Bài giảng kỹ thuật đo điện- điện tử ppt

 Thiết bị đo điện Thiết bị đo điện tử Hoặc chia:  Thiết bị kim chỉ thị analog  Thiết bị hiện số Hoặc :  Đo lường điều khiển từ xa..  Gia công tín hiệu : Biến đổi tín hiệu điện phù

Bài giảng kỹ thuật đo

điện- điện tử

Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

§1-1: ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG

Có 2 loại cơ bản:

 Đại lượng điện

 Đại lượng không điện

1 Đại lượng điện:

 Đại lượng điện tác động (active – có nguồn)

 Đại lượng điện thụ động (passive)

Tác động: V, I, P năng lượng của nó sẽ cung cấp cho mạch

đo Nếu năng lượng lớn phải phân áp dòng trước khi đo Còn năng lượng nhỏ, phải khuyếch đại trước khi đo

Thụ động: R, L, C, M (hổ cảm): không mang năng lượng nên phải cung cấp năng lượng ngoài

2 Đại lượng không điện: ví dụ như nhiệt độ, áp suất, trọng

lượng, độ ẩm, độ pH, tốc độ, gia tốc… thường đổi sang đại lượng điện bằng bộ cảm biến rồi đo

§1-2: CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA

THIẾT BỊ ĐO

1 Chức năng:

 Cho kết quả đo

 Kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống tự động điều khiển  “đo lường quá trình” trong công nghiệp Đây cũng là môn học trong ngành tự động hóa

2 Đặc tính thiết bị đo:

Có thể chia:

 Thiết bị đo điện

 Thiết bị đo điện tử

Hoặc chia:

 Thiết bị kim chỉ thị (analog)

 Thiết bị hiện số

Hoặc :

 Đo lường điều khiển từ xa

1 Cấp chuẩn hoá:

 Cấp 1: chuẩn quốc tế: tại trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris

 Cấp 2: chuẩn quốc gia: tại các viện định chuẩn quốc gia được chuẩn hoá theo quốc tế

 Cấp 3: chuẩn khu vực: theo các khu vực địa lý

 Cấp 4: chuẩn phòng thí nghiệm

2 Cấp chính xác thiết bị đo:

 Được ghi trên máy hoặc sổ tay kỹ thuật (cataloge) thiết bị đo: 0.1%, 0.5%, 1%…

§1-4:SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG

1 Sai số tuyệt đối:

yn: trị số tin cậy

xn: trị số đo được

2 Sai số tương đối:

% 100

x y

x y

Thí dụ: điện áp có trị số 50V đo được 49V  e=1V,

er=2%

Ngoài ra còn có các khái niệm:

 Độ chính xác tương đối

 Tính chính 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 3 khối

 Cảm biến : Biến các đại lượng không điện thành đại lượng điện

 Gia công tín hiệu : Biến đổi tín hiệu điện phù hợp với bộ chỉ thị

 Chỉ thị kết quả: Chỉ thị bằng kim hoặc hằng 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,…

 Cấp chính xác

Cảm biến

Gia công tín hiệu

Chỉ thị Kết quả

 Độ nhạy.v.v

Cẩn thận khi sử dụng:

 Đọc kỹ qui trình đo

 Phạm vi đo

 An toàn cho người và máy

§1-7:HỆ THỐNG ĐO.

1 Hệ thống đo dạng analog.

a) Hệ thống đo 1 kênh:

Analog

b) Hệ thống đo analog nhiều kênh:

Đường truyền

Cần đo nhiều đại lượng thì mỗi đại lượng đo ở 1 kênh  sắp xếp  điều chế (mã hoá) theo tần số  phát đi (truyền) thu  giải mã ( Có thể thực hiện đo từ xa).

2 Hệ thống đo dạng số:

Tương tự như hệ thống analog nhưng nhờ dùng vi xử lý, máy tính với việc cài đặt phần mềm  xử lý nhanh, linh hoạt thông minh hơn

3 Điều khiển từ xa thiết bị đo lường:

Linh hoạt nhờ remote điều khiển các chức năng hệ thống đo lường bằng cách sử dụng đường truyền số liệu (bus) của bộ vi xử lý

Chương 2: CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG

§2-1:ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

Chỉ thị đo lường là 1 khâu chức năng biến đại lượng cần đo thành số đo với đơn vị đo lường được chọn

Có 2 loại chỉ thị:

Chỉ thị cơ điện  Analog

Chỉ thị số  Digital

a) Chỉ thị cơ điện:

Trong đó: X: đại lượng vào U, I

: đại lượng ra là góc quay của kim chỉ thị và các chỉ dẫn (con số) giúp đọc được kết quả đo

§2-2: CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN

(CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM).

Phổ biến vẫn còn dùng chỉ thị kim cho kết quả đo

1 Cơ cấu từ điện:

 Ký hiệu :

 Cấu tạo :

 Khung quay: nhôm quấn dây đồng có đường kính nhỏ cách điện (đk=vài %mm) đặt trên trục quay có lò xo hoặc dây treo

 Nam châm vĩnh cửu: khung quay đặt giữa hai cực của nam châm vĩnh cửu

 Nguyên lý hoạt động:

 Lực điện từ F tạo ra trên khung dây có dòng điện I chạy qua được tính theo công thức:

F=N.B.L.I

Trong đó: N: số vòng dây quấn

B: mật độ từ thông xuyên qua cuộn dây

L: chiều cao khung

I: dòng điện chảy trong khung

Tq=Fw=N.B.l.w.I=KqI

Trong đó: w:bề rộng khung quay

 Lò xo (hoặc dây treo) tạo moment cản Tc

Tc=Kc

Trong đó: Kc: hệ số xoắn của lò xo.

: góc quay của kim

I K I Kc

Kq



 Sự đệm (cản dịu) làm cho kim chỉ thị

 Khi có đệm và không có đệm

 Đặc điểm cơ cấu từ điện:

 Độ chính xác cao có thể đạt 0.5%

 Thang đo có góc chia đều do góc quay tuyến tính

 Dùng rộng rãi trong đo lường

 Dùng điện kế gương quay (hệ thống quang chiếu tia sáng vào gương quay gắn trên khung)

Trang 10

Chương 3: Cơ cấu điện từ

a Cấu tạo: cuộn dây cố định hút hoặc đẩy miếng sắt di động mang kim chỉ thị

 Thang đo không tuyến tính

 Độ nhạy thấp

3 Cơ cấu điện động:

a Ký hiệu:

Trang 11

b Cấu tạo: gồm có 2 cuộn dây cố định và

di động nối nối tiếp nhau Nếu có lõi sắt non cho cuộn dây thì gọi là sắt điện động

Trang 12

c Nguyên lý hoạt động:

Kq Tq

0 2

2- 3: THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ.

Được sử dụng rộng rãi, thuận lợi vì đọc kết quả trực tiếp

Sơ đồ khối:

1 Mã: là tổ hợp của các tính hiệu logic Mỗi

tổ hợp tượng trưng 1 con số Trong đo

Mã chỉ thị

Trang 13

lường, kết quả đo được thể hiện ở mã nhị phân hay thập phân

2 Chỉ thị số: Hiển thị các kết quả dưới dạng

các chữ số, chữ hoặc đồ thị

a Dùng diode phát quang:

Đơn giản biểu thị sự kiện nào đó có xảy ra hay không Thông thường, I=510mA, U=5V (đối với họ TTL)

b Chỉ thị số dùng đèn phóng điện nhiều cực:

Cấu tạo: Là 1 đèn neon phóng điện gồm

1 anode và 10 catode bằng dây NiCr uốn thành các chữ số từ 09 Khi có điện áp vào giữa anode và cathode nào đó (điện áp khoảng 250V) số tương ứng sẽ phát sáng (quanh sợi cathode)

Trang 14

Hiển thị dùng đèn phóng điện nhiều cực có ưu điểm là chữ số có hình dáng đẹp, sáng nhưng tốn điện Ngoài ra áp phải lớn

c Chỉ thị số dùng led 7 đoạn:

Mỗi thanh sáng được bằng diode phát quang hay tinh thể lỏng

Sáng hết: số 8Không e: số 9Không h: số 0…

Đối với tinh thể lỏng, dòng rất nhỏ khoảng 0.1A/thanh

Đối với diode phát quang thì dòng khoảng 10A/thanh

d Hiển thị màn hình: như màn hình vi tính

Màn hình cấp thấp : 192x280 điểmMàn hình VGA : 640x480 điểm

điểm hay 1024x1280 điểm…

Loại hiển thị này ta không khảo sát

ở đây

Trang 15

3 Các mạch giải mã:

Nhiệm vụ: phiên dịch từ mã này sang mã khác, như biến đổi từ mã thập phân sang mã nhị phân, đổi mã từ mã nhị phân sang mã thập phân…

Xét cụ thể: biến đổi từ mã nhị phân sang chỉ thi của led 7 đoạn (thập phân) Các số thập phân đầu vào thường cho dưới dạng mã BCD

Đầu ra là mã của led 7 đoạn:

Y

1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

a b c d e f gNgoài ra để hiển thị được đa dạng hơn (các số khác ngoài 09) người ta còn dùng mã cơ số 8, cơ số 16

Chương 4: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN.

§3-1:ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC)

VÀ XOAY CHIỀU (AC).

1 Đo dòng DC:

nên được

R I R

mazt

m

Trong đó: Rm : điện trở trong của ampe kế

Imax : dòng điện tối đa của cơ cấu chỉ thị

Imaxt : dòng điện tối đa của tầm đo

Nếu ampe kế có nhiều tầm đo khác nhau thì dùng nhiều điện trở Shunt khác nhau hay dùng mạch Shunt Ayrton (điện trở Shunt dùng chung)

2 Đo dòng AC:

 Cơ cấu điện từ và điện động hoạt động được với dòng AC

 chỉ cần mở rộng tầm đo

 Mạch đo AC dùng cơ cấu từ điện: Riêng cơ cấu từ điện phải chuyển đổi từ dòng AC sang dòng DC Cách này được sử dụng phổ biến trong các V.O.M

a) Dùng chỉnh lưu: AC - DC

 Giá trị trung bình của dòng chỉnh lưu:

dt i T I

T cl cltb  

I  0 636 2 Chỉnh lưu 2 bán kỳ

b) Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện:

Nguyên tắc: dùng I cần đo đốt nóng cặp nhiệt tạo ra IDC

cho cơ cấu từ điện:

E0(DC)=KTRI2

hd

Trong đó: Ihd :trị số hiệu dụng của dòng AC cần đo

R :điện trở dây đốt nóng

KT :hằng số tỉ lệ

Người ta chỉ sử dụng trong khoảng gần tuyến tính của E0

theo giá trị của Ihd

Ưu điểm: không phụ thuộc vào tần số nên để đo dòng AC có tần số cao và dạng bất kỳ người ta thường dùng thiết bị này.Nhược điểm: phụ thuộc vào nhiệt đo môi trường xung quanh.c) Mở rộng tầm đo:

Dùng điện trở Shunt cho diode và cơ cấu từ điện

 Dùng biến dòng:

N1i1=n2i2 (cân bằng lực từ động ở phần sơ cấp và phần thứ cấp)

Ampe kế kìm là ứng dụng phổ biến: dùng biến dòng kết hợp với cơ cấu từ điện và diode chỉnh lưu với việc mở rộng tầm đo

3 Aûnh hưởng của Ampe kế đến mạch đo: mỗi ampe kế đều có điện trở nội Rm  0  có ảnh hưởng đến kết quả đo Rm càng nhỏ thì sai số càng nhỏ

§3-2:ĐO ĐIỆN ÁP AC – DC.

1 Đo điện áp DC:

) (

max

m S do do

m S

do do

R R I

V

I R R

V I

Mở rộng tầm đo: dùng nhiều Rs khác nhau

2 Đo điện áp AC:

Nguyên lý:

 Cơ cấu điện động và điện từ RS mắc nối tiếp với điện kế.

 Riêng với cơ cấu từ điện Rs mắc nối tiếp với mạch đo IAC

theo hình vẽ

a) Chỉnh lưu bán kì:

VAC(RMS)=(R1+Rm)Ihd+VD(RMS)Mặt khác:

Icltb=Imax=0.3182Ihd

Xác định điện trở nối tiếp R1 bởi:

) 2 318 0 /(

) ( max

1

I

V RMS V

45 0 2 318 0 / ) ( 1

I I

RMS

Vậy tổng trở vào của VAC nhỏ hơn tổng trở vào VDC

b) Chỉnh lưu 2 bán kì: tương tự

c) VAC: dùng volk kế có bộ biến đổi nhiệt để không phụ thuộc vào dạng và tần số của VAC

d) Thang đo của VAC: được ghi theo tri số hiệu dụng mặc dù phương chỉnh lưu trung bình.

3 Aûnh hưởng của Von kế đến mạch đo: do ZV(vk) mắc song song với phần tử cần đo nên gây ra sai số (xem ví dụ 1, 2 trang 43)

Chương 5: ĐO VDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN TRỞ.

§3- 4: VOLK KẾ ĐIỆN TỬ DC.

1 Volk kế điện tử do áp DC dùng transistor (BJT).

Hoạt động:

 Mạch theo khuyếch đại cân bằng

 Mạch có k>1 (lấy ở C1, C2)

2 Dùng mạch khuyếch đại thuật toán:

Có các ưu điểm:

 Hệ số khuyếch đại lớn, chọn lọc phù hợp với độ chính xác và tuyến tính cao

 Có ngõ vào vi sai để đo hiệu số điện thế

 Độ ổn định của hệ số khuyếch đại cao

a) Mạch đo có K=1

b) Mạch đo có K>1.

2

1 1 (

R

R V

V o  i 

c)Mạch khuyếch đại

Điện áp ra:

V o i 1

d) Mạch khuyếch đại vi sai: (tự đọc)

3 Đo áp có giá trị nhỏ dùng phương pháp “chopper”

a Sơ đồ khối: Để khắc phục việc khuyếch đại cả điện áp trôi khi dùng bộ khuyếch đại DC K lớn người ta dùng mạch sau:

Hoạt động:

b Mạch cụ thể:

 “Chopper” dùng khóa điện tử bằng JFET

(Tự xem)

§3-5:VOLK KẾ ĐIỆNTỬ ĐO ĐIỆN ÁP AC.

1 Khái quát:

Chuyển đổi AC sang DC bằng cách:

 Phương pháp trị hiệu dụng thực

 Phương pháp trị đỉnh

Đa số volk kế chuẩn theo trị hiệu dụng của tín hiệu sin

2 Phương pháp trị chỉnh lưu trung bình:

 Chỉnh lưu trứơc khuyếch đại sau: dùng khi tín hiệu AC lớn

 Khuyếch đại trước chỉnh lưu sau: khi tín hiệu AC nhỏ

0 2

1 ) (

Từ đó ta dùng mạch cho trị bình phương tín hiệu vào ở ngõ ra (tự xem)

Thực tế đã có IC tạo ra trị hiệu dùng thực như AD531 và 4301 và sơ đồ khối

Trang 20

Ngoài ra còn có thể dùng bộ biến đổi nhiệt điện TC1 và TC2 (tự xem)

1 Phương pháp trị đỉnh:

Biến AC thành DC có giá trị bằng đỉnh

AC và đo nó bằng mạch nhân đôi hay mạch kẹp

Trang 21

Cụ thể: mạch kẹp và lọc thông thấp.

§3- 6: AMPE KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÒNG

AC VÀ DC.

1 Đo dòng DC:

Nguyên tắc: chuyển dòng cần đo Ido thành V=RsIdo và đo V Phân tầm đo và khắc độ theo Ido.

Trang 23

2 Đo dòng AC:

Nguyên tắc: chuyển IAC thành VAC=RIAC Sau đó chuyển VAC sang VDC rồi đo Kết quả khắc độ theo IAC

Bài tập chương 3: 2 –1, 2 – 2, 2 – 4, 2 – 5, 2 –

10, 2 – 12, 2 – 14, 2 – 25 (từ trang 65-73 sách tham khảo)

Trang 33

§4- 1: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VOLK KẾ

VÀ AMPERE KẾ.

I

Vx Ix

Vx I

V

Rx  

Trong đó: I=Iv+Ix

Với cách mắc trên, sai số nhỏ do Iv<<Ix

Có thể mắc V trước Ampe kế khi này sai số có

V=Va+Vx

§4-2:ĐO ĐIỆN TRỞ DÙNG PHƯƠNG PHÁP

ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG BIẾN TRỞ.

Trang 35

Dòng điện qua cơ cấu chỉ thị:

Rm R Rx

trong đó: R1: điện trở chuẩn tầm đo

Rm: nội trở của điện kế

Khi Rx  thì Im0

Thang đo không tuyến tính theo điện trở

2 Mạch đo thực tế: Do nguồn E0 có thể bị thay

Trang 36

) 2 //

(

1 Rm R R

Rx

Eb Ib

Vm ( 2 // )

Im  

ax Rm

Rm R

x

R

Eb

Im //

2 1

 Mạch đo điện trở nhiều tầm đo: xem trang 80

3 Nguyên lý đo của ohm kế tuyến tính:

Thường trong thiết bị đo điện tử người ta không dùng E0 mà dùng I=const Vậy đo Rx thông qua đo Vx=RxI

4 Độ chính xác của ohm kế (không tuyến

tính): sai số lớn từ 10%90% với điều kiện chỉnh “0” cho mỗi tầm đo

§4 4: CẦU WHEATSTONE.

1 Cầu Wheatstone cân bằng: thường dùng trong phòng thí nghiệm.

Trang 38

VR  VX dùng trong công nghiệp

Nguyên tắc: nhờ dòng điện ra Ig (hoặc điện áp

ra của cầu đo) để đo điện trở hoặc sự thay đổi điện trở R của phần tử đo Với:

S P R

R E V

Nội trở r của nguồn:

R=(P//R)+(Q//S)Khi cầu không cân bằng, dòng Ig qua điện kế G là

Rg r

V V







Trong đó: Rg: nội trở của điện kế G

Là cầu đo đặc biệt dùng để đo các điện trở có giá trị nhỏ

(Tự xem sách trang 85, 86)

Trang 39

§4- 6: ĐO ĐIỆN TRỞ CÓ TRỊ SỐ LỚN (>M)

Có thể dùng:

 Volk kế, A kế

 Cầu Wheatstone (như đã xét ở trên

1 Dùng Vkế, A kế.

 Theo nguyên tắc

Trang 40

 Cấu tạo: 2 cuộn dây

 Cuộn kiểm soát

1

r R

E I



2 2

2

r R Rx

E I







Khi Rx thì I20 Kim lệch về bên trái tối

đa ở  (đo I1)

Khi Rx0 thì I2 I2max suy ra được

2 2 1

2

i

K R

Rx

r R Rx

 Đo cách điện khi có nguồn.

 Đo điện trở đoạn dây bị chạm

§4- 7: ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT (Tự tham khảo).

§4- 8: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG V – O – M ĐIỆN TỬ

(Tự tham khảo).

Trang 40

Chương 8:ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM, HỔ CẢM.

§5-1:ĐO C, L, VÀ M DÙNG VOLK KẾ

VÀ AMPERE KẾ.

2

1

x x

x

x X

R Z C

2

2

2 2 2

1

P I V I I

P I

Trang 41

Có thể tính theo cách khác

Công suất biểu kiến: Pbk=VI

PRx=P

x

Cx C

I P

2 2

2 2

P I V

I C

C

I P P

x Rx

bk Cx

2 2

2 2

V L

L R

Trang 42

2 2 2 2

1

P I V

(góc mất) có trị

số nhỏ thì P nhỏ

và dẫn đến phép đo không chính xác

3 Đo hệ số hổ cảm

M:

I

V M M

Trong đó: R: từ trở mạch từ

Khi hai cuộn dây mắc nối tiếp

a) Quấn cùng chiều

Tổng điện cảm La

2 2 1

2 2

Trang 43

Khi này

2 2 1

2 2

§5- 2: ĐO C, L DÙNG CẦU ĐO.

1 Cầu Wheatstone xoay chiều: Tương tự như

trong cầu Wheatstone DC Ơû đây thường dùng phương pháp cân bằng

a) Điều kiện cân

bằng:

4 2 3 1 3

Trang 44

 Tai nghe: tương đối chính xác, phụ thuộc vào độ thính của tai

 Vôn kế điện tử hoặc điện kế AC

 Oscilograf: chính xác nhất

c) Các phần tử mẫu

 Cấu tạo sao cho tổn hao nhỏ nhất

 Dùng Vs có tần số thấp (hoặc 1KHz hoặc 50Hz xoay chiều) để không ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt

2 Cầu đo đơn giản đo C và L:

R

L x 

3 Cầu đo phổ quát:

Trang 45

a) Hệ số tổn hao của điện dung D=tg

Khi D nhỏ: mạch tương đương

D=rxCx

Khi D lớn: mạch tương đương

x x x

c

R C R

Z D

x

x

L

R Q



 (Q>10)c) Cầu đo phổ quát C:

Trang 46

D nhỏ  cầu Sauty

D lớn  cầu Nernst

d) Cầu phổ quát đo L:

Q nhỏ  cầu Maxwell Wien

Q lớn  cầu Hay

Ngoài ra còn có cầu

 Owen: đo cuộn dây dùng C mẫu

 Schering: đo điện dung dùng C1 có tổn hao nhỏ

 Grover: đo điện dung dùng tụ mẫu

Trang 47

Bài tập: 4-1, 4-2 đến 4-6 trang 125, 126

Chương 9 : ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG.

§6-1 : ĐO CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU (DC)

Có hai phương pháp

 Trực tiếp : Dùng Watt kế điện động hoặc sắt điện động

 Gián tiếp : Dùng Vôn kế và Ampe kế

1 Phương pháp dùng Vôn kế và Ampe kế.

Cách mắc Ampe kế trước Vôn kế sau sẽ chính xác hơn do

IV <<I

2 Phương pháp dùng Watt kế.

Vôn kế trước , Ampe kế sau.

P L = I L (V-V A )

Ampe kế trước, Vôn kế sau.

P L = V(I- I V )