Giáo trình Đo lường điện - điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

(NB) Giáo trình Đo lường điện - điện tử cung cấp cho người học những kiến thức như: Đơn vị đo; Sai số đo; Cơ cấu đo; Phương pháp đo các đại lượng điện; Phương pháp đo các đại lượng không điện; Dao động ký; Đo lường bằng máy hiện sóng; Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 dưới đây.

Bài Phương pháp đo đại lượng điện Mục tiêu: - Trình bày cấu trúc, nguyên lý, phương pháp đo độ tự cảm, điện dung linh kiện dùng cầu xoay chiều - Giải số tập cầu xoay chiều - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động cơng việc 4.1 Lý thuyết cầu xoay chiều 4.1.1 Cầu đo dòng xoay chiều Các cầu dòng xoay chiều loại dựa cầu đơn dùng để đo điện cảm, đo điện dung , góc tổn hao tg hệ số phẩm chất Q cuộn dây Nguồn cung cấp cho mạch cầu nguồn điện xoay chiều có tần số 50 Hz tần số âm tần cao tần lấy từ máy phát tần số Chỉ thị dụng cụ xoay chiều điện kế điện tử, máy sóng Với cầu dịng xoay chiều, điều kiện cân phải đạt hai thành phần cân biên độ cân pha Mạch tổng quát mạch cầu dòng xoay chiều Hình 4.1 Cầu đo dịng xoay chiều Trong Z1 , Z2 , Z3 , Z4 tổng trở Khi cân ta có: UZ1 = UZ2 UZ3 = UZ4 Do : i1.Z1 = i2.Z2 (1) 57 i1.Z3 = i2.Z4 (2) Chia phương trình (1) cho phương trình (2) ta i1 Z i Z  i1 Z i Z  Z Z  Z Z Vì Z = R + j.X nên để cầu cân : R1.R4 = R2.R3 X1.X4 = X2.X3 4.1.2 Dụng cụ (Zero) dùng cho cầu xoay chiều Các dụng cụ dùng cho cầu xoay chiều thực nhờ điện kế từ điện chỉnh lưu hình vẽ: Hình 4.2 Dụng cụ (Zero) dùng cho cầu xoay chiều Trong hình a điện kế từ điện chỉnh lưu hình b sử dụng thêm khuếch tăng độ nhạy cho thị Giới hạn tần số cho phép cầu từ 20Hz  MHz Với tần số thay đổi giải rộng vậy, máy sóng điện tử báo mức khơng tốt quan sát để điều chỉnh cân cầu tới mức đạt tối đa 4.2 Cầu điện dung 4.2.1 Khái niệm điện dung góc tổn hao Tụ điện lý tưởng tụ khơng tiêu thụ cơng suất ( dịng điện chiểu khơng qua tụ ) thực tế có lớp điện mơi nên có dịng điện nhỏ qua từ cực đến cực tụ có tổn hao cơng suất 58 Sự tổn hao công suất nhỏ để đánh giá tổn hao tụ người ta thường đo góc tổn hao ( tg ) Tụ điện biểu diễn dạng tụ lí tưởng nối tiếp với điện trở ( tụ tổn hao ) hình vẽ a) Hình 4.3 Góc tổn hao a Tụ có tổn hao nhỏ Tụ điện nối song song với điện trở (tụ tổn hao nhiều) hình b) Hình 4.4 Góc tổn hao có tụ b Tụ có tổn hao lớn Với tụ điện tổn hao nhỏ hình (a) dựa vào biểu đồ véc tơ ta xác định góc tổn hao sau : U R  I R U C  Ta có : tg  .C UR  R..C UC Trong :  góc tổn hao tụ điện 59 Với tụ điện tổn hao nhiều hình (b) ta có: IR  U U I C   U .C R .C Suy : tg  IR  I C R..C 4.2.2 Cầu xoay chiều đo điện dung a Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ Sơ đồ cầu đo tụ điện có tổn hao nhỏ Hình 4.5 Cầu xoay chiều đo điện dung Cầu gồm nhánh R1, R2 trở , nhánh lại CX , RX điện trở mẫu RM , điện dung mẫu CM điều chỉnh đường chéo cầu mắc điện kế G cân nguồn cung cấp xoay chiều U~ Khi cầu cân ta có mối quan hệ :  R2  RX  j.C X  Suy R2 RX      R1  RM  j.CM      R2 R1  R1 RM  j.C X j.CM Cân thành phần thực kháng ta R1 R2 R2 R1 R   C X  CM j.C X j.CM R1 R2.RX = R1.RM  RX  RM Suy tg  .RX CX  .RM CM 60 b Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Sơ đồ mạch cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Hình 4.6 Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Trong R1, R2 điện trở thuần, CM mắc song song với RM điện dung điện trở mẫu, RX , CX điện trở điện dung tụ điện cần đo Khi cầu cân ta có : Z1.Z3 = Z2.Z4 Trong : Z1  1  j.C X RX Z  R1 Z4  (*) Z  R2 1  j.CM RM Thế vào phương trình (*) ta có 1  j.C X RX R2  R1 1  j.CM RM      R2   j.CM   R1   j.C X   RM   RX  Và R2 j..CM  R1 j..C X  C X  tg  R2 CM R1 1  .RX C X .RM CM 61  R2 R R   RX  RM RM RX R2 4.3 Cầu điện cảm 4.3.1 Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu Hình 4.7 Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu Mạch cầu so sánh điện cảm hình vẽ Trong : LX , RX thông số điện cảm điện trở cần xác định , RM , LM cuộn dây điện cảm điện trở chuẩn Hai nhánh lại điện trở R R2 điện trở có độ xác cao Khi đo người ta điều chỉnh điẹn trở RM , R1 , R2 để cầu cân Ở chế độ cân ta có: Z1 Z  Z Z Trong : Z1  RM  j..LM Z  RX  j..LX Z  R2 Z  R1 Suy : R1 RM  j..LM   R2 RX  j..LX   R1 RM  j..R1 LM  R2 RX  j..R2 LX R  R X  RM  R2  R R  R2 R X   M   j..R1 LM  j..R2 L X  L  R1 L  X R2 M 62 4.3.2 Cầu điện cảm Maxwell Các tụ điện chẩn xác dễ chế tạo cuộn dây điện cảm chuẩn người ta thường dùng điện dung chuẩn để điện cảm sử dụng cuộn điện cảm chuẩn Cầu có tụ điện gọi cầu Maxwell hình vẽ sau: Hình 4.8 Cầu điện cảm Maxwell Trong mạch cầu, tụ điện chuẩn C3 mắc song song với điện trở R3 , nhánh lại điện trở R1 R4 Các điện trở R3 , R1 , R4 điện trở điều chỉnh RX LX biểu diễn cuộn cảm cần đo Khi mạch cầu cân ta có: Z1 Z  Z Z Trong : Z1  R1 Z3  1  j..C3 R3 Suy :  Z  RX  j..LX Z  R4       R1 R4  R X  j..L X     j..C    R3  R1 R4  R1 R4 j..C3  R X  j..LX R3 R1 R4  R X  R3   L  R R C  X 63 Cầu Maxwell thích hợp đo cuộn cảm có hệ số phẩm chất Q thấp ( .LX không lớn nhiều RX ) 4.3.3 Cầu điện cảm Hay HÌnh 4.9 Cầu điện cảm Hay Cầu điện cảm Hay tương tự cầu Maxwell khác chỗ điện trở R3 mắc nối tiếp tụ C3 hình vẽ điện cảm LX RX biểu diễn dạng mạch song song RX , LX đo thành phần mạch song song Khi cầu trạng thái cân ta có : Z1 Z  Z Z Trong : Z1  R1 Z2  Z  R4 1  RX j..L X    R1 R4    1   j..L X  RX  Z  R3  j..C   . R     j..C3    R1 R4 R R   R3  RX j..L X j..C3  R1 R4 R1 R4   R  R3  X R X  R3   R R 1   L  R R C   X  L C  X Cầu điện cảm Hay thường sử dụng đo cuộn dây có độ phẩm chất Q cao 64 Ngồi mạch cầu người ta sử dụng số mạch cầu khác cầu Owel Như hình vẽ : Hình 4.10 Cầu điện cảm OWen Cầu dùng để đo điện cảm ( LX RX ) Trong Z1 thay tụ C1 điều chỉnh Khi cầu cân ta xác định giá trị điện cảm L X RX sau : C1 R2  R X  C3   L  R R C  X CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1.Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ: Hình 4.11 Cầu điện cảm Maxwell Tính RX , LX mạch cầu cân theo R1 , R3 , C3 , R4 , U mạch cầu cân Tính độ phẩm chất cuộn dây : R1 = 100  R3 = 300  65 R4 = 400  C3 = 4,7  F  U = 24 Sin (100  t + ) Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ: Hình 4.12 Cầu điện cảm Maxwell Tính RX , CX mạch cầu cân theo C1 , R3 , C3 , R4 , U mạch cầu cân Tính góc tổn hao tụ điện : C1 = 4,7  F R3 = 300  R4 = 400  C3 = 4,7  F  U = 24 Sin (100  t + ) 66 Điều chỉnh dịch ảnh ngang dọc ảnh Đặt chế độ đo kênh tín hiệu II ĐIỀU CHỈNH BIÊN ĐỘ VÀ THỜI GIAN TRÊN MÀN HIỂN THỊ - Mục tiêu; Thiết lập chế độ hiển thị biên độ tín hiệu mức lớn dễ quan sát Thiết lập thời gian để tín hiệu có độ ổn định tốt không bị di động - Công việc TT Nội dung cơng việc Chú ý Lấy tín hiệu chuẩn (17) PROBE Tín hiệu có dạng xung vuông, giá trị 5Vp-p Thay đổi biên độ tín hiệu hiển - Núm ln để vị trí mà giá trị thị Núm VOLTS/DIV lớn - Điều chỉnh núm nhỏ nằm bên vị trí CAL Thay đổi thời gian ứng với ô - Khi muốn đọc giá trị chu kỳ tín hiền thị Núm hiệu phải để nút ấn 13 vị trí CAL TIME/DIV Nếu khơng khơng xác - Bài tập ứng dụng + Nội dung: Điều chỉnh để máy phát tạo tần số 5kHz Tín hiệu tạo 2V (Giá trị hiệu dụng) + Yêu cầu Sử dụng máy sóng để kiểm tra tín hiệu máy phát Vẽ dạng tín hiệu tạo Biên độ cực đại Um = Tần số tín hiệu f = 98 X= / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV Phần thực hành Mục đích yêu cầu Tạo kỹ sử dụng máy dao động ký phương pháp, an toan sử dụng, trình tự vận hành Các thiết bị sử dụng - Dao động ký; Nguồn phát sóng âm tần; Đồng hồ VOM, Dây đo dao động ký (2 dây), Dây tín hiệu máy phát sóng Các bước thực hành BÀI 1: TÌM HIỂU DAO ĐỘNG KÝ Kiểm tra chức INTENSITY Khi thay đổi nút hình hiển thị ? Giải thích ? So sánh với lý thuyết kiểm tra chức phím FOCUS Khi thay đổi nút hình hiển thị thay đổi nào? Giải thích ? So sánh với lý thuyết Tạo tín hiệu ghép AC + DC từ máy phát sóng: AC sóng sin tần số 50Hz, DC 10v quan sát để phân biệt hai chế độ ghép AC, DC ( sử dụng nút OFFSET 99 máy sóng) Ở chế độ AC, quan sát tín hiệu nảao2 ? Ở chế độ DC quan sát tín hiệu nào? Vẽ tín hiệu quan sát Sử dụng kết hợp chế độ bắt tín hiệu Trigger giữ tín hiệu Hold để đồng tín hiệu sóng vng tuần hồn từ máy phát sóng có tần si61 20KHz Nhận xét: Đo biện độ tín hiệu - xác định đường GND - cho tín hiệu sin 50Hz từ máy phát sóng Xác định biên độ tín hiệu hiển thị dao động ký Thay đổi biên độ tín hiệu máy phát sóng )v đến 10v Kiểm tra so sánh giá trị hiển thị trênVOM Nhận xét: - Thay đổi nút chỉnh VOL/DIV Quan sát tín hiệu dao động ký Tín hiệu thay đổi Xác định biên độ tín hiệu hiển thị dao động ký cho trường hợp biên độ tín hiệu có thay đổi giá trị VOL/DIV không? - Thay đổi vị trí x1,x10 que đo Quan sát tín hiệu dao động ký tín hiệu thay đổi ? xác định biên độ tín hiệu hiển thị dao động ký cho trường hợp biên độ tín hiệu có thay đổi thay đổi x1, x10 khơng ? vẽ dạng sóng quan sát trường họp 100 đo chu kỳ, tần số tín hiệu - Cho tín hiệu hình sin từ máy phát sóng có tần số 50 Hz, biên độ 5vp xác định tần số,., chu kỳ tín hiệu hiển thị dao động ký Kiểm tra so sánh giá trị tạo amy1 phát sóng Nhận xét - Thay đổi nút chỉnh TIME/DIV Quan sát tín hiệu dao động ký Tín hiệu thay đổi nào? Xác định chu kỳ, tần số tín hiệu hiển thị dao động ký cho trường hợp Chu kỳ, tần số tín hiệu có thay đổi thay đổi giá trị TIME/DIV không? - Thay đổi vị trí x1, x10 que đo Quan sát tín hiệu dao động ký Tín hiệu thay đổi nào? Xác định chu kỳ, tần số tín hiệu hiển thị dao động ký cho trường hợp Chu kỳ, tần số tín hiệu có thay đổi thay đổi vị trí x1, x10 que đo? BÀI 2: TÌM HIỂU MÁY PHÁT SĨNG - Quan sát máy phát sóng Ghi lại nút có máy phát sóng Chức nút - Các dây nối vào OUTPUT, bật POWER 101 Thay đổi dạng sóng tín hiệu Thay dổi phím FUNCTION, quan sát dạng sóng dao động ký, vẽ dạng sóng Thay đổi dạng sóng tín hiệu - Tạo sóng sin tần số 50hz Quan sát tín hiệu dao động ký vẽ dạng sóng quan sát - Thay đổi nút AMPLITUDE máy phát sóng đồng thời quan sát tín hiệu dao động ký, biên độ tín hiệu có thay đổi khơng? Tần số tín hiệu có thay đổi khơng? Khi thay đổi nút AMPLITUDE, biên độ tín hiệu thay đổi từ đến bao nhiêu? - Nhấn phím -30dB biên độ tín hiệu thay đổi khơng? Tần số tín hiệu có thay đổi khơng? Độ nhay bao nhiêu? 102 - Reset thay đổi OFFSET Quan sát tín hiệu dao động ký vẽ dạng sóng Nhận xét Thay đổi tần số tín hiệu - Tạo sóng hình sin, chọn nút RANGE Hz/GATE TIME - Thay đổi nút MAIN máy phát sóng đồng thời quan sát tín hiệu dao động ký, biên độ tín hiệu có thay đổi khơng? Tần số tín hiệu có thay đổi khơng? - Khi thay đổi MAIN, biên độ/ tần số tín hiệu thay đổi từ đến bao nhiêu? - Khi thay đổi FINE, biên độ/ tần số tín hiệu thay đổi từ đến bao nhiêu? - Thay đổi nút RANGE Hz/ GATE TIME Quan sát tín hiệu dao động ký Biên độ tín hiệu có thay đổi khơng? Tần số tín hiệu có thay đổi khơng? Thay đổi nào? 103 Thay đổi chu kỳ làm việc (Duty cycle) - Tạo sóng vng, chọn nút 100Hz RANGE Hz/ GATE TIME - Nhấn núm RAMP/PULSE vào trong, quan sát tỷ lệ chu kỳ làm việc với chu kỳ tín hiệu quan sát Vẽ dạng sóng - Kéo núm RAMP/PULSE ngoài, điều chỉnh quan sát tỷ lệ chu kỳ làm việc với chu kỳ tín hiệu quan sát Tỷ lệ thay đổi phạm vi từ đâu đến đâu? Bài 3: KHẢO SÁT MẠCH BẰNG DAO ĐỘNG KÝ khảo sát mạch phân điện trở dao động ký Các thiết bị trang thái sẵn sàng, mắc mạch hình 7.1 Từ ngõ [ OUT – PUT] nguồn [ AF] lấy tín hiệu hình sin có giá trị 2v ngõ ( xác định 2v VOM), ứng với tần số 1kHz 104 Sau đưa tín hiệu tới cầu phân điểm [ A] [D], vào dao động ký Trước hết que dò dương [ →] dao động ký nối với điểm [ A] điều chỉnh núm xoay: [VOLTS/DIV], [TIME/DIV], [POSITION  ],[TRIGGER LEVER], để có sóng đứng im, biên độ [h] khoảng [4→6] hình, giữ nguyên, không điều chỉnh dao động ký Tiếp theo đặc que dò dương [→] đến diểm B,C thay đỏi vị trí que dị dương B,C khơng thay đổi vị trí núm điều chỉnh dao động ký) Quan sát vẽ lại sóng xuất dao động ký Giải thích dạng sóng vừa vẽ 105 Đo điện trở dao động ký - Từ ngõ [ OUT- PUT] nguồn [ AF] lấy tín hiệu sóng sin có biên độ hiệu dụng 2v ( xác định 2v Vom ), ứng với tần số kHz hình Đặt que dò dương đến diểm [A] que dò âm đến điểm [B] Điều chỉnh núm xoay [VOLTS/DIV], [TIME/DIV], [POSITION [TRIGGER LEVER], để có sóng đứng im hình dao động ký 106 ], Ghi nhận giá trị biên độ h1 [ô] vào bảng Giữ nguyên núm điều chỉnh nguồn [AF] dao động ký Tiếp theo đặt que dò dương đến điểm [C], ghi nhận giá trị h [ơ] vào bảng Sau thay đổi biên độ sóng sin từ ngõ sóng (U AC ) [OUT PUT] nguồn [ AF] từ (1.5v đến 3v ) lặp lại bước đo Ghi nhận kết h1 [ô] h2 [ô] vào bảng UAC (v) h1[ô] h2[ô] R1 = (h1 / h2 )x R2 (Ω) 1.5 2.5 3 Đo diện dung dao động ký - Từ ngõ [ OUT – PUT] nguồn [ AF] lấy tín hiệu sóng sin có biên độ hiệu dụng 2v ( xác định 2v VOM), ứng với tần số 1kHz hình Sau mắc mạch Đặt que dò dương đến diểm [D} que dò âm đến [ E] Điều chỉnh núm xoay Điều chỉnh núm xoay [VOLTS/DIV], [TIME/DIV], [POSITION ], [TRIGGER LEVER], để có sóng đứng im hình dao động ký Ghi nhận giá trị biên độ h1 [ơ] sóng UDE vào bảng Giữ nguyên núm điều chỉnh nguồn [AF] dao động ký 107 Tiếp theo đặt que dò dương đến điểm [ F], ghi nhận giá trị h [ơ] sóng UEF vào bảng Sau tahy đổi tần số sóng sin từ nguồn [ AF]: f( 1kHz đến 3kHz) lặp lại bước đo Ghi nhận kết h1 h2 [ô] vào bảng f (kHz) h1[ô] h2[ô] C = (h1 / h2 )x(1/RΩ) μF 1.5 2.5 Đo điện cảm dao động ký - Từ ngõ [ OUT – PUT] nguồn [ AF] lấy tín hiệu sóng sin có biên độ hiệu dụng 2v ( xác định 2v VOM), ứng với tần số 1kHz hình Sau mắc mạch hình 7.5 - Chọn R= 39Ω 18Ω, 82Ω, đặt que dò dương đến điểm [A] que dò âm đến điểm [B] - Điều chỉnh núm xoay Điều chỉnh núm xoay [VOLTS/DIV], [TIME/DIV], [POSITION ], [TRIGGER LEVER], để có sóng đứng im hình dao động ký - Ghi nhận giá trị biên độ h1 [ơ] sóng UAB vào bảng - Giữ nguyên núm điều chỉnh nguồn [AF] dao động ký - Tiếp theo đặt que dò dương đến điểm [ C], ghi nhận giá trị h [ô] sóng UAC vào bảng Sau thay đổi tần số sóng sin từ nguồn [ AF]: 108 f( 1kHz đến 3kHz) lặp lại bước đo Ghi nhận kết h h2 [ơ] vào bảng Với cơng thức tính L tự xác định f (kHz) h1[ô] h2[ô] L = ? ( H) 1.5 2.5 BÀI TẬP ÁP DỤNG + Nguồn tín hiệu Tín hiệu tạo từ máy phát chức Giá trị hiệu dụng tín hiệu đo đồng hồ vạn + Bài tập TT Nội dung Số liệu cho trước: Máy song Tín hiệu hình sin tần số 10KHz Điện áp 3V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu:Um = - Tần số tín hiệu f = X= / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV Số liệu cho trước: Tín hiệu hình sin tần số 500KHz Điện áp 3,5V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu: Um = - Tần số tín hiệu f = 109 X= / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV Số liệu cho trước: Tín hiệu hình sin tần số 1MHz Điện áp 2V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu: Um = - Tần số tín hiệu f = X= / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV Số liệu cho trước: tín hiệu hình sin tần số 100kHz Điện áp 4V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu: Um = - Tần số tín hiệu f = X= / DIV Số liệu cho trước: tín hiệu hình sin tần số 100kHz Điện áp 4V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu: Um = - Tần số tín hiệu f1 = - Tần số tín hiệu f2 = 110 X= / DIV Số liệu cho trước: tín hiệu hình sin tần số 100kHz 50KHz Điện áp 4V~ Xác định máy sóng: - Biên độ cực đại tín hiệu: Um = - Tần số tín hiệu f1 = - Tần số tín hiệu f2 = 111 X= / DIV CH1 = / DIV CH2 = / DIV TÀI LIỆU THAM KHẢO a Nguyễn Ngọc Tân – Ngô Tấn Nhơn – Ngô Văn Ky, Kỹ thuật đo, Trường Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh b PTS Phan Ngọc Bích – KS Phan Thanh Đức – KS Trần Hữu Thanh, Giáo trình đo lường điện – máy điện – khí cụ điện, Trường Kỹ thuật điện – Công ty điện lực TP Hồ Chí Minh c Nguyễn Văn Hịa, Giáo trình đo lường đại lượng điện không điện, NXBGD 112 ... điện trở là: Rx  U U  Ix I  Iv  5.4  - Mạch đo điện tử voltmet điện trở mẫu (hình 11 .2) Hình 11 .2: Mạch đo điện tử voltmet điện trở mẫu 68 Theo hình điện trở cần đo Rx mắc nối tiếp với điện. .. khắc phục phần, điện trở mẫu người ta phân thành cực dòng cực áp riêng - Khi đo giá trị điện trở lớn, cần tránh ảnh hưởng điện trở khối điện trở bề mặt - Khi đo điện trở vật có độ ẩm cao, người...  5.1 Trong đó: U – điện áp đo vơn-kế; I – dịng điện đo ampekế Theo mạch đo: U = Ua + Ux (5 .2) với: Ua - điện áp rơi ampe-kế; Ux - điện áp rơi R Điều gây sai số trị số điện trở là: Rx  U x