TÀI LIỆU KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

TÀI LIỆU KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Bài 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG. CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG THÔNG DỤNG 1.1 Lý luận chung về đo lường 1.1.1 Định nghĩa Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường. Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường. Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau: 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. Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép so với đơn vị. Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: Biến đổi tín hiệu và tin tức So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị Vậy quá trình đo có thể viết dới dạng: Ax = XXo Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là Đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là Kỹ thuật đo lường Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo 1.1.2 Phân loại phép đo Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau. Ta có thể phân ra như sau: a. Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 2 Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét. Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp. Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở. Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo. c. Đo hợp bộ: Cách đo mà kết quả đo sẽ được đưa ra cùng một lúc với nhau khi giải hệ phương trình. d. Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau đó lấy trung bình. Thực hiện khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo 1. 2 Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường Trong kỹ thuật đo lường chứa đựng các đặc trưng sau đây: đại lượng đo, điều kiện đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo. Các đặc trưng này là những yếu tố cần thiết không thê thiếu được của kỹ thuật đo lường. 1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo.  Theo tính chất thay đổi của đại lượng có thể chia ra: Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số chưa biết, ví dụ : cần đo độ lớn( biên độ) Đại lượng đo thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số thường là biên độ, góc pha, tần số,... Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ đại lượng nào thì cũng là đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế đều là đại lượng ngẫu nhiên, nhưng trong chừng mực nào đó ta giả thiết trong suốt thời gian đo tì đại lượng đo không đổi hoặc thay theo quy luật hoặc thay đổi chậm. Nếu thay đổi theo tần số nhanh thì ta phải sử dụng phép đo thống kê.  Theo cách biến đổi đại lượng đo: Đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tượng tự (analog) Đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số ( digital)  Theo bản chất của đại lượng: Đại lượng đo năng lượng: tín hiệu đô mà bản thân nó mang năng lượng. Ví dụ sức đện động, điện áp, dòng điệncông suất, năng lượng, từ thông, cường độ từ trường. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 3 Đại lượng đo thông số: các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, điện dung, hệ số từ trường. Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: như chu kỳ, tần số, góc pha,... Đại lượng đo không điện: cần chuyển đổi đo lường sơ cấp, nhờ vậy ta có tín hiệu ra Y tỉ lệ với tín hiệu cần đo: Y =f(X) Tín hiệu đo: là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng đo vì thế có khi người ta coi tín hiệu đo làm đại lượng đo. 1.2.2 Điều kiện đo Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo, do vậy khi đo phải tính đến sự ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo Ví dụ : khi đo dòng điện cần yêu cầu RA phải rất nhỏ, càng nhỏ càng tốt để tránh sai số lớn. Ngoài ra môi trường ảnh hưởng rất lớn đo đó những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ... cần nằm trong điều kiện chuẩn được quy định theo từng quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố trong suốt thời gian đo của dụng cụ vẫn đảm bảo chính xác. Đối với mỗi dụng cụ đều có khoảng tiêu chuẩn ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó. 1.2.3 Đơn vị đo Dùng hệ đơn vị quốc tế SI ( năm 1996) Xem phần cuối. 1.2.4 Thiết bị đo và phương pháp đo a. Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thiết bị đo gồm nhiều loại đó là: thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường… b. Phương pháp đo gồm phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh. 1.2.5 Người quan sát Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát là khi đo phải nắm được phương pháp, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp, chọn dụng cu đo phù hợp với sai số yêu cầu, điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để cho kết quả mong muốn và nắm được phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả xem đã đạt hay chưa, có cần phải đo lại hay không. 1.2.6 Kết quả đo Kết quả đo ở một mức dộ nào đó có thể coi là chính xác . Mọi giá trị như vậy được gọi là giá trị ước lượng. Nghĩa là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ dụng cụ đo. Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 4 1.3 Phương pháp đo Tất cả bốn phép do ở mục 1.1.2 có thể đo theo các phương pháp khác nhau tuỳ thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị hiện có,... 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng (có nghĩa là không có khâu phản hồi ) hình 1.1: Trước tiên đại lượng đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi và cuối cùng được biến đổi thành số NX . Còn đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành số N0 (ví dụ khắc độ trên mặt dụng cụ đo tương tự). Quá trình này được gọi là quá trình khắc độ theo mẫu N0 được ghi nhớ lại. Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng. Quá trình này được thực hiện bằng một phép chia: 0 NX N Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức : X= 0 NX N X0 Dụng cụ đo biến đổi thẳng có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua khâu này sẽ có sai số bằng tổng các sai số các khâu. Vì thế sử dụng dụng cụ đo này để đo kiểm với độ chính xác không cao. 1.3.2 Đo so sánh Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng (có nghĩa là có khâu phản hồi) hình 1.2: SS B§ AD XX Xk X Nk H×nh 1.2 DA B§TG X CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 5 Trong hệ thống đo kiểu so sánh đại lượng vào X được biến thành đại lượng trung gian XX qua một phép biến đổi T: XX = T.X Sau đó XX được so sánh với đại lượng bù XK thực hiện một phép trừ: XX – XK = X Ta có thể căn cứ vào cách thực hiện thao tác so sánh trong quá trình đo để phân loại phương pháp đo: a. So sánh cân bằng. Đại lượng vào so sánh XX = const, đại lượng bù XK = const, X= 0, XX = XK. Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng,... b. So sánh không cân bằng (hay phương pháp vi sai) Giống trên nhưng X ≠ 0. Ví dụ: đo ứng suất, nhiệt độ,... c. So sánh không đồng thời. Đại lượng đo X gây ra trên thiết bị đo một trạng thái nào đó; sau đó thay bằng đại lượng mẫu XK và cũng tạo một trạng thái như vậy trên thiết bị đo. Trong điều kiện đó ta có X = XK mà không phụ thuộc điều kiện bên ngoài. d. So sánh đồng thời So sánh cùng một lúc nhiều điểm của X với XK; căn cứ vào điểm trùng nhau ta được đại lượng cần đo. 1.4 Sai số, cách biểu diễn kết quả đo. 1.4.1 Sai số của phép đo. Việc xác định sai số của phép đo là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là mộ trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường. Theo cách thể hiện bằng số ta chia ra: a) Sai số tuyệt đối: giả sử X là giá trị đo được, Xth là giá trị thựccủa đại lượng cần đo, độ lệch giữa giá trị đo và giá trị thực gọi là độ sai lệch.  = X Xth Qua nhiều lần đo,  không vượt quá một giá trị là X thì X được gọi là saii số tuyệt đối của phép đo. Đói với một thiết bị đo sai số tuyệt đối được xác định khi kiểm tra nó là sai lệch lớn nhất giữa giá trị đo và giá trị chuẩn. X = max i Viết kết quả đo khi dùng một dụng cụ đo ta viết giá trị đo được bởi dụng cụ kèm theo một sự sai lệch bằng sai số tuyệt đối: X = Xđo  X b) Sai số tương đối: Để đánh giá tính chính xác của một phép đo hay mộtj thiết bị đo ta dùng sai số tương đối. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 6  = X X Lúc đo bằng một thiết bị cụ thể ta thấy sai số tuyệt đối vấp phải là sai số tuyệt đối của thiết bị đo, do vậy khi đo đại lượng X có giá trị nhỏ hơn so với giá trị định mức của thiết bị Xm thì sai số tương đối sẽ lớn Sai số tương đối không thể dùng đánh giá tính chính xác của một thiết bị đo. c) Sai số tương đối quy đổi, cấp chính xác. Được xác định: X m X   ; % .100% X m X   Xm là giá trị định mức của dụng cụ đo, cũng là giá trị lớn nhất của thang đo của thiết bị có sai số X. Sai số tương đối quy đổi không phụ thuộc vào đại lượng đo mà phụ thuộc vào dụng cụ. Do vậy có thể đánh giá tính chính xác của dụng cụ Thiết bị đo nào có sai số tương đối quy đổi  % bé hơn giá trị quy định (thuộc từng nước) được xếp vào cấp chính xác của quy định đó. Ví dụ sai số là 1, có sai số tương đối quy đổi  % ≤ 1% Độ chính xác của thiết bị đo A được xác định: X X A m     1 ; 1.4.2 Biểu diễn kết quả đo Phép đo nào cũng có sai số, vì thế không thể đo được giá trị đúng. Các thiết bị đo chỉ cho ta biết giá trị đúng nằm trong khoảng nào đấy. Viết kết quả đo là: X = Xth  X; có nghĩa là giá trị đo được X nằm trong khoảng: Xth X ≤ X ≤ Xth + X Xử lý kết quả đo là xác định Xth, X và độ đáng tin cậy của phép đo đó hình 1.3. a) Xác định Xth. Trường hợp đại lượng đo chứa nhiều tính chất ngẫu nhiên hay bị ảnh hưởng nhiều của nhiễu: n X X X X X n th      ... 1 2 Trường hợp đại lượng cần đo bằng const trong quá trình đo, ta lấy giá trị Xth là kết quả của một lần đo. b) Xác định X. Cần xác định sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên: CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 7 Xi = Xht + i; Xht : sai số hệ thống i : sai số ngẫu nhiên Với phép đo nhiều lần đo ta có sai số tuyệt đối trung bình:       X  M Xi  M X ht  M  i M Xht là kỳ vọng của sai số hệ thống M i kỳ vọng của sai số ngẫu nhiên; sẽ bị triệt tiêu qua nhiều lần đo Như vậy sai số hệ thống sẽ bằng kỳ vọng của các sai số tuyệt đối của phép đo (sai số hệ thống có thể loai trừ hay hiệu chỉnh được theo quy luật sai số) 1.5 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo 1.5.1 Sai số của dụng cụ Có thể phân ra: Sai số hệ thống (sai số cơ bản): không đổi hay thay đổi theo quy luật. Sai số ngẫu nhiên (sai số phụ): giá trị thay đổi rất ngẫu nhiên do biến động môi trường (t0 , p, độ ẩm,...) 1.5.2 Độ nhạy Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng: X Y S    Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X. Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S = const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo. Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo). Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X thì ta có quan hệ tuyến tính. X Y X H×nh 1.4 Y Y=f(X) Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có: S = S1. S2 ....Sn. Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X  ) thì Y không thể xác định được. Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,.....  : được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể phân biệt người quan sát hay góc quay  đủ lớn

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

Bài 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG THÔNG DỤNG

1.1 Lý luận chung về đo lường

1.1.1 Định nghĩa

Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường

Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau:

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

Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số

so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép

so với đơn vị

Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là:

- Biến đổi tín hiệu và tin tức

- So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường

- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị

Vậy quá trình đo có thể viết dới dạng:

Ax = X/XoTrong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo

X : Đại lượng cần đo

Xo : Đơn vị đo

Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác

nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là Đo lường học

Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học

vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là Kỹ thuật đo lường

Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo

1.1.2 Phân loại phép đo

Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau Ta có thể phân ra như sau:

a Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất

Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả

đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này

b Đo gián tiếp:

Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp

Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo

1 2 Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường

Trong kỹ thuật đo lường chứa đựng các đặc trưng sau đây: đại lượng đo, điều kiện

đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo

Các đặc trưng này là những yếu tố cần thiết không thê thiếu được của kỹ thuật đo lường

1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo)

Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo

 Theo tính chất thay đổi của đại lượng có thể chia ra:

- Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số chưa biết, ví dụ : cần đo độ lớn( biên độ)

Đại lượng đo thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông Các thông số thường là biên độ, góc pha, tần số,

- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả Nếu ta lấy bất kỳ đại lượng nào thì cũng là đại lượng ngẫu nhiên Ta thấy trong thực tế đều là đại lượng ngẫu nhiên, nhưng trong chừng mực nào đó

ta giả thiết trong suốt thời gian đo tì đại lượng đo không đổi hoặc thay theo quy luật hoặc thay đổi chậm Nếu thay đổi theo tần số nhanh thì ta phải sử dụng phép đo thống kê

 Theo cách biến đổi đại lượng đo:

- Đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tượng tự (analog)

- Đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số ( digital)

 Theo bản chất của đại lượng:

- Đại lượng đo năng lượng: tín hiệu đô mà bản thân nó mang năng lượng Ví dụ sức đện động, điện áp, dòng điệncông suất, năng lượng, từ thông, cường độ từ trường

- Đại lượng đo thông số: các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, điện dung, hệ số từ trường

- Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: như chu kỳ, tần số, góc pha,

- Đại lượng đo không điện: cần chuyển đổi đo lường sơ cấp, nhờ vậy ta có tín hiệu

ra Y tỉ lệ với tín hiệu cần đo: Y =f(X)

Tín hiệu đo: là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng đo vì thế có khi người ta coi tín hiệu đo làm đại lượng đo

1.2.2 Điều kiện đo

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo,

do vậy khi đo phải tính đến sự ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo

Ví dụ : khi đo dòng điện cần yêu cầu RA phải rất nhỏ, càng nhỏ càng tốt để tránh sai số lớn

Ngoài ra môi trường ảnh hưởng rất lớn đo đó những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, cần nằm trong điều kiện chuẩn được quy định theo từng quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố trong suốt thời gian đo của dụng cụ vẫn đảm bảo chính xác Đối với mỗi dụng cụ đều có khoảng tiêu chuẩn ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó

1.2.3 Đơn vị đo

Dùng hệ đơn vị quốc tế SI ( năm 1996) - Xem phần cuối

1.2.4 Thiết bị đo và phương pháp đo

a Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Thiết bị đo gồm nhiều loại đó là: thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường…

b Phương pháp đo gồm phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh

1.3 Phương pháp đo

Tất cả bốn phép do ở mục 1.1.2 có thể đo theo các phương pháp khác nhau tuỳ thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị hiện có,

1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng (có nghĩa là không

có khâu phản hồi ) hình 1.1:

Trước tiên đại lượng đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi và cuối cùng được biến đổi thành số NX Còn đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành số N0 (ví dụ khắc độ trên mặt dụng cụ đo tương tự) Quá trình này được gọi là quá trình khắc độ theo mẫu N0 được ghi nhớ lại

Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng Quá trình này được thực hiện bằng một phép chia:

0

X

N N

Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức : X=

X

Trong hệ thống đo kiểu so sánh đại lượng vào X được biến thành đại lượng trung gian XX qua một phép biến đổi T:

XX = T.X Sau đó XX được so sánh với đại lượng bù XK thực hiện một phép trừ:

XX – XK = X

Ta có thể căn cứ vào cách thực hiện thao tác so sánh trong quá trình đo để phân loại phương pháp đo:

a So sánh cân bằng

Đại lượng vào so sánh XX = const, đại lượng bù XK = const, X= 0, XX = XK

Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng,

b So sánh không cân bằng (hay phương pháp vi sai)

Giống trên nhưng X ≠ 0 Ví dụ: đo ứng suất, nhiệt độ,

1.4 Sai số, cách biểu diễn kết quả đo

1.4.1 Sai số của phép đo

Việc xác định sai số của phép đo là xác định độ tin tưởng của kết quả đo - là mộ trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường

Theo cách thể hiện bằng số ta chia ra:

a) Sai số tuyệt đối: giả sử X là giá trị đo được, Xth là giá trị thựccủa đại lượng cần

đo, độ lệch giữa giá trị đo và giá trị thực gọi là độ sai lệch

 = X - XthQua nhiều lần đo,  không vượt quá một giá trị là X thì X được gọi là saii số tuyệt đối của phép đo Đói với một thiết bị đo sai số tuyệt đối được xác định khi kiểm tra

nó là sai lệch lớn nhất giữa giá trị đo và giá trị chuẩn

X = max [i] Viết kết quả đo khi dùng một dụng cụ đo ta viết giá trị đo được bởi dụng cụ kèm theo một sự sai lệch bằng sai số tuyệt đối:

X = Xđo  X

b) Sai số tương đối: Để đánh giá tính chính xác của một phép đo hay mộtj thiết bị

đo ta dùng sai số tương đối

Sai số tương đối không thể dùng đánh giá tính chính xác của một thiết bị đo

c) Sai số tương đối quy đổi, cấp chính xác

Ví dụ sai số là 1, có sai số tương đối quy đổi  % ≤ 1%

Độ chính xác của thiết bị đo A được xác định:

1.4.2 Biểu diễn kết quả đo

Phép đo nào cũng có sai số, vì thế không thể đo được giá trị đúng Các thiết bị đo chỉ cho ta biết giá trị đúng nằm trong khoảng nào đấy

Viết kết quả đo là: X = Xth  X; có nghĩa

là giá trị đo được X nằm trong khoảng:

Xth - X ≤ X ≤ Xth + X

Xử lý kết quả đo là xác định Xth, X và độ

đáng tin cậy của phép đo đó hình 1.3

a) Xác định X th

- Trường hợp đại lượng đo chứa nhiều tính

chất ngẫu nhiên hay bị ảnh hưởng nhiều của nhiễu:

n

X X

X X

số hệ thống có thể loai trừ hay hiệu chỉnh được theo quy luật sai số)

1.5 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

1.5.1 Sai số của dụng cụ

Có thể phân ra:

- Sai số hệ thống (sai số cơ bản): không đổi hay thay đổi theo quy luật

- Sai số ngẫu nhiên (sai số phụ): giá trị thay đổi rất ngẫu nhiên do biến động môi trường (t0, p, độ ẩm, )

1.5.2 Độ nhạy

Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng:

X

Y S





Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào

X

- Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu

ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S =

const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo

- Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ

là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo)

Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S

trong phạm vi nhỏ xung quanh X thì ta có quan hệ

tuyến tính

XY

XH×nh 1.4

Y

Y=f(X)

- Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có:

S = S1 S2 Sn Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X  ) thì Y không thể xác định được Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,

 : được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể

phân biệt - người quan sát hay góc quay  đủ lớn) hình 1.5

Khả năng phân ly:





D X

Với thiết bị sai số chủ yếu do ngưỡng nhạy thì độ

chính xác chính là khả năng phân ly:



D R

A 

1.5.4 Độ tác động nhanh - Thời gian hồi đáp

Là thời gian để xác lập kết quả đo Cho phép đánh giá đại lượng đầu ra Y có theo kịp về thời gian với sự biến thiên của đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) hình 1.6

Thời gian hồi đáp (tr) là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị của độ nhanh Tốc độ đo:

T

v



 1 ;

T là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo ổn định

1.5.5 Điện trở - công suất tiêu thụ

a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có

điện trở của nó Điện trở lớn hay nhỏ phụ

thuộc vào tính chất của đối tượng đo Điện

trở vào phai lớn khi mà tín hiệu ra của

khâu trước đó dưới dạng điện áp ( nghĩa

là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất)

Ví dụ vônmét phải có RV >> thì càng tốt

b) Điện trở ra: Xác định công suất

có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo

Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng

lớn

1.5.6 Độ tin cậy

Phụ thuộc vào các yếu tố: linh kiện, kết cấu, điều kiện làm việc

1.6 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự

Cơ sở chung:

Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch

đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc  so với phần tĩnh Loại dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng

Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7

Y = fY(X)

 = f(X)

 = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang

đo đều hay không đều

Phương trình đặc tính thang đo:

- Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu , trong cơ cấu tích luỹ một năng lượng điện từ trường We Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động một góc d Thực hiện một công cơ học:

1

U C

W e  - cơ cấu tĩnh điện

2

1

I L

W e  - cơ cấu điện từ

+ Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, điện động

- Mô men cản hình 1.8:

Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì

phần động sẽ quay đi một góc lớn nhất có thể,

không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé Để xác

định quan hệ chặt chẽ giữa góc quay  và mô men

quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có

một mô men tác động ngược chiều với mô men

quay gọi là mô men cản (Mc) Ta dễ dàng tạo một

mô men tỷ lệ với  nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây

D - mô men cản riêng của lò xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước)

- Phương trình đặc tính thang đo:

Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu

đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc (c là vị trí cân bằng của phần động) Ta có:

e

.

1

Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều Nhưng không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích

được Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị

Nội dung phương pháp: Bằng thực

nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay

Mq = f() với các giá trị X khác nhau Ví dụ với

cơ cấu điện từ ta xây dựng các đừng cong

1;2;3;4 (hình 1.9) với các giá trị X tương ứng

40;60;80 và 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm

kim lệch toàn thang) Giả sử Xm = I0 = 50mA;

các đường cong Mq cắt đường cong mô men cản

tại các điểm A, B, C, D ta được các vị trí 1, 2,

3, 4 ứng với các trị số này các trị số tương

ứng của X là 20, 30, 40, 50mA Như vậy ta có

thang đo

H×nh 1.9

c1 c2 c3 c4

theo đơn vị của đại lượng đầu vào

 Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số

 Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung gian; từ quan

hệ cho giá trị X tính ra Y Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị số Y ta được thang đo theo đơn vị Y

- Mô men ổn định hình 1.10: Dưới tác động của mô men quay phần động lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng với lúc Mq = Mc Nhưng vì quán tính nên phần động không dừng ở c mà di chuyển đến vị trí 1 = c + , ở vị trí này mô men tác động lên phần động:

Mc - Mq = Môđ

Quá trình ngược lại: 2 = c - ; mô men

tác động:

Mq - Mc = Môđ

Mô men ổn định tác động lên phần động để

kéo phần động trở về vị trí cân bằng c Chiều của

mô men ổ định là chiều của mô men có trị số nhỏ

+ Quá trình đại lượng đo giảm, phần

1.6.1 Những bộ phận, chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

a) Trục và trụ (Hình 1.12)

Trục quay

Trụ quay Hình 1.12

Trục và trụ là hai bộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đảm bảo cho phần động quay (kim chỉ, lò xo phản, khung quay, ) Chất lượng của chúng quyết định sai số

do ma sát

- Trục: được làm bằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm,  = 45  600, tận cùng bán kính 0,05  0,3mm; có độ cứng cao

- Trụ: Làm bằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc đỉnh bằng 80o trụ có thể được điều chỉnh lên xuống

b) Lò xo phản kháng

- Công dụng:

+ Đưa dòng vào khung dây (từ điện, điện động, sắt điện động)

+ Tạo ra mômen cản cân bằng với mômen quay

Yêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị được chính xác mômen cản riêng

D của lò xo phải ổn định ( trị số của nó không thay đổi theo thời gian

và nhiệt độ) Để đạt được yêu cầu

Công dụng: chỉ thị góc quay 

Yêu cầu: Kim phải nhẹ, bền vững, không bị han rỉ

nên được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm hoặc có thể làm

bằng thuỷ tinh

Đặc điểm: Hình dạng của kim phụ thuộc vào cấp

chính xác của dụng cụ đo và khoảng cách để đọc kết quả đo

Hình 1.14 d) Thang đo

- Là mặt khắc độ: Trên mặt màu trắng người ta khắc độ màu đen và ngược lại Nếu dụng cụ dùng làm việc cả ngày lẫn đêm thì khắc vạch bằng chất phát quang

- Góc lệch của kim phụ thuộc vị trí đặt, độ chính xác

- Phía dưới của thang đo luôn luôn đặt một gương để tránh sai số (khi đọc quan sát kim trùng với bóng của nó)

e) Bộ phận cản dịu

- Công dụng: Dùng để nhanh chóng chóng

xác lập kết quả đo bằng cách hạn chế sự dao động

của kim xung quay vị trí cân bằng

- Cấu tạo: Có hai loại cản dịu (Hình 1.15)

1.6.2 Cơ cấu từ điện

Hình 1.16 a) Cấu tạo.(Hình 1.16)

Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ, lõi sắt non hình trụ Giữa hai cực từ là khe hở làm việc Đường sức từ qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm Trong khe hở này từ cảm B đều tại mọi điểm

Phần động: Khung quay có lõi nhôm nhẹ và khối lượng rất nhỏ, trên quấn dây đồng 0,03 0.2mm, toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay hoặc dây treo; trên trục

có gắn hai lò xo phản; 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; thang đo

b) Nguyên lý hoạt động

Khi cho dòng điện chạy qua, khung dây quay dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng một góc d Mô men quay tạo ra được tính:

Mq=



d dWe

Năng lượng điện từ We tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở làm việc 

và dòng điện chạy trong khung dây:

We = .I

Mà ta có:  = Bsw

Trong đó:

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

s: diện tích khung dây

w: số vòng của khung dây

: góc lệch của khung dây

Do đó: Mq =

d

) Ø (

= BswI

Khi cân bằng:

Mq = Mc BswI = D

D

Bsw



 ; Phương trình đặc tính thang đo cơ cấu từ điện

Ta thấy B, s, w, D là hằng số nên góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I

c) Đặc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Góc quay  tỷ lệ thuận với dòng điện I nên chỉ sử dụng trong mạch đo một chiều

- Góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo đều

- Độ nhạy S = Bsw

D

1 của cơ cấu cao vì có từ trường lớn; Thông thường người ta

dùng hằng số của dụng cụ C theo dòng hoặc áp Ví dụ hằng số theo dòng

I I

d) ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện

- Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng

- Dùng chế tạo các loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V)

- Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng đo không điện

- Dùng để chế tạo ra các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmet điện tử, tần số

kế điện tử…

- Dùng với bộ chỉnh lưu, cặp nhiệt có thể đo giá trị xoay chiều

1.6.3 Cơ cấu chỉ thị điện từ

a) Cấu tạo

- Loại cuộn dây dẹt: (Hình 1.17)

Phần tĩnh: là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc

Phần động: là một lõi thép (2) được gắn trên trục quay (5) Lõi thép có thể quay tự

do trong khe làm việc của cuộn dây Bộ phận cản dịu không khí (4) được gắn vào trục quay Kim 6 và đối trọng 7 cũng được gắn lên trục quay Kim quay trên bảng khác độ 8 Mômen cản được tạo bởi hai lò xo 3 ngược chiều nhau

- Ngoài ra còn loại cuộn dây tròn hình 1.18

Hình 1.17

Hình 1.18 b) Nguyên lý hoạt động

Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay được xác định:

Mq=

 d dWe

Năng lượng trong cuộn dây: We =

)2

.(

I d

dL d

I L d

M q



Khi Mq = MC ở vị trí cân bằng:

dL



2

2

1

I d

- Thang đo không đều do đặc tính bậc hai Đặc

tính của thang đo còn phụ thuộc vào tỷ số



d

dL

là một đại lượng phi tuyến Để làm cho đặc tính thang đo đều

thì tỷ số



d

dL

phải thay đổi theo quy luật ngược với bình

phương của dòng điện, tổng hợp sẽ có đường tuyến tính

hình 1.19 Để đạt được điều này cần phải tính toán

thước, hình dáng, lõi động và vị trí đặt dây sao cho phù hợp

- Cản dịu thường bằng không khí, cảm ứng

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ chính xác không cao nhất là khi đo dòng một chiều sẽ bị sai số do hiện tượng từ trế, từ dư Độ nhấp nháy thấp bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài

d) ứng dụng

- Dùng chế tạo Ampe mét, Vôn mét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp có cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5 và 1,0 ở tần số cao cần tính toán mạch bù

1.6.4 Cơ cấu chỉ thị điện động

KÝ hiÖu:

a) Cấu tạo (Hình 1.20)

- Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1để tạo ra từ

trường khi có dòng điện chạy qua (được chia

làm hai cuộn ghép lại có khe hở ở giữa để cho

trục quay chui qua đồng thời để tiện lắp ghép)

- Phần động: gồm khung dây 2 đặt trong

lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2 được gắn với

b) Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường

Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây động và tạo lên mômen quay làm phần động quay một góc 

Mq =

 d

dwe ; We là năng lượng tích luỹ trong các cuộn dây Xét hai trường hợp:

 Khi cho dòng điện một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào khung dây 2; Lúc này We có dạng:

We = 2

M1,2 : là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động

I1, I2 : dòng DC trong cuộn tĩnh, động

Điện cảm L1, L2 = const khi khung dây quay trong cuộn tĩnh nên ta có:

Mq =

 d

dwe =

 d

dM12 I1I2

ở vị trí cân bằng Mq = Mc nên:

 d

dM12

I1I2 = D.

 d

dM D

dM12

i1i2Phần động vì có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ:

Mq = 

t 0

qtdtmT1

Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin(t-):

T m m

d

dM t

t I

I T

M

0

12 2

dM

2 1 12

Khi cân bằng thì: Mq = Mc:

 I I cos d

dM

2 1 12

c) Đặc điểm

- Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều

- Góc lệch  phụ thuộc vào tích I1 I2 nên thang đo không đều Có thể thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi dM12/d theo hàm ngược với I1I2 để đạt được thang đo đều

- Mô men quay tỷ lệ với dòng hiệu dụng và cos nên có thể sử dụng cơ cấu để chế tạo Wattmet đo công suất

- Ưu điểm : cơ bản của cơ cấu này là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều (không có vật liệu sắt từ nên không có dòng xoáy)

- Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện có công suất nhỏ không thích hợp

- Mq của cơ cấu không lớn vì từ trường của bản thân các cuộn dây sinh ra nhỏ , từ thông khép kín mạch qua không khí có từ trở lớn nên tổn hao từ nhiều Do đó cơ cấu điện động chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài Để đảm bảo cho cơ cấu làm việc tốt phải

** Cơ cấu chỉ thị sắt điện động: Hình 1.21

Về nguyên tắc cơ cấu sắt điện

động và điện động giống nhau Nhưng ở

cơ cấu sắt điện động có thêm mạch từ ở

cuộn dây tĩnh bằng la thép kỹ thuật điện

hoặc ép chặt bột sắt từ có trộn chất điện

môi

Hình 1.21

1.6.5 Cơ cấu chỉ thị kiểu cảm ứng

a) Cấu tạo: Hình 1.22

Gồm 2 phần: phần động và phần tĩnh

- Phần tĩnh là cuộn dây điện 2 và 3, cấu

tạo của chúng làm sao để khi có dòng điện

chạy qua sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua

mạch từ và qua phần động Số lượng nam

châm điện ít nhất là 2

- Phần động là một đĩa kim loại 1

(thường có cấu tạo bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay quay trên trụ 5

Về nguyên tắc cơ cấu này hoạt động dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa phần động do đó cơ cấu này chỉ làm việc ở mạch xoay chiều Để chỉ thị số vòng quay của đĩa người ta gắn vào trục của cơ cấu chỉ thị số cơ khí

b) Nguyên lý làm việc

Khi cho các dòng điện I1, I2 vào cuộn dây phần tĩnh sẽ sinh ra các từ thông 1, 2các từ thông này cũng như dòng điện lệch nhau một góc  (hình 1.23 )

Các từ thông 1 , 2 cắt đĩa nhôm làm xuất hiện

trong đĩa nhôm các suất điện động tương ứng E1, E2lệch

pha với các từ thông một góc

2

 Các dòng điện xoáy IX1, IX2 được sinh ra trong đĩa

nhôm lệch pha với E1, E2 bởi góc 1,2 vì ngoài điện trở

Vì phần động có quán tính lớn nên ta có mômen là đại lượng trung bình trong một chu kỳ T:

M =   C. I sint.sin(t)dtC. I cos

T

1dtMT

1

1 1 T

0 m 1 m 1 T

0 t

Để đơn giản ta có thể coi đĩa nhôm chỉ có điện trở thuần do đó các góc: 1 2 0

Ta cũng xét các mômen thành phần như sau:

M11: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix1

M12: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix2

M21: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix1

M22: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix2Tương tự cách tính ở trên ta có:

M11= C11 1.Ix1.cos

2

 = 0

M12= C12 1.Ix2.cos(

2

 +) = - C12 1.Ix2.sin

M21 có dấu ngược nhau Cũng chính nhờ có sự ngược dấu này mà mômen tổng sẽ kéo đĩa quay về một phía duy nhất Nghĩa là mômen quay sẽ là:

- Điều kiện để có mômen quay ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt được giá trị cực đại nếu như góc lệch pha giữa hai từ trường đó là:  =

2



- Mq phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường

- Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều

Nhược điểm: Mq phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số

d) ứng dụng:

Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng để chế tạo công tơ đo năng lượng Đôi khi người ta còn sử dụng để đo tần số

Bài 2

ĐO DÒNG ĐIỆN

2.1 Đo dòng điện một chiều

Nguyên lý đo: cả ba cơ cấu từ điện, điện từ, điện động nói trên đều hoạt động với

dòng DC nên được sử dụng làm chỉ thị của Ampemet DC Nhưng cần mở rộng thang đo cho thích hợp

2.1.1 Mở rộng thang đo

Mạch đo phải có sự mở rộng cho từng loại cơ cấu

1) Mở rộng cho cơ cấu từ điện

Dòng điện cho phép qua cơ cấu này thường

từ 10-1  10-2A với điện trở của cơ cấu từ 20 

2000 Vì vậy khi sử dụng cơ cấu này để đo các

dòng điện có trị số lớn hơn giới hạn này người ta

phải mắc thêm các điện trở Sun Rs song song với

điện trở cơ cấu

Im : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị

IS : dòng điện qua điện trở Sun Điện trở Sun RS được xác định:

n : hệ số mở rộng thang đo

It : dòng điện thang đo

I0: dòng điện max của cơ cấu chỉ thị

R0 : nội trở của cơ cấu

Trên cơ sở các điện trở shun mắc song song với cơ cấu người ta chế tạo các ampemet nhiều thang đo (hình 2.2):

Để Ampemet có độ chính xác không thay đỏi ở các thang cần chế tạo Sun có độ

ổn định và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu chỉ thị ít nhất một cấp Các điện trở shun được chế tạo bằng manganni và chỉnh định rất chính xác Do đó điện trở Sun không thay đổi theo nhệt độ, trong khi đó điện trở cơ cấu var theo nhiệt độ:

R0 = R0o (1 + t)

R0 nội trở ở t0C

R0o nội trở ở 00C

 hệ số nhiệt độ của dây quấn trên khung (với đồng  = 0,4 %/ 0C)

Ta có thể tính sai số do nhiệt độ của ampemet từ điện:

thường lớn hơn sai số cơ cấu Để khắc phục

người ta loại trừ hoặc giảm do nhiệt độ Người

ta mắc thêm nhiệt điện trở RT nối tiếp với điện

trở cơ cấu (Hình 2.3)

2) Mở rộng cho cơ cấu điện từ (Hình 2.4)

Thay đổi số vòng dây quấn cho cuộn dây tĩnh với số sức từ động không đổi:

F =I1.w1= I2.w2= =In.wn

a)

Hình 2.4

Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: cuộn dây tròn có

số ampe vòng I.w = 200A.vòng, cuộn dây dẹt có I.w = 100  150A.vòng)

Hình 2.4a đo dòng điện nhỏ I, hình 2.4b đo dòng điện bằng hai lần dòng điện đo ở hình 2.4a là 2I

3) Mở rộng cho cơ cấu điện động

Ampemet điện động thường đo ở dòng điện tần số cao hơn tần số công nghiệp (400  2000Hz) Độ chính xác cao (0,2; 0,5) Có hai loại mạch Ampemet:

- Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc nối tiếp Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc mắc song song với nhau (Hình 2.5):

A: Cuộn tĩnh; B: Cuộn động

- Hoặc mắc điện trở Sun song

song với cuộn động (tương tự cơ cấu

từ điện), còn cuộn tĩnh mắc nối tiếp

với cuộn động Cách tính điện trở Sun

tương tự như Ampemet từ điện (Hình

bên)

2.2 Đo dòng xoay chiều

Nguyên lý đo: Cơ cấu điện từ, điện động đều hoạt động được với dòng xoay

chiều Do đó có thể dùng trực tiếp cơ cấu này hoặc mở rộng thang đo như đã nói ở trên Riêng đối với cơ cấu từ điện cần biến đổi dòng AC thành đòng DC Cơ cấu từ điện chính xác và được sử dụng nhiều trong phần lớn các Ampemet (đồng hồ vạn năng Multimeter – V.O.M)

2.2.1 Ampemet từ điện đo dòng AC

1) Ampemet chỉnh lưu

a/ Chỉnh lưu nửa chu kỳ (Hình 2.6)

Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

(Trường hợp dòng AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu)

b/ Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 2.7)

Trị chỉnh lưu trung bình của dòng điện:

Hình 2.8 Như vậy với cách bố trí sơ đồ chỉnh lưu như vậy, các ampemet sẽ chỉ giá trrị trung bình của dòng xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động, đo dòng xoay chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng Vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng cụ đo dòng xoay chiều, các ampe điện từ dùng chỉnh lưu phải khắc độ theo trị hiệu dụng

Cách biến đổi để khắc độ ampe chỉnh lưu theo trị hiệu dụng:

Mômen quay tức thời:

M t = B.S.W.i ; i = I max Sin t

Mô men quay trung bình trong một chu kỳ:

 

Biến đổi: . cltb. . .

cltb

B S W I B S W I I

I  : hệ số hình dáng của dòng điện

. d

B S W I

- Các Ampemet chỉnh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ (do điện trở thuận ngược của diod thay đổi không giống nhau: nhiệt độ tăng thì điện trở ngược giảm nhiều hơn so với điện trở thuận dẫn đến hệ số chỉnh lưu sẽ giảm)

Nếu cần đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị) thì mắc mạch chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo, không cần sun Trường hợp cần đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị mắc cơ cấu song song với sun

ở đây sun vừa để mở rộng giới hạn đo vừa để bù sai số do tần số và nhiệt độ

Trong hình a: RCu dùng để bù nhiệt độ còn L dùng để bù tần số

Trong hình b: C để bù sai số do tần số

2) Dùng biến đổi nhiệt điện

Ampemét nhiệt điện cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ

cặp nhiệt ngẫu đã biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện

một chiều, cấu tạo như hình 2.10:

1 Sợi dây được dốt nóng nhờ dòng điện Ix

2 Cặp nhiệt ngẫu

3 Chỉ thị từ điện để đo sức điện động nhiệt điện

Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện như sau:

Khi có dòng xoay chiều Id chạy qua sợi dây dẫn, dây dẫn bị đốt nóng Nhiệt độ của

d

k I

  (k0là hằng số phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn) nhiệt độ này làm nóng đầu

công tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ xuất hiện suất điện động:

E k k k I k I

(k1là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của loại cặp nhiệt ngẫu)

Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với nhau thông qua cơ cấu chỉ thị từ

điện, trong cơ cấu này có dòng điện đi qua và kim sẽ lệch đi một góc 

0

t m

Im: dòng điện đi qua cơ cấu

Rn: điện trở cặp nhiệt ngẫu

Ro: điện trở cơ cấu chỉ thị

Từ đó ta suy ra:

2

2 2

0

d

d n

k I BSW

KI

D R R



Để tăng sức điện động nhiệt Et dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị từ điện

người ta thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua một bộ khuếch

đại một chiều

Ampemét nhiệt điện có sai số lớn, khả năng quá tải kém, công suất tổn hao lớn

Ưu điểm cơ bản của nó là cho phéo đo dòng điện ở tần số cao, giải tần làm việc

rộng (từ một chiều đến hàng trăm MHz)

2.3 Đo dòng điện nhỏ

Tức là đo dòng điện Id  I0 , để đo được dòng này cần phải có các thiết bị có độ

nhạy cao Ta thường gặp các dụng cụ đo dòng nhỏ như: điện kế cơ điện, điện lượng kế,

các dụng cụ điện tử mà thành phần cơ bản là các là các bộ khuếch đại một chiều, xoau

chiều, chỉnh lưu… kết hợp với chỉ thị từ điện

2.4 Đo dòng điện lớn

2.4.1 Đo dòng một chiều lớn

1) Ghép song song các sun (Hình 2.11)

I1; I2; dòng định mức ghi trên các sun

R1; R2; điện trở sun tương ứng

r1; r2; được mắc tương ứng với R1; R2; trong mạch áp theo quan hệ:

1 2

1 2

i i

1

n d

B : từ cảm

 : từ thông

S : tiết diện mà từ thông xuyên qua

F : lực từ

Rt : từ trở mạch từ

Id : dòng điện trong cuộn dây tạo lực từ

W : số vòng dây quấn trên mạch từ

Ta đo B (bằng thiết bị đo hoặc chuyển đổi Hall) rồi suy ra Iđ

3) Dùng biến dòng một chiều (Hình 2.13)

Biến dòng một chiều

dựa trên cơ sở bộ điều chế từ

tức là dựa trên sự ảnh hưởng

của từ trường DC trên lõi sắt từ

mà lõi đó được kích thích bởi

quấn trên lõi xuyến II ngược chiều với W2 quấn trên lõi xuyến I

W1 mắc vào mạch một chiều có dòng Id cần đo chạy qua; W2 mức vào mạch xoay chiều U2.Nguyên lý làm việc như sau:

Dòng Id chạy trong W1 tạo ra sức từ động IdW1 trong cả hai lõi I và II theo chiều như hình vẽ Dòng i2 chạy trong W2 tạo ra trong hai xuyến I và II sức từ động i2W2 (có chiều như hình vẽ nửa chu kỳ đầu) Cường độ tù trường trong hai lõi được xác định theo định luật dòng toàn phần:

H1 = F1/l

H2 = F2/l

F1; F2 : sức từ động tổng trong từng lõi xuyến

l : chiều dài trung bình của lõi xuyến

Trong lõi I; sức từ động do hai cuộn sinh ra ngược nhau:

1 2 2 1

d

I W i W H

l



Trong lõi II; sức từ động do hai cuộn sinh ra cùng chiều:

1 2 2 2

d

I W i W H

Xét nửa chu kỳ dương:

Dòng i 2 tăng, H 2 tăng, H 1 giảm Do mối quan hệ H và  (hình vẽ) nên khi H 2 tăng trong một phạm vi nào đó thì  sẽ là hằng (trong lõi II) Trong khi đó H 1 sẽ giảm đến H 0 (H 0 0 tức I d W 1  i 2 W 2 )

ở phạm vi này  tăng rất nhanh làm cho điện cảm L 2 của cuộn W 2 (trong lõi I) cũng tăng:

L 2 =

2 2

2

2 0

t

SW W

 ; có hướng ngược với U 2 nên i 2 không tăng được, chỉ thoả mãn điều kiện:

I d W 1 i 2 W 2  1

2 2

Từ đây ta thấy rằng dùng Ampemet đo dòng i2 sẽ suy ra được Id

Giống như biến dòng xoay chiều: tỷ số 1

2.4.2 Đo dòng điện xoay chiều lớn

Đo bằng phương pháp kết hợp biến dòng AC

với các Ampemét Trong các Ampemét điện từ, sức từ

động tối đa F = I.W là 200 Ampe-vòng Nếu số dây là

một thì có thể đo được dòng tối đa là 200A Muốn đo

dòng lớn hơn 200A ta phải dùng các Ampemét điện từ,

điện động kết hợp với biến dòng

Biến dòng thường có lõi hình xuyến bằng thép

kỹ thuật điện, trên đó có quấn hai cuộn dây, sơ cấp W1

V dụ: I2 = 5A còn I1 có thể là: 15A; 30A; 100A; 150A; 200A; 400A; 500A; 600A ứng với mỗi dòng I1 sẽ có kI nhất định Việc kết hợp biến dòng và Ampemet xoay chiều phải chọn phù hợp thang đo với dòng thứ cấp I2 của biến dòng

Ví dụ:

I2đm = 5A thì chọn Ampemet có Iđm = 5A Mắc biến dòng và Ampemet như hình b sau đó đọc kết quả trên Ampemét được I2 ,ta có dòng cần đo:

I1 = kII22.5 Ampemet điện tử đo dòng AC - DC

2.5.1 Đo dòng DC

Nguyên lý đo là chuyển dòng đo Iđ thành điện áp đo bằng cách cho dòng đo đi qua điện trở RS như hình 2.15

2.5.2 Đo dòng AC

Nguyên lý đo: ta chuyển dòng AC thành điện áp AC qua RS như đo dòng DC; Sau

đó huyển điện áp AC thành điện áp DC bằng những phương pháp đã biết

2.6 Ảnh hưởng của Ampemet đến mạch đo

Ta thấy mỗi Ampemet đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi thang đo Do đó thang đo càng lớn nội trở ampe RA càng nhỏ Khi mắc nối tiếp với điện trở tải cần đo dòng thì sẽ ảnh hưởng đến mạch đo

Khi không có đồng hồ Ampe:

I = U/RtKhi mắc ampemet có nội trở RA vào mạch:

Bài 3

ĐO ĐIỆN ÁP

3.1 Đo điện áp dùng dụng cụ đo tương tự

3.1.1 Đo điện áp một chiều

Nguyên lý đo: Điện áp được chuyển thành dòng điện đo đi qua cơ cấu chỉ thị hình

3.1 Nếu cơ cấu chỉ thị có I0 và điện trở nối tiếp thì:

0 0

I R R

U I

Với vôn mét từ điện:

Cơ cấu từ điện được chế tạo có điện áp định mức

khoảng 50  75mV Muốn chế tạo các Vônmét đo điện áp có

0 0

d p

thang đo ta nối nối tiếp nhiều điện trở phụ với cơ cấu (hình 3.2; hình 3.3):

Với vôn mét điện từ, điện động: cũng bằng cách nối thêm điện trở phụ RP để hạn chế dòng qua cơ cấu theo biểu thức trên Riêng đối với cơ cấu điện động thì cuộn tĩnh được nối tiếp với cuộn động (hình 3.4)

3.1.2 Đo điện áp xoay chiều

Nguyên lý đo: Đối với cơ cấu điện từ, điện động dùng làm vôn mét AC phải nối

điện trở nối tiếp như trong vôn mét DC vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều Đối với cơ cấu từ điện thì phải chỉnh lưu hoặc biến đổi nhiệt

1 Vônmét điện từ

Được dùng để đo điện áp xoay chiều 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 trên cuộn tĩnh là rất lớn khoảng 1000 đến 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 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

Phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu điện động:

 =

2 1,2 2

Khi khoá SW ở vị trí 1 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối song song với nhau ta có giới hạn đo 150V; Khi khoá SW ở vị trí 2 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối nối tiếp với nhau có giới hạn đo 300V Tụ C tạo mạch bù tần số cho Vôn mét

3 Vônmét từ điện

a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Cách xác định điện trở nối tiếp cho cơ cấu từ điện:

Mạch đo hình 3.7: Diod D1 chỉnh lưu dòng điện

xoay chiều i = I max Sint ở bán kỳ dương

Diod D2 bảo vệ cho diod D1 và cơ cấu khi điện áp

ngược lớn

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được

xác định:

UAC (RMS) = (R1 + R0)Ihd + UD (RMS) Mà: Icltb = I0 = 0,318Imax = 0,318 2Ihd

b) Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 3.8)

R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC

3.1.3 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

a) Cơ sở của phương pháp so sánh

Các dụng cụ đo ở trên sử dụng cơ cấu cơ điện

để hiển thị kết quả đo (dụng cụ đọc thẳng), vì vậy

cấp chính xác không thể vượt quá cấp chính xác của

cơ cấu

Muốn đo điện áp chính xác hơn phải dùng

phương pháp so sánh với mẫu (tức là so sánh với

điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu)

Phương pháp này còn gọi là phương pháp bù

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được mô tả trên hình 3.10: Uk = I.Rk

Uk làđiện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở mẫu Rk khá chính xác

CT là thiết bị tự động phát hiện sự chêng lệch điện áp U = Ud – Uk gọi là cơ cấu chỉ không Khi đo ngưới ta so sánh Ud và Uk, nếu kim chỉ khác không thì điều chỉnh con trượt D của biến trở Rk sao cho kim chỉ không thì đọc kết quả trên biến trở Rk đã khắc độ theo thứ nguyên của điện áp

Có nhiều loại dụng cụ bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau,

chỉ khác nhau ở cách tạo điện áp mẫu U k

b) Điện thế kế một chiều điện trở lớn

Được chế tạo trên cơ sở giữ nguyên dòng điện ổn định, thay đổi điện trở Rk để thay đổi điện áp Uk bù với điện áp Ud cần đo Để phép đo này đảm bảo độ chính xác cao thì cần phải đảm bảo các điều kiện sau

- Điện trở mẫu chính xác cao (do vật liệu, quy trình công nghệ, thiết bị mẫu quyết định)

- Dòng điện qua điện trở mẫu chính xác cao (mạch hợp lý và nguồn ổn định)

- Chỉ thị cân bằng đủ nhạy để phát hiện sự chênh lệch giữa tín hiệu đo và mẫu Mạch điện thế kế DC cổ điển (Hình 3.11)

Gồm hai bộ phận:

Bộ phận tạo dòng công tác IP gồm: nguồn

cung cấp U0, điện trở điều chỉnh, Ampemet và điện

trở mẫu Rk

Bộ phận mạch đo gồm: Điện áp cần đo Ud,

điện kế chỉ sự cần bằng và một phần điện trở mẫu

Đầu tiên phải xác định dòng công tác IP nhờ nguồn

U0 , điện trở điều chỉnh và Ampemét Giữ giá trị IP

cố định trong suốt thời gian đo, điều chỉnh con

trượt

của điện trở Rk đến khi điện kế chỉ không, đọc kết quả đo trên điện trở mẫu.Khi đó:

Ud = Uk = IP.Rk Trong điện thế kế này còn tồn tại Ampemet, vậy độ chính xác không thể vượt quá

độ chính xác của Ampemet

Để loại Ampemet ra khỏi mạch của điện thế kế người ta dùng pin mẫu để xác định

dòng công tác với sơ đồ như hình 3.12 Sơ đồ gồm hai mạch: tạo dòng công tác I P và mạch đo

- Nối điện kế G vào hai đầu 1–1, để xác định

dòng công tác, điều chỉnh Rđ/c để điện kế G chỉ

không, tức là:

EN = URn = IP.Rn 

n

N P

R

E

I 

- Sau đó không thay đổi Rđ/c, đưa điện kế G sang

2–2 để đo sức điện động Ed điều chỉnh con trượt Rk cho

Giá trị pin mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ được tính theo công thức sau:

ENt = EN 20oC – 40.10-6(t - 20) – 10-6(t - 20)2

Trong đó:

En20oC: là giá trị của pin mẫu ở nhiệt độ chuẩn 20oC, thường En20oC = 1,0186V;

có độ chính xác khá cao 0,001%  0,01%

t: là nhiệt độ nơi sử dụng điện kế

Vì vậy khi sử dụng điện thế kế , trước tiên phải tính giá trị EN theo nhiệt độ nơi đặt điện thế kế và đặt pin mẫu đúng giá trị đã định

Pin mẫu có giá trị không tròn, nên khi tính có sai số đáng kể Để khắc phục người

ta cần làm tròn dòng công tác, do đó người ta mắc thêm vào một điện trở Rđ/ch

Các bước thực hiện đo điện áp và sử dụng điện thế kế để đo các đại lượng điện khác:

Bước 1: Điều chỉnh dòng công tác

- Mắc dụng cụ mạch điện thế kế theo đúng sơ đồ, nguồn cung cấp, pin mẫu và

điện kế

- Tính toán giá trị pin mẫu và đặt đúng giá trị pin mẫu đã tính vào điện thế kế

- Đặt hai đầu đo của điện kế ở vị trí 1-1, điều chỉnh điện trở R đ/c cho đến khi điện kế chỉ zero

Bước 2: Tiến hành đo

- Đặt hai đầu đo của điện kế sang vị trí 2-2, giữ nguyên R đ/c , điều chỉnh con trượt của R k cho đến khi điện kế chỉ không, ta sẽ có:

E x = I P R k Chú ý:

- Trường hợp đo điện áp nhỏ, rất nhỏ sẽ có sai số do tiếp xúc Nên cần sử dụng

điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

- Muốn đo điện áp lớn cần dùng mạch phân áp và điện thế kế một chiều điện

trở lớn

- Điện thế kế được chế tạo với độ chính xác cao hơn các dụng cụ đo cơ điện Vì

các đại lượng mẫu được chế tạo chính xác, điện kế tin cậy

c) Điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

Nguyên tắc chế tạo: giữ nguyên điện trở mẫu RK; thay đổi dòng công tác IP qua RK

để thay đổi UK = IP.RK bù lại với địên áp cần đo Ud: hình 3.13

3.1.4 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở

Biến trở AB là biến trở đo lường

Khoá SW có hai vị trí dùng để chuẩn

cho máy đo và đo đại lượng Uđ Dòng

trong mạch cần đo:

AB

R R K

E I





1 1 1

0 ≤ K1 ≤ 1: phụ thuộc vào vị trí con chạy