọn độ lớn của Rb so

với Rcd???

Trang 24

Đ   Nếu điện trở bù gấp 9 lần điện trở cuộn dây thì khi

điện trở cuộn dây thay đổi 1%, điện trở toàn phần (Rbù + Rcuộn dây) chỉ thay đổi 0,1%

Trang 25

Icc: dòng điện định mức của cơ cấu

Rcc : điện trở của cơ cấu

Trang 26

) 1 (

1

) 1 (

1

3

3 3

2 1

3

2

2 1

2 2

1

1 1

U R

R R

m

R U

U R

R R

R

m

R U

U R

R R

CC CC

CC P

CC CC

CT P

CC CC

CC P

a)

Trang 27

Sơ đồ a chế tạo rẻ hơn vì chỉ yêu cầu R1 có độ chính xác đặc biệt, R2 và R3 là các điện trở chính xác Còn sơ

đồ b) yêu cầu cả 3 điện trở đều có độ chính xác đặc biệt

Sai số của volmet chủ yếu là sai số do nhiệt độ

Trang 28

R R

R

R R

I

U

s cc

∑ +

Trang 29

Trang 30

hd

m tb

2 T

0 m

tb

I 2 2 I

2 I

dt t

I T

2 I

§  Dßng ®iÖn trung b×nh trong m¹ch chØnh lu hai 1/2 chu kú:

HÖ sè h×nh d¸ng: 2√2/π

§èi víi dòng h×nh sin I hd =1.11I tb$

Nếu dòng điện khác sin: sai số hình dáng

Dßng ®iÖn trung b×nh trong m¹ch chØnh lu 1/2 chu kú???$

ππ

ω

hd

m tb

2 T

0 mtb

I2

II

dtt

IT

1I

Trang 31

Đ   Dễ dàng tạo nhiều khoảng đo

Đ   Có nhiều sai số phụ:

w   Sai số nhiệt độ do hệ số chỉnh lưu

w   Sai số về tần số vì ảnh hưởng các tụ ký sinh

w   Sai số phi tuyến do đặc tính Volt-ampe của các diode

Đ  Khi đo ở tần số cao người ta cũng có thể dùng bộ biến đổi nhiệt ngẫu: ET=KI2

Đ  Đo ET ta suy ra được dòng hiệu dụng chạy qua các dây đốt Tần số có thể lên tới MHz

I

Trang 32

Đ  Độ sụt áp trên điot từ 0,3V-0,7V (tuỳ thuộc điot silic hay gecmani)

Đ  Sử dụng mạch cầu chỉnh lưu: độ sụt áp tổng trên điot từ 0,6V-1,4V

à Dụng cụ đo chỉnh lưu không thích hợp để dùng trực tiếp như một A xoay chiều

Cách khắc phục: dùng biến áp dòng

LLTại sao???

Trang 33

số vòng sơ cấp)

đủ cung cấp cho các bộ chỉnh lưu hoạt động

- Giảm dòng sơ cấp tới mức thích hợp để có thể đo bằng cơ cấu từ điện (thường dòng qua cơ

cấu khoảng 100 àA)

- Vì biến áp được dùng trong mạch Amet nên

tỷ số biến đổi dòng rất quan trọng

s

p s

p

N

N I

I

=

LL Tại sao lại mắc tảI // với cuộn thứ cấp ?

Trang 34

N

NI

I

mắc tảI // với cuộn thứ cấp ?

Giả sử dòng hiệu dụng sơ cấp Ihdp=100mA Dòng hiệu dụng thứ cấp sẽ là: Ihds=250àA àItbs=0,637x 250àA =159,25 àA

àGiá trị RL sẽ được tính để loại trừ 59,25 àA dòng thừa

Trang 35

Amet chỉnh lưu dùng chỉ thị từ điện Cơ

cấu CT có độ lệch cực đại (toàn

thang)=1mA khi dòng qua cuộn sơ cấp là

Sụt áp trên điot: tính theo áp đỉnh

Trang 36

Dòng đỉnh máy đo: Imm=Imtb/0,637= 1,57 mAà Imhd=1,11.Imtb=1,11mA

Điện áp đỉnh ở cuộn dây thứ cấp của biến áp:

Esm=Im(Rs+Rm)+2VF=35,5V àEshd=25,1V

Ishd=Iphd.(Np/Ns)=2mA = Imhd + IL

IL= 0,89 mA

RL=Eshd/IL=28,2 k Ω

Trang 37

Đ  Lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây

Đ  Bộ phận cản dịu không khí 4, kim 6 và đối trọng 7 được gắn vào trục quay

Đ  Kim quay trên bảng khắc độ 8

Đ  Mômen cản được tạo bởi hai lò

xo 3 ngược chiều nhau

b1 Cấu tạo

Sử dụng chủ yếu để đo giá trị hiệu dụng của dòng xoay chiều

Để quay hết thang đo, sức

từ động IW được chế tạo

khoảng 100-150 Avòng $

Trang 39

dL D

2

1

α

= α

LL Nhận xét tính chất của p/t đặc tính thang đo???

Trang 40

phụ thuộc vào chiều của dòng điện àcơ cấu chỉ thị địên

từ có thể sử dụng để đo trong mạch một chiều và trong mạch xoay chiều

LL Phương phỏp tuyến tớnh hoỏ đặc tớnh thang đo???

Trang 41

b3 Sử dụng cơ cấu địên từ

Muèn cã dông cô nhiÒu kho¶ng ®o h¬n, hoÆc ®o dßng lớn h¬n

2 0 0 A , d ï n g b i Õ n dßng ®iÖn

Trang 42

b4 ưu nhược điểm của cơ cấu địờn từ

không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị sai số

do hiện tượng từ trễ và từ dư, độ nhạy thấp, bị ảnh hư

ởng bởi từ trường ngoài $

Trang 43

§4.8. Volmét xoay chiều

Nguyªn lý gièng Ampemet

Nãi chung c¸c Voltmet xoay chiÒu tiªu thô

c«ng suÊt rÊt lín.$

Trang 44

Trong đó: Uđm- Điện áp định mức của Voltmet cần tạo ra

Iđm - Dòng định mức mà ta muốn chạy trong cơ cấu

Rcc - Điện trở của cơ cấu

CC dm

dm

I U

Trang 45

và do đó cũng không đo được ở điện áp quá thấp

Đ  Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các dụng cụ đo điện tử có điện trở đầu vào cao và có thể khuếch đại điện áp thấp tới mức có thể đo được

Đ  Phần lớn các dụng cụ đo điện tử được chế tạo có phần chỉ thị để đọc thẳng, có thể là dụng cụ tự ghi hoặc máy hiện

sóng

Trang 46

Đ  Nhược điểm của dụng cụ đo điện tử là có sai số lớn (sai

số bằng tổng sai số của chỉ thị cơ điện và sai số của biến đổi

điện tử), cấp chính xác từ 1 ữ 5, kích thước tương đối lớn, cần

có thêm nguồn cung cấp phụ

Trang 47

Trang 48

So s¸nh

®iÖn trë vµo cña hai c¬ cÊu

E=10V ; T silic

Vcc= 20V

Rs+Rm=9,3 k Ω

Im=1mA toµn thang, k=100

Trang 49

Điện trở vào của Vmet (a): Ra=E/IB= 1MΩ$

Điện trở vào của Vmet (b) : Rb=E/IB= 10V/1mA= 10kΩ$

Điện trở vào tăng à Hiệu ứng tảI giảm đi đáng kể

LLNhược điểm của Vmet điện

tử thể hiện trên hình (a)??? JJSai số gây ra do độ sụt

áp B-E

VD: E=5V à IE=0,46mA thay vì IE=0,5mA

Trang 51

Điện trở toàn phần = (R3 + R4) = Vra/I4

I4 >> IB → IB không ảnh hưởng tới điện áp hồi tiếp

LLứng dụng thiết kế mạch Amet ???

Trang 52

-  Đối với dòng trung bình hoặc lớn thì không cần sử dụng các bộ khuếch đại điện tử

-  Khoảng đo dòng của ampe kế

điện tử nói chung nhỏ, một dụng

cụ đo dòng điển hình có khoảng

đo dòng một chiều từ 1,5àA đến 150mA

Ampe kế điện tử đo dòng rất nhỏ

Trang 53

Trang 54

N= an-1 an-2 a1 a0

a0 bit có trọng số nhỏ nhất LSB (least significant bit)

an-1 bit có trọng số lớn nhất MSB (most significant bit)

Số thập phân tương ứng:

Nthập phân= an-12n-1+ an-2 2n-2+ +a121 + a020

Đ4.9 Bộ biến đổi tương tự số - số tương tự$

VD: số nhị phân 8 bit: 00110101 tương ứng với giá trị thập phân:

Nthập phân= 0.27+ 0 20+ 1.25 1.24 +0.23 +1.22 +0.21 + 1.20 = 53

Trang 55

V= 106 mV

Trang 56

a

2 a

( q

Vs = n−1 n−1 + + 1 1 + 0 0

q ) 1 2

(

Vsmax = N −

1 Các bộ chuyển đổi số - tương tự D/A$

ỹ   Các bộ biến đổi D/A làm nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu số biểu diễn theo một mã xác định thành một tín hiệu tương tự Ví dụ chuyển

đổi từ mã nhị phân sang một điện áp tương tự theo quan hệ:

ỹ  Tín hiệu ra tương tự có thể nhận 2N giá trị khác nhau

n nguyê i

1 - 2

i 0

với

= q i

Vs

Trang 57

Trang 58

2

n ref1

n ref

R 2

V a

R 2

V

a R

V [ R

a2

a

a[V

a

2 a

[ 2

a 4

a 2

a a

[ V

Vs = − ref 3 + 2 + 1 + 0

Trang 59

ü  Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ra [0- Vsmax] hoÆc [- Vsmax-Vsmax]

ü  Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p vµo theo chuÈn TTL hoÆc CMOS

12

1

−

=

Trang 60

3 Một số sai số của bộ chuyển đổi D/A$

Sai số offset: Vra ≠0 khi Vvào=0

Trang 61

Sai số khuếch đại (sai số hệ số thang đo)

Sai số KĐ thường gây ra do

ảnh hưởng của nhiệt độ Sai

số khuếch đại thường tỷ lệ thuận với điện áp ra so với

Trang 63

Hệ

thống

và

Thiết

Chương 4: Phương phỏp và thiết bị đo cỏc

đại lượng điện ỏp, dũng điện

) 2 a 2

a

2 a

( q

4 Các bộ chuyển đổi tương tự - số A/D$

Trang 65

-   Kinh tÕ vµ nhanh: A/D sö dông D/A

-   RÊt nhanh (flash): A/D song song

Trang 66

Vt

t

ref

e 0

A/D tích hợp 1 sườn xung theo nguyên lý biến đổi điện áp à

thời gian

) V

RC (

nhiêu ???JJ$

Trang 67

Trang 68

A/D sö dông D/A

ThuËt to¸n ra mÉu/so s¸nh

Ve>VDA Vcomp=1

Ve<VDA Vcomp=0

Trang 69

Trang 70

n   Họ chuyển đổi mã BCD: ICL 7106; 7106; MC 14 433 (motorola)

n   Họ chuyển đổi mã nhị phân: ICL 7109

Loại Delta-Sigma

n   AD 7721; 7726

Xem thêm tài liệu tham khảo

Trang 71

Trang 72

n   Khi dòng điện chạy qua, điện tử tự do chuyển từ mức năng

lượng này sang mức năng lượng khác Khi chuyển về từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, phát ra ánh sáng phụ thuộc vào hiệu năng giữa các mức năng lượng

n   Ánh sáng nhìn thấy được hay ở vùng hồng ngoại, có các

màu sắc khác nhau tuỳ thuộc vào vật liệu bán dẫn sử dụng

Trang 73

ü Dòng cung cấp cho đèn thường 20mA

Trang 74

Ưu điểm của đèn LED

-   Nhỏ, gọn, có thể được coi như một nguồn điểm sáng à có thể được đặt trong một ma trận mật độ cao để coi như là một điểm hiển thị số

-   Hàm ánh sáng phát ra phụ thuộc vào dòng điện được cung cấp à có thể điều khiển được độ sáng /tối của một đèn LED

-   Có nhiều màu sắc khác nhau

-   Đáp ứng của LED rất nhanh à thời gian bật/tắt trong vòng 1ns

-   Đòi hỏi nguồn cung cấp thấp

Trang 75

Trang 77

Trang 79

Trang 80

÷16$

Chän kho¶ng$

Trang 81

Đ  Tín hiệu vào mạch NAND gồm xung nhịp, xung điều khiển và

đầu ra của mạch tích phân

Đ  Xung nhịp 200KHz tác động như tín hiệu khởi động mạch đếm khi 2 đầu vào tới cửa NAND là cao Điều này xảy ra trong thời gian

t2

Đ  Đầu ra của bộ dò qua không được sử dụng để điều khiển mạch

đếm và mạch khoá Các mạch đếm được điều chỉnh lại lúc bắt đầu khoảng thời gian t1 Việc đếm bắt đầu lại ở khoảng thời gian t2

Mạch khoá được chuyển sang đóng ở cuối t2 để điều chỉnh các bộ hiện số theo các mạch đếm

Đ  Bộ chọn khoảng đo được điều chỉnh để thích hợp với điện áp vào

Trang 83

u Khi ®Çu ra cña bé dß qua kh«ng lµ cao, Q2 th«ng → C1 ng¾n m¹ch Khi bé dß qua kh«ng cã ®Çu ra thÊp, Q2 ng¾t → C1 ®îc n¹p

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	13,58 MB