(NB) Giáo trình Đo lường điện nhằm cung cấp cho học sinh, sinh viên những kiến thức, kỹ năng cơ bản về phương pháp và kỹ thuật đo lường các đại lượng điện. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của giáo trình.
Trang 11
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐO LƯỜNG ĐIỆN
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ
Ban hành kèm theo Quyết định số: 01 /QĐ-CĐN ngày 04 tháng 01 năm 2016
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR - VT
Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2016
Trang 2Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm
Trang 33
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình “đo lường điện” nhằm cung cấp cho học sinh, sinh viên những kiến thức, kỹ năng cơ bản về phương pháp và kỹ thuật đo lường các đại lượng điện Giáo trình này gồm 11 bài
Yêu cầu đối với học sinh sau khi học xong module này học sinh phải, biết sử dụng, lắp đặt thành thạo các dụng cụ, thiết bị đo các đại lượng điện cơ bản
Giáo trình này là tài liệu tham khảo cho học sinh, sinh viên chuyên nghành Điện công nghiệp, điện dân dụng, lắp đặt điện, kỹ thuật đo lường
Trong quá trình biên soạn chắc chắn chúng tôi còn có nhiều thiếu sót, mong quý độc giả góp ý để chúng tôi hoàn thiện tốt hơn cho lần chỉnh sữa sau Mọi góp ý xin gửi về Email: congnt@brtvc.edu.vn hoặc tuoint@brtvc.edu.vn
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Trang 41
MỤC LỤC
TRANG
BÀI 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 7
1 Khái niệm về đo lường điện 7
1.1 Khái niệm về đo lường 7
1.2 Khái niệm về đo lường điện 8
1.3 Các phương pháp đo 8
1.3.1 Phương pháp biến đổi thẳng 8
1.3.2 Phương pháp đo kiểu so sánh 9
2 Các sai số và phương pháp hạn chế sai số 11
2.1 Khái niệm về sai số 11
2.2 Các loại sai số 12
2.2.1 Sai số hệ thống (systematic error): 12
2.2.2 Sai số ngẫu nhiên 12
2.2.3 Sai số dối (nhầm lẫn) 13
2.3 Các phương pháp hạn chế sai số 14
BÀI 02: LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN ÁP 16
1 Nguyên lý đo điện áp 16
1.1 Hình ảnh vôn kế 16
1.2 Nguyên lý đo điện áp 17
2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Vôn mét 17
2.1 Cơ cấu đo từ điện 17
2.1.1 Cấu tạo 17
2.1.2 Nguyên lý hoạt động 18
2.2 Cơ cấu đo điện từ 18
2.2.1 Cấu tạo 18
2.2.2 Nguyên lý hoạt động 19
2.3 Cơ cấu đo điện động 20
2.3.1 Cấu tạo 20
2.3.2 Nguyên lý hoạt động 20
Trang 52
3 Mở rộng thang đo Vôn mét 21
3.1 Vôn mét từ điện 21
3.2 Vôn mét điện từ 23
3.3 Vôn mét điện động 24
4 Đo điện áp xoay chiều (AC) 25
4.1 Vị trí lắp đặt Vôn kế 25
4.2 Các bước lắp đặt vôn kế đo điện áp nguồn một pha 25
4.3 Bài tập thực hành 28
5 Đo điện áp một chiều ( DC ) 28
BÀI 03: LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO DÒNG ĐIỆN 30
1 Nguyên lý đo dòng điện 30
1.1 Hình ảnh ampe mét 30
1.2 Nguyên lý đo dòng điện 31
2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ampe mét 31
2.1 Các yêu cầu cơ bản đối với Ampe mét 31
2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ampe mét 32
2 2.1 Cơ cấu đo từ điện 32
2 2.2 Cơ cấu đo điện từ 33
2 2.3 Cơ cấu đo điện động 34
3 Mở rộng thang đo ampe mét 36
3.1 Ampe mét từ điện 36
3.2 Ampe mét điện từ 38
3.3 Ampe mét điện động 39
4 Đo dòng điện xoay chiều (AC) 40
4.1 Vị trí lắp đặt Ampe kế 40
4.2 Các bước lắp đặt vôn kế đo dòng điện 40
5 Đo dòng điện một chiều (DC) 43
BÀI 04: LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO TẦN SỐ 45
1 Khái quát chung 45
2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tần số kế 47
Trang 63
2.1 Tần số kế cộng hưởng điện từ 47
2.2 Tần số kế cộng hưởng điện 48
2.3 Tần số kế điện tử 48
2.4 Cầu đo tần số 49
2.5.Tần số kế chỉ thị số 49
2.5 Máy hiện thị sóng oscillocope 50
3 Lắp đặt đồng hồ đo tần số kế 51
3.1 Vị trí lắp đặt tần số kế 51
3.2 Các bước lắp đặt tần số kế 51
BÀI 05: LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO CÔNG SUẤT 53
1 Khái quát chung 53
2 Cấu tạo của oát kế 54
3 Nguyên lý làm việc 54
4 Đo công suất 1 pha 54
4.1 Vị trí lắp đặt oát kế 54
4.2 Các bước lắp đặt oát kế 54
5 Đo công suất 3 pha 55
5.1 Nguyên lý chung: 55
5.2.Đo công suất ba pha bằng một watmet: 56
5.3.Đo công suất bằng hai watmet: 57
5.4 Đo công suất bằng ba watmet: 58
5.5 Các bước lắp đặt 60
6 Đo công suất một chiều: 60
6.1 Dùng vôn kế + Ampe kế một chiều 60
6.2 Dùng oát kế một chiều 60
6.3 Các bước lắp đặt 61
BÀI 06: LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ 62
1 Khái quát chung 62
2 Đo điện năng 1 pha 62
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ cấu chỉ thị cảm ứng 62
Trang 74
2.1.2 Cấu tạo công tơ điện 1 pha: 63
2.1.3 Hiệu chỉnh công tơ điện 64
2.2 Sơ đồ nguyên lý 65
2.3 Sơ đồ lắp đặt 66
2.4 Đọc các thông số trên mặt công tơ 67
2.5 Lắp đặt công tơ điện 1 pha 67
2.6 Chọn công tơ 1 pha 68
3 Đo điện năng 3 pha 69
3.1 Cấu tạo của công tơ điện 3 pha 69
3.2 Sơ đồ nguyên lý 70
3.3 Sơ đồ lắp đặt 71
3.4 Đọc các thông số trên mặt công tơ 74
3.5 Lắp đặt công tơ 3 pha trực tiếp 75
3.6 Lắp đặt công tơ 3 pha gián tiếp 75
3.7 Chọn công tơ 3 pha 76
BÀI 07: ĐO ĐIỆN TRỞ 78
1 Phân loại điện trở 78
2 Đo điện trở bằng ôm kế 78
3 Đo điện trở bằng cầu điện trở 81
3.1 Cầu đơn 81
3.2 Cầu kép 83
4 Đo điện trở nối đất 84
4.1 Công dụng 84
4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 84
4.3 Đo điện trở bằng Mê ga ôm 85
5 Đo điện trở nối đất 87
5.1 Sơ đồ kiểm tra điện trở tiếp đất 88
5.2 Các bước đo điện trở đất 88
5.3 Cách bố trí điện cực nối đất giả 89
BÀI 08: SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG 92
Trang 85
1 Các bộ phận chính của VOM 92
2 Cách sử dụng thang đo 93
3 Cách đọc thang đọc trên mặt đồng hồ 94
4 Đo điện áp 95
4.1 Đo điện áp xoay chiều (ACV) 95
4.2 Đo điện áp một chiều (DCV) 98
5 Đo điện trở 100
6 Kiểm tra diode 101
7 Kiểm tra tụ điện 102
8 Đo dòng điện một chiều (AC.mA) 102
BÀI 09: SỬ DỤNG AMPE KÌM 104
1 Các bộ phận chính của Ampe kìm 104
2 Cách sử dụng thang đo 106
3 Cách đọc thang đọc trên mặt đồng hồ 107
4 Đo dòng điện 108
5 Đo điện áp 109
6 Đo điện trở 110
BÀI 10: LẮP ĐẶT MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP 111
1 Cấu tạo máy biến điện áp 112
2 Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp 113
3 Lựa chọn máy biến điện áp 114
4 Lắp đặt máy biến điện áp 114
BÀI 11: LẮP ĐẶT MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN 116
1 Cấu tạo máy biến dòng điện 116
2 Nguyên lý làm việc của máy biến dòng điện 117
3 Lựa chọn máy biến dòng điện 118
4 Lắp đặt máy biến dòng điện 118
CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG DO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 120
CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121
Trang 96
MÔ ĐUN: ĐO LƯỜNG ĐIỆN
Mã mô đun: MĐ13
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí: Mô đun này học sau các môn học An toàn lao động; Mạch điện
- Tính chất: Là mô đun kĩ thuật chuyên môn, thuộc mô đun đào tạo nghề bắt buộc
Mục tiêu của môn học:
- Đo được các thông số và các đại lượng cơ bản của mạch điện
- Sử dụng được các loại máy đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/ hệ thống điện
- Gia công kết quả đo nhanh chóng, chính xác
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị
- Phát huy tính chủ động, sáng tạo và tập trung trong công việc
Nội dung của module:
Trang 107
BÀI 01 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
Giới thiệu:
Bài 01 trình bày khái niệm đo lường, các phương pháp đo và các dạng sai số, cách hạn chế sai số trong đo lường
Mục tiêu:
- Giải thích các khái niệm về đo lường, đo lường điện
- Nắm được các loại sai số của phép đo, vận dụng phù hợp các phương pháp hạn chế sai số
- Đo các đại lượng điện bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp
- Rèn luyện tính chính xác , chủ động, nghiêm túc trong công việc
Nội dung:
1 Khái niệm về đo lường điện
1.1 Khái niệm về đo lường
Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các quá trình công nghệ… đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng
để có các quyết định phù hợp Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho các thông số đó
Đo lường là một quá trình đánh giá, định lượng về 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):
Từ (1.1) có phương trình cơ bản của phép đo:
X = Ax Xo
Trang 118
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
1.2 Khái niệm về đo lường điện
Đo lường điện là một quá trình đánh giá định lượng về các đại lượng điện
(điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung, điện cảm, tần số, công suất, điện năng,
hệ số công suất… ) để có kết quả bằng số so với đơn vị đo
1.3 Các phương pháp đo
Định nghĩa:
Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị
Phân loại:
Trong thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo:
o Phương pháp đo biến đổi thẳng
Trang 129
X
Nx X
Hình 1.1: Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng
Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XOsau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi tương tự-số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm
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
+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật
lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh
+ 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
Trang 1310
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)
- Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng
đoX 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:
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 (1.3) 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
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 đồng thời:
o Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết
bị đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu
XK, khi hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = XK
Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo, sau đó thay X bằng đại lượng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng
Trang 141 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm
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
2 Các sai số và phương pháp hạn chế sai số
2.1 Khái niệm về sai số
Trong kỹ thuật đo lương người ta luôn tìm cách chế tạo ra những dụng cụ
đo ngày càng chính xác hơn, hoàn hảo hơn, nhưng vẫn không tránh khỏi sai số Nguyên nhân gây nên sai số thường do:
- Dụng cụ đo
- Phương pháp đo được chọn
Trang 152.2 Các loại sai số
Sai số phép đo người ta thường chia thành các loại sau:
2.2.1 Sai số hệ thống (systematic error):
Là những sai số phụ thuộc một cách có quy luật vào người đo, dụng cụ đo
và hoàn cảnh đo Khi lặp lại những lần đo thì trị số gần giống nhau Sai số hệ thống được chia thành các loại sau
Sai số cơ bản của dụng cụ đo: là sai số vốn có của dụng cụ đo quyết định bởi quá trình chế tạo, sai số này được quy về cấp độ chính xác của dụng cụ đo ở điều kiện tiêu chuẩn
Ví dụ: sai số hệ thống không đổi có thể là: sai số do khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch…),
Sai số phụ của dụng cụ đo: gây nên do điều kiện làm việc khác điều kiện tiêu chuẩn của dụng cụ đo
Ví dụ: Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự dao động của nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), do ảnh hưởng của trường điện từ, do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác …
Sai số do thói quen: do người đo có thói quen nhìn nghiên, nhìn lệch khi đọc kết quả đo hoặc đặt thiết bị đo không thích hợp
Sai số lý luận: do dùng công thức không thích hợp khi tính toán
2.2.2 Sai số ngẫu nhiên
Là sai số không tuân theo một quy luật vật lý nào mà nó tuân theo quy luật xác suất Nguyên nhân là do sự thay đổi bất thường của các điều kiện trong quá trình đo như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, từ trường… thay đổi đột ngột Để bớt sai
số này ta phải đo nhiều lần rồi lấy giá trị trung bình
Trang 16Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khi đánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo
Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo Việc xác định sai số của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học
- Sai số tương đối (γX ): là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng
Định nghĩa: cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng
cụ đo mắc phải Cấp chính xác của dụng cụ đo được qui định đúng bằng sai số tương đối qui đổi của dụng cụ đó và được Nhà nước qui định cụ thể:
x th
m
X X
D
Trang 1714
với: ∆Xm- sai số tuyệt đối cực đại, Xm- giá trị lớn nhất của thang đo
Sau khi xuất xưởng chế tạo thiết bị đo lường sẽ được kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hóa và xác định cấp chính xác Từ cấp chính xác của thiết bị đo lường sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo
Thường cấp chính xác của dụng cụ đo được ghi ngay trên dụng cụ hoặc ghi trong sổ tay kĩ thuật của dụng cụ đo
Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ điện có cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.0; 1,5; 2.0; 2,5; và 4.0
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1
2.3 Các phương pháp hạn chế sai số
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…
- 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:
+ 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
+ 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 1815
Câu hỏi bài tập:
1.1 Khái niệm đo lường và đo lường điện?
1.2 Các phương pháp đo lường thường được sử dụng?
1.3 Các dạng sai số và phương pháp hạn chế sai số?
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:
- Sinh viên phải nắm được khái niệm đo lường và đo lường điện
- Sinh viên phải hiểu được các phương pháp đo và các dạng sai số, cách hạn
chế sai số
Trang 1916
BÀI 02 LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN ÁP
Giới thiệu:
Vôn mét là thiết bị dùng để đo điện áp, được lắp đặt cố định trên mặt tủ điện hoặc tại một vị trí cố định nào đó cần theo dõi điện áp Bài này trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của vôn mét và phương pháp lựa chọn và lắp đặt vôn mét đo điện áp
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của vôn mét
- Lựa chọn, lắp đặt được đồng hồ đo điện áp đúng yêu cầu kỹ thuật
- Đọc đúng giá trị điện áp đo được
- Sử dụng và bảo quản đồng hồ đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật
- Rèn luyện tính chính xác , chủ động, nghiêm túc trong công việc
Nội dung:
1 Nguyên lý đo điện áp
Để đo điện áp người ta thường dùng các vônmet từ điện, điện từ, điện động,
từ điện chỉnh lưu…mắc song song với mạch cần đo
1.1 Hình ảnh vôn kế
+ Vôn kế analog
Hình 2 1: Hình ảnh Vôn kế analog a) Vôn kế từ điện b) Vôn kế điện từ c) Vôn kế điện động
c)
b) a)
Trang 2017
+ Vôn kế digital
Hình 2 2: Hình ảnh vôn kế Digital 1.2 Nguyên lý đo điện áp
Để đo điện áp ta dùng vôn kế mắc song song với phần tử cần đo điện áp như
Hình 2 3: Nguyên lý đo điện áp
2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Vôn mét
Vôn mét được cấu tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, điện từ, điện động, từ điện chỉnh lưu…
2.1 Cơ cấu đo từ điện
2.1.1 Cấu tạo
Hình 2 4: Cơ cấu đo từ điện
C
Trang 2118
Cơ cấu từ điện gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1 tạo ra từ trường cố định, thang đọc 8
để đọc giá trị đo được và trụ 9 dùng để làm giá đỡ cho trục quay
- Phần động: gồm: khung dây quay 4 được quấn lên lõi thép 2 Khung dây
được gắn vào trục quay 3 (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 5 mắc ngược chiều nhau dùng tạo ra momen cản và để đưa dòng điện vào khung dây, đối trọng 7 dùng để thăng bằng kim chỉ 6
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:
we : là năng lượng điện từ tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở không khi
và dòng điện trong khung dây
We = Ø.I = BSWIα B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cữu
S: tiết diện của khung dây
W: số vòng dây của khung dây
α: góc lệch của khung dây khỏi vị trí ban đầu
từ trên ta có:
Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:
(PTĐTCC đo từ điện) Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây
2.2 Cơ cấu đo điện từ
2.2.1 Cấu tạo
w
S
e q
Trang 2219
gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
- Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc) và
thang đọc 8
- Phần động: là lõi thép 2 đƣợc gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do
trong khe làm việc của cuộn dây Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không
khí 4, kim chỉ 6, đối trọng 7 Ngoài ra còn có lò xo cản 3
Hình 2 5: Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện
hút lõi thép 2 (phần động) vào khe hở không khí vớimômen quay:
L: điện cảm của cuộn dây
I: dòng điện chảy trong cuộn dây
2
q
I L d
dL
d dL I
Trang 2320
2.3 Cơ cấu đo điện động
2.3.1 Cấu tạo
Gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
Hình 2 6: Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động
- Phần tĩnh: gồm: cuộn dây 1 (được chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra
từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh
- Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2
được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị
Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường ngoài
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây Từ trường này tác động lên dòng điện I2 chạy trong khung dây 2 (phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α Mômen quay được tính:
với: We là năng điện từ trường
Có hai trường hợp xảy ra:
- I1, I2 là dòng điện một chiều:
Trong đó: L1, L2 : là điện cảm của cuộn dây phần tỉnh và phần động
M12: là hỗ cảm giữa hai cuộn dây tĩnh và động
we
q
d M
Trang 2421
I1, I2 : là dòng điện 1 chiều chạy trong hai cuộn dây tĩnh và động
Do L1, L2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc α bằng 0 và ta có
Khi ở vị trí cân bằng: Mq = Mc
ptđt cơ cấu
- I1 và I2 là dòng điện xoay chiều:
Với ψ là góc lệch pha giữa hai dòng điện
ở điều kiện cân bằng: Mq = Mc
ptđt cơ cấu
3 Mở rộng thang đo Vôn mét
3.1 Vôn mét từ điện
Vônmét từ điện ứng dụng cơ cấu chỉ thị từ điện để đo điện áp, gồm có:
- Vônmét từ điện đo điện áp một chiều
- Vônmét từ điện do điện áp xoay chiều
Vôn mét từ điện đo điện áp một chiều:
Cơ cấu từ điện chế tạo sẵn, có điện áp định mức khoảng 50 ÷ 75mV Muốn tạo ra các vônmét đo điện áp lớn hơn phạm vi này cần phải mắc nối tiếp với cơ cấu từ điện những điện trở phụ RP (thường làm bằng vật liệu manganin) như hình 2.7:
os
dM
d dM
Trang 2522
Hình 2.7: Mở rộng thang đo vônmét từ điện:
a) Một cấp điện trở phụ: mở rộng thêm 1 thang đo
b) Ba cấp điện trở phụ: mở rộng thêm 3 thang đo
Giá trị điện trở phụ phù hợp với điện áp UX cần đo được xác định như sau:
RP = Rcc. (m - 1) Với : m = UX/UCC: gọi là hệ số mở rộng thang đo điện áp
UCC: gọi là điện áp định mức của cơ cấu
Bằng phương pháp này có thể tạo ra các vônmét từ điện nhiều thang đo khi mắc nối tiếp vào cơ cấu từ điện các điện trở phụ khác nhau Ví dụ sơ đồ vônmét
từ điện có 3 thang đo như hình 2.7b
Bài tập: Tính giá trị điện trở phụ phù hợp với các điện áp cần đo là UX1 = 110V, UX2 = 220V, UX3 = 380V Biết rằng vôn mét có cơ cấu đo từ điện và có
Giá trị điện trở phụ RP2 phù hợp với điện áp cần đo UX2 = 220V là
(Tương tự trên học sinh tự làm)
Các vônmét từ điện đo trực tiếp tín hiệu một chiều có sai số do nhiệt độ không đáng kể vì hệ số nhiệt độ của mạch vônmét được xác định không chỉ là hệ số nhiệt độ dây đồng của cơ cấu từ điện mà còn tính cả hệ số nhiệt độ của điện trở phụ trong khi điện trở phụ có điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ do được chế tạo bằng manganin
Trang 2623
Vônmét từ điện do điện áp xoay chiều: đo điện áp xoay chiều bằng cách phối
hợp mạch chỉnh lưu với cơ cấu từ điện để tạo ra các vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều
Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý của vônmét từ điện đo AC.V:
Sơ đồ milivônmét chỉnh lưu: như hình 2.8a, trong đó RP vừa để mở rộng giới hạn đo vừa để bù nhiệt độ nên R1 bằng đồng; R2 bằng Manganin còn tụ điện C
để bù sai số do tần số
Sơ đồ vônmét chỉnh lưu: như hình 2.8b, trong đó điện cảm L dùng để bù sai
số do tần số; điện trở R1 bằng đồng; điện trở R2 bằng manganin tạo mạch bù nhiệt độ
3.2 Vôn mét điện từ
Vônmét điện từ ứng dụng cơ cấu chỉ thị điện từ để đo điện áp Trong thực tế vônmét điện từ thường được dùng để đo điện áp xoay chiều ở tần số công nghiệp
Vì yêu cầu điện trở trong của vônmét lớn nên dòng điện chạy trong cuộn dây nhỏ, số lượng vòng dây quấn trên cuộn tĩnh rất lớn, cỡ 1000 đến 6000 vòng
Để mở rộng và tạo ra vônmét nhiều thang đo thường mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ giống như trong vônmét từ điện Khi đo điện áp xoay chiều
ở miền 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 (H.2.9)
Trang 27Trong vônmét điện động, cuộn dây động và cuộn dây tĩnh luôn mắc nối tiếp nhau, tức là:
Có thể chế tạo vônmét điện động nhiều thang đo bằng cách thay đổi cách mắc song song hoặc nối tiếp hai đoạn cuộn dây tĩnh và nối tiếp các điện trở phụ
Ví dụ sơ đồ vônmét điện động có hai thang đo nhƣ hình 3.16:
Hình 2 10: Mở rộng thang đo của vônmét điện động
Bộ đổi nối K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn đo:
- Khóa K ở vị trí 1: hai phân đoạn A1, A2 của cuộn dây tĩnh mắc song song
Trang 2825
nhau tương ứng với giới hạn đo 150V
- Khóa K ở vị trí 2: hai phân đoạn A1, A2 của cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp nhau tương ứng với giới hạn đo 300V
Các tụ điện C tạo mạch bù tần số cho vônmét
4 Đo điện áp xoay chiều (AC)
+ Xoay chiều hoặc một chiều
+ Loại kim (analog) hoặc loại số (digital)
Hình 2 12: Các loại vôn kế
- Thang đo, kiểu lắp đặt
Bước 2: Cố định vôn kế
Trang 2926
- Chọn vị trí lắp đặt: trên tủ điện Vôn kế thường lắp đặt ở phía dưới đèn báo nguồn và trên các nút điều khiển
Hình 2 13: Vị trí vôn kế trên tủ điện
- Lấy dấu: + Sử dụng miếng giấy bọc kèm theo ép vào vị trí lắp vôn kế
+ Lấy bút đánh dấu vị trí cần khoan, khoét lỗ
Hình 2 14: Cách lấy dấu lắp vôn kế
Yêu cầu: Vôn kế phải lắp thẳng đứng
- Khoan, khoét lỗ theo vị trí lấy dấu: sử dụng khoan cầm tay để khoan, khoét lỗ + Khoan 4 lỗ nhỏ ở 4 góc bằng mũi khoan 4
+ Khoét lỗ ở giữa bằng mũi khoét 63
(Để khoét đúng vị trí lấy dấu trước khi khoét ta kẻ 2 đường kính chéo để lấy tâm, sau đó sử dụng mũi khoan nhỏ khoan lỗ ở tâm rồi mới sử dụng mũi khoét
để khoét)
Trang 3027
Hình 2 15: Sau khi khoan, khoét vị trí lắp đặt vôn kế
- Cố định vôn kế: chắc chắn bằng các ốc, vòng đệm kèm theo và đúng chiều
Hình 2 16: Cách cố định Vôn kế Bước 3: Đấu nối: Vôn kế đấu song song với phần tử cần đo điện áp, đảm bảo
chắc chắn, thẩm mỹ
Bước 4: Kiểm tra, cấp nguồn đọc kết quả
- Kiểm tra:
+ Kiểm tra bằng mắt: Dùng mắt quan sát
+ Kiểm tra ngắn mạch: Dùng VOM để thang Ω đo 2 đầu cấp nguồn kìm đồng hồ phải chỉ một giá trị điện trở bằng điện trở của tải
Hình 2.17: Nguyên lý đo điện áp AC
Rt
t
t
Trang 3128
Nếu kim về 0 thì bị ngắn mạch Nếu kim không lên thì bị hở mạch
- Cấp nguồn đọc kết quả đo: Giá trị đo = giá trị đọc
4.3 Bài tập thực hành:
5 Đo điện áp một chiều ( DC )
Để đo điện áp một chiều ta dùng Vônmet một chiều mắc song song với mạch cần đo
Các bước lắp đặt vôn kế một chiều tương tự vôn kế xoay chiều
Chú ý: Cực dương của Vônmet mắc với cực dương nguồn, cực âm của Vônmet mắc với cực âm nguồn
Trang 3229
Câu hỏi bài tập:
2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của vôn mét?
2.2 Nguyên lý đo điện áp và cách mở rỗng thang đo vôn mét?
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:
- Sinh viên phải nắm đƣợc các bộ phận cơ bản của vôn mét và nguyên lý làm
việc của vôn mét
- Sinh viên phải nắm đƣợc nguyên lý đo điện áp và cách mở rộng thang đo của
Trang 3330
BÀI 03 LẮP ĐẶT ĐỒNG HỒ ĐO DÒNG ĐIỆN
Giới thiệu:
Ampe mét là thiết bị dùng để đo dòng điện, được lắp đặt cố định trên mặt tủ điện hoặc tại một vị trí cố định nào đó cần theo dõi dòng điện Bài này trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ampe mét và phương pháp lựa chọn và lắp đặt ampe met đo dòng điện
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của Ampe mét
- Lựa chọn, lắp đặt được đồng hồ đo dòng điện đúng yêu cầu kỹ thuật
- Đọc đúng giá trị dòng điện đo được
- Sử dụng và bảo quản đồng hồ đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật
- Rèn luyện tính chính xác , chủ động, nghiêm túc trong công việc
Nội dung:
1 Nguyên lý đo dòng điện
Để đo dòng điện người ta thường dùng các ampemet từ điện, điện tư, điện động, từ điện chỉnh lưu…mắc nối tiếp với mạch cần đo như hình vẽ
Trang 3431
a) Ampe mét từ điện b) Ampe mét điện từ c) Ampe mét điện động
+ Ampe kế digital
Hình 3 18: Hình ảnh Ampe mét Digital 1.2 Nguyên lý đo dòng điện
Để đo dòng điện ta dùng Ampe kế mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng điện
như hình vẽ
A
U
R t
Hình 3 19: Nguyên lý đo dòng điện
2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ampe mét
Ampe mét được cấu tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, điện từ, điện động, từ điện chỉnh lưu…
2.1 Các yêu cầu cơ bản đối với Ampe mét
Công suất tiêu thụ: khi đo dòng điện ampemét được mắc nối tiếp với các
mạch cần đo Như vậy ampemét sẽ tiêu thụ một phần năng lượng của mạch đo
từ đó gây sai số phương pháp đo dòng Phần năng lượng này còn được gọi là công suất tiêu thụ của ampemét PA được tính:
P A = I A
2 R A
Trang 3532
với: I A là dòng điện qua ampemét (có thể xem là dòng điện cần đo)
R A là điện trở trong của ampemét
Trong phép đo dòng điện yêu cầu công suất tiêu thụ P A càng nhỏ càng tốt, tức là
yêu cầu RA càng nhỏ càng tốt
- Dải tần hoạt động: khi đo dòng điện xoay chiều, tổng trở của ampemét còn
chịu ảnh hưởng của tần số:
Z = R + X với: X A ≈ ωL A là thành phần trở kháng của cuộn dây ampemét
Để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo, dụng cụ đo xoay chiều phải được thiết kế chỉ để đo ở các miền tần số sử dụng nhất định (dải tần nhất định) Nếu dùng dụng cụ đo dòng ở miền tần số khác miền tần số thiết kế sẽ gây ra sai số do tần số
2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ampe mét
2 2.1 Cơ cấu đo từ điện
Cấu tạo
Cơ cấu từ điện gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1 tạo ra từ trường cố định, thang đọc 8
để đọc giá trị đo được và trụ 9 dùng để làm giá đỡ cho trục quay
- Phần động: gồm: khung dây quay 4 được quấn lên lõi thép 2 Khung dây
được gắn vào trục quay 3 (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 5 mắc ngược chiều nhau dùng tạo ra momen cản và để đưa dòng điện vào khung dây, đối trọng 7 dùng để thăng bằng kim chỉ 6
Hình 3 20: Cơ cấu đo từ
điện
C
Trang 3633
Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:
we : là năng lượng điện từ tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở không khi
và dòng điện trong khung dây
B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cữu
S: tiết diện của khung dây
W: số vòng dây của khung dây
α: góc lệch của khung dây khỏi vị trí ban đầu
từ trên ta có:
Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:
(PTĐTCC đo từ điện) Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây
2 2.2 Cơ cấu đo điện từ
Cấu tạo
gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
- Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc) và
thang đọc 8
- Phần động: là lõi thép 2 được gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do
trong khe làm việc của cuộn dây Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không khí 4, kim chỉ 6, đối trọng 7 Ngoài ra còn có lò xo cản 3
w
S
e q
Trang 3734
Hình 3 21: Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ
Nguyên lý hoạt động
Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện
hút lõi thép 2 (phần động) vào khe hở không khí vớimômen quay:
L: điện cảm của cuộn dây
I: dòng điện chảy trong cuộn dây
Do đó:
Khi ở vị trí cân bằng : Mc = Mq
Là phương trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ
2 2.3 Cơ cấu đo điện động
2
q
I L d
dL
d dL I
Trang 3835
Hình 3 22: Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động
- Phần tĩnh: gồm: cuộn dây 1 (được chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra
từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh
- Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2
được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị
Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường ngoài
Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây Từ trường này tác động lên dòng điện I2 chạy trong khung dây 2 (phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α Mômen quay được tính:
với: We là năng điện từ trường
Có hai trường hợp xảy ra:
- I1, I2 là dòng điện một chiều:
Trong đó: L1, L2 : là điện cảm của cuộn dây phần tỉnh và phần động
M12: là hỗ cảm giữa hai cuộn dây tĩnh và động
I1, I2 : là dòng điện 1 chiều chạy trong hai cuộn dây tĩnh và động
Do L1, L2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc α bằng 0 và ta có
we
q
d M
Trang 3936
Khi ở vị trí cân bằng: Mq = Mc
ptđt cơ cấu
- I1 và I2 là dòng điện xoay chiều:
Với ψ là góc lệch pha giữa hai dòng điện
ở điều kiện cân bằng: Mq = Mc
+ Điện trở cơ cấu: khoảng từ 20Ω ÷ 2000Ω
Vì vậy muốn sử dụng cơ cấu này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị, phải dùng thêm một điện trở sun phân nhánh nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện (hình 3.7.):
os
dM
d dM
Trang 40Hình 3.7 Mở rộng thang đo ampe mét từ điện
Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện chỉ có một thang đo:
Dựa trên các thông số của cơ cấu chỉ thị từ điện và dòng điện cần đo, có thể
tính giá trị điện trở sun phù hợp cho từng dòng điện cần đo là:
Ict : dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu đƣợc
Đối với các ampemét đo dòng điện nhỏ hơn 30A thì sun đặt trong vỏ của ampemét Còn các ampemét dùng đo dòng điện lớn hơn hoặc bằng 30A thì sun đặt ngoài vỏ (coi nhƣ một phụ kiện kèm theo ampemét; phần này sẽ nghiên cứu trong mục đo dòng điện lớn)
Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có nhiều thang đo:
Trên cơ sở mắc sun song song với cơ cấu chỉ thị có thể chế tạo ampemét từ điện có nhiều thang đo
r R