Kỹ thuật đo điện điện tử.Bản tóm tắt bài giảng GVC.TS.Đinh sơn tú Tài liệu giảng dạy lưu hành nội bộ Trường đại học công nghệ Tôn Đức Thắng.Khoa Điện Điện tử NỘI DUNG: chương 1: Khái niệm về đo lường chướng 2: chỉ thị đo lường chuong 3: đo điện áp và dòng điện chương 4: đo điện trở chuóng 5: đo điện chung,điện cảm, hỗ cảm chương 6: đo công suất điện, điện năng chuóng 7: dao động ký chương 8: thiết bị phân tích tín hiệu chương 9: cơ cấu đo hiện số:
Trường Đại học Công nghệ Tôn Đức Thắng Khoa Điện – Điện tử TÓM TẮT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GVC TS Đinh Sơn Tú Tài liệu giảng dạy lưu hành nội Tp HCM – 2002 Nội dung Chương Chương Chương Chương Chương Chương Chương Chương Chương 1: Khái niệm đo lường 2: Chỉ thị đo lường 3: Đo điện áp dòng điện 4: Đo điện trở 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm 6: Đo công suất điện 7: Dao động ký 8: Thiết bị phân tích tín hiệu 9: Cơ cấu đo số Sách tham khảo chính: Kỹ thuật đo – Nguyễn Ngọc Tân – Nhà xuất Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG §1-1: ĐẠI LƯNG ĐO LƯỜNG Có loại bản: Đại lượng điện Đại lượng không điện Đại lượng điện: Đại lượng điện tác động (active – có nguồn) Đại lượng điện thụ động (passive) Tác động: V, I, P lượng cung cấp cho mạch đo Nếu lượng lớn phải phân áp dòng trước đo Còn lượng nhỏ, phải khuyếch đại trước đo Thụ động: R, L, C, M (hổ cảm): không mang lượng nên phải cung cấp lượng Đo nóng Đo nguội Đại lượng không điện: ví dụ nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, tốc độ, gia tốc… thường đổi sang đại lượng điện cảm biến đo §1-2: CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO Chức năng: Cho kết đo Kiểm tra trình hoạt động hệ thống tự động điều khiển ⇒ “đo lường trình” công nghiệp Đây môn học ngành tự động hóa Đặc tính thiết bị đo: Có thể chia: Thiết bị đo điện Trang Thiết bị đo điện tử Hoặc chia: Thiết bị kim thị (analog) Thiết bị số Hoặc : Đo lường điều khiển từ xa §1-3: CHUẨN HOÁ TRONG ĐO LƯỜNG Cấp chuẩn hoá: Cấp 1: chuẩn quốc tế: trung tâm đo lường quốc tế đặt Paris Cấp 2: chuẩn quốc gia: viện định chuẩn quốc gia chuẩn hoá theo quốc tế Cấp 3: chuẩn khu vực: theo khu vực địa lý Cấp 4: chuẩn phòng thí nghiệm Cấp xác thiết bị đo: Được ghi máy sổ tay kỹ thuật (cataloge) thiết bị đo: 0.1%, 0.5%, 1%… §1-4: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Sai số tuyệt đối: e = yn − xn Trong đó: yn: trị số tin cậy xn: trị số đo Sai số tương đối: y − xn e= n x100% yn Thí dụ: điện áp có trị số 50V đo 49V ⇒ e=1V, er=2% Trang Ngoài có khái niệm: Độ xác tương đối Tính xác Sai số chủ quan Sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên Giới hạn sai số §1-5: CẤU TRÚC THIẾT BỊ ĐO Tổng quát: có khối Cảm biến Gia công tín hiệu Chỉ thị Kết Cảm biến : Biến đại lượng không điện thành đại lượng điện Gia công tín hiệu : Biến đổi tín hiệu điện phù hợp với thị Chỉ thị kết quả: Chỉ thị kim số §1-6: SỰ LỰA CHỌN VÀ DÙNG CÁC THIẾT BỊ ĐO Chọn thiết bị đo cho phù hợp: Đại lượng đo: V, U, I,… Thang đo Cấp xác Độ nhạy.v.v Cẩn thận sử dụng: Đọc kỹ qui trình đo Phạm vi đo An toàn cho người máy Trang §1-7: HỆ THỐNG ĐO Hệ thống đo dạng analog a) Hệ thống đo kênh: Analog Trang b) Hệ thống đo analog nhiều kênh: Đường truyền Cần đo nhiều đại lượng đại lượng đo kênh ⇒ xếp ⇒ điều chế (mã hoá) theo tần số ⇒ phát (truyền) ⇒ thu ⇒ giải mã ( Có thể thực đo từ xa) Trang Hệ thống đo dạng số: Tương tự hệ thống analog nhờ dùng vi xử lý, máy tính với việc cài đặt phần mềm ⇒ xử lý nhanh, linh hoạt thông minh Điều khiển từ xa thiết bị đo lường: Linh hoạt nhờ remote điều khiển chức hệ thống đo lường cách sử dụng đường truyền số liệu (bus) vi xử lý Trang Trang Chửụng 2: CHặ THề ẹO LệễỉNG Đ2-1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI Chỉ thị đo lường khâu chức biến đại lượng cần đo thành số đo với đơn vị đo lường chọn Có loại thị: Chỉ thị điện ⇒ Analog Chỉ thị số ⇒ Digital a) Chỉ thị điện: X α Chỉ Thị Trong đó: X: đại lượng vào U, I α: đại lượng góc quay kim thị dẫn (con số) giúp đọc kết đo b) Chỉ thị số: X Chỉ Thị M Ra Con số Trong đó: X: đại lượng vào tín hiệu dạng mã Ra: số thập phân với đơn vị dẫn Trang 10 www.ketnoibanbe.org t t t TM t t N: Số xung đếm f X = N 10 TM Máy đo số đo đại lượng khó lượng tử hoá trực tiếp Dễ mã hoá theo góc pha (αX) Dễ mã hoá theo thời gian (fX) Dễ mã hoá theo tần số (TX) Rồi dùng thiết bị đo góc, thời gian tần số Máy đo số : đo đại lượng khó lượng tử hoá trực tiếp dễ so sánh logic lực, moment Đối với loại người ta xây dựng theo sơ đồ kín phần toàn phần với sử dụng biến đổi ngược II Sai số máy đo số Trang 84 www.ketnoibanbe.org Chủ yếu do: Sai số lượng tử hoá theo thời gian lượng tử hoá giá trị Sai số so sánh Sai số lượng tử hoá theo thời gian Tx Xung khởi T0 TN Xung tắt Trong đó: Tx: thời gian cần đo TN: thời gian theo xung đếm Sai số: ∆T=TX-TN ∆Tmax = T0 = f0 Sai số tương đối: γ t max = ± 100% N Vậy tần số xung đếm lớn sai số nhỏ Sai số lượng tử hoá giá trị N ∆X ∆Xe X Ta dễ dàng nhận thấy ∆Xmax=∆Xe (∆Xe: bước lượng tử hoá theo giá trị) Và sai số tương đối: Trong đó: 100% Trang 85N γ t max = ± N số bước lượng tử hoá www.ketnoibanbe.org Sai số so sánh: so sánh với đại lượng mẫu gây III Các phận máy đo số: Bộ biến đổi tương tự – mã: Tín hiệu vào :liên tục Tín hiệu :mã Bao gồm không gian, thời gian, tần số, điện áp… a) Bộ biến đổi không gian – mã: Nguyên tắc: đem đại lượng cần biến đổi so sánh với đại lượng mẫu mã hóa tín hiệu đầu Ví dụ: biến đổi độ dài – mã: Đầu vào: độ dài Lx biến đổi liên tục Đầu : cho mã tương ứng (ví dụ mã nhị phân) Độ dài cần đo giả sử lx Chổi quét chuyển dịch vị trí liên tục độ dài tương ứng với dãy 20, 21, ….24 Trang 86 www.ketnoibanbe.org Các hàng mã ứng với ô dẫn điện (gạch chéo) có tín hiệu 1, ô cách điện tín hiệu Lx=12∆l=0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 0.20 =01100 Neáu ∆l=12mm lx=12mm(10)=01100(2) b) Bộ biến đổi thời gian – mã: Đếm xung K Chỉ thị Tạo xung nhịp f0 Xung mở Xung tắtû x Tx T0 t Trang 87 www.ketnoibanbe.org Trigger: trạng thái cân bền tạo Tx ứng với khoảng thời gian chuyển đổi xung mở xung tắt Tạo xung nhịp ( mẫu để so sánh) có tần số f0, chu kỳ T0 Các chu kỳ T0 lấp đầy khoảng Tx Ở đầu khoá K số chu kỳ T0 xung nhịp => đưa vào đếm thị T N = x → Tx = NT0 = N T0 f0 c) Boä biến đổi tần số – mã: fx Tạo xung Phát xung chuẩn f0 T0 K Chia xung Đếm xung Trigger KT0 Ở đầu tạo xung có xung chu kỳ Tx=1/fx Trang 88 Chỉ thị www.ketnoibanbe.org Bộ phát xung chuẩn (nhịp) có T0=1/f0 đầu có chia xung CX, sau Trigger tạo xung có độ rộng: Td = kT0 khoá K đóng mở theo chu kỳ Td số xung Nx Tx qua thời gian Td = KT0 T N = d → qua đếm vào thị KT0 d) Bộ biến đổi điện áp – mã: Có cách: Biến đổi điện áp dạng thời gian – mã: Biến đổi điện áp dạng tần số – mã: Bộ biến đổi điện áp – thời gian –mã: Gồm bộ: - Bộ biến đổi điện áp – thời gian - Bộ biến đổi thời gian –mã Sơ đồ khối: Vx So sánh Xung tắt Xung khởi Tạo xung cưa K T FX Đếm xung T0, f0 Q Trigger Trang 89 Chỉ thị www.ketnoibanbe.org t x VRC t Tr Vx Vx làm cho Trigger chuyển trạng thái kích xung cưa làm việc có xung đầu Trang 90 www.ketnoibanbe.org Các xung đưa vào so sánh: mạch tích phân có τp >> τn Ứng với KTr=Ux, so sánh ngưng làm việc -> tạo xung tắt ->trigger chuyển trạng thái chấm dứt chu kỳ Tx Các xung nhịp có chu kỳ To (tần số fo) qua đếm xung thời gian Tx đó: N V x = NT0 = KTr = f0 Bộ biến đổi điện áp – tần số –mã Gồm bộ: - Điện áp -> Tần số - Tần số -> mã Sơ đồ khối: Vx So sánh Tạo xung cưa Trigger Xung tắt Đếm xung K T0 Tạo xung nhịp Xung khởi Trang 91 Chỉ thị www.ketnoibanbe.org Tr Vx KTr t Hoạt động: Có xung khởi -> làm cho TxRC làm việc Có chức năng: đưa vào so sánh để so với Vx đưa vào khoá K ng với Vx=KTr -> đầu so sánh có xung tắt làm cho Tr ngưng làm việc -> TxRC khoá K ngừng Trang 92 www.ketnoibanbe.org Trong thời gian khoá K mở (KTr) xung nhịp có chu kỳ T0 lấp đầy với N xung: N V x = NT0 = KTr = f0 Bộ biến đổi mã – tương tự: a) Bộ biến đổi mã – thời gian: Từ mã sang thời gian tương ứng Sơ đồ khối: Nx DX: Đếm xung _ + K TXD Tạo xung đếm Xung tắt Xung khởi Tx t Trang 93 www.ketnoibanbe.org Hoạt động: Đặt mã Nx vào đầu đếm chiều Khi có xung khởi -> Trigger chuyển -> K mở -> bắt đầu thời gian Tx tính Khi mã Nx giá trị xung đầu vào N+ -> đầu đếm xung cho xung tắt làm cho Trigger chuyển trạng thái K đóng, kết thúc Tx giá trị mã đếm tương ứng với thời gian Tx b) Bộ biến đổi mã – điện áp: chuyển đổi tính hiệu mã giá trị điện áp Sơ đồ khoái: E R 1 0 R R Nuùt i m-1 2 R/2 R R/2 Trang 94 R R/2 U~ www.ketnoibanbe.org Hoạt động: Nhận xét: từ nút nào, điện trở phải, trái, bên R Giả sử từ nút i, xuất mã tức chuyển mạch nối nguồn điện áp nút i laø: R E i R R Ui E R Ui = 2=E 1.5R Điện áp nút i+1 laø : E U i +1 = Vaø điện áp nút i+k : E U i+k = k Ví dụ: ta xét cho trường hợp có chuyển mạch tức mã có: 20 21 22 nút i =1; 2; Trang 95 www.ketnoibanbe.org Nếu chuyển mạch i=1 đóng thì: Ui = E/3 U~ E đầu : U ~ = 2 E Nếu chuyển mạch i=2 đóng thì: U ~ = E Nếu chuyển mạch i=3 đóng thì: U ~ = Trang 96 www.ketnoibanbe.org Bộ biến đổi mã – mã: Chuyển đổi từ dạng mã sang mã khác theo yêu cầu Thường: - Từ mã 2->10 (2 -10)->10 hay - Từ mã 10 -> a Chuyển đổi từ mã sang mã 10 Sơ đồ khối: Xung khởi động TXN Tạo xung nhịp + Mã DX1 Đếm xung DX2: Đếm xung Mã 10 Hoạt động: Đầu vào DX1 có mã “2” vào -> có xung khởi động đếm ->DX1 DX2 làm việc đồng thời Khi đầu vào mã “2” tín hiệu (+) tạo xung nhịp đếm (TxN) -> xuất xung tắt => làm cho TxN tắt Dx1 ĐX2 ngừng làm việc ng theo thời điểm này: giá trị mã “10” phải đầu ĐX2 ứng giá trị mã hoá đưa vào DX1 b Chuyển đổi mã 2-10 sang mã 10 Mã 2-10 mã: Mỗi số hạng chữ số biểu thị hệ đếm mã nhị phân Còn toàn chữ số theo quy luật hệ đếm 10 Ví dụ: 10210=0001 0000 0010 Trang 97 www.ketnoibanbe.org Có thể dùng hệ thống chuyển mạch theo sơ đồ sau: (1) E (2) 2 (3) (5) (4) (6) (7) (9) (8) Mã 2 Mã 10 Hoạt động: Ứng với giá trị mã khoá tương ứng làm việc đồng thời ta nhân mã 10 đầu ra: Tin hiệu số ->0000 Khi mã 10 -> 0010 Khi chuyển mạch -> chuyển phải đầu số có điện Giả sử số -> 0101 Khi chuyển mạch chuyển phải c Chuyển đổi mã 10 sang mã 2: trình ngược laïi Trang 98 ... rộng tầm đo cho thang đo cách thay đổi R1 R2 ng dụng: Đo điện trở cách điện tắt nguồn điện Đo cách điện có nguồn Đo điện trở đo? ??n dây bị chạm §4- 7: ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT (Tự tham khảo) §4- 8: ĐO ĐIỆN... Khái niệm đo lường 2: Chỉ thị đo lường 3: Đo điện áp dòng điện 4: Đo điện trở 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm 6: Đo công suất điện 7: Dao động ký 8: Thiết bị phân tích tín hiệu 9: Cơ cấu đo số... 3: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN §3-1: ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC) Đo dòng DC: Cả loại hoạt động với dòng DC nên dùng làm thị cho máy đo dòng DC phải mở rộng tầm đo (thang đo) I=IM+IS Điện