Giáo trình Đo lường điện điện tử (Nghề Điện tử công nghiệp Trình độ Cao đẳng)

Thiết bị đo kiểu nam châm vĩnh cửu với cuộn dây quay

Phân loại

2 Ampe kế đo điện 1 chiều 1 1

2.3 Phương pháp mở rộng thang đo

2 Bài 2: Phương pháp đo các đại lượng không điện

2 Giới thiệu phương pháp đo 1 1

2.1 Đo điện trở bằng phương pháp đo gián tiếp

2.2 Đo điện trở bằng phương pháp đo trực tiếp

2.3 Đo điện trở bằng phương pháp so sánh

3 Bài 3: Đo lường bằng máy hiện sóng 12 4 8

1.3 Các chức năng điều khiển trên mặt máy hiện sóng

1.5 Sử dụng máy hiện sóng

1.6 Các phép đo với máy hiện sóng

1.7 Các điểm lưu ý khi sử dụng máy hiện sóng

2.1 Đọc giá trị đỉnh và biên độ

2.2 Quan sát và đánh giá dạng sóng

3 Đo thời gian và tần số 2 2

3.2 Cách tính đo thời gian và tần số

4.1 Khảo sát sóng bằng dao động ký

4 Bài 4: Máy phát tín hiệu 13 4 8 1

1.4 Máy phát trộn tần số

loại

Nguyên lý hoạt động

2 Ampe kế đo điện 1 chiều 1 1

2 Giới thiệu phương pháp đo 1 1

BÀI 1: CƠ CẤU ĐO Mã bài: MĐ10-01

Cơ cấu đo là thành phần chính trong các dụng cụ và thiết bị đo lường, bao gồm cả dạng tương tự (Analog) và hiện số (digital) Trong dạng tương tự, các đại lượng cần đo như điện áp, tần số, và góc pha được chuyển đổi thành góc quay α của phần động, biến đổi từ năng lượng điện từ sang năng lượng cơ học Các cơ cấu chỉ thị này thường được sử dụng để đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, tần số, công suất, góc pha, và điện trở trong mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp.

Số hiện số là một hệ thống chỉ thị số sử dụng các kỹ thuật điện tử và máy tính để chuyển đổi và hiển thị các đại lượng đo Các thiết bị hiện số đa dạng bao gồm đèn sợi đốt, LED 7 đoạn, màn hình tinh thể lỏng LCD, và màn hình cảm ứng.

- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các thiết bị đo lường dùng kim và chỉ thị số thông dụng trong kỹ thuật điện, điện tử

- Có ý thức trách nhiệm và bảo quản thiết bị dụng cụ

1 Thiết bị đo kiểu nam châm vĩnh cửu với cuộn dây quay

- Loại có một khung dây động

- Loại có hai khung dây động

- Cơ cấu nầy được ký hiệu trên mặt máy đo như sau:

1.2.1 Loại có một khung dây động

- Cơ cấu từ điện gồm hai phần cơ bản thể hiện ở hình 1.1

Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện bao gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ, cực từ và lõi sắt, tạo thành mạch từ kín Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở, nơi tạo ra từ trường đều, cho phép khung quay chuyển động Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm, và độ từ cảm b cũng đồng nhất tại các vị trí trong khe hở Từ trường di chuyển từ cực nam đến cực bắc.

Hình 1.1: Cơ cấu chỉ thị từ điện

Khung quay là một thiết bị bao gồm khung nhôm hình chữ nhật, trên đó quấn dây đồng mảnh với đường kính từ 0.03 đến 0.2 mm Trong một số trường hợp, khung quay có thể không có lõi nhôm bên trong, như trong thiết bị điện năng kế.

Khung quay được gắn vào trục quay, được hỗ trợ bởi hai điểm tựa ở hai đầu trục Trục quay là yếu tố chính giúp khung quay hoạt động, và vì vậy nó được gọi là khung quay Ở hai đầu của khung quay, có hai lò xo xoắn để dẫn dòng điện vào khung Khung quay nằm trong từ trường do hai cực của nam châm vĩnh cửu tạo ra Để tăng cường tác động của từ trường lên khung quay, một lõi sắt non hình trụ được đặt bên trong khung, di chuyển trong khe hở hẹp giữa lõi sắt và hai cực nam châm.

Kim chỉ thị được gắn chặt vào trục quay của khung quay Vì vậy khi khung quay di chuyển thì kim chỉ thị sẽ di chuyển tương ứng.

Chất lượng nam châm vĩnh cửu trong cơ cấu đo từ điện có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của dụng cụ đo Yêu cầu đối với nam châm này là phải tạo ra từ cảm b lớn trong khe hở làm việc, đồng thời ổn định theo thời gian và nhiệt độ Trị số từ cảm b càng cao thì moment quay tạo ra càng lớn, dẫn đến độ nhạy của cơ cấu đo tăng lên và giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài.

Hình 1.2: a khung quay – loại trục quay b khung quay – dây treo 1.2.2 Loại có hai khung dây động

Phần tĩnh giống như cơ cấu một khung dây nhưng khe hở không khí giữa cực từ và lõi sắt non là không đều nhau

Trong phần động, hai cuộn dây được đặt chéo nhau với góc 60 độ, được gắn cố định trên trục quay Khi cho dòng điện I1 và I2 chạy qua, chúng tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Phần động này không có lò xo cản và được minh họa trong hình 1.3.

Hình 1.3: Loại có hai khung dây động

1.3.1 Loại có một khung quay

- Bình thường, cuộn dây nằm trong khe hở của nam châm nên nhận được từ trường đều

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường tương tác với từ trường của nam châm, sinh ra lực điện từ khiến cuộn dây quay và làm kim chỉ thị xoay theo Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Nhờ có lò xo cản, kim chỉ thị được giữ ở vị trí thăng bằng tương ứng với lực điện từ do dòng điện cung cấp Khi dòng điện ngừng, lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu Lực điện từ do dòng điện sinh ra được tính theo công thức 1.1.

- B: là cường độ từ cảm của nam châm qua cuộn dây, thường từ 0,1 đến 0,3 Tesla

- L: chiều dài của cuộn dây

- I: là trị số dòng điện

Môment quay M q của lực điện từ F: M q = F.W = N.B.L.W.I = K q I (1.2)

Trong đó: W là bề rộng của khung quay, Với K q = N.B.L.W

Lò xo (hoặc dây treo) tạo moment cản Mc với Mc = Kc. (1.3)

Trong đó: K c là hệ số xoắn của lò so, : góc quay của kim

Hình 1.4: Nguyên lý khung quay Ưu, nhược điểm và ứng dụng của cơ cấu đo điện từ một khung dây

Góc quay của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I nên cơ cấu đo từ điện chỉ sử dụng để đo các đại lượng một chiều

Góc quay của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I, do đó thang đo được chia thành các vạch đều nhau Độ nhạy của cơ cấu đo là cao và không thay đổi trong toàn bộ thang đo.

Cơ cấu đo từ điện có độ chính xác cao, đạt cấp chính xác 0.5% Các phần tử trong cơ cấu đo có độ ổn định cao, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài do từ trường của nam châm vĩnh cửu mạnh Hơn nữa, công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, không ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo, đồng thời có độ cản dịu tốt.

Cơ cấu đo kiểu từ điện có thiết kế phức tạp và khả năng chịu quá tải kém, dẫn đến sai lệch trong phép đo do ảnh hưởng của nhiệt độ Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho phép dòng điện nhỏ đi qua Loại cơ cấu từ điện sử dụng dây xoắn thay cho lò xo dễ bị hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc di chuyển, vì vậy cần phải đệm quá mức cho khung quay để tránh chấn động mạnh gây đứt dây xoắn.

Cơ cấu đo từ điện thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

Sử dụng để sản xuất ampe kế, volt kế và ohm kế với nhiều thang đo và dải đo rộng, các thiết bị này có khả năng chế tạo điện kế với độ nhạy cao Chúng có thể đo cường độ dòng điện xuống đến 10^-12 A và điện áp lên đến 10^-4 V.

Chế tạo dao động ký ánh sáng cho phép quan sát và ghi lại giá trị tức thời của dòng điện, điện áp và tần số lên đến 15kHz Công nghệ này được ứng dụng trong việc sản xuất các thiết bị đo điện tử như volt kế điện tử, tần số điện tử và pha kế điện tử.

Kết hợp với các bộ biến đổi như cầu chỉnh lưu, cảm biến, cặp nhiệt để có thể đo các đại lượng xoay chiều (dòng và áp xoay chiều)

1.3.2 Loại có hai khung dây

Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua các cuộn dây động, từ trường của nam châm vĩnh cữu sẽ sinh ra các môment quay M1 và M2.

Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng từ B phụ thuộc vị trí của khung dây động.

Vì không có lò so phản nên phần động sẽ cân bằng khi M1 = M2, Ta có: f1 (α) S1 W1 I1 = f2 (α) S2 W2 I2

Vậy: (1.8) Ðặc điểm và ứng dụng

Khung dây có độ chính xác cao, công suất tổn thất thấp và độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài Góc lệch α tỉ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua khung dây, điều này thuận lợi cho việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn ngoài Khi nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn giữ nguyên, điều này giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đo.

- Ứng dụng: Ðược dùng chế tạo các ommet, megommet.

Ampe kế đo điện một chiều (DC: direct current)

Dòng điện và điện áp là hai đại lượng điện cơ bản, rất quan trọng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học Do đó, việc tìm hiểu các phương pháp và thiết bị đo dòng điện luôn được chú trọng Một trong những phương pháp hiệu quả để đo dòng điện là phương pháp đo trực tiếp.

Phương pháp so sánh, còn gọi là phương pháp bù, là một kỹ thuật đo lường chính xác Trong phương pháp này, chúng ta sử dụng các dụng cụ đo dòng điện như ampe kế, miliampe kế hoặc microampe kế, tùy thuộc vào cường độ dòng điện cần đo Giá trị đo được sẽ được đọc trực tiếp trên thiết bị đo, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.

Trong phương pháp đo gián tiếp, điện áp rơi trên điện trở mẫu được đo để xác định dòng điện cần đo, áp dụng định luật Ohm Phương pháp so sánh cho phép so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác, đạt trạng thái cân bằng, và kết quả được đọc từ mẫu Có hai hình thức phương pháp so sánh: so sánh trực tiếp và so sánh gián tiếp.

2.1 Nguyên lý cấu tạo Để đo dòng điện một chiều, ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu điện từ, từ điện hay điện động Thông thường ta sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện vì có độ nhạy cao lại tiêu thụ năng lượng ít khoảng 0.2 đến 0.4W và vạch chia trên thang đo được chia đều nên dễ đọc

- Dòng cho phép: thường là 10 -1 ÷ 10 -2 A

- Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,02

Để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị (IFS), cần sử dụng một điện trở shunt phân nhánh được nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện.

Khi đo dòng điện, cần mắc ampe kế nối tiếp với mạch điện theo đúng chiều dương âm Việc này sẽ dẫn đến việc ampe kế tiêu thụ một phần năng lượng của mạch, gây ra sai số trong quá trình đo Phần năng lượng này được gọi là công suất tiêu thụ của ampe kế và có thể tính toán theo một biểu thức cụ thể.

Công suất tiêu thụ của dụng cụ đo càng nhỏ thì sai số của phép đo càng giảm, điều này cho thấy rằng điện trở của cơ cấu đo nên được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.

Ampe mét từ điện là dụng cụ đo được sử dụng để đo dòng điện trong mạch Nó cần được mắc nối tiếp với mạch điện, với cực dương nhận dòng điện vào và cực âm cho dòng điện ra khỏi ampe mét.

Để đảm bảo ampe mét không ảnh hưởng nhiều đến trị số dòng điện cần đo, yêu cầu nội trở của nó phải nhỏ Độ lệch của kim ampe mét từ điện tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua cuộn dây Trị số dòng điện lớn nhất có thể đo được chính là dòng qua cơ cấu đo (IFS) của điện kế Phương pháp mở rộng thang đo (tầm đo) là một giải pháp hiệu quả trong việc nâng cao khả năng đo lường.

Cơ cấu chỉ thị từ điện được sử dụng để chế tạo ampemet cho mạch một chiều, với khung dây quấn bằng dây đồng có kích thước nhỏ từ 0,02 đến 0,04 mm, cho phép dòng điện chạy qua khung dây không vượt quá 20mA Để đo dòng điện lớn hơn, cần mở rộng thang đo bằng cách ghép thêm điện trở shunt (R s) song song với điện kế, giúp phân dòng và cung cấp nhiều tầm đo cho ampe-kế Điện trở shunt được chế tạo từ hợp kim mangan, có độ ổn định cao so với nhiệt độ.

Hình 1.6a: Ammeter mở rộng thang đo

Dòng điện cần đo: IR = Ithang - IFS

Trong đó: IFS - dòng điện qua cơ cấu chỉ thị, Ithang - dòng điện đi qua điện trở shunt Điện trở shunt R s được xác định:

Hình 1.6b: Ammeter mở rộng thang đo

Cách tính trị số điện trở shunt:

Giả sử sử dụng điện kế có IFS = 50μA, RG = 2kΩ và VFS = 0,1V Ở thang đo 50μA, dòng điện chỉ đi qua điện kế với điện trở 2 kΩ Khi kim chỉ thị quay hết khung, điện áp qua điện kế đạt VFS = 0,1V.

Vậy, nếu ở thang đo 250 μA thì điện trở R1 là điện trở shunt được tính sao cho dòng qua điện kế vẫn là 50μA và dòng còn lại qua điện trở R1

Đối với ampe-kế có nhiều tầm đo, cần sử dụng nhiều điện trở shunt, mỗi tầm đo sẽ tương ứng với một điện trở shunt riêng biệt, và việc chuyển tầm đo đồng nghĩa với việc thay đổi điện trở shunt.

Khi sử dụng Ampemet cần chú ý

- Không tạo điện áp rơi tại các mối nối

- Không được nối trực tiếp Ampemet với nguồn điện lớn gây hỏng thiết bị

- Khi sử dụng Ampemet chúng ta để ở thang đo lớn nhất sau đó giảm dần thang đo sao cho đến giá trị dể đọc của dòng cần đo.

VOM/DVOM vạn năng

Thực hành

Giới thiệu phương pháp đo

Máy hiện sóng

Cơ cấu đo là thành phần thiết yếu trong việc chế tạo các dụng cụ và thiết bị đo lường, bao gồm cả dạng tương tự (Analog) và hiện số (Digital) Trong dạng tương tự, dụng cụ đo thực hiện việc biến đổi thẳng các đại lượng cần đo như điện áp, tần số, và góc pha thành góc quay α của phần động, chuyển đổi từ năng lượng điện từ sang năng lượng cơ học Các cơ cấu chỉ thị này thường được sử dụng để đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, tần số, công suất, góc pha và điện trở trong các mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp.

Hiện số (digital) là hệ thống chỉ thị số sử dụng kỹ thuật điện tử và máy tính để chuyển đổi và hiển thị các đại lượng đo Các thiết bị hiện số phổ biến bao gồm đèn sợi đốt, LED 7 đoạn, màn hình tinh thể lỏng LCD và màn hình cảm ứng.

Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện bao gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ, cực từ và lõi sắt, tạo thành mạch từ kín Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở để tạo ra từ trường đều, trong đó khung quay di chuyển Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm, với độ từ cảm b đồng đều Từ trường di chuyển từ cực nam vào cực bắc.

Khung quay là một cấu trúc hình chữ nhật làm từ nhôm, trên đó được quấn dây đồng có đường kính rất nhỏ từ 0.03 đến 0.2 mm Trong một số trường hợp, khung quay có thể không có lõi nhôm bên trong, như trong thiết bị điện năng kế.

Khung quay được gắn vào trục quay, được đặt trên hai điểm tựa ở hai đầu, và nhờ vào trục quay, khung này có thể hoạt động Ở hai đầu khung quay, hai lò xo xoắn được gắn chặt để dẫn dòng điện vào khung Khung quay nằm trong từ trường tạo ra bởi hai cực của nam châm vĩnh cửu Để tăng cường ảnh hưởng của từ trường, một lõi sắt non hình trụ được đặt bên trong khung quay, di chuyển trong khe hở hẹp giữa lõi sắt và hai cực nam châm.

Chất lượng nam châm vĩnh cửu trong cơ cấu đo từ điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của dụng cụ đo Yêu cầu đối với nam châm này là phải tạo ra từ cảm b lớn trong khe hở làm việc, đồng thời ổn định theo thời gian và nhiệt độ Trị số từ cảm b càng cao sẽ dẫn đến moment quay lớn hơn, từ đó nâng cao độ nhạy của cơ cấu đo và giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài.

Trong phần động, hai cuộn dây được đặt chéo nhau với góc 60 độ, cố định trên trục quay Dòng điện I1 và I2 được cho chạy qua hai cuộn dây này, tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Phần động không có lò xo cản và được thể hiện trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường tác động lên từ trường của nam châm, sinh ra lực điện từ khiến cuộn dây quay trong khe hở của nam châm, làm cho kim chỉ thị quay theo Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Nhờ có lò xo cản, kim chỉ thị được giữ ở vị trí thăng bằng tương ứng với lực điện từ do dòng điện cung cấp Khi dòng điện ngừng, lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu Lực điện từ do dòng điện sinh ra được tính theo công thức 1.1.

Góc quay của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I, do đó thang đo được chia thành các vạch đều nhau Độ nhạy của cơ cấu đo luôn cao và không thay đổi trong toàn bộ thang đo.

Cơ cấu đo từ điện có độ chính xác cao, đạt cấp chính xác 0.5% Các phần tử của cơ cấu này có độ ổn định cao, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài nhờ vào từ trường mạnh của nam châm vĩnh cửu Với công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, cơ cấu không làm ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo và có độ cản dịu tốt.

Cơ cấu đo kiểu từ điện có thiết kế phức tạp và khả năng chịu quá tải kém, dẫn đến sai lệch trong phép đo do ảnh hưởng của nhiệt độ Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho phép dòng điện nhỏ đi qua Loại cơ cấu từ điện sử dụng dây xoắn thay cho lò xo kiểm soát dễ bị hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc di chuyển, vì vậy cần đệm quá mức cho khung quay khi di chuyển để tránh đứt dây xoắn do chấn động.

Các thiết bị như ampe kế, volt kế và ohm kế được chế tạo với nhiều thang đo và dải đo rộng Đặc biệt, các điện kế này có độ nhạy cao, cho phép đo cường độ dòng điện đến 10^-12 A và điện áp lên tới 10^-4 V.

Chế tạo dao động ký ánh sáng cho phép quan sát và ghi lại giá trị tức thời của dòng điện, điện áp và tần số lên đến 15kHz Công nghệ này được ứng dụng trong việc phát triển các dụng cụ đo điện tử như volt kế điện tử, tần số điện tử và pha kế điện tử.

Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua các cuộn dây động, từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra các mômen quay M1 và M2.

Khung dây có độ chính xác cao, công suất tổn thất thấp và độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện qua khung dây, điều này thuận lợi cho việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn cung cấp ngoài Khi nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn được giữ nguyên, điều này giúp tránh được sai số.

- Ứng dụng: Ðược dùng chế tạo các ommet, megommet

2 Ampe kế đo điện một chiều (DC: direct current)

Đo lường AC

Biên độ đỉnh là đặc điểm quan trọng của sóng, có thể dễ dàng đo được qua kích thước đồ thị trên màn hình (hình 3.5) Hình 3.5 minh họa hai sóng sin với biên độ và chu kỳ khác nhau, cho thấy rõ vị trí các núm điều khiển thang độ VOLT/DIV và núm chọn thời gian TIME/DIV.

Hình 3.5: Đo biên độ đỉnh – đỉnh và chu kỳ của sóng sin

Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu đuợc thực hiện bằng cách đếm số ô trên màn hình và nhân với giá trị VOLTS/DIV (hình3.6)

Hình 3.6: Giá trị đỉnh – đỉnh của tính hiệu

Ví dụ : VOLTS/DIV chỉ 1V thì tín hiệu cho ở hình 3.6 có:

Máy hiện sóng được sử dụng để xác định các thông số quan trọng của tín hiệu xung, bao gồm thời gian tăng sườn xung (rise time), thời gian giảm sườn xung (fall time) và độ rộng xung (pulse width) Các thông số này được tính toán theo phương pháp như trong hình H.3.7.

Hình 3.7: Giá trị biện độ của xung tín hiệu

Ví dụ: Như ở hình 3.5: biên độ đỉnh của các tín hiệu:

B: V B = 200mV(p-p) Đo chu kỳ: Phụ thuộc vào nỳt chu kỳ của tớn hiệu quột răng cưa (đơn vị àsec /

Sóng A có biên độ 4,6 vạch chia, trong khi sóng B có biên độ 2 vạch chia Theo vị trí thang độ trên núm điều khiển VOLT/DIV là 100 mV, biên độ đỉnh – đỉnh của các điện áp sẽ được xác định.

- Sóng A: VApp = 4,5 vạch x 100 mV = 450 mV

- Sóng B: VBpp = 2 vạch x 100 mV = 200 mV

Hiệu số pha ∆ giữa hai sóng hình sin được xác định theo phương pháp minh họa trong hình 3.8 Mỗi sóng có chu kỳ tương ứng với 8 vạch ngang, và thời gian giữa các điểm bắt đầu chu trình là 1,4 vạch Với 1 chu trình tương đương 360 độ, giá trị của mỗi vạch chia là 45 độ (1 vạch chia = 360 độ / 8) Do đó, hiệu số pha của hai điện áp được tính là ∆ = 1,4 vạch x 45 độ/vạch = 63 độ.

Hình 3.8: Đo hiệu số pha giữa 2 sóng sin

Khi ngắt bộ quét của máy hiện sóng và đưa sóng sin vào cả hai đầu vào đứng và ngang, hình ảnh hiển thị sẽ phụ thuộc vào mối quan hệ giữa hai sóng sin.

Khi các dạng sóng có tần số bằng nhau, những hình ảnh đơn giản sẽ xuất hiện Ngược lại, các sóng sin với tần số khác nhau có thể tạo ra những hình ảnh rất phức tạp.

Dùng hình Lissajous để đo sự chênh lệch pha giữa hai tín hiệu (H.3.9)

Tín hiệu A đưa vào ngõ quét dọc, tín hiệu B đưa vào ngõ quét ngang

- A, B cùng pha: hình Lissajous là đường thẳng (H.3.9c)

Hình 3.9: Hình Lissajous hiển thị các dạng sóng

Thực hành

Cơ cấu đo là thành phần thiết yếu trong các dụng cụ và thiết bị đo lường, bao gồm cả dạng tương tự (Analog) và hiện số (Digital) Trong dạng tương tự, các dụng cụ đo chuyển đổi trực tiếp đại lượng cần đo như điện áp, tần số, và góc pha thành góc quay α của phần động, tức là từ năng lượng điện từ sang năng lượng cơ học Những cơ cấu chỉ thị này thường được sử dụng để đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, tần số, công suất, góc pha và điện trở trong mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp.

Hiện số là cơ cấu chỉ thị số hiện đại, ứng dụng các kỹ thuật điện tử và máy tính để biến đổi và chỉ thị đại lượng đo một cách chính xác Với sự phát triển của công nghệ, hiện số được ứng dụng trong nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm đèn sợi đốt, màn hình LED 7 đoạn, màn hình tinh thể lỏng LCD và màn hình cảm ứng, mang lại sự đa dạng và tiện lợi cho người dùng.

Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện bao gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ, cực từ và lõi sắt, tạo thành mạch từ kín Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở, nơi hình thành từ trường đều cho khung quay chuyển động Đường sức qua khe hở làm việc theo hướng tâm tại mọi điểm, với độ từ cảm b đồng nhất Từ trường di chuyển từ cực nam vào cực bắc.

Khung quay là một cấu trúc hình chữ nhật làm từ nhôm, được quấn dây đồng có đường kính rất nhỏ từ 0.03 đến 0.2 mm Trong một số trường hợp, khung quay có thể không bao gồm lõi nhôm bên trong, như trong thiết bị điện năng kế.

Khung quay được lắp vào trục quay, được hỗ trợ bởi hai điểm tựa ở hai đầu trục, tạo thành một hệ thống hoạt động hiệu quả Ở hai đầu của khung quay, hai lò xo xoắn được kết nối để dẫn dòng điện vào khung Khung quay hoạt động trong từ trường của hai cực nam châm vĩnh cửu, và để tăng cường tác động của từ trường, một lõi sắt non hình trụ được đặt bên trong khung quay, di chuyển trong khe hở hẹp giữa lõi sắt và hai cực nam châm.

Chất lượng nam châm vĩnh cửu trong cơ cấu đo từ điện có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của dụng cụ đo Yêu cầu đối với nam châm vĩnh cửu là tạo ra từ cảm b lớn trong khe hở làm việc, đồng thời ổn định theo thời gian và nhiệt độ Trị số từ cảm b càng cao thì moment quay tạo ra càng lớn, dẫn đến độ nhạy của cơ cấu đo tăng lên và giảm thiểu ảnh hưởng từ trường bên ngoài.

Trong phần động, hai cuộn dây được đặt chéo nhau với góc 60 độ, gắn chặt trên trục quay Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua, chúng tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Phần động không có lò xo cản, như thể hiện trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra lực điện từ nhờ tương tác với từ trường của nam châm, khiến cuộn dây quay và làm kim chỉ thị chuyển động theo Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Lò xo cản giữ kim ở vị trí thăng bằng tương ứng với lực điện từ do dòng điện cung cấp Khi mất dòng điện, lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu Lực điện từ sinh ra được tính theo công thức 1.1.

Góc quay của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I, do đó thang đo được chia thành các vạch đều nhau Độ nhạy của cơ cấu đo cao và không thay đổi trong toàn bộ thang đo.

Cơ cấu đo từ điện có độ chính xác cao, đạt cấp chính xác 0.5%, nhờ vào các phần tử ổn định và ảnh hưởng không đáng kể của từ trường ngoài Với từ trường mạnh từ nam châm vĩnh cửu và công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, cơ cấu này không làm ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo, đồng thời có độ cản dịu tốt.

Cơ cấu đo kiểu từ điện có thiết kế phức tạp và khả năng chịu quá tải kém, khiến phép đo dễ bị sai lệch do tác động của nhiệt độ Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho dòng điện nhỏ đi qua Loại cơ cấu từ điện sử dụng dây xoắn thay lò xo kiểm soát dễ bị hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc khi di chuyển, do đó cần phải đệm quá mức cho khung quay để tránh sự chấn động gây đứt dây xoắn.

Các ampe kế, volt kế và ohm kế được chế tạo với nhiều thang đo và dải đo rộng, cho phép đo lường chính xác các thông số điện Đặc biệt, các điện kế này có độ nhạy cao, có khả năng đo cường độ dòng điện thấp đến 10^-12 A và điện áp lên đến 10^-4 V.

Chế tạo dao động ký ánh sáng giúp quan sát và ghi lại giá trị tức thời của dòng điện, điện áp và tần số lên đến 15kHz Công nghệ này được ứng dụng trong việc sản xuất các dụng cụ đo điện tử như volt kế điện tử, tần số điện tử và pha kế điện tử.

Khi dòng điện I1 và I2 đi qua các cuộn dây động, từ trường của nam châm vĩnh cữu sẽ sinh ra các mômen quay M1 và M2.

Khung dây trên không có độ chính xác cao, công suất tổn thất thấp, và độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua khung dây, điều này thuận lợi cho việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn ngoài Khi nguồn cung cấp thay đổi mà tỷ số hai dòng điện vẫn được giữ nguyên, điều này giúp tránh sai số.

Thực hành

Cơ cấu đo là thành phần thiết yếu trong các dụng cụ và thiết bị đo lường, bao gồm cả dạng tương tự (Analog) và hiện số (digital) Trong dạng tương tự, dụng cụ đo chuyển đổi các đại lượng cần đo như điện áp, tần số và góc pha thành góc quay α của phần động, từ đó biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học Các cơ cấu chỉ thị này thường được sử dụng để đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, tần số, công suất, góc pha và điện trở trong mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp.

Số (digital) là hệ thống chỉ thị số sử dụng công nghệ điện tử và máy tính để chuyển đổi và hiển thị các đại lượng đo Các thiết bị hiện số phổ biến bao gồm đèn sợi đốt, LED 7 đoạn, màn hình tinh thể lỏng LCD và màn hình cảm ứng.

Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện bao gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ, cực từ và lõi sắt, tạo thành mạch từ kín Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở, nơi tạo ra từ trường đều, cho phép khung quay di chuyển Đường sức từ qua khe hở làm việc theo hướng tâm tại mọi điểm, với độ từ cảm b đồng nhất Từ trường di chuyển từ cực nam vào cực bắc.

Khung quay là một cấu trúc hình chữ nhật làm từ nhôm, được quấn dây đồng với kích thước rất nhỏ từ 0.03 đến 0.2 mm Trong một số trường hợp, khung quay có thể không có lõi nhôm bên trong, như trong thiết bị điện năng kế.

Khung quay được gắn vào trục quay và được đặt trên hai điểm tựa, tạo ra một cấu trúc vững chắc Hai đầu của khung quay còn kết nối với hai lò xo xoắn, giúp dẫn dòng điện vào khung Khung quay hoạt động trong từ trường của hai cực nam châm vĩnh cửu, và để tăng cường ảnh hưởng của từ trường, một lõi sắt non hình trụ được đặt bên trong khung quay, di chuyển trong khe hở hẹp giữa lõi sắt và hai cực nam châm.

Chất lượng nam châm vĩnh cửu trong cơ cấu đo từ điện có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của dụng cụ đo Yêu cầu đối với nam châm vĩnh cửu là phải tạo ra từ cảm b lớn trong khe hở làm việc, đồng thời ổn định theo thời gian và nhiệt độ Trị số từ cảm b càng cao thì moment quay tạo ra càng lớn, dẫn đến độ nhạy của cơ cấu đo cũng cao hơn và ít bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài.

Trong phần động, hai cuộn dây được đặt chéo nhau với góc 60 độ, cố định trên trục quay Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua, chúng tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Phần động này không sử dụng lò xo cản và được minh họa trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường tương tác với từ trường của nam châm, sinh ra lực điện từ khiến cuộn dây quay Kim chỉ thị sẽ quay theo chiều của lực điện từ, được xác định theo quy tắc bàn tay trái Lò xo cản giữ kim ở vị trí thăng bằng tương ứng với lực điện từ do dòng điện tạo ra Khi mất dòng điện, lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu Lực điện từ do dòng điện sinh ra được tính theo công thức 1.1.

Góc quay của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I, do đó thang đo được chia thành các vạch đều nhau Độ nhạy của cơ cấu đo luôn cao và không thay đổi trong toàn bộ thang đo.

Cơ cấu đo từ điện có độ chính xác cao, đạt cấp chính xác 0.5% Các phần tử của cơ cấu đo có độ ổn định cao, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài nhờ vào từ trường mạnh của nam châm vĩnh cửu Với công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, cơ cấu này không làm ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo và có độ cản dịu tốt.

Cơ cấu đo kiểu từ điện có thiết kế phức tạp và khả năng chịu quá tải kém, dẫn đến sai số trong phép đo do ảnh hưởng của nhiệt độ Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho dòng điện nhỏ đi qua Đối với cơ cấu từ điện sử dụng dây xoắn thay cho lò xo, dễ bị hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc di chuyển, do đó cần đệm quá mức cho khung quay để bảo vệ dây xoắn khỏi sự đứt gãy.

Sử dụng để chế tạo ampe kế, volt kế và ohm kế với nhiều thang đo và dải đo rộng, các thiết bị này có độ nhạy cao, cho phép đo cường độ dòng điện lên đến 10^-12 A và điện áp đạt tới 10^-4 V.

Chế tạo dao động ký ánh sáng cho phép quan sát và ghi lại giá trị tức thời của dòng điện, điện áp và tần số lên đến 15kHz Thiết bị này được ứng dụng trong việc phát triển các dụng cụ đo điện tử như volt kế điện tử, tần số điện tử và pha kế điện tử.

Khi các dòng điện một chiều I1 và I2 chạy qua các cuộn dây động, chúng sẽ tạo ra mô men quay M1 và M2 dưới tác động của từ trường của nam châm vĩnh cữu.

Khung dây có độ chính xác cao, công suất tổn thất thấp và độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua khung dây, giúp thuận lợi trong việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn ngoài Khi nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn được giữ nguyên, điều này giúp tránh được sai số.

Tiêu đề	Giáo trình Đo lường điện điện tử
Tác giả	Đỗ Hữu Hậu, Nguyễn Tuấn Khanh
Trường học	Cao đẳng nghề Cần Thơ
Chuyên ngành	Điện tử công nghiệp
Thể loại	sách giáo trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,35 MB