Bài giảng Đo lường điện

Bài giảng đo lường điện sử dụng giảng dạy cho sinh viên nghề điện công nghiệp, nghề điện dân dụng trên cơ sở chương trình khung của tổng cục dạy nghề ban hành Bài giảng bao gồm các bài sau: Đại cương về đo lường điện Các loại cơ cấu đo thông dụng Đo các đại lượng điện cơ bản Sử dụng các loại máy đo thông dụng

Trang 1

Môn học: Đo lường điện Thời gian: 75 tiết

Trang 2

Môn học: Đo lường điện

Bài 1: Đại cương về đo lường điện Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng Bài 3: Đo các đại lượng điện cơ bản

Bài 4: Sử dụng các loại máy đo thông dụng

Trang 3

Bài 1: Đại cương về đo lường điện

Thời gian: 3h (LT: 2h; TH: 1h)

1 Khái niệm về đo lường điện

1.1 Khái niệm về đo lường.

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần

đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng

tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo):

Ax = X/X0

Từ phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax Xo , chỉ rõ sự

so sánh X so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần

đo X phải có tính chất là các giá trị của nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh được thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được

Ví dụ: đo được dòng điện I=5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo là dòng điện I, đơn vị đo là A(ampe), kết quả bằng số là 5.

Trang 4

1.2 Khái niệm về đo lường điện.

Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện, tức là có đặc trưng mang bản chất điện

ví dụ: điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng

1.3 Các phương pháp đo

Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực

tế thường phân thành 2 loại phương pháp đo chính:

- phương pháp đo biến đổi thẳng

- phương pháp đo kiểu so sánh

1.3.1.Phương pháp đo biến đổi thẳng.

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu

biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi

Trang 5

-Quá trình thực hiện:

Hình 1.1 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng

+ Đại lượng cần đo X và tín hiệu đơn vị XO qua khâu biến đổi (BĐ) (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp), qua bộ biến đổi tương tự-số A/D để có NX và NO, qua khâu so sánh (ss) có NX/NO và được so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị qua

bộ so sánh quá trình được thực hiện bằng một phép chia

Nx / No

Trang 6

Kết quả đo được thực hiện biểu thức dưới dạng:

1.3.2 Phương pháp đo kiểu so sánh.

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu

mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi

Trang 7

-Quá trình thực hiện:

Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh.

BĐ: Bộ biến đổi D/A:Bộ biến đổi số - tương tự

SS: Bộ so sánh A/D: Bộ biến đổi tương tự - số CT: Chỉ thị kết quả

Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trình đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK

sẽ có được kết quả đo

Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị

đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù)

Trang 8

- Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ∆X = X - XK Tùy thuộc vào cách so sánh mà sẽ có các

phương pháp sau: - So sánh cân bằng

- So sánh không cân bằng

- So sánh không đồng thời

- So sánh đồng thời

* So sánh cân bằng:

o Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với

mẫu XK = NK.XO được so sánh với nhau sao cho ∆X = 0

từ đó suy ra X = XK = NK.XO

⇒ suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK

Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để được kết quả so sánh là ∆X = 0 từ đó suy ra kết quả đo

Trang 9

o Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ∆X = 0)

Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng …

+ So sánh không cân bằng:

o Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi

và biết trước, qua bộ so sánh có được ∆X = X - XK, đo ∆X sẽ có được đại lượng đo X = ∆X + X

từ đó có kết quả đo: AX = X/XO = (∆X + XK)/XO

o Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của XK quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ∆X, giá trị của ∆X so với X (độ chính xác của phép

đo càng cao khi ∆X càng nhỏ so với X)

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng),

đo nhiệt độ…

Trang 10

o Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK Phương pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên

Trang 11

Thường thì giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị của đại lượng đo X Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp như vônmét, ampemét chỉ thị kim

+ So sánh đồng thời:

o Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và đại lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo

Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ

mm (mẫu), thước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các điểm trùng nhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:1 inch = 127/5 = 254/10

= 25,4 mm

Trang 12

Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng

Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép

đo là:

- Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo

- Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp

- Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ phương trình mới có kết quả

- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả

Trang 13

2 Các sai số và tính sai số

2.1 Khái niệm về sai số

Giá trị của đại lượng đo gọi là giá trị thực ký hiệu là X Kết quả của phép đo nào cũng có sự sai số ít nhiều so với giá trị thực của nó (do phương pháp đo chưa hoàn thiện, dụng cụ đo chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài) Sự sai khác nhận được qua phép đo và giá trị thực của nó gọi là sai số phép đo

2.2 Các loại sai số: 2 loại

- Sai số tuyệt đối:

+ Sai số hệ thống: Là sai số vốn có của dụng cụ, phương pháp đo

+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số gặp phải do ngẫu nhiên

(VD: thay đổi to, từ trường ngoài)

+ Sai số nhiễu: Là sai số bất thường do đọc nhầm, tính nhầm, ghi sai kết quả

- Sai số tương đối và sai số quy đổi

Trang 14

2.3.2 Sai số tương đối và sai số quy đổi

- Sai số tương đối: Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực của nó

Ký hiệu: γx

γx % =

Phép đo có γx càng nhỏ càng chính xác

Trang 15

Ví dụ: Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của ampemet sau:

Mỗi dụng cụ đo có nhiều nấc nên có nhiều sai số đo tương đối khác nhau Để tiện so sánh người ta tính đổi các sai số đố về một nấc duy nhất gọi là giới hạn của dụng cụ đo

Giới hạn đo ( hay cỡ đo) của dụng cụ đo là giá trị lớn nhất mà

nó có thể đo được ứng với mỗi thang đo của dụng cụ đo

Sai số ΔX

Sai số tương đối %

(γx)

Trang 16

- Sai số quy đổi: Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giới hạn đo của dụng cụ đo

Ký hiệu: γqđ

γqđ =

γqđ = γx Kđ

Với Kđ = là hệ số sử dụng thang đo

Ví dụ: Tính Kđ và γqđ của các kết quả kiểm tra am pe mét ở ví

dụ trên biết giới hạn đo của am pe mét là 5A

Chỉ số của dụng cụ

Số chỉ của A kiểm tra 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sai số tương đối %

(γx)

Trang 17

2 Các sai số và tính sai số.

2.4 Các phương pháp hạn chế sai số

Phương pháp loại trừ sai số hệ thống

Một trong những nhiệm vụ cơ bản của mỗi phép đo chính xác là phải phân tích các nguyên nhân có thể xuất hiện và loại trừ sai

số hệ thống Mặc dù việc phát hiện sai số hệ thống là phức tạp, nhưng nếu đã phát hiện thì việc loại trừ sai số hệ thống sẽ không khó khăn

Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách:

+ Chuẩn bị tốt trước khi đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng

cụ đo trước khi sử dụng; chuẩn bị trước khi đo; chỉnh "0" trước khi đo…

+ Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép

đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế…

Trang 18

2.4 Các phương pháp hạn chế sai số

+ Xử lý kết quả đo sau khi đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh:

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

o Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại trừ sai số hệ thống

Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên

Trang 19

Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng

Thời gian: 7h (LT: 5h; TH: 2h)

1 Khái niệm về cơ cấu đo.

1.1 Khái niệm

Cơ cấu đo là một cơ cấu làm nhiệm vụ nhận lượng vào thường

có tín hiệu vào là dòng điện,biến đổi từ năng lượng dòng điện thành mô men quay làm kim quay đi một góc α

Mq = ∆w/ ∆ α

∆w: Sự biến thiên năng lượng từ trường hoặc điện trường Tuỳ theo sự biến đổi năng lượng từ trường hay điện trường thành công cơ học mà ta có các loại cơ cấu đo khác nhau: từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng, tĩnh điện

Trang 20

2 Các loại cơ cấu đo.

2.1 Cơ cấu đo từ điện

2.1.1 Loại có một khung dây động

a Cấu tạo

Hình 2.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện

Phần tĩnh gồm: nam châm vĩnh cửu, cực từ, lõi sắt non,

trong đó khe hở không khí giữa cực từ và lõi sắt là đều nhau.Phần động gồm: khung dây, lò so phản, kim chỉ thị

Trang 21

2.1 Cơ cấu đo từ điện.

b Nguyên lý làm việc

- Khi ta cho dòng điện một chiều I chạy vào khung dây, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu trong khe hở không khí, các cạnh của khung dây sẽ chịu tác dụng một lực:

F = BlWI

trong đó: B là trị số cảm ứng từ trong khe hở không khí; l là

chiều dài tác dụng của khung dây; W là số vòng dây; I là trị

số dòng điện

Ta thấy hai cạnh của khung dây cùng chịu tác dụng của lực F nhưng ngược chiều nhau nên sẽ tạo ra mômen quay:

Mq = 2F= B.l.d.W.I = B.S.W.I

trong đó: d là kích thước ngang của khung dây;

S = dl là thiết diện bề mặt khung dây

Mômen phản của lò so: MP = D.α

Trang 22

Vậy phần động sẽ cân bằng khi:

+ Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng của từ trường

ngoài, tiêu thụ năng lượng ít;

+ Vì α tỷ lệ bậc nhất với I nên thang chia độ của cơ cấu

đều.

Trang 23

- Nhược điểm:

+ Chế tạo khó khăn, giá thành đắt;

+ Do khung dây ở phần động nên phải quấn bằng dây có

kích thước nhỏ nên khả năng quá tải kém;

+ Chỉ đo được dòng một chiều Thật vậy, khi ta cho dòng

xoay chiều i = Imsinωt vào khung dây, ta có mômen quay tức thời theo thời gian:

Trang 24

2.1.2 Loại có hai khung dây động (Logomet từ điện)

a Cấu tạo

Hình 2.4 Logomet từ điện Phần tĩnh giống như cơ cấu một khung dây nhưng khe hở

không khí giữa cực từ và lõi sắt non là không đều nhau.

- Phần động ta đặt hai cuộn dây chéo nhau 60o, gắn cứng trên trục quay và lần lượt cho dòng điện I1 và I2 chạy qua sao cho chúng sinh ra hai mômen quay ngược chiều nhau Phần động không có lò so phản.

Trang 25

b Nguyên lý làm việc

Khi ta cho các dòng một chiều I1, I2 chạy vào các cuộn dây động, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra các mômen quay M1, M2 với:

Trang 26

c Đặc điểm và ứng dụng

Đặc điểm: Tương tự như cơ cấu một khung dây ở trên không

có độ chính xác cao hơn, công suất tổn thất thấp, độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài Góc lệch á tỷ lệ với

tỷ số hai dòng điện đi qua các khung đây, điều này thuận lợi khi đo các đại lượng vật lý thụ động phải cho thêm nguồn ngoài Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn được giữ nguyên do vậy mà tránh được sai số

Ứng dụng: Được dùng chế tạo các ommet, megommet

Trang 27

2.2 Cơ cấu đo điện từ.

a) Cấu tạo:

Hình 2.5 Cơ cấu chỉ thị điện từ.

Cơ cấu gồm hai loại chính: kiểu cuộn đây dẹt (cơ cấu chỉ thị điện từ loại hút) và kiểu cuộn dây tròn (cơ cấu chỉ thị điện từ loại đẩy) Cơ cấu cuộn dây dẹt có phần tĩnh là cuộn dây dẹt cho dòng điện cần đo đi qua, còn phần động là một lá thép đặt lệch tâm có thể quay trong khe hở cuộn dây tĩnh Kiểu cuộn dây tròn có phần tĩnh là cuộn dây tròn bên trong gắn một lá thép Phần động cũng là một lá thép gắn trên trục Ngoài ra còn có bộ phận cản dịu, lò so phản, kim chỉ thị

Trang 28

b) Nguyên lý làm việc:

Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh, trong lòng cuộn dây

sẽ có một từ trường Đối với cuộn dây dẹt từ trường này hút

lá thép vào trong lòng cuộn dây tĩnh, còn đối với cuộn dây tròn thì từ trường sẽ từ hoá hai lá thép, khi đó hai lá thép có cùng cực tính nên đẩy nhau Cả hai trường hợp trên sẽ làm cho phần động quay đi một góc α

- Khi cho dòng điện một chiều chạy vào cuộn dây:

Ta có mômen quay:

với We là năng lượng điện từ trường tích luỹ ở cuộn dây

trong đó L phụ thuộc α

Trang 29

Vậy mômen quay:

- Khi cho dòng điện xoay chiều vào cuộn dây

Giả sử i = ImaXsinωt Lúc đó mômen quay Mq theo t sẽ là:Mômen quay trung bình:

với I là trị hiệu dụng của dòng hình sin

Trang 30

Tại vị trí cân bằng ta có:

Mq = Mc ↔ α =

là phương trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ Vậy

cơ cấu chỉ thị điện từ có thể đo được cả dòng một chiều và dòng xoay chiều

c) Đặc điểm và ứng dụng:

* Đặc điểm

- Ưu điểm:

+ Có cuộn dây ở phần tĩnh nên có thể quấn bằng dây kích

thước lớn nên khả năng quá tải tốt

+ Dễ chế tạo, giá thành hạ.

+ Có thể đo được cả đại lượng một chiều và xoay chiều.

Trang 31

- Nhược điểm:

+ Góc quay tỷ lệ với bình phương của dòng điện và thang đo

chia không đều (hình dáng lá thép được chế tạo sao cho dL/dα giảm theo góc quay α để thang chia độ có thể tương đối đều)

+ Độ chính xác thấp do có tổn hao trong lõi thép.

* Ứng dụng

Thường được sử dụng đẻ chế tạo các loại ampemét, vônmét trong nạch xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2 Ít dùng trong các mạch có tần số cao

Trang 32

2.3 Cơ cấu đo điện động.

2.3.1 Loại có một khung dây động

a) Cấu tạo

Hình 2.6 Cơ cấu chỉ thị điện động

Cơ cấu gồm hai cuộn đây Cuộn dây tĩnh có tiết diện lớn, ít vòng dây và thường chia làm hai phân đoạn Phần động là một khung dây có nhiều vòng dây và tiết diện nhỏ Ngoài ra còn có kim chỉ thị, bộ phận cản dịu, lò so phản

Trang 33

b) Nguyên lý làm việc

- Xét khi cho các dòng điện một chiều I1 và I2 vào các cuộn dây phần tĩnh và động, trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ tồn tại một từ trường Từ trường này sẽ tác động lên dòng điện chạy trong cuộn dây động và tạo ra mômen quay:

Năng lượng từ trường tích luỹ trong lòng cuộn dây là:

trong đó L1, L2 là diễn cảm của các cuộn dây và chúng không phụ thuộc vào góc quay α; M12 là hỗ cảm của hai cuộn dây, thay đổi khi phần động quay Mômen quay

Trang 34

- Xét khi hai dòng điện đưa vào các cuộn dây là dòng điện xoay chiều thì:

Do phần động có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời cho nên thực tế lấy theo giá trị trung bình trong một chu kỳ:

Với Ψ là góc lệch pha giữa hai dòng điện; I1, I2 là các giá trị hiệu dụng của dòng điện lần lượt chạy trong các cuộn dây tĩnh và động

Trang 35

Tóm lại, trong mọi trường hợp ta đều có:

Trang 36

- Nhược điểm:

+ Dễ chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài.

+ Khả năng quá tải kém vì khung dây phần động kích thước

nhỏ

+ Cấu tạo phức tạp, đắt tiền.

+ Thang chia độ không đều (trừ khi chế tạo wattmet).

Ứng dụng:

+ Chế tạo các đồng hồ đo dòng, áp xoay chiều có tần số cao

hoặc yêu cầu độ chính xác cao

+ Chủ yếu chế tạo đồng hồ đo công suất tác dụng và phản

Trang 37

Hình 2.7 Logomet điện động

b) Nguyên lí làm việc

Khi cho hai dòng điện xoay chiều i, i1, i2 lần lượt chạy vào cuộn dây tĩnh và các cuộn dây động, trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ có một từ trường Từ trường này sẽ tác động lên dòng điện chạy trong các cuộn dây động

sinh ra các mômen Mq1, Mq2

với M1, M2 là hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và lần lượt các cuộn dây động

Trang 38

Người ta bố trí sao cho các mômen này ngược chiều nhau, vậy khi cân bằng phần động, ta có Mq1 = Mq2

với I1, I2 là các giá trị hiệu dụng của các dòng điện i1, i2; β1 β2

là góc lệch pha giữa dòng điện i, i1 và i, i2c)

Đặc điểm và ứng dụng

Giống như cơ cấu một khung dây động nhưng chủ yếu để chế tạo đồng hồ đo cosφ 1 pha, 3 pha cho lưới điện xoay chiều

Trang 39

2.4 Cơ cấu đo cảm ứng.

a) Cấu tạo:

Hình 2.8 Cơ cấu chỉ thị cảm ứng.

Cấu tạo như hình 2.8: 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, có ít nhất là 2 nam châm điện

- Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục

4 quay trên trụ 5

Trang 40

2.4 Cơ cấu đo cảm ứng.

b) Nguyên lý làm việc

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 → 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) →

xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → 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 → sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay

tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động) Mômen quay được tính:

Định dạng
Số trang	178
Dung lượng	4,5 MB