Kỹ thuật đo lường điện - Chương 6

Môn học kỹ thuật đo lường trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo dùng trong ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho các ngành sản xuất công nghiệp. Kỹ thuật Đo l

Tùy thuộc vào yêu cầu và điều kiện cụ thể của bài toán đo lường mà tachọn phương pháp và thiết bị đo cho phù hợp.

6.2 Đo điện trở.

Theo trị số, điện trở được chia làm 3 nhóm: Điện trở nhỏ: Từ 1 trởxuống; điện trở trung bình từ 1  0,1M; điện trở lớn: Lớn hơn 0,1M

6.2.1 Phương pháp Vônmét và Ampemét

Để đo điện trở theo phương pháp này ta xét hai sơ đồ (H.6.1) – sơ đồ a)còn gọi là mắc theo kiểu Ampemét trong – sơ đồ hình b) mắc theo kiểuAmpemét ngoài

- Sơ đồ Ampemét ngoài (Hình 6.1 b), số chỉ của V mét gồm cả dòngđiện đi qua điện trở cần đo rx và dòng điện qua V mét rV:

v x

v x v

x v

x V

r r U r r

U r

U r

U I I I

x v x

v x

r r

r r r

r r I

x x v x

v x

r r r r

r r r r

% 100

x

v v

x

x x

r

r

r r

r

r r

điện trở rx = 1 Ω Tính sai số cho phép đo gặp phải do cách mắc dây trong haitrường hợp:a) Mắc Ampemét trong (hình a) và b) Mắc Ampemét ngoài (hìnhb)

Giải:

Nếu dùng sơ đồ Ampemét trong, sai số gặp phải là:

% 10

% 100 1

1 , 0

% 100 1

5000 1

1

% 100 1

r r



Rõ ràng dùng sơ đồ sau, sai số do sơ đồ đo có thể bỏ qua

Như vậy để đo điện trở nhỏ người ta thường dùng sơ đồ b) còn đo điệntrở tương đối lớn thì dùng sơ đồ hình a) sẽ bảo đảm sai số yêu cầu

6.2.2 Phương pháp dùng cầu đo

Cầu một chiều đo thuần trở thường gặp hai loại: Cầu đơn và cầu kép

a) Cầu đơn:

Đối với các phép đo điện trở chính xác bằng cầu Wheatstone điện trở cần

đo phải luôn luôn lớn hơn nhiều so với các điện trở tiếp xúc và dây nối.Cầugồm 4 nhánh thuần trở R1, R2, R3, R4 một đường chéo cầu (cd) nối với nguồncung cấp 1 chiều U Một đường chéo khác (ab) nối với chỉ thị cân bằng (CT)

Khi điện áp trên a và b bằng

Chia 2 vế của 2 phương trình trên

cho nhau, ta có:

3

4 2

1

R

R R

R

 ; R1R3 = R2R4

Như vậy khi cầu cân bằng thì tích điện trở hai nhánh cầu đối nhau thìbằng nhau; nếu một trong bốn nhánh cầu chưa biết, ta có thể xác định theotương quan (ví dụ R4 = Rx)

3 2

1 .R R

R

R x  (6.7)

Giới hạn của phép đo rất rộng từ 5  1012 

b) Cầu kép: (cầu Kelvin)

Dùng cầu đơn để đo điện trở nhỏ (thường dưới 1) không thuận tiện vàsai số lớn vì bị ảnh hưởng của điện trở nối dây và điện trở tiếp xúc Người ta

đã chế tạo ra cầu kép để đo điện trở nhỏ và rất nhỏ Cấu tạo của cầu kép(H.6.3) gồm: Các điện trở R1, R2, R3, R4 và R là điện trở các nhánh cầu; Rx làđiện trở cần đo và Ro là điện trở mẫu chính xác cao

Khi cầu cân bằng, ta có: I1 = I2 ; I3 = I4 ; Ix = Io

Và xét 3 vòng 1, 2, 3 theo định luật Kiếc khốp II ta có thêm:

IxRx + I3R3 – I1R1 = 0

IoRo + I4R4 – I2R2 = 0

I3R3 – I4R4 – (Ix – I3)R = 0Giải các hệ phương trình trên ta được:

1 4 2

4 2

R

R R

R R R R

R R R

R R

R x o (6.8)

Để đơn giản cho việc

cân bằng cầu, khi đo người

ta loại trừ bớt số hạng thứ

hai về bên phải Muốn vậy

khi chế tạo phải bảo đảm sao

6.2.3 Phương pháp đo trực tiếp bằng Ommét

a) Mạch nguyên lý đo điện trở

3 CT

Xuất phát từ định luật Ôm: R  U I

Nếu giữ cho điện áp U không thay đổi, dựa vào sự thay đổi dòng điệnqua mạch khi điện trở thay đổi, người ta đo dòng điện (sẽ khắc độ theo điệntrở R) có thể trực tiếp đo điện trở R Trên cơ sở đó người ta chế tạo ra Ômmét

đo điện trở

Hình 6.4a trình bày một Ômmét có điện trở cần đo Rx được nối tiếp với

cơ cấu chỉ thị từ điện, dùng để đo điện trở có giá trị cỡ ôm trở lên

Trong sơ đồ cấu tạo có Rp dùng để bảo đảm cho khi Rx = 0 thì dòng qua

cơ cấu chỉ thị là lớn nhất (lệch hết thang chia độ); để bảo vệ cơ cấu chỉ thị ct

max ct

Với một cơ cấu từ điện nhất định sẽ có Ict =Ict đm nhất định và rct = rct đm

nhất định Mỗi Ômmét cũng có điện trở trong nhất định, được xác định nhưsau: R = rct + Rp =

o o

ct

R r

U R

U I







 max

Khi Rx  0:

x p ct

o

ct r R R

U I

Để khắc phục điều này, người ta đưa vào sơ đồ cấu trúc của Ômmétmột chiết áp hoặc biến trở để chỉnh Zêrô

∞

Trong thực tế nguồn pin Eb có thể thay đổi Khi Rx →0Ω, Im qua cơ cấukhông bằng Imax , do đó mạch đo có thể mắc thêm R2 ( Hình 6.5), biến trở nàydùng để chỉnh điểm “0Ω” cho mạch đo khi Eb thay đổi, R1 là điện trở chuẩncủa tầm đo, Rm là điện trở nội của cơ cấu.Như vậy trước khi đo phải ngắnmạch hai đầu AB, điều chỉnh R2 để sao cho Ômmét chỉ “0Ω”.

Theo mạch trên ta có:

m x

b b

R R R R

E I

E I

x

b b





Như vậy điện áp: Vm = Ib (R2 // Rm)

Sẽ có dòng Im qua cơ cấu chỉ thị:

m

m b

m

m m

R

R R I R

(

I R

R R R

E I

m

m b

2

+-

Hình 6.5 Mạch Ômmet có chỉnh “ 0Ω”Ω”

Ω Ω

∞

Hình 6.6 Mặt ngoài Ômmét

RX10

RX10kRX1kRX100

RX1

Zeroohms

Khi thay đổi tầm đo (X1 hoặc X10 hoặc X100…) dòng điện qua cơcấu chỉ thị Im vẫn bằng nhau nhưng trị số đọc được trên thang đo được nhânvới giá trị tầm đo (Hình 6.7) Thang đo của Ômmet không tuyến tính hoàntoàn, ở mỗi tầm đo đều phải chỉnh 0Ω

c) Đo điện trở trong V.O.M điện tử.

- Nguyên lý:

Để đo được điện trở trong máy

đo điện tử, người ta chuyển đại lượng

điện trở sang đại lượng điện áp, sau đó

đưa vào mạch đo điện áp của Vônmet

104

Hình 6.7 Mạch đo điện trở có nhiều tầm đo

1,5V

+-15V+-

- Mạch đo điện trở dạng nối tiếp.

Mạch đo được mắc như hình 6.9

Mạch đo trên có 5 tầm đo X1 – X10 – X100 – X1k – X10k Nghĩa là trị

số đọc được nhân với hệ số nhân của tầm đo Ví dụ ở tầm đo X100 trị số đọcđược trên mặt chỉ thị là 36Ω thì kết quả đo của Rx = 3600Ω

Mạch thay đổi tầm đo gồm có các điện trở chuẩn nối tiếp với Rx Tầm

đo càng lớn thì điện trở chuẩn mỗi tầm đo càng tăng Dòng điện của mỗi tầm

đo giảm tương ứng (tầm đo tăng 10 thì dòng điện giảm 10)

+ Khi Rx = 0Ω (nối tắt hai đầu AB), Vđo = 0V

+ Khi Rx → ∞Ω (hai đầu AB để hở), VΩ (hai đầu AB để hở), Vđo # 1,5V

Vì tổng trở vào của mạch đo điện áp DC rất lớn so với điện trở chuẩncủa tầm đo, cho nên điện áp rơi trên điện trở chuẩn không đáng kể trongtrường hợp AB để hở

+ Trường hợp Rx bất kỳ với tầm đo tương ứng có điện trở chuẩn R1, ta có:

1

R R

R E V

x

x đo



 (6.12)

- Mạch đo điện trở dạng mắc rẽ

Mạch đo được mắc theo hình 6.10

Trong mạch đo này:

+ Khi Rx = 0Ω khi đó Vđo = 0V

105

Hình 6.9 Mạch đo điện trở dạng nối tiếp

1,5V

+-

100k

X10k

Mạch đo điện áp

R

1

R2

+ Khi Rx → ∞Ω (hai đầu AB để hở), V thì

2 1

2

R R

R E

.

.

) //

(

//

2 1 2

2

2 1

2

x x

x x

x đo

R R R

R

R

R R

E

R R R

R R

2 1 2

1

) //

(

R R

R R R

2

2

1

R R

R E

V đo





Khi đó kim chỉ ½ thang đo

- Mạch đo điện trở dùng nguồn dòng

không đổi

Trong các mạch đo điện trở trên

ta dùng nguồn áp không đổi, nhưng

điện áp đo được chuyển từ đại lượng

điện trở có dòng điện đi qua thay đổi

theo điện trở đo, cho nên điện áp đo

này đưa vào mạch đo không tuyến tính

theo điện trở Rx, dẫn đến thang đo

không đều

Để cho điện áp đo tuyến tính

theo điện trở Rx, người ta sử dụng

nguồn dòng điện không đổi khi Rx thay

đổi: Vđo=I.Rx.

Trong trường hợp này Rx → ∞Ω (hai đầu AB để hở), V thì Vdo→ trị số lớn nhất của tầm đođiện áp Rx → 0 thì Vđo = 0V

Mạch đo điện trở tuyến tính (linear ohmmeter) thường được dùng trongmáy đo đa dụng điện tử chỉ thị số (digital multimeter) Ảnh chụp một đồng hồvạn năng chỉ thị số thể hiện trên hình 6.11

Nguồn dòng điện không đổi

cung cấp cho điện trở Rx là dòng Ic

của Q1 R1, R2 điện trở phân cực cho

9,3V

+15V

Hình 6.11 Đồng hồ vạn năng chỉ thị số VOLTCRAFT-M3850Ω”

cực nền Q1 theo điện áp của mạch đã

cho

Như vậy điện trở RE có điện áp

5V không đổi Giả sử điều chỉnh RE

để cho Ic =1mA Khi đó điện trở Rx =

5kΩ thì Vđo = 5kΩ X 1mA = 5V.(trị

số lớn nhất của tầm đo)

Ví dụ thay đổi RE để cho dòng

Ic = 0,1mA, khi đó điện trở đo được

đến 50kΩ

Nếu không muốn thay đổi

dòng I (hoặc không thể cho Ic quá

nhỏ khi Rx tăng lên lớn) thì thay đổi

tầm đo điện áp tương ứng với điện

trở Rx

6.2.4 Đo điện trở lớn bằng Mêgômét

Mêgômét là dụng cụ đo xách tay được dùng rộng rãi để kiểm tra điệntrở của các dây cáp điện và các thiết bị điện

Những nguyên nhân làm thấp điện trở cách điện có thể là:

- Sự ẩm của cách điện

- Sự hư hỏng cơ học của cách điện

- Sự tiếp xúc của các chi tiết dẫn điện của vỏ thiết bị do cố định yếuhoặc sự tiếp xúc giữa các chi tiết dẫn điện với nhau

- Có các liên kết dẫn điện của các chi tiết dẫn điện và vỏ do bẩn, donước, do dầu

- Đánh thủng cách điện của các tụ bảo hộ chống nhiễu cho các máy thu

vô tuyến

Dụng cụ có nguồn cao áp bên trong cung cấp từ máy phát điện quaytay Điện áp đó có thể có trị số từ 100V tới 5000V (thông thường từ 100V 500V) Sơ đồ mạch của Mêgômét như hình 6.13

Mêgômét là dụng cụ đo xách tay được dùng rộng rãi để kiểm tra điệntrở của các dây cáp điện và các thiết bị điện Mêgômét là dụng cụ đo sử dụng

cơ cấu Lôgômét từ điện, có hai khung dây Một khung dây tạo mômen quay

và một khung dây tạo mô men phản kháng Góc quay  của cơ cấu đo tỉ lệ với

tỉ số hai dòng điện chạy trong hai khung dây đó

Gọi I1 dòng chạy qua khung dây 1; I2 là dòng chạy qua khung dây 2

Ta có:

1 1 1

r R

U I

U I







2 2 2

Đầu ra đường dây

Từ cảm B của nam châm vĩnh cửu tác dụng với dòng I1 tạo ra mô menquay M1; từ cảm B tác dụng với dòng I2 tạo ra mô men quay M2.

Ở thời điểm cân bằng M1 = M2 từ đó rút ra:

2 2 2

1

r R

R r R F I

I

 (6.13)

Trong một cơ cấu nhất định, các giá trị R1, R2 và r1, r2 là hằng số (r1, r2

là điện trở trong của cuộn dây 1 và 2); góc quay  của kim chỉ sẽ tỉ lệ với điệntrở cần đo Rx

Khi Mêgômét đo một mạch hở thì không có dòng nào chạy trong cuộndây 2, trong trường hợp này, lực từ cuộn dây khiến cho kim bị lệch tới mộtđầu của thang đo Đầu này được đánh dấu là vô hạn () Khi đo ngắn mạch,lực của cuộn dây 2 lớn hơn rất nhiều so với lực của cuộn dây 1 Bởi thế kim

bị lệch về phía đối diện với đầu vô hạn trên thang đo và đầu đó được đánh dấu

là 0 khi kim đứng ở khoảng giữa thì hai mô men quay 1 và 2 bằng nhau, lúc

đó góc quay  sẽ phản ảnh giá trị của điện trở Rx cần đo Có thể thay đổikhoảng đo bằng cách bật công tắc tới những giá trị khác nhau của R2

Chú ý: Khi đo điện trở ta quay tay quay của máy phát với tốc độkhoảng 120 vòng/phút và đọc chỉ số theo thang số ứng với vị trí của bộchuyển mạch đo

Ở hình 6.13 có bố trí đầu ra của vòng chắn để tạo điều kiện dễ dàng choviệc đo điện trở khối

* Thuận tiện hơn trong sử dụng là Mêgômét không có máy phát quaytay (Mêgômét điện tử) Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 6.14

Nguồn sử dụng là pin E cung cấp cho bộ phát xung tạo ra điện áp đếnbiến áp Tp, truyền qua cuộn dây W2, ở đây bố trí mạch nhân đôi điện áp, qua

bộ chuyển mạch H tạo ra các thang đo, điện trở cần đo thể hiện trênMicrôampemét

* Để khắc phục ảnh hưởng của các dòng điện bề mặt lên chỉ số củaMêgômmét phải cuộn lên lớp cách điện một vài vòng dây dẫn trần, dây đónối với cực màng ngăn của Mêgômmét

Ví dụ: Cách đo điện trở cách điện của dây cáp thể hiện trên hình 6.15

có ngăn cách dòng điện rò

6.3 Đo điện cảm

6.3.1 Khái niệm chung

Mạch tương đương cuộn cảm được vẽ trên hình 6.16

Hình 6.16a) biểu diễn một cuộn cảm như cuộn cảm thuần L mắc nốitiếp với điện trở cuộn dây của nó Mạch tương đương nối tiếp này thường

là cách tốt nhất biểu diễn một cuộn cảm, bởi vì điện trở của cuộn dây thựcđược tính đến và đó là một đại lượng quan trọng

Lý tưởng mà nói thì điện trở của

cuộn dây phải càng nhỏ càng tốt, nhưng

điều đó phụ thuộc vào tiết diện và

chiều dài của dây dùng để quấn cuộn

dây Các cuộn cảm kích thước nhỏ có

điện trở lớn, trong khi đó những cuộn

Q =

R

L R

 (6.14)

Để đo các thông số này, có thể dùng các phương pháp sau:

6.3.2 Phương pháp V –A – W

Mạch đo cuộn cảm Lx được mắc như hình 6.17

Tổng trở cuộn dây được xác định:



x

x L R I

Lx = LN

2

1

R R

Hệ số phẩm chất của cuộn dây

1

2

 U0

Hình 6.18 Phương pháp cầu

Q =

2 1

1

RR R R

R L R

L

N

N x

6.4 Đo điện dung

6.4.1 Khái niệm chung

Tụ điện lý tưởng không tiêu thụ công suất, nhưng thực tế có dòng từcực này qua lớp điện môi đến cực kia của tụ điện Vì vậy trong tụ có sự tổnhao công suất Thực tế sự tổn hao này rất nhỏ nên người ta thường đo góc tổnhao (tg) của tụ để đánh giá tụ điện

Tụ điện được đặc trưng bằng một tụ điện lý tưởng và một thuần trởhoặc mắc nối tiếp nhau (tụ tổn hao ít) hoặc mắc song song nhau (tụ tổn haolớn) trên cơ sở đó người ta xác định góc tổn hao của tụ (h.6.19 a,b)

Với tụ tổn hao ít (h.6.19a) dựa vào sơ đồ vectơ ta xác đinh góc tổn haonhư sau: UR = IR

R I U

6.4.2 Phương pháp gián tiếp dùng Vôn mét, Ampemét, Watmét.

Mạch đo được mắc theo hình 6.20, nếu sự tổn hao của tụ không đáng

kể, điện dung Cx được xác định bởi Vônmét và Ampemét như sau:

Xcx =

x

C I

Nguồn tín hiệu cung cấp cho mạch đo phải là nguồn tín hiệu hình sin có

độ méo dạng nhỏ Biên độ và tần số của tín hiệu phải ổn định

Trong trường hợp mạch đo dùng thêm Watmét (hình 6.21) điện trở rò

Rx của tụ được xác định bởi biểu thức sau:

C

R

ICI

U

a) b) Hình 6.19 Mạch tương đương tụ điện có tổn hao

Nếu góc tổn hao  nhỏ thì tg   PCx/I2  sin

Sự chính xác của phương pháp đo này có thể bằng hoặc lớn hơnphương pháp đo trước

Phương pháp dùng Watmét không chính xác khi xác định những tụđiện có góc tổn hao nhỏ

Để đo góc  chính xác người ta thường dùng phương pháp cầu đo

6.4.3 Phương pháp cầu

Thường dùng cầu xoay chiều bốn nhánh để đo các thông số của tụ Ví

dụ cầu đo tụ điện tổn hao ít (h.6.22a)

Cầu bốn nhánh: Hai nhánh R1=, R2 là thuần trở Một nhánh là điện dungmẫu điều chỉnh được nó gồm: Điện dung thuần khiết CN và RN thuần khiếtđiều chỉnh được Nhánh còn lại là điện dung cần đo Cx Một đường chéo củacầu nối với điện mét (G) chỉ sự cân bằng cầu Đường chéo còn lại nối vớinguồn cung cấp xoay chiều (Uo)

112

 U0

Cx

R1

CNG

Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ:

N x

C R

R C

j

R C

j

R

1

2 x 1

Ở đây nếu mắc trực tiếp R2 có giá trị lớn vào nhánh cầu thứ hai thì sẽgiảm độ nhạy của cầu vì vậy người ta nối song song R2 với C2 trong nhánhcầu thứ hai Khi cầu cân bằng ta sẽ được:

1

1 1

1 1

1

1

2 2

1

1 2 2

C j R

C j

R C j R

C j R

N x

x

N x

2 x 2 1

1 1

C

;

C R C

R tg

C R

R R

C R

C

x x N

N x

R

C

C C

C R

1 1

R C j R C

j x   N (6.22)

Thứ tự đo trên cầu giống như trường hợp các đo điện dung tổn hao ít

6.4.4 Phương pháp đo bằng các thiết bị chỉ thị số

Đo các thông số của mạch điện có phần tử tập trung bằng các thiết bị

đo chỉ thị số có ưu điểm là dễ đọc, kết quả đo được nhanh và có độ chính xáccao Tuy nhiên về cấu tạo thiết bị đo thì có phức tạp hơn

113

Để xét nguyên lý chung của các phương pháp đo này ta xét một mạch

đo đơn giản của các thiết bị chỉ thị số đo điện dung bằng phương pháp hằng

số như hình 6.23 Nguyên lý công tác của mạch đo này như sau

Trước khi đo chuyển mạchở vị trí N, tụ Cx được nạp điện đến mức điện

áp E của nguồn ổn áp Khi bắt đầu đo chuyển mạch chuyển sang vị trí P, tụ Cx

phóng điện qua điện trở mẫu Rm Điện áp của tụ bằng:

.

t C

u E e (6.23)

Ở đây,  R C m x là hằng số thời gian của mạch phóng điện Khi bắt đầuđặt ngắn mạch Cx , tức là khi Cx bắt đầu phóng điện, thì trong mạch có tựđộng tạo một xung đưa tới đầu vào bên phải của trigơ T, kích trigơ T chuyển

từ trạng thái ban đầu là “0” sang trạng thái “1” Bộ đếm bắt đầu đếm các xung

từ bộ phát xung đếm đưa tới

Các điện áp được đưa tới bộ chọn thời gian là điện áp: u C E e. t và điện

R2

R1

Hình 6.23 Mạch đo điện dung chỉ thị số

Bộ chọn thời gian

T

Bộ đếm

Bộ tạo Xung đếm

Thiết bị chỉ thị số

Thiết bị

so sánh