DO LUONG DIEN DIEN TU

Trong các thiết bị đo sử dụng các mạch chỉnh lưu và các mạch khuếch đại, các điện dung của tiếp giáp được cho là một hạn chế đối với tín hiệu đo ở dãi tần số cao.. Cơ cấu đo điện động có

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 1

1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG 1

1.1.1 Đại lượng điện 1

1.1.2 Đại lượng không điện 1

1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 2

1.2.1 Chức năng của thiết bị đo 2

1.2.2 Đặc tính của thiết bị đo lường 2

1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 3

1.3.1 Cấp chuẩn hóa 3

1.3.2 Cấp chính xác của thiết bị đo 3

1.4 CHẤT LƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG 3

1.4.1 Đặc tính của các thức đo 3

1.4.2 Đặc tính tĩnh 4

1.4.3 Định nghĩa sai số trong đo lường 4

1.4.4 Các loại sai số 4

1.4.5 Các nguồn sai số: 6

1.4.6 Phân tích thống kê đo lường 6

1.4.7 Giới hạn của sai số: 9

1.5 LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƯỜNG 9

1.6 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG 10

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

1.6.2 Hệ thống đo lường dạng số 11

1.7 GIỚI HẠN CỦA THIẾT BỊ ĐO 12

1.7.1 Giới hạn về thang đo: 12

1.7.2 Độ mở rộng thang đo: 13

1.7.3 Giới hạn về công suất: 13

1.7.4 Giới hạn về tần số: 13

1.7.5 Giới hạn về trở kháng: 13

1.8 CAN NHIỄU Ở PHÉP ĐO 14

1.8.1 Can nhiễu tần số thấp: 14

1.8.2 Can nhiễu tần số cao: 14

1.8.3 Các cách phòng ngừa và khắc phục ở các phép đo để loại bỏ can nhiễu cao tần……… 15

1.9 VỎ BẢO VỆ 16

1.10 NỐI ĐẤT 16

1.11 SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ 17

1.11.1 Ưu điểm của đồng hồ đo số so với đồng hồ đo tương tự: 17

1.11.2 Các nhược điểm của đồng hồ đo số: 17

1.12 KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN TỬ 18

2 CHƯƠNG 2: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 21

2.1 CẤU TRÚC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 21

2.2 CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM [Cơ điện] 21

2.2.1 Cơ cấu từ điện (Cơ cấu D’ARSONVAL) 23

2.2.2 Cơ cấu điện từ 27

2.2.3 Cơ cấu điện động 29

2.3 ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC) 30

2.3.1 Đo dòng DC 30

2.3.2 Đo dòng xoay chiều AC: 32

2.3.3 Ảnh hưởng của ampe-kế trên mạch đo: 35

2.4 ĐO ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC) 35

2.4.1 Đo điện áp một chiều bằng cơ cấu đo từ - điện 35

2.4.2 Đo điện áp xoay chiều bằng cơ cấu đo từ - điện: 36

2.4.3 Ảnh hưởng của vôn-kế trên mạch đo điện áp: 38

2.5 VÔN-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO ĐIỆN ÁP DC 39

2.5.1 Vôn-kế điện tử đo điện áp DC transistor 39

2.5.2 Mạch đo điện áp DC dùng IC Op-amp 42

2.6 VÔN-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO ĐIỆN ÁP AC 43

2.6.1 Tổng quát 43

2.6.2 Phương pháp trị chỉnh lưu trung bình 44

2.6.3 Phương pháp trị đỉnh 47

2.7 AMPE-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÒNG AC VÀ DC 50

2.7.1 Đo dòng DC 50

2.7.2 Đo dòng AC 50

3 CHƯƠNG 3: ĐO ĐIỆN TRỞ 51

3.1 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VÔN-KẾ VÀ AMPE-KẾ 51

3.2 MẠCH ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG OHM-KẾ 52

3.2.1 Mạch nguyên lý đo điện trở: 52

3.2.2 Đo điện trở bằng cơ cấu từ điện: 53

3.2.3 Mạch đo điện trở thực tế: 54

3.2.4 Nguyên lý đo của ohm-kế tuyến tính: 56

3.2.5 Độ chính xác của ohm-kế: 56

3.3 CẦU WHEATSTONE ĐO ĐIỆN TRỞ 56

3.3.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng 56

3.3.2 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone không cân bằng 57

3.3.3 Tầm đo điện trở của cầu Wheatstone 58

3.4 CẦU ĐÔI KELVIN 59

3.4.1 Điện trở bốn đầu 59

3.4.2 Cầu đôi Kelvin 59

3.5 ĐO ĐIỆN TRỞ CÓ TRỊ SỐ LỚN 61

3.5.1 Phương pháp đo điện trở lớn dùng vôn-kế và microampe-kế 61

3.5.2 MegaOhm-kế chuyên dùng 63

3.5.3 Ứng dụng đo điện trở cách điện và chỗ dây bị chạm đất của dây điện lưới ………64

3.6 ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT 67

3.6.1 Mạch đo điện trở đất 68

3.7 ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG V.O.M ĐIỆN TỬ: 69

3.7.2 Mạch đo dòng điện dùng nguồn dòng không đổi 72

4 CHƯƠNG 4: ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM 75

4.1 DÙNG VÔN-KẾ, AMPE-KẾ ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM 75

4.1.1 Đo điện dung 75

4.1.2 Đo điện cảm 76

4.1.3 Đo điện dung và điện cảm trong máy đo đa dụng (V.O.M) 77

4.2 DÙNG CẦU ĐO ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN CẢM: 77

4.2.1 Cầu Wheatstone xoay chiều: 77

4.2.2 Cầu đơn giản đo điện dung và điện cảm: 80

4.2.3 Cầu phổ quát (Universal Bridge) đo điện dung và điện cảm: 81

5 CHƯƠNG 5: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 87

5.1 ĐO CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU 87

5.1.1 Phương pháp dùng vôn-kế và ampe-kế 87

5.1.2 Phương pháp dùng watt-kế 87

5.2 ĐO CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU MỘT PHA 89

5.2.1 Dùng vôn-kế và ampe-kế 89

5.2.2 Dùng watt-kế điện động 89

5.2.3 Dùng biến dòng với watt-kế 92

5.2.4 Dùng biến dòng và biến áp phối hợp với watt-kế 93

5.2.5 Đo công suất hiệu dụng của tải bằng bộ biến đổi nhiệt - điện (cặp nhiệt điện) 93 5.3 ĐO ĐIỆN NĂNG 95

5.3.1 Điện năng kế một pha 95

5.3.2 Đo điện năng của tải ba pha 97

5.3.3 Điện năng kế ba pha hai phần tử 98

5.4 ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 98

5.4.1 Đo cosϕ dùng vôn-kế và watt-kế 98

5.4.2 Cosϕ kế dùng cơ cấu tỉ số kế điện động 100

6 CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ ĐO CHỈ THỊ SỐ 102

6.1 MÁY ĐO VẠN NĂNG CHỈ THỊ SỐ 102

6.2 ĐỒNG HỒ ĐO HỆ SỐ MÉO DẠNG TÍN HIỆU 102

6.2.1 Nguyên lý: 102

6.2.2 Thực hiện phép đo độ méo: 103

6.2.3 Sử dụng đồng hồ đo độ méo trong việc dò tìm hư hỏng: 103

6.3 PHƯƠNG PHÁP ĐẾM TẦN SỐ VÀ ĐO CHU KỲ 104

6.3.1 Phương pháp cơ bản đếm tần số 104

6.3.2 Phương pháp cơ bản đo chu kỳ 105

6.3.3 Các phép đo bằng bộ đếm tần 106

6.3.4 Bộ đếm tần số đa năng: 108

6.3.5 Các ưu điểm của bộ đếm tần số kiểu số: 108

6.3.6 Sử dụng máy đếm tần số dò tìm trạng thái hỏng của thiết bị: 109

7 CHƯƠNG 7: MÁY PHÁT TÍN HIỆU 110

7.1 MÁY PHÁT XUNG 110

7.1.1 Bộ tạo xung: 110

7.1.2 Khối định thời: 110

7.1.3 Bộ phát từ số: 110

7.1.4 Bộ điều khiển dạng xung: 111

7.1.5 Các công dụng của máy tạo xung: 111

7.2 MÁY PHÁT TÍN HIỆU – FUNCTION GENERATOR 111

7.2.1 Tổng quát 111

7.2.2 Nguồn phát tín hiệu tần số thấp dạng sin và dạng vuông 112

7.3 MÁY PHÁT TÍN HIỆU DẠNG HÀM SỐ 116

7.3.1 Giới thiệu chung: 116

7.3.2 Mạch tạo tín hiệu có dạng tam giác, vuông 117

7.3.3 Tạo tín hiệu có dạng tam giác thành dạng sin 118

7.3.4 Nguồn phát tín hiệu dạng xung vuông (Relaxation oscillator) 119

7.3.5 Tổng kết: 120

7.4 MÁY PHÁT TÍN HIỆU CAO TẦN (RF) 121

7.4.1 Sử dụng máy phát tín hiệu RF: 121

7.4.2 Điều biên (AM) 123

7.4.3 Điều tần (FM) 123

7.4.4 Sử dụng máy tạo tín hiệu trong việc chẩn đoán hỏng: 124

7.5 MÁY TẠO TÍN HIỆU ÂM TẦN 124

7.5.1 Sử dụng máy tạo sóng âm tần để chẩn đoán tình trạng hỏng trong các mạch khuếch đại: 125

8 CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ ĐO VÀ QUAN SÁT TÍN HIỆU 126

8.1 GIỚI THIỆU CHUNG 126

8.1.1 Định nghĩa: 126

8.1.2 Công dụng: 126

8.1.3 Phân loại: 126

8.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY HIỆN SÓNG TƯƠNG TỰ 127

8.2.1 Sơ đồ khối 127

8.2.2 Ống tia cathode CRT: 128

8.2.3 Khối khuếch đại quét dọc 132

8.2.4 Khối khuếch đại quét ngang 133

8.2.5 Hiển thị tín hiệu trên màn ảnh 133

8.2.6 Máy hiện sóng một tia vệt đơn: 135

8.2.7 Quét lặp lại: 136

8.2.8 Quét trễ: 137

8.2.9 Máy hiện sóng một tia vệt kép: 137

8.2.10 Máy hiện sóng hai tia: 138

8.2.11 Dây que đo của máy hiện sóng: 139

8.3 MÁY HIỆN SÓNG SỐ 141

8.4 ỨNG DỤNG ĐO BẰNG MÁY HIỆN SÓNG 142

8.4.1 Sử dụng máy hiện sóng để phát hiện sai hỏng: 142

8.4.2 Các chức năng điều khiển trên mặt máy hiện sóng: 142

8.4.3 Sử dụng máy hiện sóng: 143

8.4.4 Các phép đo với máy hiện sóng: 144

8.4.5 Các điểm lưu ý khi sử dụng máy hiện sóng: 148

1 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG

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

ra làm 2 đại lượng cơ bản:

- Đại lượng điện

- Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hoa học, sinh học… không mang đặc trưng của đại lượng điện

Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra phương pháp

và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bị đo

1.1.1 Đại lượng điện

Được chia làm đại lượng điện tác động (active) và thụ động (passive)

1.1.1.1 Đại lượng điện tác động:

- Đại lượng điện tác động là đại lượng mang năng lượng điện Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo Ví dụ: dòng điện, điện

áp, công suất

- Trong trường hợp năng lượng quá lớn thì phải giảm bớt cho phù hợp với mạch đo

Ví dụ như giảm áp, phân dòng, … thiết bị suy hao

- Ngược lại, trong trường hợp năng lượng quá nhỏ thì khuếch đại lên Vấn đề quan trọng là các bộ khuếch đại phải được chuẩn hóa tránh gây méo tín hiệu

1.1.1.2 Đại lượng điện thụ động:

- Đại lượng điện thụ động là những đại lượng không mang năng lượng, khi đo phải cung cấp năng lượng cho mạch đo như: điện trở, điện dung , điện cảm …

- Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu

- Có 2 cách đo: đo nóng và đo nguội

 Đo nóng là thao tác đo khi phần tử đang hoạt động trên mạch

 Đo nguội là thao tác đo khi các phần tử này ngưng hoạt động hay lấy ra khỏi mạch điện

1.1.2 Đại lượng không điện

Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc )

Trang 2

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng những bộ chuyển đổi hoặc cảm biến hoàn chỉnh, thuận

lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động

1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

1.2.1 Chức năng của thiết bị đo

Thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo được của đại lượng đang khảo sát Kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo Kết quả đo có thể được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được đo

Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo và ghi

laị kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ

Nói chung thiết bị đo lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt động của

hệ thống tự động điều khiển, nghĩa là đo lường quá trình trong công nghiệp (industrial process measurements) Đây cũng là môn học trong ngành tự động hóa

1.2.2 Đặc tính của thiết bị đo lường

Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lượng có những đặc tính riêng biệt, chúng ta có thể phân biệt hai dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính một cách tổng quát

Ví dụ: Để đo độ dẫn điệnchúng ta dùng thiết bị đo dòng điện thuần túy điện là

micro ampe-kế hoặc mili ampe-kế Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bị đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo Sau đó mạch đo điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp Như vậy giữa thiết bị đo điện và thiết

bị đo điện tử có đặc tính khác nhau

Có loại thiết bị đo, kết quả được chỉ thị bằng kim chỉ thị(thiết bị đo dạng analog),

có loại bằng hiện số (thiết bị đo dạng digital) Hiện nay loại sau đang thông dụng Đây cũng là một đặc tính phân biệt của thiết bị đo

Ngoài ra thiết bị đo lường còn mang đặc tính của một thiết bị điện tử (nếu là thiết

bị đo điện tử) như: tổng trở nhập cao, độ nhạy cao, hệ số khuếch đại ổn định và có độ tin cậy đảm bảo cho kết quả đo Còn có thêm chức năng, truyền và nhận tín hiệu đo lường từ xa (telemetry) Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vực đo lường điều khiển từ xa

1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG

1.3.1 Cấp chuẩn hóa

Khi sử dụng thiết bị đo lường, chúng ta mong muốn thiết bị được chuẩn hóa(calibzate) khi được xuất xưởng nghĩa là đã được chuẩn hóa với thiết bị đo lườngchuẩn (standard) Việc chuẩn hóa thiết bị đo lường được xác định theo bốn cấp như sau:

- Cấp 1: Cấp quốc tế (International standard) được thực hiện định chuẩn tại Trung

tâm đo lường quốc tế (Paris)

- Cấp 2: Chuẩn quốc gia, các thiết bị đo lường tại các viện định chuẩn quốc gia khác

nhau trên thế giới, các thiết bị này cũng được chuẩn hoá theo chuẩn quốc tế

- Cấp 3: Chuẩn khu vực Trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm định chuẩn

cho từng khu vực (standard zone center) Các thiết bị đo này phải được chuẩn theo quốc gia

- Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm

Còn các thiết bị đo lường tại các trung tâm đo lường, viện định chuẩn quốc gia phải được chuẩn hóa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn Ví dụ phòng thí nghiệm phải trang bị các thiết bị đo lường có tiêu chuẩn của chuẩn vùng hoặc chuẩn quốc gia, còn các thiết bị đo lường tại viện định chuẩn quốc gia thì phải có chuẩn quốc tế Ngoài ra theo định kỳ được đặt ra phải được kiểm tra và chuẩn hóa lại các thiết bị đo lường 1.3.2 Cấp chính xác của thiết bị đo

Sau khi xuất xưởng, thiết bị đo lường sẽ được kiểm nghiệm chất lượng, được chuẩn hóa theo cấp tương ứng và sẽ được phòng kiểm nghiệm định cho cấp chính xác sau khi xác định sai số cho từng tầm đo của thiết bị

Khi sử dụng thiết bị đo lường, chúng ta cần quan tâm đến cấp chính xác của thiết

bị đo được ghi trên thiết bị đo hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bị đó Từ cấp chính xác chúng ta sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo

Ví dụ: một vôn-kế có cấp chính xác là 1 có nghĩa là giới hạn sai số của nó cho tầm

Một số đặc tính được diễn tả như sau:

- Mức độ chính xác (sai số)

- Độ phân giải: khoảng chia nhỏ nhất để thiết bị đo đáp ứng được

- Độ nhạy

- Độ sai biệt của trị số đo được với trị số tin cậy được

- Trị số đo chấp nhận được qua xác suất của trị số đo

1.4.3 Định nghĩa sai số trong đo lường

Đo lường là sự so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng được chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng chuẩn) Như vậy công việc đolường là nối thiết bị đo vào hệ thống được khảo sát, kết quả đo các đại lượng cần thiết thu được trên thiết bị đo

Trong thực tế khó xác định trị số thực các đại lượng đo Vì vậy trị số đo được cho bằng thiết bị đo, được gọi là trị số tin cậy được (expected value) Bất kỳ đại lượng đo nào cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số Do đó kết quả đo ít khi phản ảnh đúng trị số tin cậy được Cho nên có nhiều hệ số (factor) ảnh hưởng trong đo lường liên quan đến thiết bị đo Ngoài ra có những hệ số khác liên quan đến con người sử dụng thiết bị đo Như vậy độ chính xác của thiết bị đo được diễn tả dưới hình thức sai số

1.4.4 Các loại sai số

Sai số tuyệt đối:

e = Yn – Xn

e – sai số tuyệt đối

Yn – trị số tin cậy được

A = 1 - Yn - Xn

Yn

Độ chính xác tính theo %:

a = 100% - er = (A x 100%)

Ví dụ: điện áp đo được hai đầu điện trở có trị số tin cậy được là 50V Dùng

vôn-kế đo được vôn-kết quả 49V?

- Sai số tuyệt đối: e = 50 – 49 = 1V

- Sai số tương đối: er = 1/50 * 100% = 2%

Ví dụ: cho trị số đo được Xn = 97 và giá trị trung bình của 10 lần đo là = 101,1

Sai số hệ thống (systematic error):

Phụ thuộc vào thiết bị đo và điều kiện môi trường

Sai số do thiết bị đo:

Các phần tử của thiết bị đo, có sai số do công nghệ chế tạo, sự lão hóa do sử dụng Giảm sai số này cần phải bảo trì định kỳ cho thiết bị đo

Sai số do ảnh hưởng điều kiện môi trường:

Cụ thể như nhiệt độ tăng cao, áp suất tăng, độ ẩm tăng, điện trường hoặc từ trường tăng đều ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo lường

Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho điều kiện môi trường ít thay đổi hoặc bổ chính (compensation) đối với nhiệt độ và độ ẩm Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng tĩnh điện và từ trường nhiễu Sai số hệ thống chịu ảnh hưởng khác nhau ở trạng thái tĩnh và trạng thái động:

Trang 6

- Ở trạng thái tĩnh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn của thiết bị đo hoặc do

qui luật vật lý chi phối sự hoạt động của nó

- Ở trạng thái động sai số hệ thống do sự không đáp ứng theo tốc độ thay đổi nhanh

theo đại lượng đo

Sai số ngẫu nhiên (random error):

Ngoài sự hiện diện sai số do chủ quan trong cách thức đo và sai số hệ thống thì còn lại là sai số ngẫu nhiên Thông thường sai số ngẫu nhiên được thu thập từ một số lớn những ảnh hưởng nhiễu

Ví dụ: giả sử điện áp được đo bằng một vôn-kế và đọc cách khoảng 1 phút Mặc

dù vôn-kế hoạt động trong điều kiện môi trường không thay đổi, được chuẩn hóa trước khi đo và đại lượng điện áp đó xem như không thay đổi, thì trị số đọc của vôn-kế vẫn

có thay đổi so với giá trị đọc lúc đầu Sự thay đổi này không được hiệu chỉnh bới bất

kỳ phương pháp định chuẩn nào khác, vì do sai số ngẫu nhiên gây ra

1.4.5 Các nguồn sai số:

Thiết bị đo không đo được trị số chính xác và những lý do sau:

- Không nắm vững những thông số đo và điều kiện thiết kế

- Thiết kế nhiều khuyết điểm

- Thiết bị hoạt động không ổn định

- Bảo trì thiết bị kém

- Do người vận hành thiết bị đo không đúng

- Do những giới hạn của thiết kế

1.4.6 Phân tích thống kê đo lường

Sự phân tích thống kê các số liệu đo rất quan trọng, từ đó chúng ta xác định các kết quả đo không chắc chắn (có sai số lớn) sau cùng Để cho sự phân tích thống kê có ý nghĩa, phần lớn số liệu đo lường đòi hỏi sai số hệ thống phải nhỏ so với sai số ngẫu nhiên

Khi đo một đại lượng bất kỳ nào mà biết kết quả đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thì những yếu tố này đều quan trọng cả Theo điều kiện lý tưởng, mức độ ảnh hưởng của các thông số phải được xác định để cho việc đo lường nếu có sai số phải được giải thích

và hiểu được nguyên nhân gây ra sai số Nhưng sự phân tích sai số không được tách khỏi số liệu đã được cố định trong các kết quả đo lường

Ý nghĩa số học của sự đo nhiều lần:

Hầu hết giá trị đo chấp nhận được và biến số đo có ý nghĩa số học của thiết bị đo đọc được ở nhiều lần đo Sự gần đúng tốt nhất có thể có khi số lần đọc của cùng một đại lượng đo phải lớn Ý nghĩa số học của n lần đo được xác định cho biến số x được cho bằng biểu thức:

X=X1+X2+…+Xn

nTrong đó: X – trị trung bình

Độ lệch trung bình có thể dùng như một biểu thức của tính chính xác của thiết bị

đo Độ lệch trung bình càng nhỏ thì biểu thức đo càng chính xác

Biểu thức độ lệch trung bình D được xác định:

D = |d1| + |d2| +…+ |dn|

n

Ví dụ: độ lệch trung bình của các trị số đo ở ví dụ trước

Trang 8

D = |0,2| + |-0,2| + |-0,3| + |0,3|

4

Độ lệch chuẩn (standard deviation):

Độ lệch chuẩn б của một số lần đo là các giá trị độ lệch quanh giá trị trung bình được xác định như sau:

Độ lệch chuẩn cho n lần đo:

= 0,26

3 = 0,294 Sai số ngẫu nhiên:

Thường được tính trên cơ sở đường phân bố Gauss của độ lệch chuẩn:

eRd = d1

2

+ d22+…+ dn2n(n-1)

và giới hạn của sai số ngẫu nhiên: lim (eRd) = 4,5eRd

Những trị số nào có độ lệch vượt quá giới hạn của sai số ngẫu nhiên đều được loại

d7 = 0,0 Ω; d8 = 0,3 Ω

- Sai số ngẫu nhiên của các kết quả đo: lim( ) = 0,9 Ω

- Như vậy kết quả đo lần một có độ lệch tuyệt đối:

|d1| = 1,6 > 0,9 sẽ bị loại 1.4.7 Giới hạn của sai số:

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

đo, đây cũng là giới hạn sai số của thiết bị đo (cấp chính xác của thiết bị đo) mặc dù trong thực tế sai số thực của thiết bị đo có thể nhỏ hơn giá trị này

Ví dụ 1: vôn-kế có sai số tầm đo ±2% ở tầm đo (thang đo) 300V Tính giới hạn sai

số dùng để đo điện áp 120V

- Sai số tầm đo: 300V * 0,02 = 6V

- Do đó giới hạn sai số ở 120V: 6/120 * 100% = 5%

Ví dụ 2: vôn-kế và ampe-kế được dùng để xác định công suất tiêu thụ của điện trở

Cả hai thiết bị này để ở sai số tầm đo ± 1% Nếu vôn-kế được đọc ở tầm đo 150V có chỉ thị 80V và ampe-kế được đọc ở tầm đo 100mA là 80mA

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

- Giới hạn sai số ở vị trí số 80V: 1,5/80 * 100% = 1,86%

- Giới hạn của sai số tầm đo ampe-kế: 100mA * 0,01 = 1mA

- Giới hạn sai số ở trị số đọc: 1/70 * 100% = 1,43%

- Giới hạn sai số của công suất đo được: 1,86% + 1,43% = 3,29%

1.5 LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƯỜNG

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

đo lường Hiện tại và tương lai điện tử đã và đóng góp rất nhiều trong sự phát triển cho thiết bị đo lường Các đại lượng điện và đại lượng không điện được cảm biến đo lường chuyển đổi sang tín hiệu điện

Các tín hiệu này được các mạch điện tử chế biến cho phù hợp với mạch đo, mạch thu thập dữ liệu đo lường Ngày nay chúng ta không còn nghi ngờ gì về những ưu điểm của mạch điện tử:

- Độ nhạy thích hợp

- Tiêu thụ năng lượng ít

- Tốc độ đáp ứng nhanh

Trang 10

- Dễ tương thích truyền tín hiệu đi xa

- Độ tin cậy cao

- Độ linh hoạt cao phù hợp với các vấn đề đo lường

1.6 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

1.6.1 Hệ thống đo lường dạng tương tự (Analog)

Hệ thống đo lường một kênh

Hình 1-1: Hệ thống đo lường tương tự

Tín hiệu đo được tạo ra từ cảm biến đo lường (transducer) do đại lượng đo tác động vào Tín hiệu này đi qua mạch chế biến tín hiệu (signal conditioner) Sau đó đi vào

bộ phận hiển thị kết quả (display) và thiết bị ghi (record) để cho bộ phận đọc kết quả sử dụng ngay kết quả đo này

Ngoài ra hệ thống đo lường còn liên kết với hệ thống điều khiển tự động bằng cách lấy tín hiệu đo ở ngõ ra của mạch chế biến tín hiệu đưa qua mạch so sánh với tín hiệu chuẩn để điều khiển đối tượng (đại lượng) đang được đo

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

Hệ thống đo lường nhiều kênh

Trường hợp cần đo nhiều đại lượng thì mỗi đại lượng đo ở một kênh Như vậy sau mỗi tín hiệu đo được lấy ra từ mạch chế biến tín hiệu ở mỗi kênh sẽ đưa qua mạch phân

kênh (multiplexer) để được sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền (dây dẫn hay vô tuyến)

Để có sự phân biệt các đại lượng đo, trước khi đưa vào mạch phân kênh cần phải

mã hóa hoặc điều chế (Modulation– MOD) theo tần số khác nhau (ví dụ như f10, f20…) cho mỗi tín hiệu của đại lượng đo Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế (demodulation– DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo Đây cũng là hình thức đo lường từ xa (telemety) cho nhiều đại lượng đo

Hình 1-2: Hệ thống đo lường tương tự nhiều kênh

1.6.2 Hệ thống đo lường dạng số

Thiết bị vi xử lý (Microprocessor- µP) tham gia vào hệ thống đo lường nhằm mục đích xử lý nhanh tín hiệu đo, chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng Analog khi truyền đi xa Cách ly tốt hơn và dễ thực hiện hơn nếu dùng phương pháp quang học (dùng cách thức ghép bằng tín hiệu quang (opto – coupler) Đây cũng là hình thức thường dùng hiện nay

Trang 12

Hình 1-3: Hệ thống đo lường số kết hợp với uP

Với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC), hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số dùng PC để tự động hóa hệ thống đo lường ở mức độ cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng Do đó, chúng ta bước sang một giai đoạn mới Máy tính hóa thiết bị đo lường (computerized instrumentation)

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

vi xử lý (µP) hoạt động, sau đó muốn có dạng Analog để sử dụng, chúng ta dùng mạch DAC (digital analog converter) để chuyển đổi lại

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

1.7 GIỚI HẠN CỦA THIẾT BỊ ĐO

Một thiết bị đo có thể có các giới hạn về thang đo, công suất (hay khả năng tải dòng), tần số, trở kháng và độ nhạy (ảnh hưởng quá tải) Các vấn đề đó được giải thích như sau

1.7.1 Giới hạn về thang đo:

Mỗi thiết bị đo có khoảng đo lớn nhất về một thông số cần đo Khoảng đo sẽ được chia thành các thang đo nhỏ thích hợp Ví dụ, một vôn-kế có thể đo cao nhất là 300V chia thành 5 thang đo phụ: 3V, 10V, 30V, 100V và 300V

Chuyển mạch thang đo sẽ thiết lập tại các vị trí chính xác tuỳ thuộc vào giá trị đo yêu cầu Giả sử phép đo điện áp là 9V thì chúng ta sẽ sử dụng thang đo 10V Các thang

đo cần phải có cho tất cả các thông số cần đo Cần phải chọn thang đo đúng cho mỗi thông số đo thích hợp Nếu đo điện áp trên thang đo dòng điện, thì đồng hồ đo sẽ hư hỏng

1.7.2 Độ mở rộng thang đo:

Là thuật ngữ được sử dụng chỉ sự chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của một thang đo Đối với giá trị đo của đồng hồ ở mức nhỏ nhất là 10mA và 100mA ở mức cao nhất, thì độ mở rộng của thang đo là 100mA - 10mA = 90mA Một đồng hồ đo điện áp có mức 0V ở giữa, với + 10V một bên và - 10V ở phía khác, sẽ có

độ mở rộng thang đo là 20V

1.7.3 Giới hạn về công suất:

Mỗi thiết bị đo đều có khả năng xử lý công suất lớn nhất, nên công suất của tín hiệu vào không được vượt quá giới hạn công suất đo Công suất vượt quá có thể làm hỏng đồng hồ đo hay mạch khuếch đại bên trong đồng hồ đo

1.7.4 Giới hạn về tần số:

Phần lớn cơ cấu động ở đồng hồ đo tương tự có vai trò như một điện cảm mắc nối tiếp và do vậy sẽ suy giảm ở dãi tần số cao Trong các thiết bị đo sử dụng các mạch chỉnh lưu và các mạch khuếch đại, các điện dung của tiếp giáp được cho là một hạn chế đối với tín hiệu đo ở dãi tần số cao

Cơ cấu đo điện động có thể chỉ được sử dụng để đo tín hiệu có tần số lên đến 1000Hz (do điện cảm nối tiếp), các cơ cấu đo từ điện (có bộ chỉnh lưu) có thể sử dụng

để đo tín hiệu có tần số lên đến 10 000Hz, millivoltmeter xoay chiều có thể đo các tín hiệu có tần số lên đến một vài MHz Các hạn chế tần số khác có thể gây ra do các điện dung song song

Máy hiện sóng có thể sử dụng để đo các tín hiệu có tần số ở dãi MHz, nhưng giá thành sẽ tăng khi cần độ rộng băng tần cao hơn Máy hiện sóng không sử dụng cuộn dây và hệ thống chỉ thị kim, do vậy ảnh hưởng bất lợi ở phần lớn các cơ cấu đo sẽ được hạn chế và loại bỏ

1.7.5 Giới hạn về trở kháng:

Các thiết bị đo được dùng để đo các tín hiệu ac, có trở kháng ra phụ thuộc vào

mạch ra của transistor được sử dụng Một máy phát tín hiệu tần số cao có thể có trở

Trang 14

kháng là 75Ω hay 50Ω để phù hợp với trở kháng vào của hệ thống cần đo Các thiết

bị đo điện áp như vôn-kế và máy hiện sóng có trở kháng vào cao

Một vôn-kế tốt vừa phải có thể có trở kháng vào khoảng 20000Ω/V, trong khi một máy hiện sóng và đồng hồ đo số hay đồng hồ đo điện tử có thể có trở kháng vài

MΩ Thiết bị đo điện áp có trở kháng cao hơn sẽ cho độ chính xác của phép đo cao hơn hay có ảnh hưởng quá tải ít hơn

Trở kháng của các cơ cấu đo cuộn dây động tuỳ thuộc vào độ nhạy của đồng hồ, còn trở kháng của máy hiện sóng kiểu ống tia phụ thuộc vào trở kháng vào của bộ khuếch đại dọc sử dụng trong máy hiện sóng

1.8 CAN NHIỄU Ở PHÉP ĐO

So với tạp nhiễu bên trong được tạo ra bởi các gợn sóng của nguồn cung cấp, hay bằng sự di chuyển lớn một cách ngẫu nhiên về cả số lượng và vận tốc của các điện tử trong các cấu kiện chủ động và thụ động (gọi là nhiễu Johnson hay nhiễu trắng, nhiễu vạch), hoặc do các quá trình quá độ gây ra bởi sự giảm đột ngột thông lượng qua một điện cảm, các thiết bị đo có thể bị can nhiễu từ bên ngoài được giải thích như sau: 1.8.1 Can nhiễu tần số thấp:

Khi các dây dẫn điện nguồn cung cấp chính AC chạy song song gần với các đầu dây tín hiệu đo, thì nhiễu mạnh AC (tần số 50Hz) sẽ can nhiễu vào đầu tín hiệu đo do

hiệu ứng điện dung giữa các dây dẫn

1.8.2 Can nhiễu tần số cao:

Các tín hiệu tần số cao được tạo ra bất cứ khi nào có sự phát ra tia lửa điện ở vùng xung quanh thiết bị đo Tia lửa điện có thể tạo ra khi chuyển mạch nguồn cung cấp,

do các hệ thống đánh lửa, do các động cơ điện một chiều, do các máy hàn, do sự phóng điện hào quang (tức sự ion hoá không khí gần các mạch điện áp cao) và do hồ quang điện trong các đèn huỳnh quang

Tia chớp là các nguồn tần số cao trong tự nhiên Phát thanh quảng bá từ các đài thu phát vô tuyến và các đài phát thanh di động công suất cao, được lắp đặt gần các thiết bị đo cũng tạo ra các tín hiệu tần số cao

Các tín hiệu cao tần đó đều có thể can nhiễu vào thiết bị đo, các tín hiệu cao tần

có thể được chỉnh lưu bằng các cấu kiện bán dẫn có trong các thiết bị đo và như vậy

sẽ tác động đến các kết quả đo do điện áp không mong muốn thể hiện dưới các dạng khác nhau trong phép đo, làm cho kết quả đo sai hoàn toàn

Một số phép đo DC tiến hành ở các điểm đo trong mạch có cả điện áp DC và điện

áp của các tín hiệu tần số cao Các phép đo điện áp DC sẽ không chính xác nếu không

lọc bỏ điện áp cao tần trước khi tín hiệu đo được chỉnh lưu trong thiết bị đo

1.8.3 Các cách phòng ngừa và khắc phục ở các phép đo để loại bỏ can nhiễu cao

tần

1 Trước tiên là bao bọc có hiệu quả thiết bị đo để không bị can nhiễu ngoài trực tiếp vào thiết bị đo

2 Thiết bị đo phải được nối đất

3 Cần phải lọc các tín hiệu không mong muốn tại mạch vào, dây đo và dây nguồn cung cấp để các tín hiệu cao tần sẽ được lọc bỏ trước khi chỉnh lưu, phải có mạch chọn băng tần tín hiệu đo để loại bỏ nhiễu và can nhiễu tần số cao Mạch nối với bệ máy cần phải đảm bảo Mối hàn bị nứt hay thiếu kết nối, sẽ tạo ra một điện trở giữa đầu vào và đất đối với các tín hiệu tần số cao, nên điện áp cao tần sẽ xâm nhập tại đầu vào như minh hoạ ở hình dưới Tụ điện trong hình, dùng để lọc bỏ các tín hiệu cao tần, có vai trò như một ngắn mạch đối

với tần số cao Nếu tụ hở mạch, hay điểm

G không kết nối với đất (do áp lực nào đó

hay mối hàn bị nứt), thì tín hiệu tần số cao

sẽ có tại điểm A sẽ được đưa đến đầu vào

của mạch khuếch đại bằng transistor, nên

sẽ được khuếch đại và chỉnh lưu (phần phi

tuyến của đặc tuyến) và sẽ có tại đầu ra dưới dạng điện áp DC Các đài phát thanh

quảng bá địa phương thỉnh thoảng nghe được trong ống nghe điện thoại do can nhiễu

đó

4 Khi thực hiện phép đo DC tại điểm có cả điện áp DC cũng như điện áp cao tần, điện

áp cao tần có thể gây ra mức dòng điện lớn chảy qua đầu que đo bởi vì đầu que đo gần như được ngắn mạch với bệ máy đối với tín hiệu cao tần thông qua ảnh hưởng

điện dung, có thể làm nóng đầu que đo (thực tế này xảy ra khi đo các điện áp DC

trong máy phát) Mắc nối tiếp cuộn cảm RF với đầu que đo để loại bỏ tình trạng trên

5 Sử dụng mạch khuếch đại thuật toán ở chế độ vi sai sẽ làm giảm các tín hiệu nhiễu đồng kênh rất cơ bản, có thể loại bỏ nhiễu đồng kênh lên đến mức 100dB (Nếu mặc

Trang 16

dù đã có các dự phòng nhiễu cao tần trên, hư hỏng hệ thống có thể từ tầng này đến tầng khác, thì nguyên nhân có thể là vỏ bảo vệ, nối đất, mạch lọc và cuộn cảm cao tần, cần phải kiểm tra kỹ các vần đề đó)

1.9 VỎ BẢO VỆ

Vỏ bảo vệ là lớp chặn bằng vật liệu dẫn điện được lắp ở phần có tín hiệu nhiễu Hiệu quả của lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào: (i) kiểu lớp bảo vệ, (ii) các đặc tính của vật liệu làm lớp bảo vệ và (iii) độ hở của lớp bảo vệ

Trường nhiễu có thể là điện trường hoặc từ trường Các lớp bảo vệ bằng từ tính

sử dụng vật liệu sắt từ như sắt Các lớp bảo vệ tĩnh điện sử dụng vật liệu dẫn điện không nhiễm từ như nhôm Các vật liệu dẫn điện có đặc tính điện môi kém nên sẽ hấp thụ các nhiễu do điện trường tĩnh

Ngoài việc hấp thụ, nhiễu cũng sẽ giảm do sự phản xạ của điện trường khỏi lớp bảo vệ Độ hấp thụ nhiễu tỷ lệ với độ dày của vật liệu Sự phản xạ sẽ xảy ra khi có gián đoạn trở kháng đặc trưng giữa lớp bảo vệ và môi trường xung quanh lớp bảo vệ

1.10 NỐI ĐẤT

Hình 1-4: Nối đất sai

Có đường dẫn trở lại mức đất trên bảng mạch in, thường là đường mạch rộng và

có điện trở rất thấp Dây tín hiệu cần phải được đặt gần với đường nối đất để giảm ảnh hưởng điện cảm Đường mức đất trên mạch bảng mạch sẽ được nối với đường đất hiệu dụng

Mức đất, như mạch ở hình 1-4, là không đúng, bởi vì điện áp được bọc lộ trên

chiều dài Zp do phần từ II sẽ được nối trở lại phần tử I Ảnh hưởng sẽ xấu nếu phần tử

I có độ nhạy cao, hoặc nếu phần tử II là thiết bị công suất lớn

Các cách nối đất như mạch ở hình 1-5a, và 1-5b là thích hợp nhất đối với tín hiệu

có tần số trên 10MHz, nên chú ý chọn để tránh việc hình thành các vòng đất

Hình 1-5: Nối đất đúng

1.11 SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ

Các thiết bị đo tương tự sử dụng độ lệch của kim chỉ thị do tương tác giữa dòng điện và từ trường, hoặc giữa hai từ trường Đa số các bộ phận cơ cấu động đều có ma sát, nên có nhiều hạn chế (như giới hạn tần số cao, độ nhạy, sai số do quá tải) và các sai số Trong các đồng hồ đo số, không liên quan đến sự làm lệch, số chỉ thị được đọc

ở bộ hiển thị (hiển thị bằng tinh thể lỏng hay bằng LED), nên các đồng hồ đo số không

có các sai số như của các đồng hồ đo tương tự

Các ưu điểm của thiết bị đo số so với các loại đồng hồ đo tương tự như sau: 1.11.1 Ưu điểm của đồng hồ đo số so với đồng hồ đo tương tự:

1 Độ chính xác cao (thông dụng là 0,0005% hay 5ppm)

2 Độ rõ cao (khi số lượng đo được thể hiện bằng chữ số, nên sẽ không thay đổi giá trị của nó) (điển hình là 1ppm)

3 Độ phân giải tốt hơn (tình trạng không rõ ràng chỉ bị giới hạn nhiều nhất là một chữ số)

4 Không có sai số do hiển thị sai

5 Không có sai số do đọc Không có sai số trong việc chuyển đổi số liệu đo

6 Trở kháng vào rất cao (điển hình là 10 MΩ và điện dung vào thấp là 40pF) và vì vậy sai số do quá tải không đáng kể

7 Trở kháng vào hầu như không thay đổi trên tất cả các thang đo

8 Sự định chuẩn từ các nguồn mẫu bên trong đồng hồ là hoàn toàn ổn định

9 Không có sai số do dạng sóng tín hiệu

10 Hiển thị cực tính tự động, có khả năng tự động chỉnh 0 và tự động chuyển thang đo Các thang đo thay đổi theo các nấc thập phân thay vì thang đo 10 , nên có số lượng thang đo ít hơn, khả năng mở rộng thang đo lớn hơn

1.11.2 Các nhược điểm của đồng hồ đo số:

1 Cần phải có nguồn cung cấp do sử dụng các vi mạch (IC)

năng đo mức sụt áp trên tiếp giáp pn)

1.12 KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN TỬ

Phép đo cần phải được thực hiện một cách cẩn thận và sự thể hiện các số liệu đo phải phù hợp sau khi đã có tính toán đến các giới hạn về độ nhạy, độ chính xác và khả năng của thiết bị đo

Đôi khi số đo có thể đúng nhưng nếu thể hiện kết quả sai, người ta có thể hiểu mạch đang tốt là có sai hỏng và ngược lại Hơn nữa, việc sử dụng thiết bị đo sai có thể tạo ra các nguy hiểm cho sự an toàn của người đo và thiết bị đo Các kỹ thuật đo sau đây cần phải tuân theo khi đo thử hay thực hiện các phép đo trong việc chẩn đoán hư hỏng, sửa chữa và bảo dưỡng các thiết bị điện tử

1 Nối thiết bị đến nguồn điện lưới, tốt hơn hết là thông qua đầu nối ba chân và thực hiện bật nguồn cho hệ thống theo trình tự sau:

Các điểm quan trọng được chuyển mạch ON đầu tiên, tiếp theo là đóng [ON] nguồn cung cấp, sau đó đóng [ON] thiết bị đo, và cuối cùng đóng nguồn cung cấp cho mạch cần đo thử

Khi tắt (chuyển mạch sang OFF), thì trình tự là ngược lại, thì trình tự phải được thực hiện ngược lại: trước tiên tắt nguồn cung cấp cho mạch cần đo, tiếp theo là tắt thiết bị đo, sau đó tắt nguồn cung cấp và cuối cùng là ngắt điện lưới Điều này sẽ bảo

vệ thiết bị đo và thiết bị cần đo khỏi các xung quá độ Không hàn hay tháo mối hàn linh kiện khi nguồn cung cấp đang bật

2 Bất kỳ lúc nào cũng phải tắt thiết bị đo còn nếu thiết bị đo được chuyển mạch sang đóng [ON] ngay sau đó thì cần phải có khoảng thời gian đáng kể để cho phép các

cuối cùng sẽ cho kết quả đo gần với độ lệch lớn nhất có thể có đối với phép đo điện áp

và dòng điện và gần mức trung bình đối với phép đo điện trở, để có độ chính xác tối ưu đối với hệ thống đo

5 Khi giá trị đo bằng 0, thì đồng hồ đo cần phải chỉ thị bằng 0, nếu không thì cần phải được chỉnh 0 phù hợp

6 Không sử dụng các đầu đo có kích thước lớn vì chúng có thể gây ngắn mạch Các đầu que đo cần phải nhọn nhất nếu có thể được

7 Điểm quan trọng là kết nối phép đo tại các điểm đo thử: các hãng chế tạo thiết bị thường quy định các điểm đo thử tại các vị trí thuận tiện trên bảng mạch in Điện trở,

mức điện áp DC, mức điện áp tín hiệu và các dạng sóng của tín hiệu sẽ được quy định

cho mỗi điểm đo thử (Điểm đo thử thường là chốt lắp đứng trên bảng mạch in) Các điểm đo thử có các mạch đệm tốt nhất để tránh nguy hiểm quá tải cho mạch cần đo Các điểm đo thử được thiết kế bởi các nhà chuyên môn có kinh nghiệm, khi cần khảo sát thiết bị, không được bỏ qua các điểm đo thử trong quá trình sửa chữa

8 Thông thường các đầu que đo mang dấu dương và âm đối với các phép đo điện

áp và dòng điện trong mạch Nguồn pin bên trong đồng hồ đo sẽ có cực tính ngược lại, tức là đầu que đo âm của nguồn pin trong đồng hồ đo sẽ được nối đầu que được đánh dấu dương (que đo màu đen) và ngược lại, như thể hiện ở hình 1-6 Thực tế này cần phải nhớ khi đo thử các diode, các tụ điện phân, các transistor và các vi mạch

Hình 1-6: Cực tính theo que đo của đồng hồ

9 Nếu các điểm đo thử là không cho trước, hoặc nếu các phép đo là được thực hiện tại các điểm khác nhau, thì cần phải chú ý các điểm như sau:

- Khi đo các điện áp DC, phép đo cần phải được thực hiện ngay tại các linh kiện

thực tế và đối với vi mạch đo trực tiếp trên các chân

- Sử dụng đầu kẹp đo thử IC để thực hiện các phép đo trên các chân của IC

- Khi cần đo tín hiệu trên mạch in trong bảng mạch nên kẹp đầu đo trên chân của cấu kiện điện tử được nối với đường mạch in

Trang 20

- Khi thực hiện các phép đo trên bảng mạch, cần phải đảm bảo rằng các IC không

bị điện tích tĩnh do thiết bị đo

- Khi kiểm tra hở mạch, hãy tháo một đầu của cấu kiện điện tử rồi thực hiện phép

đo Nếu cấu kiện không được tháo một đầu, thì các cấu kiện khác mắc song song với cấu kiện nghi ngờ sẽ chỉ thị không đáng tin cậy Có thể kiểm tra cấu kiện nghi ngờ bằng cầu đo

Khi tháo mối hàn ra khỏi bảng mạch in là khó khăn thì có thể cắt đường mạch in liên quan, do dễ dàng hàn lại vết cắt hơn so với việc tháo mối hàn cấu kiện để đo rồi hàn lại nhưng khi hàn lại vết cắt cần đề phòng mối hàn bị nứt không xảy ra

- Việc tháo và hàn IC là một quá trình khá phức tạp cần phải hết sức cẩn thận Cần phải tháo mối hàn cho IC để đo thử chỉ khi xác minh chắc chắn các phép đo trên bảng mạch cho thấy IC đã thực sự hỏng

10 Cần phải tuân theo các lưu ý về an toàn để đảm bảo an toàn cho người đo và thiết bị

đo

11 Cần phải tuân theo các chỉ dẫn từ hướng dẫn sử dụng thiết bị đo thử, cũng như trình

tự đo thử

2 CHƯƠNG 2: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN

2.1 CẤU TRÚC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

Các đồng hồ đo lường các đại lượng điện rất da dạng phong phú nhưng chúng đều được cấu tạo từ các bộ phân cơ bản như hình sau:

Hình 2-1: Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường điện tử

- CĐSC - Khâu chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành

tín hiệu điện Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo lường

- MĐ - Mạch đo hay là bộ biến đổi tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở, )

cho phù hợp với bộ chỉ kết quả Bộ này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch điều hợp tổng trở, mạch khuếch đại tín hiệu đủ lớn cho bộ chỉ thị kết quả Có thể là mạch cầu đo (đối với đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung)

- CT - Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị con số so với

đơn vị đo

Các cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo lường điện tử

Cơ cấu chỉ thị (CCCT) của các đồng hồ đo lường các đại lượng điện được chia

thành hai nhóm chính:

- Nhóm chỉ thị bằng kim (hay còn gọi CCCT cơ điện) gồm có CCCT từ điện, điện

từ và điện động

- Nhóm chỉ thị số

2.2 CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM [CƠ ĐIỆN]

Hiện nay cơ cấu chỉ thị kết quả vẫn còn dùng kim chỉ thị kết quả Do đó chúng tôi trình bày tóm lược cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cơ cấu dạng này được dùng trong vôn-kế và ampe-kế Còn loại cơ cấu chỉ thị kết quả bằng số sẽ được đề cập đến trong phần thiết bị đo lường chỉ thị số

Cơ cấu chỉ thị cơ điện làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng

cơ học là dịch chuyển phần quay Phương trình mô tả như sau:

 = f(x), x là đại lượng vào

Dựa theo phương pháp biến đổi năng lượng từ điện sang cơ, cơ cấu chỉ thị cơ điện được chia thành các loại sau:

- Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện

- Cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ

- Cơ cấu chỉ thị kiểu điện động

Các chi tiết cơ khí chung của chỉ thị cơ điện

- Bộ phận phản kháng: tạo ra momen cản và dẫn dòng điện vào khung dây

- Kim chỉ thị góc quay : độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay , ngoài ra có thể chỉ thị góc quay bằng ánh sáng

- Thang chia độ: là mặc khắc độ thang đo, để xác định giá trị đo

- Bộ phận cản dịu: cơ cấu đệm để hạn chế sự rung kim khi chỉ thị

Các momen tác động lên phần động của cơ cấu

Momen quay: do tác động của từ trường (do nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng

điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu đo sẽ sinh ra momen quay Tq tỉ lệ với

độ lớn của dòng điện I đưa vào cơ cấu:

Tq = Kq.I

- Kq là hệ số tỉ lệ với sự cấu tạo của cơ cấu

Momen phản kháng: được tạo ra bởi các bộ phận phản kháng Momen này tỉ lệ

- D: phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bộ phận cản dịu

Hình 2-2: Cơ cấu chỉ thị từ điện

2.2.1 Cơ cấu từ điện (Cơ cấu D’ARSONVAL)

2.2.1.1 Cấu tạo của cơ cấu đo kiểu từ - điện:

Hình 2-2

Khung quay:

Khung bằng nhôm hình chữ nhật, trên khung có quấn dây đồng bọc lớp cách điện nhỏ Toàn bộ khối lượng khung quay phải càng nhỏ càng tốt để sao cho mômen quán tính càng nhỏ Toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay hoặc treo bởi dây treo (taut band)

a) Khung quay – Loại trục quay b) Khung quay – Loại dây treo

Hình 2-3: Khung quay của cơ cấu từ điện

Nam châm vĩnh cửu:

- Khung quay được đặt giữa hai cực từ NS của nam châm vĩnh cửu

- Lõi sắt non hình trụ nằm trong khung quay tương đối đều

- Kim chỉ thị được gắn chặt trên trục quay hoặc dây treo Phía sau kim chỉ thị có

mang đối trọng để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo

- Lò xo kiểm soát hoặc dây treo có nhiệm vụ kéo kim chỉ thị về vị trí ban đầu

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động:

Khi có dòng điện vào cuộn dây, trên khung dây sẽ xuất hiện lực điện từ F:

F = N.B.l.I Trong đó: N – số vòng dây quấn của cuộn dây

B – mật độ từ thông xuyên qua cuộn dây

l – chiều cao của khung

I – cường độ dòng điện

Mômen quay Tq của lực điện từ F:

Tq = F.W = N.B.l.W.I Trong đó: W là bề rộng của khung quay

Kq = N.B.l.W : hệ số tỉ lệ với sự cấu tạo của cơ cấu là hằng số

Tq = Kq.I

Hình 2-4: Nguyên lý hoạt động

Đồng thời khi đó lò xo (hoặc dây treo) tạo ra mômen cản Tc khi kim chỉ thị quay

do mômen Tq làm xoắn lò xo kiểm soát hoặc dây treo:

Tc = Kc.

- Kc – hằng số xoắn của lò xo kiểm soát hoặc dây treo

-  góc quay của kim chỉ thị Tại góc quay i của kim chỉ thị đứng yên:

Tq = Tc

Kq.I = Kc.i

i = (Kq/Kc)I = KI Góc quay i tỉ lệ tuyến tính với dòng điện I

2.2.1.3 Sự đệm (cản dịu) cho kim chỉ thị

Khi kim chỉ thị di chuyển dưới tác động của Tq cũng xuất hiện mômen đệm Td do dòng điện ứng phát sinh trong cuộn dây do từ thông xuyên qua khung quay thay đổi tức thời (Hình 2-5):

id = ed

Ri + RDTrong đó: ed – sức điện động ứng

Ri – điện trở của khung quay

RD – điện trở đệm nối hai cuộn dây

- Trường hợp RD ∞: không có mômen đệm, kim chỉ thị dễ bị dao động quanh điểm sẽ dừng lại của kim, vì cuộn dây bị hở mạch không có dòng id trong khi vẫn

có ed

- Trường hợp RD 0: mômen đệm lớn nhất có sự đệm chặt làm cho sự di chuyển của kim rất chậm và khó khăn hơn khi bị dao động cơ học do di chuyển cơ cấu

đo

- Trường hợp RD RDC: điện trở đệm đúng mức, kim chỉ thị di chuyển nhanh khi

có dòng điện vào và không bị dao động quanh vị trí dừng của kim

Hình 2-5: Sự đệm cho kim chỉ thị

Theo phương trình chuyển động của kim:

Jd2

dt2 + D

d 

dt + TC = 0 Trong đó: J – mômen quán tính của khung quay và kim

D – hằng số đệm của hệ thống

TC – mômen cản do lò xo kiểm soát hoặc dây xoắn

Để có sự đệm đúng mức thì D phải có điều kiện :

D = DO = 2√J.Tc = 0 Nếu D > DO: đệm quá mức

D < DO: đệm yếu

Người ta chứng minh được rằng hằng số đệm:

D = KD'RVới: R = R1 + RD

KD' = R.B.I.W

2.2.1.4 Đặc tính cơ cấu từ điện:

Độ nhạy dòng điện của cơ cấu điện từ:

Độ nhạy của dòng điện được định nghĩa:

SI = d 

dI =

KI

KCNghĩa là độ nhạy của dòng điện tương ứng với sự biến thiên của góc quay khi có

sự biến đổi của dòng điện Trong thực tế, người ta thường dùng Imax (dòng điện tối đa) của cơ cấu chỉ thị để xác định độ nhạy nghĩa là độ nhạy càng lớn khi Imax càng nhỏ vì

max (góc quay lớn nhất) của cơ cấu chỉ thị giống nhau (vào khoảng # 105o) Tăng độ nhạy cơ cấu bằng cách tăng Kq giảm KC

Độ nhạy điện áp cơ cấu:

SV = d / dV

Nếu điện trở nội của khung quay là Ri thì:

SV = d / RidI = (1 / Ri) Si

Do đó có sự quan hệ giữa độ nhạy điện áp và dòng điện

Ưu điểm: cơ cấu chỉ thị từ điện có ưu điểm so với những cơ cấu khác nhờ những điểm

sau đây:

- Từ trường của cơ cấu do nam châm vĩnh cửu tạo ra mạnh, ít bị ảnh hưởng của từ

trường bên ngoài

- Công suất tiêu thụ nhỏ tùy theo dòng Imax cùng cơ cấu có thể từ 25µW ÷ 200µW

- Có độ chính xác cao, có thể đạt được cấp chính xác 0,5%

- Vì góc quay tuyến tính theo dòng điện cho nên thang đo có khoảng chia đều đặn

Khuyết điểm:

- Cuộn dây của khung quay thường chịu đựng quá tải một lượng nhỏ nên thường

dễ bị hư hỏng nếu dòng điện quá mức đi qua

- Chỉ sử dụng dòng điện một chiều, không hoạt động ở dòng điện xoay chiều

Hình 2-6: Điện kế gương quay

- Đối với khung quay có dây xoắn dễ hư hỏng khi bị chấn động mạnh hoặc di

chuyển quá mức giới hạn, do đó cần đệm quá mức khi cho cơ cấu ngưng hoạt động

Ứng dụng:

- Cơ cấu chỉ thị kim thường được dùng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường

- Điện kế gương quay (Hình 2-6): Khung quay mang gương phản chiếu và hệ thống

quang học chiếu tia sáng vào gương và đốm sáng tròn ghi kết quả dòng điện đi qua Kết quả được ghi trên thước chia hoặc trên giấy nhạy quang (trong các thiết

bị ghi)

2.2.2 Cơ cấu điện từ

Còn gọi là cơ cấu miếng sắt di động (moving iron)

2.2.2.1 Cấu tạo

Hình 2-7: Cơ cấu điện từ loại hút

Có hai loại lực hút và lực đẩy

- Loại lực hút (Hình 2-7)

- Loại lực đẩy (Hình 2-8)

Cả hai đều có cuộn dây cố định và miếng sắt di động gắn trên trục quay mang kim chỉ thị Riêng lực đẩy có mang thêm miếng sắt cố định gắn ở mặt trong của cuộn dây Trục quay cũng có lo xo kiểm soát và cơ cấu chỉ thị có đệm bằng sức cản không khí (Hình 2.8)

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Cuộn dây cố định có dòng điện I (một chiều hoặc xoay chiều) lực từ động F tạo ra lực hút hoặc lực đẩy cho miếng sắt di động

F = nI Trong đó:

- n - số vòng quay

- I - cường độ dòng

Hoặc góc quay của kim chỉ thị được chứng minh:

𝑖 = Kq

KCI2Với: I - dòng điện DC hoặc AC trị hiệu dụng (RMS)

Như vậy thang đo của cơ cấu điện từ không tuyến tính như thang đo của cơ cấu điện từ

Hình 2-8: Cơ cấu điện từ loại đẩy 2.2.2.3 Việc đệm cho cơ cấu điện từ

- Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn cơ cấu điện từ

- Có hiện tượng từ dư trong lá sắt non cho nên kém chính xác hơn

- Tính trễ làm tăng sai số khi dùng ở dòng điện xoay chiều Giảm tính trễ bằng

cách giảm nhỏ miếng sắt di động hoặc chọn mật độ từ thông B để cho hiện tượng trễ trong miếng sắt nhỏ đi Cho nên có sự dung hòa giữa từ thông và miếng sắt di động

Ảnh hưởng của tín hiệu xoay chiều: do có thành phần cuộn cảm L của cuộn dây cố

định cho nên khi tần số tín hiệu tăng, tổng trở Z = L = 2fL của cuộn dây tăng không thích hợp với tín hiệu đo có khoảng tần số thay đổi lớn

- Ngoài ra dòng điện xoáy trên miếng sắt di động tăng khi tần số tín hiệu tăng

- Do từ trường tạo ra bởi cuộn dây có trị số nhỏ cho nên dễ bị ảnh hưởng bởi từ

trường nhiễu, cần phải bảo vệ bằng cách chắn từ cho cơ cấu

- Công nghệ chế tạo dễ hơn cơ cấu từ điện

- Chỉ được dùng trong lĩnh vực điện công nghiệp

- Chịu sự quá tải cao

Những cơ cấu điện từ dùng trong vôn-kế hoặc ampe-kế thường có thông số kỹ thuật: điện cảm cuộn dây 1 Henry; điện trở 20/V; lực từ động F = 300 ampe-vòng; ngẫu lực xoắn bằng 5% khối lượng di chuyển

2.2.3 Cơ cấu điện động

Là cơ cấu có sự phối hợp giữa cơ cấu từ điện (khung quay mang kim chỉ thị) và cơ cấu điện từ (cuộn dây cố định tạo từ trường cho khung quay)

2.2.3.1 Cấu tạo

Cơ cấu điện động gồm có cuộn dây cố định và cuộn dây di động (khung quay) Thông thường cuộn dây di động không có lõi sắt non tránh được hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy Cuộn dây di động nằm trong vùng ảnh hưởng từ trường tạo ra bởi cuộn dây cố định, nếu cuộn dây cố định quấn trên lõi sắt từ là cơ cấu sắt điện động (Hình 2-9)

Tq = Kq

1

T∫ i0T 1i2dt (dòng AC) Vậy góc quay:

 = Kq

KcI1I2Hoặc:

 = Kq

Kc [

1

T∫ i0T 1i2dt]

- Kc – hằng số xoắn của lò xo kiểm soát hoặc dây treo

- Để cho thang đo tuyến tính theo I1, I2 thì Kq/Kc là hằng số

2.2.3.3 Đặc điểm của cơ cấu

- Cơ cấu điện động có ưu điểm và khuyết điểm của cơ cấu từ điện và điện từ

- Thường dùng làm bộ chỉ thị cho vôn-kế hoặc ampe-kế và watt-kế

- Watt-kế có công suất tải một pha và ba pha dùng cơ cấu sắt điện động

- Ngoài ra người ta chế tạo ra tỉ số kế điện động để dùng làm cos-kế (đề cập ở phần đo hệ số công suất)

- Chiều quay của cơ cấu điện động (sắt điện động) được xác định trước khi hoạt

động với dòng điện xoay chiều (Hình 2-10)

Hình 2-10: Chiều quay của kim chỉ thị không phụ thuộc vào chiều dòng điện

Như vậy, khi kim chỉ thị của cơ cấu bị lệch ngược thì phải hoán đổi cực tính của cuộn dây để kim chỉ thị quay thuận

2.3 ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC)

2.3.1 Đo dòng DC

- Nguyên lý đo: sử dụng cơ cấu từ điện có thể đo ở mức dòng thấp 1mA (hoặc thấp

hơn 50µA) làm bộ chỉ thị ampe-kế DC Nhưng cần phải mở rộng tầm đo (Range) cho thích hợp

- Mở rộng tầm đo: để cho ampe-kế có nhiều tầm đo thích hợp, mạch đo phải có sự

mở rộng tầm đo bằng cách sử dụng điện trở shunt

2.3.1.1 Nguyên lý đo dòng điện bằng cơ cấu từ - điện

Đồng hồ đo kiểu từ - điện về cơ bản là đồng hồ đo dòng một chiều (DC), được

chế tạo để cho độ lệch toàn thang tại các giá trị dòng thấp, 1mA hoặc thấp hơn (50 µA) Tuy nhiên, cơ cấu đo có thể dùng để đo các mức dòng cao bằng cách sử dụng các điện trở có trị số thấp mắc song song với cuộn dây động gọi là các điện trở shunt

Giả sử ta muốn đo dòng 100mA bằng đồng hồ đo có độ lệch toàn thang là 1mA, thì điện trở shunt phải có trị số sao cho mức dòng 99mA chảy qua shunt và chỉ 1mA chảy qua cuộn dây động, như thể hiện ở mạch hình 2-11

Hình 2-11: Đồng hồ đo dòng điện

Trị số điện trở của shunt có thể tính từ:

Im = ITRS

Rm + RS hay RS =

ImRm

It - Im

Trong đó, It là dòng toàn bộ, Im là dòng được phép chảy qua cơ cấu đo, Rm là điện

trở của cơ cấu đo và RS là giá trị điện trở của shunt

Ví dụ 3.1: Điện trở của cơ cấu đo là 1000Ω và dòng có thể chảy qua cơ cấu đo

lớn nhất là 1mA Giá trị của RS là bao nhiêu để cho phép đồng hồ đo chỉ thị 100mA? Nếu sử dụng cùng cơ cấu đo để đo dòng 1A, thì shunt của đồng hồ cần phải có là bao nhiêu ?

Hình 2-12: Ampe-kế nhiều thang đo

Vị trí để trống bên trái của chuyển mạch là thang đo nhỏ nhất (từ 0 đến 1mA) khi không mắc shunt vào phép đo Các vị trí chuyển mạch 2, 3 và 4 sẽ đặt điện trở

R1, R2 và R3 mắc song song với cơ cấu đo để cho các thang cao hơn tương ứng

Theo phương pháp trên, cơ cấu đo vẫn giữ nguyên không có shunt ở vị trí thang

đo thấp nhất Phương pháp đo dòng khác là phương pháp shunt vạn năng hay Shunt Ayrton

2.3.1.2 Shunt vạn năng [Shunt Ayrton]:

Shunt vạn năng gồm hàng loạt điện trở được mắc song song với cơ cấu đo thông

qua các vị trí của chuyển mạch thang đo, như ở hình 2-13 Ở vị trí S-1 của chuyển mạch, shunt của đồng hồ là R1 + R2 + R3 Ở vị trí S-2, shunt R2 + R3 và R1 sẽ trở thành mắc nối tiếp với cơ cấu đo

Hình 2-13: Shunt đa năng hay Shunt Ayrton

Ở vị trí S-3, R3 sẽ song song còn R1 + R2 trở nên mắc nối tiếp với cơ cấu đo Vậy Shunt Ayrton sẽ hoạt động theo hai cách Thứ nhất, dùng để rẽ mạch dòng; thứ hai sẽ làm giảm độ nhạy của cơ cấu đo bằng điện trở mắc nối tiếp với cơ cấu đo

2.3.2 Đo dòng xoay chiều AC:

- Nguyên lý đo: Sử dụng cơ cấu từ điện để đo nhưng có biến đổi dòng AC thành

dòng DC Dòng điện xoay chiều qua diode nối tiếp với cơ cấu từ điện đã được chỉnh lưu thành dòng một chiều DC

- Mở rộng tầm đo: Dùng điện trở shunt cho diode và cơ cấu từ điện Diode mắc nối

tiếp với cơ cấu từ điện, do đó có dòng Icltb qua cơ cấu, còn dòng xoay chiều qua điện trở shunt

2.3.2.1 Dùng cơ cấu từ điện đo dòng xoay chiều AC

Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng diode:

Dòng điện qua diode nối tiếp với cơ cấu từ điện là dòng điện xoay chiều đã chỉnh lưu thành dòng DC Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

Icltb* = 1

T∫ i0T cldt ≤ Imax

a) Dòng chỉnh lưu qua cơ cấu b) Cầu chỉnh lưu diode

Hình 2-14: Phương pháp chỉnh lưu dùng diode

Ví dụ: Dòng điện ac: VAC = Imsint

Khi đó:

icl = Imsint: (0  t  T/2)

icl = 0: (T/2  t  T) Vậy:

icltb = 0,318Im = 0,318√2Ihd (tín hiệu sin)

Trường hợp dòng điện AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu Cụ thể dòng:

iAC = 2(mA)sin100t Thì dòng :

icltb = 0,318*2(mA) = 0,636 (mA) Cầu diode (Hình 2-14b) Dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu ở hai bán kỳ, khi

đó trị chỉnh lưu trung bình:

Icltb = 2

T∫ icldt

Ví dụ: IAC = Imsint ; Icltb = 2*0,318Im = 0,636Im

Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện:

Bộ biến đổi nhiệt điện (Hình 2-15) gồm có dây điện trở được đốt nóng nhờ trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều cần đo Cặp nhiệt điện (thermocouple) được cung cấp nhiệt lượng do dòng điện này sẽ tạo ra điện áp một chiều (dòng điện DC) cho cơ cấu điện từ:

Eo(DC) = KTRI2

hd

Với:

- Ihd - trị số hiệu dụng của dòng điện ac

- R - điện trở của dây đốt nóng

- KT - hằng số tỉ lệ của bộ biến đổi nhiệt điện

Khi sử dụng bộ biến đổi chỉ dùng trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến Eo theo

Ihd Phương pháp biến đổi nhiệt điện có ưu điểm là không phụ thuộc vào dạng của tín

hiệu AC và tần số Do đó để cho dòng điện có tần số cao, dạng bất kỳ, người ta thường

dùng bộ biến đổi này

Ngoài ra khi dùng bộ biến đổi này còn phải quan tâm đến sự thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh, sự gia tăng nhiệt lượng khi dòng điện đo được duy trì sẽ làm cho Eo tăng theo thời gian (vấn đề bổ chính hay bù nhiệt này sẽ đề cập đến trong phần thiết bị đo điện tử vôn-kế điện tử dùng bộ biến đổi nhiệt điện)

Hình 2-15: Bộ biến đổi nhiệt điện 2.3.2.2 Mở rộng tầm đo

Dùng điện trở shunt cho diode và cơ cấu từ điện (Hình 2-16a) Diode mắc nối tiếp với cơ cấu điện từ, do đó có dòng Icltb qua cơ cấu, còn dòng điện xoay chiều lại qua điện trở shunt

a) Mạch đo dòng ac có điện trở shunt b) Mạch đo dùng biến dòng

Hình 2-16: Mở rộng tầm đo

Ví dụ: iAC

Dòng xoay chiều dạng sin có trị hiệu dụng Ihd, khi đi qua diode sẽ có:

icltb = 0,318√2Ihd ≤ Imax

- Imax - dòng tối đa của cơ cấu

Khi đó dòng điện xoay chiều còn lại sẽ qua điện trở shunt

Cụ thể:

Imax = 1mA

Iđo = 100 mA (RMS trị hiệu dụng)

Trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều qua điện trở shunt:

IS = Iđo – Imax / 0,318√2 = (100mA – [1mA / 0,318√2]) RMS

= (100mA – 2,2mA)RMS = 97,8mA (RMS) Điện trở shunt được xác định:

RS = VD + Rm (Imax/0,318√2)

IS(RMS)Dùng biến dòng (Hình 2-16b) Theo nguyên lý hoạt động của biến dòng là phải có

sự cân bằng của lực từ động phần sơ cấp và thứ cấp của biến dòng:

n 1 i 1 = n 2 i 2

Ví dụ: n1 = 5 vòng; n2 = 100 vòng; i1 = 10A (RMS)

i2 = [n1/n2] i1 = 0,5 (RMS) Khi sử dụng biến dòng nên lưu ý đừng để hở phần thứ cấp biến dòng khi phần sơ cấp có dòng điện Kẹp đo dòng điện (clamp ammeter) là một ứng dụng của biến dòng với cơ cấu điện từ và diode chỉnh lưu có phần mở rộng tầm đo

2.3.3 Ảnh hưởng của ampe-kế trên mạch đo:

Nguyên nhân:

Mỗi ampe-kế đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi the mỗi tầm đo

Ví dụ: ampe-kế cơ cấu điện từ ở tầm đo 1mA, có nội trở RA = Rm // RS = 1000Ω // 5,2Ω

= 5,17 Ω

Do đó tầm đo càng lớn nội trở RA (nội trở ampe kế) càng nhỏ Việc mắc nối tiếp ampe-kế với điện trở tải cần đo dòng điện sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo được Nếu nội trở ampe-kế rất nhỏ so với điện trở tải thì sai số do ảnh hưởng của ampe-kế trở nên không đáng kể

Ví dụ:

Khi không có ampe-kế, dòng điện qua tải RL:

IL = 5V / 1kΩ = 5mA Khi có ampe-kế, nội trở RA = 5,17Ω

IL = 5V / (5kΩ + 49,9Ω) = 0,990mA

Do đó sai số ảnh hưởng của ampe-kế :

100% - [(0,99/1) * 100%] = 1%

Như vậy sai số tăng lên gấp đôi so với trường hợp trước

2.4 ĐO ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC)

2.4.1 Đo điện áp một chiều bằng cơ cấu đo từ - điện

Nguyên lý đo