GIÁO TRÌNH Mô đun/Môn học:Đo Lường Điện Nghề: Điện Công Nghiệp Trình độ: Trung cấp

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ TĨNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH GIÁO TRÌNH Mơ đun/Mơn học:Đo Lường Điện Nghề: Điện Cơng Nghiệp Trình độ: Trung cấp Tài liệu lưu hành nội Năm 2017 Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU BÀI MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm đo lường 1.2 Khái niệm đo lường điện 1.3 Các phương pháp đo CÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ 2.1 Khái niệm sai số 2.2 Các loại sai số 2.3 Phương pháp tính sai số 2.4 Các phương pháp hạn chế sai số 10 BÀI CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG 12 KHÁI NIỆM VỀ CƠ CẤU ĐO 12 CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO 13 2.1 Cơ cấu đo từ điện 13 2.2 Cơ cấu đo điện từ 16 2.3 Cơ cấu đo điện động 17 2.4 Cơ cấu đo cảm ứng 18 BÀI ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN 20 ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG U,I 20 1.1 Đo dòng điện 20 1.2 Đo điện áp 26 ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG R,L,C 34 2.1 Đo điện trở 34 2.2 Đo điện cảm 41 2.3 Đo điện dung 43 Tụ điện lý tưởng tụ khơng tiêu thụ cơng suất (dịng điện chiều không qua tụ ) thực tế có lớp điện mơi nên có dịng điện nhỏ qua từ cực đến cực tụ có tổn hao cơng suất 43 3.1 Đo tần số 43 3.2 Đo công suất điện 45 BÀI SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY ĐO THÔNG DỤNG 53 SỬ DỤNG VOM, MΩ 53 1.1 Sử dụng VOM 53 1.2 Sử dụng MΩ 55 SỬ DỤNG AMPE KÌM, OSC 56 2.1 SỬ DỤNG AMPE KÌM 56 2.2 Sử dụng Dao động ký (Oscilloscope) 59 SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 69 3.1 Máy biến điện áp 69 3.2 Máy biến dòng điện 70 TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO 73 Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH LỜI NÓI ĐẦU Đo lường điện môn học nghiên cứu phương pháp đo đại lượng vật lý: đại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất,… đại lượng không điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc… Giáo trình Đo lường điện biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thơng tin, Tự động hố, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông Cung cấp cho sinh viên kiến thức chuyên sâu kỹ thuật đo lường ngành điện Trình bày dụng cụ đo, nguyên lý đo phương pháp đo thông số Trên sở đó, người học biết cách sử dụng dụng cụ đo xử lý kết đo cơng việc sau Trong q trình biên soạn, đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, cố gắng sửa chữa, bổ sung cho sách hồn chỉnh hơn, song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH BÀI MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN Khái niệm đo lường điện 1.1 Khái niệm đo lường Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo lường (Ax) giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (Xo): Kết đo biểu diễn dạng: A = X ta có X = A.X0 X0 Trong đó: X - đại lượng đo X0 - đơn vị đo A - số kết đo Từ (1.1) có phương trình phép đo: X = Ax Xo , rõ so sánh X so với Xo, muốn đo đại lượng cần đo X phải có tính chất giá trị so sánh được, muốn đo đại lượng tính chất so sánh thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng so sánh 1.2 Khái niệm đo lường điện Đại lượng so sánh với mẫu hay chuẩn đo Nếu đại lượng khơng so sánh phải chuyển đổi đại lượng so sánh với mẫu hay chuẩn đo Đo lường điện trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần đo để có kết số so với đơn vị đo 1.3 Các phương pháp đo Phương pháp đo việc phối hợp thao tác trình đo, bao gồm thao tác: xác định mẫu thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể kết hay thị Các phương pháp đo khác phụ thuộc vào phương pháp nhận thông tin đo nhiều yếu tố khác đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo mà người quan sát phải biết chọn phương pháp đo khác để thực tốt q trình đo lường Có thể có nhiều phương pháp đo khác thực tế thường phân thành loại phương pháp đo phương pháp đo biến đổi thẳng phương pháp đo kiểu so sánh 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng - Định nghĩa: phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa khơng có khâu phản hồi Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH - Quá trình thực hiện: * Đại lượng cần đo X qua khâu biến đổi để biến đổi thành số NX, đồng thời đơn vị đại lượng đo XO biến đổi thành số NO * Tiến hành trình so sánh đại lượng đo đơn vị (thực phép chia NX/NO), * Thu kết đo: AX = X/XO = NX/NO Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình gọi trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X tín hiệu đơn vị X O sau qua khâu biến đổi (có thể hay nhiều khâu nối tiếp) qua biến đổi tương tự - số A/D để có NX NO , qua khâu so sánh có NX/NO Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn tín hiệu qua khâu biến đổi có sai số tổng sai số khâu, dụng cụ đo loại thường sử dụng độ xác yêu cầu phép đo không cao 1.3.2.Phương pháp đo kiểu so sánh: - Định nghĩa: phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vịng, nghĩa có khâu phản hồi - Quá trình thực hiện: + Đại lượng đo X đại lượng mẫu XO biến đổi thành đại lượng vật lý thuận tiện cho việc so sánh + Quá trình so sánh X tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn suốt trìnhđo, hai đại lượng đọc kết XK có kết đo Quá trình đo gọi trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo kiểu so sánh (hay cịn gọi kiểu bù) Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH Hình 1.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh + Các phương pháp so sánh: so sánh SS thực việc so sánh đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua so sánh có: ΔX = X - XK Tùy thuộc vào cách so sánh mà có phương pháp sau: - So sánh cân bằng: * Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu XK = NK.XO so sánh với cho ΔX = 0, từ suy X = XK = NK.XO + suy kết đo: AX = X/XO = NK Trong trình đo, XK phải thay đổi X thay đổi để kết so sánh ΔX = từ suy kết đo * Độ xác: phụ thuộc vào độ xác XK độ nhạy thiết bị thị cân (độ xác nhận biết ΔX = 0) Ví dụ: cầu đo, điện kế cân - So sánh không cân bằng: * Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK không đổi biết trước, qua so sánh có ΔX = X - XK, đo ΔX có đại lượng đo X = ΔX + XK từ có kết đo: AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO * Độ xác: độ xác phép đo chủ yếu độ xác XK định, ngồi cịn phụ thuộc vào độ xác phép đo ΔX, giá trị ΔX so với X (độ xác phép đo cao ΔX nhỏ so với X) Phương pháp thường sử dụng để đo đại lượng không điện, đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ… - So sánh khơng đồng thời: * Q trình thực hiện: dựa việc so sánh trạng thái đáp ứng thiết bị đo chịu tác động tương ứng đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, hai trạng thái đáp ứng suy X = XK Đầu tiên tác động X gây trạng thái đo thiết bị đo, sau thay X đại lượng mẫu XK thích hợp cho gây trạng thái X tác động, từ suy X = XK Như rõ ràng XK phải thay đổi X thay đổi * Độ xác: phụ thuộc vào độ xác XK Phương pháp xác thay XK X trạng thái thiết bị đo giữ nguyên Thường giá trị mẫu đưa vào khắc độ trước, sau qua vạch khắc mẫu để xác định giá trị đại lượng đo X Thiết bị đo theo phương pháp thiết bị đánh giá trực tiếp vônmét, ampemét thị kim Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH - So sánh đồng thời: * Quá trình thực hiện: so sánh lúc nhiều giá trị đại lượng đo X đại lượng mẫu XK, vào giá trị suy giá trị đại lượng đo Ví dụ: xác định inch mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm trùng nhau, đọc điểm trùng là: 127mm inch, 254mm 10 inch, từ có được:1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm Trong thực tế thường sử dụng phương pháp để thử nghiệm đặc tính cảm biến hay thiết bị đo để đánh giá sai số chúng Từ phương pháp đo có cách thực phép đo là: - Đo trực tiếp : kết có sau lần đo - Đo gián tiếp: kết có phép suy từ số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: gián tiếp phải giả phương trình hay hệ phương trình có kết - Đo thống kê: đo nhiều lần lấy giá trị trung bình có kết Các sai số tính sai số 2.1 Khái niệm sai số Ngoài sai số dụng cụ đo, việc thực trình đo gây nhiều sai số Nguyên nhân sai số gồm: - Phương pháp đo chọn - Mức độ cẩn thận đo Do kết đo lường khơng với giá trị xác đại lượng đo mà có sai số, gọi sai số phép đo Như muốn có kết xác phép đo trước đo phải xem xét điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau đo cần phải gia công kết thu nhằm tìm kết xác 2.2 Các loại sai số * Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống - Sai số phép đo: sai số kết đo lường so với giá trị xác đại lượng đo - Giá trị thực Xth đại lượng đo: giá trị đại lượng đo xác định với độ xác (thường nhờ dụng cụ mẫu có cáp xác cao dụng cụ đo sử dụng phép đo xét) Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường khơng biết trước, đánh giá sai số phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth đại lượng đo Như ta có đánh giá gần kết phép đo Việc xác định sai số phép đo - tức xác định độ tin tưởng kết đo nhiệm vụ đo lường học Sai số phép đo phân loại theo cách thể số, theo nguồn gây sai số theo qui luật xuất sai số Tiêu chí phân loại Theo cách thể số Theo nguồn gây sai số Theo qui luật xuất sai số Loại sai số - Sai số tuyệt đối - Sai số tương đối - Sai số phương pháp - Sai số thiết bị - Sai số chủ quan - Sai số bên - Sai số hệ thống - Sai số ngẫu nhiên Tiêu chí phân loại Loại sai số Theo cách thể số Theo nguồn gây Theo qui luật xuất sai số sai số - Sai số tuyệt đối - Sai số phương pháp - Sai số hệ thống - Sai số tương đối - Sai số thiết bị - Sai số ngẫu nhiên - Sai số chủ quan - Sai số bên Bảng 2.1 Phân loại sai số phép đo * Sai số tuyệt đối ΔX: hiệu đại lượng đo X giá trị thực Xth : ΔX = X - Xth * Sai số tương đối γX : tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực tính Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH phần trăm: X = X 100(%) ;  th Vì X = X th nên có:  X  X 100(%)  Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng phép đo Độ xác phép đo ε : đại lượng nghịch đảo sai số tương đối: =  th = X X * Sai số hệ thống (systematic error): thành phần sai số phép đo khơng đổi thay đổi có qui luật đo nhiều lần đại lượng đo Qui luật thay đổi phía (dương hay âm), có chu kỳ theo qui luật phức tạp Ví dụ: sai số hệ thống khơng đổi là: sai số khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch…), sai số hiệu chỉnh dụng cụ đo khơng xác (chỉnh đường tâm ngang sai dao động ký…)… Sai số hệ thống thay đổi sai số dao động nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), ảnh hưởng trường điện từ… Hình 2.1 Sai số hệ thống khắc vạch độ - đọc cần hiệu chỉnh thêm độ 2.3 Phương pháp tính sai số Dựa vào số lớn giá trị đo xác định qui luật thay đổi sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng phương pháp toán học thống kê lý thuyết xác suất Nhiệm vụ việc tính tốn sai số ngẫu nhiên rõ giới hạn thay đổi sai số kết đo thực phép đo nhiều lần, phép đo có kết với sai số ngẫu nhiên vượt giới hạn bị loại bỏ - Cơ sở tốn học: việc tính tốn sai số ngẫu nhiên dựa giả thiết sai số ngẫu nhiên phép đo đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bốchuẩn (luật phân bố Gauxơ-Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt giá trị xác suất Giáo trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH xuất khơng kết đo có sai số ngẫu nhiên bị loại bỏ - Các bước tính sai số ngẫu nhiên: Xét n phép đo với kết đo thu x1, x2, , xn * Tính ước lượng kì vọng tốn học mX đại lượng đo: − mX = X = n X + X + + X n x = i , n i =1 n giá trị trung bình đại số n kết đo * Tính độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình vi : − vi = xi − X vi (còn gọi sai số dư) * Tính khoảng giới hạn sai số ngẫu nhiên: tính sở đường phân bố chuẩn:  = 1 ,  , thường chọn:  = 1 ,  với: n 1 =  = v i −1 i n.(n − 1) , với xác suất xuất sai số ngẫu nhiên khoảng 34% * Xử lý kết đo: kết đo có sai số dư vi nằm khoảng 1 ,   bị loại 2.4 Các phương pháp hạn chế sai số Một nhiệm vụ phép đo xác phải phân tích nguyên nhân xuất loại trừ sai số hệ thống Mặc dù việc phát sai số hệ thống phức tạp, phát việc loại trừ sai số hệ thống khơng khó khăn * Việc loại trừ sai số hệ thống tiến hành cách: - Chuẩn bị tốt trước đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước sử dụng; chuẩn bị trước đo; chỉnh "0" trước đo… - Q trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế… - Xử lý kết đo sau đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trường hợp sai số hệ thống khơng Giáo trình đo lường điện 10 ... trình đo lường điện TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH BÀI MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN Khái niệm đo lường điện 1.1 Khái niệm đo lường Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo. .. ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm đo lường 1.2 Khái niệm đo lường điện 1.3 Các phương pháp đo ... ĐẦU Đo lường điện mơn học nghiên cứu phương pháp đo đại lượng vật lý: đại lượng điện: điện áp, dịng điện, cơng suất,… đại lượng không điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc… Giáo trình Đo lường điện