Giáo trình Đo lường điện điện tử (Nghề Điện tử dân dụng 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: MĐ11-01

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 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 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 (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 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 một 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 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.

Hình 1.1: Cơ cấu chỉ thị từ điện

Khung quay là một cấu trúc bao gồm khung nhôm hình chữ nhật, trên đó được quấn dây đồng nhỏ 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 và được hỗ trợ bởi hai điểm tựa ở hai đầu Trục quay này cho phép khung quay hoạt động, và vì vậy được gọi là khung quay Ở hai đầu của khung quay, có hai lò xo xoắn giúp 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, 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.

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 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 tăng và giảm thiểu ảnh hưởng 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

Phần động của thiết bị được thiết kế với hai cuộn dây chéo nhau ở góc 60 độ, được gắn cố định trên trục quay Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua, chúng tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Đặc biệt, phần động này không có lò xo cản, như thể hiện 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 lực điện từ tác động lên từ trường của nam châm, khiến cuộn dây quay và kim chỉ thị di chuyển theo Chiều của lực điện từ được xác định bằng 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 dòng điện ngừng, lò xo sẽ kéo kim trở về vị trí ban đầu Lực điện từ sinh ra bởi dòng điện 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, vì vậy 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%, nhờ vào các phần tử ổn định và ảnh hưởng không đáng kể của từ trường bên ngoài Với từ trường mạnh của 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 Hơn nữa, nó còn có độ cản dịu tốt.

Cơ cấu đo kiểu từ điện có thiết kế phức tạp, nhưng khả năng chịu quá tải lại kém và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, dẫn đến sai lệch trong phép đo Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho phép dòng điện nhỏ đi qua Đặc biệt, loại cơ cấu từ điện sử dụng dây xoắn thay cho lò xo kiểm soát rất dễ hư hỏng khi chịu chấn động mạnh hoặc khi di chuyển, do đó cần phải có biện pháp đệm hợp lý cho khung quay trong quá trình di chuyển để tránh 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 độ nhạy cao, cho phép đo cường độ dòng điện tới 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 Thiết bị 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.

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 các dòng điện một chiều I1 và I2 được cấp vào các cuộn dây động, từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra các mômen 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 cấu trúc tương tự như trên, mang lại 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 tỷ lệ thuận 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 cung cấp bên ngoài Khi nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện được giữ nguyên, điều này giúp giảm thiểu sai số.

- 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, đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học Do đó, việc đo dòng điện trở thành mối quan tâm hàng đầu, với nhiều phương pháp và thiết bị được phát triển Một trong những phương pháp phổ biến để đo dòng điện là đo trực tiếp.

Phương pháp so sánh, hay còn gọi là phương pháp bù, là một kỹ thuật đo lường trong đó chúng ta sử dụng các dụng cụ như ampe kế, miliampe kế, hoặc microampe kế để đo trực tiếp cường độ dòng điện Các giá trị đo được hiển thị trực tiếp trên thiết bị, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và đánh giá kết quả.

Trong phương pháp đo gián tiếp, điện áp rơi trên điện trở mẫu được sử dụng để xác định dòng điện cần đo thông qua định luật Ohm Ngược lại, phương pháp so sánh cho phép ta đối chiếu dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác, với kết quả được đọc khi hai dòng điện đạt trạng thái cân bằng Cả hai phương pháp so sánh trực tiếp và gián tiếp đều có thể được áp dụng trong quá trình đo lường.

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 thêm 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 để đảm bảo độ chính xác Việc này có thể dẫn đến sai số trong quá trình đo do ampe kế tiêu thụ một phần năng lượng của mạch Công suất tiêu thụ của ampe kế được tính theo một biểu thức nhất định.

Công suất tiêu thụ của dụng cụ đo càng nhỏ thì sai số trong phép đo càng giảm, cho thấy rằng điện trở của cơ cấu đo nên được thiết kế càng nhỏ càng tốt.

Ampe mét từ điện là dụng cụ đo được sử dụng để đo dòng điện trong mạch Để thực hiện việc đo, ampe mét cần được mắc nối tiếp với mạch điện, với cực dương tiếp nhận dòng điện vào và cực âm cho phép 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 thiết bị 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 kỹ thuật quan trọng trong việc nâng cao khả năng đo đạc.

Cơ cấu chỉ thị từ điện được sử dụng để chế tạo ampemet cho mạch một chiều, với khung dây quấn bằng dây đồng nhỏ (0,02 ÷ 0,04 mm) giúp giới hạn dòng điện tối đa 20mA Để đo dòng điện lớn hơn, cần mở rộng thang đo bằng cách ghép thêm điện trở R s (điện trở Shunt) song song với điện kế, cho phép ampe-kế có nhiều tầm đo khác nhau Điện trở shunt được chế tạo từ hợp kim mangan, đảm bảo độ ổn định cao 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:

Khi sử dụng điện kế với thông số IFS = 50μA, RG = 2kΩ và VFS = 0,1V, tại thang đo 50μA, dòng điện chỉ đi qua điện kế với điện trở 2 kΩ Khi kim đồng hồ quay đến cực đại, 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 đi kèm với một điện trở shunt riêng Khi chuyển tầm đo, điện trở shunt cũng sẽ được thay đổi tương ứng.

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 các dụng cụ và thiết bị đo lường, bao gồm cả dạng tương tự (Analog) và hiện số (Digital) Dụng cụ đo dạng tương tự 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 hiện (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 Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau, 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 qua khe hở làm việc 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 bao gồm khung nhôm hình chữ nhật, trên đó 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, cho phép khung quay hoạt động hiệu quả Ở hai đầu của khung quay, hai lò xo xoắn được gắn chặt để dẫn dòng điện vào khung Khung quay được đặt 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 đóng vai trò quan trọng trong độ chính xác của cơ cấu đo từ điện Yêu cầu đối với nam châm này là tạo ra từ cảm b lớn trong khe hở làm việc, đồng thời phải 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 tăng lên, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài.

Phần động của thiết bị được thiết kế với hai cuộn dây chéo nhau 60 độ, cố định trên trục quay Khi dòng điện I1 và I2 chạy qua các cuộn dây này, chúng tạo ra hai mômen quay ngược chiều nhau Đặc biệt, phần động không sử dụng lò xo cản, như thể hiện trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua khung dây, nó tạo ra lực điện từ tác động lên từ trường của nam châm, khiến cuộn dây quay và kim chỉ thị di chuyển theo Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Nhờ có lò xo cản, kim sẽ 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 trở về vị trí ban đầu Lực điện từ 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 lên đến 0.5%, nhờ vào các phần tử ổn định và ảnh hưởng không đáng kể của từ trường bên ngoài Với từ trường mạnh từ nam châm vĩnh cửu và công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, thiết bị 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, dễ bị sai lệch do tác động của nhiệt độ Cuộn dây của khung quay thường có tiết diện nhỏ, chỉ cho phép dòng điện nhỏ đi qua Loại cơ cấu này sử dụng dây xoắn thay cho lò xo, dễ hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc di chuyển Do đó, cần phải đệm quá mức cho khung quay trong quá trình di chuyển để tránh chấn động mạnh làm 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 Những 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.

Khi các dòng điện một chiều I1, I2 được cấp vào các cuộn dây động, chúng sẽ chịu tác động của từ trường của nam châm vĩnh cửu, dẫn đến việc sinh ra các mômen quay M1, 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 thuận 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 được giữ nguyên, điều này giúp tránh sai số trong quá trình đo.

- 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 chỉ số quan trọng của sóng, dễ dàng đo được qua kích thước đồ thị trên màn hình Hình 3.5 minh họa hai sóng sin với biên độ và chu kỳ khác nhau, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa chúng Vị trí các núm điều khiển thang độ VOLT/DIV và núm chọn thời gian TIME/DIV được chỉ rõ trong hình vẽ 3.5, giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh và quan sát sóng.

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 có thể được tính toán theo cách trình bày 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 của thang độ trên núm điều khiển VOLT/DIV là 100 mV, biên độ đỉnh – đỉnh của các điện áp 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 thông qua hình 3.8, trong đó mỗi sóng có chu kỳ tương ứng với 8 vạch ngang 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 giữa hai điện áp 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, chúng tạo ra những hình ảnh rất đơn giản Ngược lại, những sóng sin có tần số khác nhau có thể tạo ra những hình ảnh 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) Dụng cụ đo dạng tương tự chuyển đổi các đại lượng cần đo như điện áp, tần số, và góc pha thành góc quay 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 các 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 lường 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 hình thành từ trường đều, với khung quay chuyển động bên trong Đường sức từ trong khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm, và độ từ cảm b đều nhau tại tất cả các vị trí, trong khi từ trường di chuyển từ cực nam đến cực bắc.

Khung quay là một cấu trúc gồm khung nhôm hình chữ nhật, trên đó quấn dây đồng nhỏ có đường kính từ 0.03 đến 0.2 mm Trong một số trường hợp, khung quay có thể không sử dụng 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 ở hai đầu trục, nhờ đó khung quay có thể hoạt động Ở hai đầu của khung quay, hai lò xo xoắn được gắn chặt 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 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 đóng vai trò quan trọng trong độ chính xác của cơ cấu đo từ điện 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 từ trường ngoài.

Trong phần động, hai cuộn dây được đặt chéo nhau với góc 60 độ, 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 không sử dụng lò xo cản, như thể hiện trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một 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 cung cấp Khi mất dòng điện, lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu Lực điện từ sinh ra bởi dòng điện 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 giữ nguyên 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 có độ ổn định cao Ảnh hưởng của từ trường bên ngoài là không đáng kể do từ trường của nam châm vĩnh cửu lớn Hơn nữa, công suất tiêu thụ chỉ khoảng từ 25w đến 200w, 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, 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 này sử dụng dây xoắn thay cho lò xo kiểm soát, dễ bị hư hỏng khi chịu chấn động mạnh hoặc khi di chuyển Do đó, cần phải đệm quá mức cho khung quay trong quá trình di chuyển để tránh chấn động mạnh làm đứt dây xoắn.

Các thiết bị như ampe kế, volt kế và ohm kế được chế tạo với nhiều thang đo và dải đo rộng, cho phép đo cường độ dòng điện từ 10 -12 A và điện áp lên đến 10 -4 V Các loại điện kế này có độ nhạy cao, đáp ứng nhu cầu đo lường chính xác trong các ứng dụng khác nhau.

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

Cơ cấu khung dây trên 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 trong khung dây, giúp thuận lợi trong việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn cung cấp bổ sung Khi nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện được giữ nguyên, điều này giúp tránh sai số trong quá trình đo lường.

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, từ đó biến đổi năng lượng điện từ thành 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.

Số hiện (digital) là hệ thống chỉ thị số sử dụng các công nghệ điện tử và máy tính để chuyển đổi và hiển thị các đại lượng đo lường 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.

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 phép khung quay chuyển động Đường sức từ trong khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm, với độ từ cảm b đồng đều, và từ trường di chuyển từ cực nam ra cực bắc.

Khung quay là một cấu trúc bao gồm khung nhôm hình chữ nhật, trên đó 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 ở các điện năng kế.

Khung quay được gắn vào trục quay, được đặt trên hai điểm tựa ở hai đầu trục, nhờ đó mà khung quay hoạt động Ở hai đầu của khung quay, có hai lò xo xoắn giúp dẫn dòng điện vào khung Khung quay được đặt trong từ trường của hai cực nam châm vĩnh cửu 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 đáng kể 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 và ổn định theo thời gian cũng như nhiệt độ Khi trị số từ cảm b tăng cao, moment quay tạo ra cũng lớn hơn, dẫn đến độ nhạy của cơ cấu đo được cải thiện và giảm thiểu tác động từ trường 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 có lò xo cản, như thể hiện trong hình 1.3.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra lực điện từ tác động lên từ trường của nam châm, khiến cuộn dây quay và kim chỉ thị cũng chuyển động 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 sinh ra từ dòng điện 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 đạt độ chính xác cao lên đến 0.5%, nhờ vào các phần tử ổn định và ảnh hưởng không đáng kể của từ trường bên ngoài Với từ trường mạnh từ nam châm vĩnh cửu và công suất tiêu thụ chỉ từ 25w đến 200w, thiết bị 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, 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 vì lò xo kiểm soát dễ bị hư hỏng khi gặp chấn động mạnh hoặc trong quá trình di chuyển Do đó, cần có biện pháp đệm phù hợp cho khung quay để tránh chấn động gây đứt dây xoắn.

Các thiết bị như ampe kế, volt kế và ohm kế được chế tạo với nhiều thang đo và dải đo rộng, giúp đáp ứng nhu cầu đo lường chính xác Chúng có khả năng đo cường độ dòng điện thấp đến 10 -12 A và điện áp tối thiểu 10 -4 V, đảm bảo độ nhạy cao trong các ứng dụng điện tử.

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 Thiết bị này được ứng dụng để sản xuất 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 được cung cấp cho các cuộn dây động, chúng sẽ chịu tác động của từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo ra các mô men quay M1 và M2.

Khung dây có độ chính xác không cao hơn nhưng lại có công suất tổn thất thấp và độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện đi qua khung dây, điều này giúp thuận lợi trong việc đo các đại lượng vật lý thụ động cần nguồn ngoài Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn giữ nguyên, sẽ 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 dân dụng
Thể loại	sách giáo trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,35 MB