KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG: CHƯƠNG 3: ĐO DÒNG ĐIỆN ĐIỆN ÁP

Đồng thời như đã biết cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao với dòng điện xoay chiều, vì vậy Ampe mét điện động cũng có tính chính xác cao.Có 2 loại sơ đồ mạch của Ampemét điện động:

CHƯƠNG

3

3.1 ĐO DÒNG ĐIỆN

3.2 ĐO ĐIỆN ÁP

3.1 ĐO DÒNG

ĐIỆN :

1.Yêu cầu cơ bản phép đo dòng điện :

Dụng cụ đo trực tiếp dòng điện gọi là

Khi đo A được mắc nối tiếp

với tải hay mạch điện cần đo

dòng điện

 % = (I - IA).100% / I ≈ RA.100% / Rt

2 Cấu tạo A.mét :

a A.mét từ điện :

Mỗi chỉ thị từ điện khi chế tạo có các thôngsố định mức :

* Im : dòng điện làm kim chỉ thị lệch hết thang đo( IFS )

* Rm : Điện trở cuộn dây

* Um : Điện áp định mức

_ Khi I < Im A.mét là một chỉ thị từ điện và RA = Rm

_ Khi I > Im mở rộng giới hạn cho chỉ thị bằng cách mắc điện trở

Giá trị điện trở RS được xác định :

Với : n = I/Im hệ số mở rộng giới

hạn đo

RA = RS.Rm

RS+Rm =

Rmn

Um

_ Điện trở RS được chế tạo bởi vật liệu có hệ số t0 nhỏ

_ Để chỉ thị có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở RS theo sơ đồ :

+ Dùng RS nhiều cấp – vạn năng

1

n2

n1

n1 - 1

n 2 R S1 /(n 2 1) =

1

n4

* Tương tự :

* Tổng quát :

+ Dùng R S nhiều cấp – vạn năng

Ví dụ

_ Khi nhiệt độ thay đổi Rm của chỉ thị thay đổi làm thay đổi kết qủa đo gây ra sai sốâ do nhiệt.

RS

Im RmI

IS

Rb

RS

Im RmI

R mo  Cu t o

R S +R mo (1+ c

u t 0 )

tb % = 100%

Sai số nhiệt độ xác định theo công thức :

Để bù sai số nhiệt độ, người ta mắc điện trở Rb nối tiếp với cơ cấu đo :

_ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ

_ Khi dòng điện I ≤ Im dòng điện định mức cuộn dây phần tĩnh thì Ampemét là chỉ thị điện từ.

_ Khi I  Im phải mở rộng giá trị thang đo bằng cách phân đoạn cuộn dây phần tĩnh Thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau.

b Ampe mét điện từ:

Với : F = I.W = constTrong đó :

- F: Sức từ động của cuộn dây

- I: dòng điện chạy trong cuộn dây

- W: số vòng của cuộn dây

Ví dụ ; cuộn dây phân làm 4 đoạn

• Bài tập

Thường dùng để đo dòng điện miền tần số cao hơn tần số công nghiệp (cỡ 400  2000 HZ) Đồng thời như đã biết cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao với dòng điện xoay chiều, vì vậy Ampe mét điện động cũng có tính chính xác cao.

Có 2 loại sơ đồ mạch của Ampemét điện động:

* Khi dòng điện cần đo : I <=

0,5A thì Ampemét có cuộn dây động và cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp.

* Khi dòng điện cần đo : I >

0,5A thì Ampemét cuộn dây động và cuộn dây tĩnh mắc song song với nhau.

Cuộn động

Cuộn tĩnh

c Ampe mét điện động:

là Ampe mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode

Icltb = 0,318.Imax = 0,318 2.I

Icltb = 0,637.Imax = 0,637 2.I

I2

3 Đo dòng điện trung bình

và lớn:

a, Đo dòng điện trung bình :

Dòng điện trung bình là 1mA < Itb < 200 A Sử dụng trực tiếp các A.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo thích hợp để đo.

b, Đo dòng điện lớn :

* Dòng điện một chiều: sử

dụng các Ampe mét một chiều

kết hợp với điện trở sunh ngoài.

* Dòng điện xoay chiều: sử

dụng các A.mét xoay chiều kết

hợp với biến dòng điện

Biến dòng điện là một máy

biến áp đặc biệt làm việc ở

chế độ thứ cấp ngắn mạch

IA RAI

RSn

I1 = Kiđm.I2

Thường W 1 = 1 vòng

I 2đm = 1A, 5A Dòng điện I 2 được đo bởi các

A.mét thông thương

Kiđm = I1đm /

I2đm

K iđm : Tỉ số biến dòng điện

Chú ý : - Tải nối vào thứ cấp biến dòng

điện là các tải có gía trị điện trở nhỏ

- Nếu BI có dòng điện ở sơ cấp mà không sử dụng thì phải ngắn mạch hai đầu

cuộn thứ cấp.

Ký hiệu

U V = E.R tđ / ( R+ R tđ )

3.2 ĐO ĐIỆN

ÁP :

1.Yêu cầu cơ bản phép đo điện áp :

Dụng cụ đo trực tiếp điện áp gọi là V Mét

Khi đo V.mét được mắc song song với tải

hay mạch điện cần đo điện áp.

Vì vậy :

* Điện trở V.mét càng lớn phép đo càng chính xác

* V.mét phải có đặc tính động đáp ứng được dải tần số điện áp cần đo

_ Khi chưa có V.mét:

U = E.Rt / Rt + R

_ Khi có V.mét :

Phép đo phạm phải sai

số :

Với : - R tđ = R t .R V / (R t +R V )

- R V : Điện trở của V.mét

% = (U – UV).100% / U R ~t.100% /(Rt+RV)

R t E

R

U U

V

V

2 Cấu tạo V.mét :

a, V.mét từ điện :

_ Khi U < Um V.mét là một chỉ thị từ điện và RV = Rm

_ Khi U > Um mở rộng giới hạn cho chỉ thị bằng cách mắc điện trở RP nối tiếp với chỉ thị

Giá trị điện trở RP được xác định :

Với : m = U/Um hệ số mở rộng giới hạn đo

RV = m.Rm

Điện trở của vônmét :

chỉ thị từ điện

_ Để chỉ thị có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở Rp theo sơ đồ :

+ Dùng Rp từng cấp + Dùng Rp nhiều cấp – vạn năng

Giá trị điện trở RP được xác định :

Với : mi = Ui / Um hệ số mở rộng giới hạn đo

là V.mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode

Ucltb = 0,318.Umax = 0,318 2.U

Ucltb = 0,637.Umax = 0,637 2.U = 0,90.U

= 0,45.U

U Cl

t

U cltb U

VOM DE-360TRe

Ta thường dùng để đo điện áp xoay chiều ở tần số công nghiệp Vì yêu cầu điện trở trong của

Vôn mét lớn nên dòng điện chạy qua cuộn dây

nhỏ; số lượng vòng dây quấn trên cuộn tĩnh phải lớn cỡ 1000 6000 vòng

Để mở rộng và tạo ra

vônmét nhiều thang đo

người ta mắc nối tiếp với

cuộn dây các điện trở phụ

(giống như trong Vôn mét từ

điện)

Khi đo điện áp xoay chiều ở tần số cao hơn tần số công nghiệp sẽ xuất hiện sai số do tần số Để

khắc phục sai số này, người ta mắc các tụ điện

song song với các điện trở phụ

c.Vônmét điện từ:

Nó cấu tạo phần động giống Ampemét điện động, còn số lượng vòng dây ở phần tĩnh nhiều hơn so với

phần tĩnh Ampemét vì Vônmét yêu cầu điện trở trong lớn,tiết diện dây phần tĩnh nhỏ Trong Vônmét điện

động và cuộn dây tĩnh luôn mắc nối tiếp với nhau,

tức là:

Người ta có thể chế tạo Vônmét điện động nhiều

thang đo, bằng cách thay đổi mắc song song hoặc mắc

nối tiếp hai phân đoạn cuộn dây tĩnh và nối tiếp với

các điện trở phụ.

A1, A2 là hai

phần của cuộn

Công tắc biến đổi K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn

dây tĩnh nối song song với nhau tương ứng với giai đo

nối tiếp với nhau tương ứng với giai đo 300V các tụ điện

C tạo mạch bù tần số cho Vônmét.

d.Vôn mét điện động :

3 Đo điện áp trung bình và

lớn:

a, Đo điện áp trung bình :

Điện áp trung bình là các gía trị 200mV < Utb <

600 V

Sử dụng trực tiếp các V.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo thích hợp để đo.

b, Đo điện áp lớn :

* Điện áp một chiều: sử dụng

các Vôn mét một chiều kết hợp

với điện trở phụ ngoài.

* Điện áp xoay chiều: sử dụng

các V.mét xoay chiều kết hợp với

biến điện áp

Biến điện áp là một máy biến

áp đặc biệt làm việc ở chế

độ thứ cấp hở mạch

U1 = Kuđm.U2

Thường U 2đm =

100 V

V.mét thông thương

Kuđm = U1đm./

U2đm

K uđm : Tỉ số biến điện áp

định mức

là những tải có điện trở lớn : V.mét, cuộn

điện áp của các thiết bị đo

RV

3.3 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở :

1.Sơ đồ mạch đo :

B 1 : Nguồn cung cấp

mạch đo

B 2 : Nguồn chuẩn

R 1 : Biến trở điều

chỉnh

G: Điện kế từ điện

2.Nguyên lý đo :

a, Chuẩn trước khi đo:

• Khoá S để ở vị trí (1) Điều chỉnh R 1 để G chỉ “O” B 2 = V BC =

3.Mạch đo thực tế :

3.4 Vôn mét điện tử đo điện áp DC :

Vôn mét điện tử là tập hợp của các bộ chỉnh lưu, khuyếch đại và cơ cấu chỉ thị từ điện.

Sơ đồ khối V.mét điện tử đo điện áp DC

1, V.mét điện tử dùng Transistor :

Mạch đo dùng BJT

* Sơ

_ Điện áp vào được đưa

* Nguyên lý :

Giải điều chế

Chỉ thị

Khuyếch đại có điều chế.

Mạch đo dùng JFET kênh N

1V

3V 10V 30V 100V

2, V.mét điện tử dùng JFET :

Mạch đo dùng BJT thường có điện trở đầu vào

nhỏ Để có điện trở đầu vào lớn,người ta

thường sử dụng BJT + mạch phân giới hạn đo hoặc sử dụng JFET kênh N

* Tổng trở vào của vôn mét là là tổng trở của mạch phân áp giới hạn đo RV =

R1+R2+R3+R4+R5

= 6M + 2.1M + 0.6M + 210K + 90K

= 9 M

* Như vậy tổng trở của các V.mét điện tử không đổi theo giới hạn đo

3, V.mét điện tử dùng khuyếch đại thuật toán IC(Op-Amp) :

Vôn mét loại này dùng để đo những tín hiệu đo lường có trị số

nhỏ hoặc rất nhỏ,do vậy cần phải KĐ trước khi biến đổi tín hiệu.

Mạch KĐ loại này có đặc điểm:

_ Hệ số KĐ phù hợp với độ chính xác và độ tuyến tính cao _ Hệ số KĐ phải ổn định với sự thay đổi của nhiệt độ

_ Sai số do trôi điểm 0 và điện áp Offset càng nhỏ càng tốt

* Mạch không có KĐ điện áp :

•* Mạch KĐ chuyển đổi điện áp sang

dòng điện :

V0 = Vi.{1+ (R I P+Rm)/R1}

+

-I m

4, V.mét điện tử dùng phương pháp “Chopper”:

Khi đo các giá trị điện áp DC nhỏ cần phải dùng mạch khuyếch đại ghép nhiều tầng để tăng hệ số khuyếch đại

* Nguyên lý :

_ Tín hiệu đo DC được đưa vào mạch khuếch đại

điện áp có phối hợp trở kháng trước khi đưa vào mạch Chopper.

* Mạch đo được thực hiện như

Như vậy sự trôi điểm

phân cục ở

tầng đầu sẽ được các tầng sau khuyếch đại và sẽ lẫn vào tín hiệu đo

Mạch Chopper dùng

JFET

_ Tín hiệu sau mạch Chopper là tín AC thay đổi (xung vuông) có biên độ là mức điện áp DC cần đo và có tần số là tần số của tín hiệu dao động Tín

hiệu này được đưa vào mạch khuếch đại AC để

khuếch đại lớn lên

_ Sau khi được khuyếch đại,tín hiệu này được đưa vào mạch giải điều chế để loại bỏ tín hiệu dao động

chỉ lấy điện áp DC ( có kết hợp với mạch lọc hạ thông ).

_ Tín hiệu DC được đưa vào mạch khuếch đại điện áp

DC và đưa ra chỉ thị hiển thị kết qủa phép đo.

Trong thực tế người ta thường sử dụng mạch

Chopper dùng Phương pháp quang hay JFET

Mạch dao động tạo ra tín hiệu điều khiển 2 Diot phát

mạch lọc sẽ loại bỏ tín hiệu dao động để cho ra tín hiệu

xem như tiếp điểm đóng còn khi không nhận được

ánh sáng xem như tiếp điểm hở

3.5õ Vôn mét điện tử đo điện áp AC :

1 Khái niệm :

Để đo điện áp xoay chiều, chúng ta phải chỉnh lưu các điện áp này

thành một chiều và trị số đo thường được đọc theo trị hiệu dụng.

t

U AC

U

U max

Các hệ số biến đổi :

* Hệ số hình dạng :

Kf = Trị hiệu dụng Trị chỉnh lưu trung bình

đo các trị số tín hiệu không sin sẽ có sai số.

Uclt b

=

Uma

xU

=

• Bài tập

Đối với tín hiệu hình sin - Chỉnh lưu 1/2 chu kỳ k f = 2,22

- Chỉnh lưu toàn chu kỳ k f = 1,11

Người ta có thể thực

b Phương pháp trị hiệu

- Mạch lấy trị trung bình

- Mạch lấy căn bậc hai

để có trị hiệu dụng.

Trị hiệu dụng của đại

lượng đo được xác

dùng trong thực tế là

bộ biến đổi nhiệt

để chuyển đổi trị

hiệu dụng của tín

hiệu cần đo ở dạng

và tần số bất kỳ

sang tín hiệu một

chiều.

Mạch đo trị hiệu dụng

dùng bộ chuyển đổi nhiệt

chuyển đổi Cặp nhiệt

c Phương pháp trị số

đỉnh : Mạch biến đổi trị số tín hiệu đo thành tín hiệu DC

có trị số bằng tri số đỉnh bằng mạch nhân đôi điện áp hoặc mạch kẹp.

Mạch đo điện áp AC dùng mạch

nhân đôi điện áp

- Mạch dùng JEF kênh

N làmnhiệm vụ mạch

đệm.

- Mạch nhân đôi điện

áp gồm:

C 1 , C 2 , D 1 ,D 2 .

- Biến trở R C dùng để

điều chỉnh điện áp ra

của mạch.

Mạch kẹp dương và mạch

lọc hạ thông

- Mạch kẹp dương:

Mạch đo trị số đỉnh thường dùng trong

các V.mét điện tử:

Mạch đo trị số đỉnh có

-Mạch khuyếch đại A 2 có (k=1) ngăn cách C với điện áp ngõ ra

-Khóa K có nhiệm vụ xả điện cho tụ chuẩn bị cho chu trình đo sau.

-Điện trở R 1 không cho mạch KĐ A 1 dao động khi C nạp điện.

-Khuyết điểm của mạch là đáp ứng tần số của mạch bị giới hạn do hiện tương bão hòa của mạch

KĐ A1 khi e(t) < V C .

Mạch khuyếch đại A1 là mạch KĐ đảo dấu Khi e(t) > - VC, V1<0 và D1 dẫn Sự hồi tiếp trong hai mạch khuyếch đại cho ra một điện áp E = - E m Điện áp rơi trên diot và điện áp sai lệch (do không đối xứng) của mạch KĐ A2 bị loại bỏ Khi e(t) giảm, V1 tăng làm D2 dẫn để tránh sự bão hoà của Mạch KĐ A1 Trị số đỉnh dương của e(t) được đảo dấu và nạp vào tụ C Như

vậy không có dòng rỉ nào qua diot và tổng trở vào rất lớn của A2.

Mạch đo trị số đỉnh không

có hồi tiếp

A1

A2

A1

A2

_ Đại lượng cần đo X(t) qua bộ biến đổi (BĐX)

thành xung,số xung N tỷ lệ với độ lớn X(t)

được đưa vào bộ giải mã hóa (MH), bộ gỉai

mã (GM) và đến chỉ thị số Các khâu mã

hóa,giải mã và đèn hiện số tạo thành bộ

chỉ thị số

_ Mã số : Mã số là nhũng ký hiệu về tập hợp số,từ tổ hợp của ký hiệu ta có thể đọc bất kỳ con số nào.

+ Mã cơ số 10 : mã thập phân có 10 ký tự ( 10 số )

+ Mã cơ số 2 : là mã có hai trạng thái 0,1

+ Mã 2 – 10 : Mã BCD là sự liên hệ giữa mã cơ số 2 và 10

_ Mạch đếm : dùng để đếm các trạng thái Để

tiện quan sát và dễ đọc người ta thường dùng

thang đếm 10.

_ Chỉ thị số : là sự thể hiện các trạng thái bằng các con số Thường dùng là LED 7 đoạn.

_ Bộ giải mã : là bộ biến đổi từ mã cơ số 2

hoặc 2-10 thành cơ số 10 Các bộ giải mã

thường chế tạo dưới dạng vi mạch (IC)

a Vôn mét số chuyển đổi thời gian :

Tr

Star t

Xung-Stop

U X

Khi mở máy, xung khởi động tác động lên Trigiơ để mở

khoá K đồng thời khởi động FXRC làm việc Tại thời điểm t 1

khoá K mở MFX đưa các xung có tần số f 0 qua khoá K đến

bộ đếm và chỉ thị số Đồng thời MFRC cũng đưa điện áp U K

đến bộ SS để so sánh với U X cần đo.

Đến thời điển t 2 khi U X = U K , thiết bị SS phát xung tác động

lên Trigiơ đóng khóa K.

với thời gian từ t 1 đến t 2 bộ đếm đếm được N xung

Vì f 0 ,t m ,U m là cosnt nên N tỷ lệ với U x cần đo Chỉ thị sẽ

chỉ thị điện áp cần đo

b Vôn mét số chuyển đổi tần số : U K

bộ đếm và chỉ thị số.

* Sơ đồ khối:

•3.7 Am pe kế điện tử đo

dòng điện :1.A.mét điện tử đo

DC thành điện áp DC bằng cách cho dòng điện

Iđo qua các điện trở Rs theo

sơ đồ Nguyên lý các A.mét điện tử đo dòng điện AC là biến đổi dòng điện IACthành điện áp VAC bằng cách cho dòng điện Iđo qua các điện trở Rs theo sơ

đồ Sau đó chỉnh lưu điện áp VAC thành VDC và đo

điện áp DC này để suy ra dòng điện IAC cần đo.

1 Đo điện áp bằng Dao động ký điện tử :

- Điện áp Ux cần đo được đưa vào trục Y

- Điều chỉnh các nút điều

khiển của DĐK để trên OSC xuất hiện dạng tín hiệu

Tính chiều cao điện áp cần đo :

h = SY -S.nY : hằng số đọc trên nút điều

h = U p-p

Dao động ký

3.8 Đo dòng điện và điện áp nhỏ

2 Đo điện áp bằng phương pháp

cân bằng bù :

_ UK: Là điện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở RK khá chính xác.

_ CT: là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp U = Ux – UK gọi là cơ quan chỉ không

Có các loại bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tạo

điện áp mẫu UK.

_ Khi đo người ta so sánh Ux và UK

_ Đọc kết quả trên điện trở mẫu RK đã được khắc độ theo điện áp cần đo

3 Đo điện áp một chiều phương pháp điện trở lớn( Điện thế kế ) Gồm hai bộ phận : _ Bộ phận tạo dòng công

tác Ip: gồm nguồn công tác

Uo, điện trở điều chỉnh Rđc, ampemét A để đo dòng công tác Ip và điện trở mẫu Rk.

_ Bộ phận đo là mạch đo gồm điện áp cần đo Ux,điện kế G chỉ sự cân bằng giữa Uxvà Uk,một phần điện trở

_ Đọc kết quả đo trên điện kế mẫu Rk Khi đó Ux = Uk = Ip*Rk

_ Trong điện thế kế sử dụng Ampemét để xác định Ip nên điện thế kế không thể chính xác hơn cấp chính xác của ampemét.

_ Để điện thế kế đo được chính xác hơn (loại A.mét ra khỏi mạch đo)

người ta dùng pin mẫu để xác định dòng công tác.

Nó giống như các điện thế kế một chiều điện trở lớn khác nhưng ở đây việc cân bằng giữa điện áp cần đo và điện áp mẫu được thực hiện một cách tự động.

Ex – UK = U

* Điện kế một chiều tự động cân bằng :

_ Mạch chính của điện kế là mạch cầu được cung cấp bởi

mẫu, chính xác cao và các

được nối với thang đo và bút ghi để ghi lại giá trị điện áp cần đo.

công tác chạy trong mạch

được lấy từ đường chéo AB của cầu:Uk = I1(R1 + Rp1) – I2R2

điện động cần đo Ex; ta có:

Sơ đồ điện kế tự động cân bằng