Tùy thuộc vàocách so sánh mà sẽ có các phương pháp sau:*Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉthị cân bằng độ chính xác khi nhận biết AX = 0.Ví du: c
ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
Khái niệm về đo lường điện
1.1 Khái ni ệ m v ề đ o l ườ ng Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo):
Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: = và ta có X = A.X 0
Trong đó: X - đại lượng đo
A - con số kết quả đo.
Từ phương trình trên có phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax Xo , chỉ rõ sự so sánh X so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần đo X phải có tính chất là các giá trị của nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh được thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được.
1.2 Khái ni ệ m v ề đ o l ườ ng điệ n Đại lượng nào so sánh được với mẫu hay chuẩn thì mới đo được Nếu các đại lượng không so sánh được thì phải chuyển đổi về đại lượng so sánh được với mẫu hay chuẩn rồi đo Đo lường điện là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.
1.3 Các ph ươ ng pháp đ o
Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu
Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá trình đo lường Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường phân thành 2 loại phương pháp đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo kiểu so sánh.
1.3.1 Ph ươ ng pháp đ o bi ế n đổ i th ẳ ng
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi.
* Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số NX, đồng thời đơn vị của đại lượng đo XO cũng được biến đổi thành con số NO.
* Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia
NX/NO), * Thu được kết quả đo: A X = X/XO = NX/NO
Hình 1.1 L ư u đồ ph ươ ng pháp đ o bi ế n đổ i th ẳ ng
Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị
XO sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi tương tự - số A/D để có N X và NO , qua khâu so sánh có NX/NO.
Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm.
1.3.2 Ph ươ ng pháp đ o ki ể u so sánh
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi.
+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh.
+ Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trìnhđo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo.
Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù).
Hình 1.2 L ư u đồ ph ươ ng pháp đ o ki ể u so sánh
+ Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo
X và đại lượng tỉ lệ với mẫu X K , qua bộ so sánh có: A X = X - X K Tùy thuộc vào cách so sánh mà sẽ có các phương pháp sau:
* Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK NK.XOđược so sánh với nhau sao cho AX = 0, từ đó suy ra X = XK = NK.XO
+ suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi
X thay đổi để được kết quả so sánh là AX = 0 từ đó suy ra kết quả đo.
* Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết AX = 0).
Ví du: cầu đo, điện thế kế cân bằng
- So sánh không cân bằng:
* Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trước, qua bộ so sánh có được A X = X - X K , đo A X sẽ có được đại lượng đo X = A X +
XK từ đó có kết quả đo: AX = X/X O = (A X + X K )/X O
* Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của X K quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo AX, giá trị của
AX so với X (độ chính xác của phép đo càng cao khi A X càng nhỏ so với X).
Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ
- So sánh không đồng thời:
* Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu
XK, khi hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = X K
Sai số trong đo lường
Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số Nguyên nhân của những sai số này gồm:
- Phương pháp đo được chọn.
- Mức độ cẩn thận khi đo.
Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số, gọi là sai số của phép đo Như vậy muốn có kết quả chính xác của phép đo thì trước khi đo phải xem xét các điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau khi đo cần phải gia công các kết quả thu được nhằm tìm được kết quả chính xác.
* Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống.
- Sai số của phép đo: là sai số giữa kết quả đo lường so với giá trị chính xác của đại lượng đo.
- Giá trị thực Xth của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó (thường nhờ các dụng cụ mẫu có cáp chính xác cao hơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét).
Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khi đánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo.
Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo Việc xác định sai số của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học Sai số của phép đo có thể phân loại theo cách thể hiện bằng số, theo nguồn gây ra sai số hoặc theo qui luật xuất hiện của sai số.
Tiêu chí phân loại: Theo cách thể hiện bằng số, theo nguồn gây ra sai số, theo qui luật xuất hiện của 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 ngoài, Sai số hệ thống, Sai số ngẫu nhiên.
Theo cách thể hiện bằng số
Theo nguồn gây ra sai số
Theo quy luật xuất hiện của sai số Loại sai số - Sai số tuyệt đối
Bả ng 1.1: Phân lo ạ i sai s ố c ủ a phép đ o
* Sai số tuyệt đối∆X: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth :
* Sai số tương đối γX : là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng phần trăm
Vì = nên có thể: ≈ ∆ ∆ ∙100(%) Độ chính xác của phép đo : đại lượng nghịch đảo của sai số tương đối:
* Sai số hệ thống (systematic error): thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hoặc thay đổi có qui luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo.
Qui luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kỳ hoặc theo một qui luật phức tạp nào đó.
Ví dụ: sai số hệ thống không đổi có thể là: sai số do khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch ), sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh đường tâm ngang sai trong dao động ký )
Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự dao động của nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt ), do ảnh hưởng của trường điện từ
Hình 1.3 Sai s ố h ệ th ố ng do kh ắ c v ạ ch là 1 độ - khi đọ c c ầ n hi ệ u ch ỉ nh thêm
1 độ 2.3 Ph ươ ng pháp tính sai s ố
Dựa vào số lớn các giá trị đo được có thể xác định qui luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng các phương pháp toán học thống kê và lý thuyết xác suất Nhiệm vụ của việc tính toán sai số ngẫu nhiên là chỉ rõ giới hạn thay đổi của sai số của kết quả đo khi thực hiện phép đo nhiều lần, như vậy phép đo nào có kết quả với sai số ngẫu nhiên vượt quá giới hạn sẽ bị loại bỏ.
- Cơ sở toán học: việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa trên giả thiết là sai số ngẫu nhiên của các phép đo các đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bốchuẩn (luật phân bố Gauxơ-Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó thì xác suất xuất hiện sẽ hầu như bằng không và vì thế kết quả đo nào có sai số ngẫu nhiên như vậy sẽ bị loại bỏ.
- Các bước tính sai số ngẫu nhiên:
Xét n phép đo với các kết quả đo thu được là x 1 , x 2 , , x n
* Tính ước lượng kì vọng toán học m X của đại lượng đo:
= , chính là giá trị trung bình đại số của n kết quả đo.
* Tính độ lệch của kết quả mỗi lần đo so với giá trị trung bình vi:
= − vi (còn gọi là sai số dư).
*.Tính khoảng giới hạn của sai số ngẫu nhiên: được tính trên cơ sở đường phân bố chuẩn:∆ = [∆ , ∆ ], thường chọn:∆ = [∆ , ∆ ] với:
∙( −1) với xác suất xuất hiện sai số ngẫu nhiên ngoài khoảng này là 34%.
* Xử lý kết quả đo: những kết quả đo nào có sai số dư vi nằm ngoài khoảng
2.4 Các ph ươ ng pháp h ạ n ch ế sai s ố
Một trong những nhiệm vụ cơ bản của mỗi phép đo chính xác là phải phân tích các nguyên nhân có thể xuất hiện và loại trừ sai số hệ thống Mặc dù việc phát hiện sai số hệ thống là phức tạp, nhưng nếu đã phát hiện thì việc loại trừ sai số hệ thống sẽ không khó khăn.
* Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách:
- Chuẩn bị tốt trước khi đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng; chuẩn bị trước khi đo; chỉnh "0" trước khi đo
- Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế.
- Xử lý kết quả đo sau khi đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh:
+ Lượng hiệu chỉnh: là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống.
+ Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại trừ sai số hệ thống.
Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên.
* Xử lý kết quả đo.
Như vậy sai số của phép đo gồm 2 thành phần: sai số hệ thống 0 - không đổi hoặc thay đổi có qui luật và sai số ngẫu nhiên A - thay đổi một cách ngẫu nhiên không có qui luật Trong quá trình đo hai loại sai số này xuất hiện đồng thời và sai số phép đo AX được biểu diễn dưới dạng tổng của hai thành phần sai số đó: AX = 0 + A Để nhận được các kết quả sai lệch ít nhất so với giá trị thực của đại lượng đo cần phải tiến hành đo nhiều lần và thực hiện gia công (xử lý) kết quả đo (các số liệu nhận được sau khi đo).
Sau n lần đo sẽ có n kết quả đo X1, x2, , xn là số liệu chủ yếu để tiến hành gia công kết quả đo.
* Loại trừ sai số hệ thống.
Việc loại trừ sai số hệ thống sau khi đo được tiến hành bằng các phương pháp.
- Sử dụng cách bù sai số ngược dấu
- Đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh
Hình 1.4 L ư u đồ thu ậ t toán quá trình gia công k ế t qu ả đ o
CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG
Khái niệm về cơ cấu đo
Dụng cụ đo tương tự (Analog) là loại dụng cụ có số chỉ là đại lượng liên tục theo thời gian.
Chỉ thị trong các dụng cụ đo tương tự là chỉ thị cơ điện với tín hiệu vào là dòng điện và tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ hoặc độ di chuyển của bút ghi trên băng giấy (dụng cụ tự ghi).
Các cơ cấu chỉ thị trên được sử dụng trong các dụng cụ đo các đại lượng điện như điện áp, tần số góc, góc pha, công suất, dòng xoay chiều và một chiều tần số công nghiệp.
Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện dựa trên tác động của từ trường lên phần động cơ của cơ cấu chỉ thị khi có dòng điện chạy qua và tạo ra một mômen quay (M q ). Độ lớn của mômen tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu chỉ thị. Mômen quay M q được xác định theo biểu thức
Trong đó: – năng lượng điện từ
∝ - góc quay của phần động
Nếu ta đặt vào trục của phần động một lò xo cản, khi phần động quay, lò xo bị xoắn lại và tạo ra một mômen cản M c
D – hệ số phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo lò xo (hoặc dây treo).Tại thời điểm cân bằng ( = Mc)
(2.4) Đây là phương trình đặc tính thang đo của chỉ thị cơ điện.
Các loại cơ cấu đo
Phần tĩnh (1) Nam châm vĩnh cửu (2) Cục từ
(3) Lõi sắt Phần động (4) Kim chỉ thị (5) Khung dây (6) Lò xo xoắn ốc
Khung dây: gồm nhiều vòng dây làm bằng đồng cùng quấn trên một khuôn nhôm hình chữ nhật Dây đồng có tiết diện nhỏ khoảng (0,02 ÷ 0,05)mm có phủ cách điện bên ngoài Toàn bộ khung dây được đặt trên trục quay Khung dây chuyển động nhờ lực tương tác giữa từ trường của khung dây (khi có dòng điện chạy qua) và từ trường của nam châm vĩnh cửu Khối lượng của khung dây phải càng nhỏ càng tốt để Momen quán tính không ảnh hưởng nhiều đến chuyển động quay của khung dây.
Lõi sắt: có dạng hình trụ tròn được đặt giữa hai cực của nam châm vĩnh cửu sao cho khe hở không khí giữa chúng đủ nhỏ và cách đều các cực từ Nhờ lõi sắt mà từ trở giữa các cực từ được giảm nhỏ và do đó làm tăng mật độ từ
12 thông qua khe hở không khí.
Lò xo xoắn ốc: được bố trí ở hai đầu của khung dây với chiều ngược nhau, một đầu lò xo gắn vào trục của khung dây, đầu kia gắn cố định Lò xo xoắn ốc có nhiệm vụ chủ yếu là tạo ra Momen cản (Mc) cân bằng với lực điện từ, ngoài ra lò xo được dùng để dẫn dòng điện vào và ra khung dây và khi không có dòng điện đi vào, lò xo sẽ đưa kim chỉ thị về vị trí ban đầu.
Kim chỉ thị: được gắn liền với khung dây để có thể dịch chuyển theo khung, vị trí kim sẽ chỉ giá trị tương ứng trên mặt thang đo Kim thường làm bằng nhôm mỏng, đuôi kim có gắn đối trọng để trọng tâm của kim nằm trên trục quay, điều này giúp giữ thăng bằng cho phần động Đầu kim dẹt và có chiều dày bé hơn khoảng cách các vạch trên thang chia độ Nam châm vĩnh cửu: gồm hai cực N và S được thiết kế bo tròn theo lõi sắt sao cho khe hở giữa phần tĩnh và phần động đủ nhỏ nhằm tạo ra từ trường đều. b) Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện
Từ trường của cơ cấu mạnh nên ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, tổn thất điện năng trong cơ cấu ít nên độ chính xác cao.
Loại dụng cụ đo kiểu từ điện có thể đo được các đại lượng một chiều, không đo được các đại lượng xoay chiều, nếu muốn đo thì dòng điện chạy vào khung quay phải qua cơ cấu chỉnh lưu. Ứng dụng: Cơ cấu từ điện thường dùng trong các dụng cụ đo như: ampe kế, vôn kế, wát kế, đồng hồ vạn năng (VOM), điện kế.
Hình ảnh của một số dụng cụ đo sử dụng cơ cấu từ điện:
Hình 2.2: Hình ả nh c ủ a m ộ t s ố d ụ ng c ụ đ o s ử d ụ ng c ơ c ấ u t ừ điệ n 2.2 C ơ c ấ u đ o điệ n t ừ a) Cấu tạo
Hình 2.3: C ơ c ấ u ch ỉ th ị ki ể u điệ n t ừ v ớ i cu ộ n dây ph ẳ ng
1 – cuộn dây, 2 – lõi thép, 3 – lò xo phản kháng, 4 – cơ cấu cản dịu, 5 – trục quay, 6
– kim chỉ, 7 – đối trọng, 8 – thang đo
Hình 2.4: C ơ c ấ u ch ỉ th ị ki ể u điệ n từ v ớ i cu ộ n dây tròn
1 – Cuộn dây, 2 – tấm kim loại tĩnh, 3 – tấm kim loại động, 4 – trục quay có gắn kim
Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện có hai loại: loại cuộn dây phẳng và loại cuộn dây tròn Hai loại này chỉ khác nhau về cấu tạo, còn nguyên lý làm việc thì như nhau. Đối với loại cuộn dây phẳng, phần tĩnh là cuộn dây 1 được quấn thành hình hộp, giữa cuộn dây có rãnh hẹp 9 Phần động là phiến thép 2 làm bằng sắt từ mềm gắn lệch tâm với trục Trên trục 5 có lò xo phản kháng 3, kim 6 và bộ phận cản dịu không khí 4 Khi có dòng điện chạy vào phần tĩnh, làm phần tĩnh sinh ra từ trường, lá thép 2 bị hút vào rãnh 9 làm kim quay đi một góc. Đối với loại cuộn dây tròn, phần tĩnh là cuộn dây 1 quấn thành hình trụ tròn, phía trong đặt hai phiến sắt từ mềm 2 và 3 Phiến 2 cố định, phiến 3 gắn liền với trục, trên trục có gắn kim và lò xo phản kháng và bộ phận cản dịu không khí Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây phần tĩnh, hai phiến thép sẽ được từ hóa giống nhau, các cực cùng tên ở gần nhau sẽ đẩy nhau, làm cho phiến 3 và kim quay đi một góc.
Loại cuộn dây tròn với cuộn dây phẳng thì dễ chế tạo hơn, thang đo chia đều hơn, nhưng từ trường yếu hơn, nên phải chế tạo cuộn dây to và nhiều vòng hơn Hiện nay loại cuộn dây phẳng được dùng nhiều hơn. b) Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ
- Ưu điểm: Có thể đo được cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều Cuộn dây phần tĩnh có thể chế tạo với tiết diện lớn nên có khả năng quá tải tốt.
- Nhược điểm: Mạch từ khép mạch qua không khí nên từ trường yếu và chịu ảnh hưởng từ trường ngoài Để bỏ trừ ảnh hưởng của từ trường ngoài, người ta bọc cơ cấu đo trong một màn chắn từ bằng kim loại Tổn hao sắt từ trong cơ cấu lớn nên cấp chính xác thấp.
- Ứng dụng: Cơ câí đo kiểu điện từ chế tạo đơn giản, rẻ, nên được sử dụng rộng rãi trong công nghệp để ampe kế, vôn kế.
2.3 C ơ c ấ u đ o điệ n độ ng a) Cấu tạo
Cơ cấu điện động bao gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động
- Phần tĩnh bao gồm cuộn dây 1( được chia làm hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh
- Phần động gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh 1 Khung dây 2 được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị Hình 2.5: C ơ c ấ u ch ỉ th ị ki ể u điệ n độ ng
Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn ngừa ảnh hưởng của từ trường ngoài. b) Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kiểu điện động
- Ưu điểm: có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều.
- Nhược điểm: tiêu thụ công suất lớn nên không thích hợp trong mạch công suất nhỏ Chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ.
- Ứng dụng: chế tạo các Ampe kế, vôn kế, wát kế một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất
Cơ cấu cảm ứng bao gồm phần tĩnh và phần động.
- Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động.
- Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trục 5
ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN
Đo điện áp
Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter)
Khi đo điện áp bằng Vôn kế thì Vôn kế luôn được mắc song song với đoạn mạch cần đo như hình dưới đây:
- Khi chưa mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là:
- Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là:
Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là:
Như vậy, muốn sai số nhỏ thì yêu cầu R v phải càng lớn càng tốt và lý tuởng là
Kết quả đo nếu muốn tính chính xác thì phải sử dụng công thức:
= (1 + )∙ Để đo điện áp của một phần tử nào đó người ta mắc Vôn kế như hình dưới:
Hình 3.2: Dùng đồ ng h ồ đ o điệ n áp
* Nguyên tắc hoạt động Độ lệch của dụng cụ đo TĐNCVC tỉ lệ với dòng qua cuộn dây động Dòng qua cuộn dây tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây nên thang đo của máy đo TĐNCVC có thể được chia để chỉ điện áp Nghĩa là, Vôn kế chỉ là ampe kế dòng rất nhỏ với điện trở rất lớn Điện áp định mức của chỉ thị vpo khoảng 50 - 75mV nên cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (còn gọi là điện trở nhân) với chỉ thị để làm tăng khoảng đo của Vôn kế Sơ đồ mắc như sau:Trong đó:
Với = gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp
Sơ đồ mắc nối tiếp:
Hoặc sơ đồ mắc song song:
Nhận xét: Thang đo có vạch chia đều (tính chất của cơ cấu từ điện)
1.1.1.2 Điện thế kế một chiều
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a)
+ Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U0, Rđc và Ampekế. + Giữ nguyên giá trị của Ip trong suốt thời gian đo
+ Điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk cho đến khi chỉ thị chỉ zero + Đọc kết quả trên điện trở mẫu, khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk
Trong sơ đồ a, vì sử dụng Ampe kế nên độ chính xác của điện thế kế không thể cao hơn độ chính xác của Ampe kế.
Người ta cải tiến mạch bằng cách sử dụng nguồn pin mẫu (EN) và điện trở mẫu (Rk) có độ chính xác cao như ở hình b.
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ b)
+ Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh Rđc để chỉ thị chỉ zero.
Khi đó: + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con trượt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero.
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a)
+ Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U 0 , Rđc và Ampe kế. + Giữ nguyên giá trị của Ip trong suốt thời gian đo
+ Điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk cho đến khi chỉ thị chỉ zero + Đọc kết quả trên điện trở mẫu, khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk
Trong sơ đồ a, vì sử dụng Ampe kế nên độ chính xác của điện thế kế không thể cao hơn độ chính xác của Ampe kế.
Người ta cải tiến mạch bằng cách sử dụng nguồn pin mẫu (EN) và điện trở mẫu (R k ) có độ chính xác cao như ở hình b.
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ b)
+ Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh Rđc để chỉ thị chỉ zero.
Chú ý: trên thực tế, người ta thường sử dụng điện thế kế một chiều tự động cân bằng (để đo sức điện động của các cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ)
Sơ đồ mạch của điện thế kế một chiều tự động cân bằng
RN , EN là điện trở và nguồn điện mẫu có độ chính xác cao
U0 là nguồn điện áp ổn định Động cơ thuận nghịch hai chiều để điều chỉnh con chạy của Rp và Rđc
Bộ điều chế làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều (∆U) thành điện áp xoay chiều để điều khiển động cơ.
Trước khi đo, khóa K được đặt ở vị trí KT (kiểm tra) khi đó dòng I2 qua điện trở mẩu RN và∆U = EN - I2RN
∆U qua bộ điều chế để chuyển thành tín hiệu xoay chiều (role được điều khiển bởi nam châm điện nên có tần số đóng/cắt phụ thuộc vào dòng chạy trong nam châm điện) Tín hiệu xoay chiều này thường có giá trị rất nhỏ nên phải qua bộ khuếch đại để tăng tới giá trị đủ lớn có thể điều khiển động cơ thuận nghịch hai chiều Động cơ này quay và kéo con chạy của Rđc để làm thay đổi I 2 tới khi
∆U =0. Đồng thời nó cũng kéo con trượt của Rp về vị trí cân bằng.
+ Khi K ở vị trí đo ta có:∆U = Ex - Uk với = + −
Nếu E x > U k thì động cơ sẽ kéo con chạy để tăng Uk tới khi∆U =0
Nếu E x < U k thì động cơ sẽ kéo con chạy để giảm U k tới khi∆U = 0
Vị trí của con chạy và kim chỉ sẽ xác định giá trị của Ex Ưu điểm của điện thế kế một chiều tự động cân bằng là tự động trong quá trình đo và có khả năng tự ghi kết quả trong một thời gian dài.
1.1.2.1 Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều
Sử dụng cơ cấu từ điện thì dụng cụ có tính phân cực và phải mắc đúng sao cho độ lệch dương (trên thang đo) Khi dòng xoay chiều có tần số rất thấp chạy qua dụng cụ TĐNCVC thì kim có xu hướng chỉ theo giá trị tức thời của dòng xoay chiều Như vậy, khi giá trị dòng tăng theo chiều + thì kim cũng tăng tới giá trị cực đại sau đó giảm tới 0 và xuống bán kỳ âm thì kim sẽ bị lệch ngoài thang đo Trường hợp này xảy ra khi tần số của dòng xoay chiều cỡ 0,1Hz hoặc thấp hơn.
Khi dòng xoay chiều có tần số công nghiệp (50/60Hz) hoặc cao hơn thì cơ cấu làm nhụt vụ quán tính chuyển động của cơ cấu động (toàn máy đo) không biến đổi theo mức dòng tức thời mà thay vào đó kim của dụng cụ sẽ dừng ở vị trí trung bình của dòng chạy qua cuộn động Với sóng sin thuần tuý kim lệch sẽ ở vị trí zero mặc dù dòng Irms có thể có giá trị khá lớn vi có khả năng gây hỏng dụng cụ.
Do đó, để sử dụng dụng cụ TĐNCVC làm thành dụng cụ đo xoay chiều người ta phải sử dụng các bộ chỉnh lưu (nửa sóng hoặc toàn sóng) để các giá trị của dòng chỉ gây ra độ lệch dương.
Là dụng cụ để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp Cuộn dây tĩnh có số vòng dây rất lớn từ 1000 - 6000 vòng Để mở rộng thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ.
Các tụ C được mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp.
Cuộn kích được chia làm 2 phần nối tiếp nhau và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với I 2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I 2 tức giá trị tức thời rms.
* Đặc điểm của Vôn kế điện động
+ Tác dụng của dòng rms giống như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều.
+ Dụng cụ điện động thường đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho ĐLTT nên Vôn kế điện động có độ nhạy thấp hơn nhiều so với Vôn kế từ điện (chỉ khoảng 10Ω/V).
+ Để giảm thiểu sai số chỉ nên dùng ở khu vực tần số công nghiệp.
1.1.2.4 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh
Các dụng cụ đo điện đã trình bày ở trên sử dụng có cấu cơ điện để chỉ thị kết quả đo nên cấp chính xác của dụng cụ không vượt quá cấp chính xác của chỉ thị. Để đo điện áp chính xác hơn người ta dùng phương pháp bù (so sánh với giá trị mẫu).
Nguyên tắc cơ bản như sau:
+ U k là điện áp mẫu với độ chính xác rất cao được tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu Rk Khi đó:
+ Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux
Khi ∆ ≠0 điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu R k sao cho U x = U k , nghĩa là làm cho∆ = 0; chỉ thị chỉ zero.
+ Kết quả được đọc trên điện trở mẫu đã được khắc độ theo thứ nguyên điện áp Chú ý: Các dụng cụ bù điện áp đều có nguyên tắc hoạt động như trên nhưng có thể khác nhau phần tạo điện áp mẫu U k
1.1.2.5 Điện thế kế xoay chiều
Nguyên tắc hoạt động chung giống như điện thế kế một chiều, nghĩa là, cũng so sánh điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu khi có dòng công tác chạy qua Tuy nhiên, do không sử dụng pin mẫu ma sử dụng dòng xoay chiều nên việc điều chỉnh cho Ux và Uk bằng nhau là rất phức tạp.
Muốn Ux và Uk cân bằng nhau thì phải thoả mãn 3 điều kiện:
+ Ux và Uk cùng tần số
+ Ux và Uk bằng nhau về trị số
+ Ux và Uk ngược pha nhau (1800)
Đo dòng điện
Dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet
Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có:
Hình 3.3: Đồ ng h ồ s ố và kim
Nếu chia theo loại chỉ thị ta có:
+ Ampe kế chỉ thị số (Digital)
+ Ampe kế chỉ thị kim (kiểu tương tự /Analog)
Hình bên là hai loại đồng hồ vạn năng số và kim Nếu chia theo tính chất của đại lượng đo, ta có:
* Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là:
- Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng là bằng 0.
- Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo
- Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dưới)
Hình 3.4: Dùng đồ ng h ồ s ố đ o dòng điệ n 2.1.1 Ampe k ế m ộ t chi ề u
Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện Như đã biết, độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu dòng rất kém Thông thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10 - 4 đến 10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20Ω đến 2000Ω với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; và 0,05. Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị như sau:
= với = gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe kế.
Hình 3.5: M ắ c thêm điệ n tr ở sun song song v ớ i c ơ c ấ u ch ỉ th ị
I là dòng cần đo và I CT là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng được (độ lệch cực đại của thang đo)
Chú ý: Khi đo dòng nhỏ hơn 30A thì điện trở sun nằm ngay trong vỏ của ampe kế còn khi đo dòng lớn hơn thì điện trở sun như một phụ kiện kèm theo Khi ampe kế có nhiều thang đo người ta mắc sun như sau:
Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo được xác định theo công thức như trên nhưng với n khác nhau ở hình a)
Chú ý: điện trở sun được chế tạo bằng Manganin có độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu đo ít nhất là 1 cấp Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trường thay đổi và sau một thời gian lpm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo ra nhiệt độ Để giảm ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, người ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ như sau:
Dưới đây là ví dụ thực tế của một sơ đồ mắc điện trở sun của một dụng cụ đo cả dòng và áp
R1, 3: điện trở bang Mr R2: điện trở bằng Cu
Là dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện (hay còn gọi là cặp nhiệt ngẫu) gồm 2 thanh kim loại khác loại được hàn với nhau tại một đầu gọi là điểm làm việc (nhiệt độ t 1 ), hai đầu kia nối với milivonkế gọi là đầu tự do (nhiệt độ t 0 ).
Khi nhiệt độ đầu làm việc t 1 khác nhiệt độ đầu tự do t 0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra sức điện động
= − Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì:
=> = ∙ Như vậy kết quả hiển thị trên milivon kế tỉ lệ với dòng cần đo
Vật liệu để chế tạo cặp nhiệt điện có thể lả sắt - constantan; đồng - constantan; crom - alumen và platin - rodi
Ampemet nhiệt điện có sai lớn do tiêu hao công suất, khả năng chịu quá tải kém nhưng có thể đo ở dải tần rất rộng từ một chiều tới hàng MHz.
Thông thường để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, người ta sử dụng một bộ khuếch đại áp như sơ đồ dưới đây:
Chú ý: Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều người ta cũng làm như trên vì khi đó nhiệt độ đo được tỉ lệ với dòng qua điện trở nhiệt mà dòng này lại tỉ lệ với áp trên hai đầu điện trở, do vậy cũng xác định được giá trị của điện áp thông qua giá trị nhiệt độ Đây chính là nguyên tắc để chế tạo Vônkế nhiệt điện.
2.2 Đ o dòng điệ n xoay chi ề u Để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta thường sử dụng ampemet từ điện chỉnh lưu, ampemet điện từ, và ampemet điện động.
Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode.
Chỉnh lưu nửa chu kỳ
Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là W 1 và W2 Khi đó tỉ số dòng thứ cấp trên dòng sơ cấp được tính bằng:
Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động R L được chọn để gánh phần dòng dư thừa giữa I 2tb và Ict
Mối quan hệ giữa dòng đỉnh I P , dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình phương I rms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau:
Chú ý: Giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhưng thang khắc độ thường theo giá trị rms.
Chú ý: Nói chung các ampe kế chỉnh lưu có độ chính xác không cao (từ 1 tới
1,5) do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số Có thể sử dụng sơ đồ bù sai số đo nhiệt và đo tần số cho ampe kế chỉnh lưu như sau:
Thường được sử dụng để đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 - 2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 - 0,2).
Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song như (hình sau)
Hình 3.9: Ampemet điệ n độ ng
Trong đó các điện trở và cuộn dây (L 3 , R 3 ), (L 4 , R 4 ) là để bù sai số do nhiệt (thường làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau).
Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2 nên máy đo chỉ giá trị rms Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể đọc thang đo của dụng cụ như dòng một chiều hoặc xoay chiều rms.
Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W là một hằng số)
Khi đo dòng có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn người ta mắc các cuộn dây song song.
Đo công suất tác dụng mạch xoay chiều ba pha
Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là :
= + + = ɸ ɸ sin + ɸ ɸ sin + ɸ ɸ sin với: , : điện áp pha và dòng pha hiệu dụng
: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng.
Nếu tải đối xứng = 3 cos =√3 cos
Thực tế phụ tải không đối xứng nên để đo công suất trong mạch 3 pha xét trường hợp chung là mạch 3 pha tải nối sao không có dây trung tính với phụ tải bất kỳ.
Hình 3.11: S ơ đồ m ắ c oát mét trong m ạ ch điệ n 3 pha a- tải nối sao b-tải nối tam giác
3.2 Các ph ươ ng pháp đ o
- Dùng 1 oátmet: Khi tải 3 pha hoàn toàn đối xứng
Hình 3.12: a- Đ o công su ấ t m ạ ch ba pha trung tính gi ả b- s ơ đồ véc t ơ
Hình 3.13: S ơ đồ m ắ c 2 oátmet đ o công su ấ t m ạ ch 3 pha
Hình 3.14 Ph ươ ng pháp 3 oatmet đ o công su ấ t m ạ ch 3 pha
3.3 Đ o công su ấ t ph ả n kháng m ạ ch xoay chi ề u ba pha
Công suất phản kháng trong mạch 3 pha được tính theo công thức
Hình 3.15 a- công su ấ t ph ả n kháng 1 oatmet b- gi ả n đồ véct ơ
3.3.2 Ph ươ ng pháp 2 oatmet
Hình 3.16: Công su ấ t ph ả n kháng dùng 2 oatmet
3.3.3 Ph ươ ng pháp 3 oatmet
Hình 3.17: Công su ấ t ph ả n kháng dùng 3 oatmet
Đo điện năng mạch xoay chiều ba pha
Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha đươc tính:
A=P.t với: P = U.I.cos là công suất tiêu thụ trên tải. t là khoảng thời gian tiêu thụ của tải.
Dụng cụ đo để đo năng lượng là công tơ Công tơ được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng Chỉ rõ sơ đồ cấu tạo của một công tơ một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng:
Hình 3.18: S ơ đồ c ấ u t ạ o c ủ a m ộ t công t ơ m ộ t pha d ự a trên c ơ c ấ u ch ỉ th ị cả m ứ ng
Cấu tạo: như hình 5.8 a, gồm các bộ phận chính:
Cuộn dây 1 (tạo nên nam châm điện 1): gọi là cuộn áp được mắc song song với phụ tải Cuộn này có số vòng dây nhiều, tiết diện dây nhỏ để chịu được điện áp cao.
Cuộn dây 2 (tạo nên nam châm điện 2): gọi là cuộn dòng được mắc nối tiếp với phụ tải Cuộn này dây to, số vòng ít, chịu được dòng lớn. Đĩa nhôm 3: được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn dây
Hộp số cơ khí: gắn với trục của đĩa nhôm.
Nam châm vĩnh cửu 4: có từ trường của nó xuyên qua đĩa nhôm để tạo ra mômen hãm.
*Nguyên lý làm việc: khi có dòng điện I chạy trong phụ tải, qua cuộn dòng tạo ra từ thông cắt đĩa nhôm hai lần Đồng thời điện áp U được đặt vào cuộn áp sinh ra dòng I , dòng này chạy trong cuộn áp tạo thành hai từ thông:
: là từ thông làm việc, xuyên qua đĩa nhôm
: không xuyên qua đĩa nhôm do vậy mà không tham gia việc tạo ra mômen quay.
Từ sơ đồ vectơ như hình 3.19b có:
= ∙ ; = = ∙ Với: , : là hệ số tỉ lệ về dòng và áp; : là tổng trở của cuộn áp.
Hình 3.19 : Công t ơ m ộ t pha:a) S ơ đồ c ấ u t ạ o; b) Bi ể u đồ vect ơ
Sai số của công tơ được tính như sau:
Với: , : là năng lượng và hằng số công tơ định mức. đ , đđ : là năng lượng và hằng số côngtơ đo được.
Cấp chính xác của công tơ thường là: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.
* Kiểm tra công tơ: Để công tơ chỉ được chính xác, trước khi đem sử dụng người ta thường phải kiểm tra hiệu chỉnh và cặp chì. Để kiểm tra công tơ ta phải mắc chúng theo sơ đồ hình 3.20:
Từ nguồn điện 3 pha qua bộ điều chỉnh pha để lấy ra điện áp một pha có thể lệch pha với bất kỳ pha nào của nguồn điện từ 0 đến360 Sau đó qua biến dòng (dưới dạng biến áp tự ngẫu ) , dòng điện ra được mắc nối tiếp với phụ tải ampemét và các cuộn dòng của watmet và công tơ. Điện áp được lấy ra từ một pha bất kỳ của nguồn điện (ví dụ pha BC), qua biến áp tự ngẫu và đặt vào cuộn áp của watmet cũng như của công tơ, vônmét chỉ điện áp đó ở đầu ra của biến áp tự ngẫu
*Việc kiểm tra công tơ theo các bước sau đây:
1 Điều chỉnh tự quay của công tơ: điều chỉnh , đặt điện áp vào cuộn áp của watmet và công tơ bằng điện áp định mức U = ; điều chỉnh sao cho dòng điện vào cuộn dòng của watmet và công tơ bằng không I = 0, lúc này watmet chỉ 0 và công tơ phải đứng yên Nếu côngtơ quay thì đó là hiện tượng tự quay của côngtơ.
Nguyên nhân của hiện tượng này là khi chế tạo để thắng được lực ma sát bao giờ cũng phải tạo ra một mômen bù ban đầu, nếu mômen này quá lớn (lớn hơn mômen ma sát giữa trục và trụ) thì xuất hiện hiện tượng tự quay của côngtơ. Để loại trừ hiện tượng tự quay, ta phải điều chỉnh vị trí của mấu từ trên trục của côngtơ sao cho tăng mômen hãm, tức là giảm mômen bù cho đến khi côngtơ đứng yên thì thôi.
2 Điều chỉnh góc = − = 2 : cho điện áp bằng điện áp định mức
U = , dòng điện bằng dòng điện định mức I = Điều chỉnh góc lệch pha
= tức là cos = 0 Lúc này watmet chỉ 0, công tơ lúc này phải đứng yên, nếu công tơ quay điều đó có nghĩa là ≠ và công tơ không tỉ lệ với công suất.
Hình 3.20: S ơ đồ ki ể m tra công t ơ
41 Để điều chỉnh cho góc = ta phải điều chỉnh góc hay từ thông bằng cách điều chỉnh bộ phận phân nhánh từ của cuộn áp, hoặc có thể điều chỉnh góc hay từ thông bằng cách điều chỉnh vòng ngắn mạch của cuộn dòng Cứ thế cho đến khi công tơ đứng yên Lúc này thì số chỉ của công tơ tỉ lệ của công suất, tức là góc =
3 Kiểm tra hằng số công tơ: để kiểm tra hằng số công tơ thì cần phải điều chỉnh sao cho cos Φ = 1 (tức là Φ = 0), lúc này watmet chỉ P = U.I.
Cho I = , U = lúc đó P Đo thời gian quay của công tơ bằng đồng hồ bấm giây t Đếm số vòng N mà công tơ quay được trong khoảng thời gian t Từ đó ta tính được hằng số công tơ:
= Hằng số này thường không đổi đối với mỗi loại côngtơ và được ghi trên mặt côngtơ.
Ví dụ: trên công tơ có viết : “1kWh = 600vòng” Điều này có nghiã là C = 600 vòng /1kWh.
Trong thực tế đôi khi người ta sử dụng một đại lượng nghịch đảo với hằng số C đó là hằng số k:
= ∙ ℎ Để thuận tiện, trên hộp số người ta tính toán để cho k = 1kWh/1 số, sẽ dễ dàng cho người dùng Nếu (hoặc k) không bằng giá trị định mức đã ghi trên mặt công tơ thì ta phải điều chỉnh vị trí của nam châm vĩnh cửu để tăng (hoặc giảm) mômen cản cho đến khi (hoặc k) đạt được giá trị định mức.
Sai số của công tơ được tính như sau :
Sau khi tính nếu sai số này nhỏ hơn hoặc bằng cấp chính xác ghi ở trên côngtơ là được Trường hợp lớn hơn thì phải sửa chữa và hiệu chỉnh lại côngtơ rồi kiểm tra lại. m Công tơ điện tử: Để chế tạo công tơ điện tử, người ta biến đổi dòng điện I thành điện áp U tỉ lệ với nó:
= I một điện áp khác tỉ lệ với điện áp đặt vào U:
= I qua bộ phận điện tử (nhân analog) sẽ nhận được điện áp U tỉ lệ với công suất P:
Tiếp theo điện áp này sẽ lần lượt qua các khâu: qua bộ biến đổi điện áp-tần số (hoặc bộ biến đổi A/D), vào bộ đếm, ra chỉ thị số Số chỉ của cơ cấu chỉ thị số sẽ tỉ lệ với năng lượng N = CW trong khoảng thời gian cần đo năng lượng đó.
Hình 3.21: S ơ đồ kh ố i nguyên lý c ủ a côngt ơ điệ n t ử
Tất cả các bộ biến đổi trên đây đều thực hiện bằng mạch điện tử.
Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0,5.
Đo công suất và điện năng trong mạch cao áp
Đo công suất mạch 3 pha trong mạch cao áp người ta sử dụng thêm các biến dòng và biến áp đo lường
Kết quả đo được nhân với hệ số máy biến dòng, biến áp
Hình 3.22: Đ o công su ấ t 3 pha trong m ạ ch điệ n cao áp
SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY ĐO THÔNG DỤNG
Sử dụng VOM, MΩ
1.1 S ử d ụ ng máy đ o v ạ n n ă ng VOM a) Công dụng
Máy đo VOM đo được các đại lượng:
- Điện áp xoay chiều, một chiều đến 1000 V.
- Dòng điện một chiều đến vài trăm mA. b) Kết cấu mặt ngoài
1 Núm xoay 5 Nút chỉnh 0Ω (Adj)
2 Các thang đo 6 Kim đo
3 Các vạch số (vạch đọc) 7 Lỗ cắm que đo
4 Vít chỉnh kim 8 Gương phản chiếu c) Cách sử dụng
* Đo điện trở Đo điện trở là phần tử thụ động, không mang năng lượng, vì vậy để đo R người ta phải dùng nguồn PIN, nguồn có thể là 3V, 12V tuỳ theo các thang đo, thông thường:
- Bước 1: Cắm que đo đúng vị trí: đỏ (+); đen (–).
- Bước 2: Chuyển núm xoay vể thang đo phù hợp (một trong các thang đo điện trởΩ).
- Bước 3: Chập 2 que đo và điều chỉnh núm (Adj) cho kim chỉ đúng số 0 trên vạch (Ω) Nếu chỉnh núm này mà không về “0” phải thay nguồn Pin
- Bước 4: Tiến hành đo: chấm 2 que đo vào 2 đầu điện trở cần đo.
- Bước 5: Đọc trị số: trị số đo điện trở sẽ được đọc trên vạch (trên mặt số) theo biểu thức sau:
SỐ ĐO = SỐ ĐỌC X THANG ĐO VD1: Núm xoay đặt ở thang x10; đọc được 26 thì giá trị điện trở đo được là:
Số đo = 26 x10 = 260Ω.VD2: Núm xoay đặt ở thang x10K; đọc được 100 thì giá trị điện trở đo
-Mạch đo phải ở trạng thái không có điện.
-Điện trở cần đo phải được cắt ra khỏi mạch.
-Không được chạm tay vào que đo.
-Đặt ở thang đo nhỏ, thấy kim đồng hồ không lên thì chưa vội kết luận điện trở bị hỏng mà phải chuyển sang thang đo lớn hơn để kiểm tra Tương tự khi đặt ở thang đo lớn, thấy kim đồng hồ chỉ 0 thì phải chuyển sang thang lớn hơn.
- Đo kiểm tra ngắn mạch giữa 2 điểm, thì kết quả đo là 0Ω, còn đo hở mạch giữa 2 điểm, kết quả đo là ∞(Ω)
*Các chức năng khác của thang đo điện trở:
*Đo kiểm tra xác định cực tính D Để xác định cực tính của D ta sử dụng trực tiếp nguồn PIN của ĐHVN để phân cực.
- Chuyển về đoΩ, chọn thang x1, ta tiến hành đảo que đo 2 lần.
Nếu quan sát thấy một lần kim đồng hồ không lên =∞ (hết vạch ), và một lần chỉ thị khoảng vài chụcΩ(1015Ω), thì D còn tốt.
- Khi đó đầu nối với que đen là Anốt, và đầu nối với que đỏ là Catot Chú ý: khi đo, kiểm tra và xác định cực tính của LED, ta chọn thang đo x10, vì khả năng chịu đựng dòng của LED là NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t).
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t ), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuyếch tán điện tử từA→ B và ở chỗ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế (t) có tác dụng hạn chế sự khuyếch đại.
Hình 6.5: S ơ đồ nguyên lý c ặ p nhi ệ t
Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ ) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB( ).
CẢM BIẾN QUANG
Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn
- Cảm biến quang được sử dụng để chuyển đổi thông tin từ ánh sáng nhỡn thấy hoặc tia hổng ngoại, tia tử ngoại thành tín hiệu điện.
- Ánh sáng có hai tính chất cơ bản là sóng và hạt.
- Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử gia các mức năng lợng của nguyên tử của nguồn sáng.
- Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tơng tác của ánh sáng với vật chất ánh sáng bao gồm các hạt photon có năng lợng phụ thuộc tần số w=hυ, υ- tần số ánh sáng, h-hằng số planck h=6.6256*10-34 Js.
- Trong vật chất các điện tử liên kết trong nguyên tử có xu hướng thoát khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do để giải phóng các điện tử liên kết cần cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng liên kết Nhỡn chung loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc bản chất của vật liệu bị chiếu sáng Khi chiếu sáng chất điện môi và bán dẫn tinh khiết các điện tích đợc giải phóng là cặp điện tử-lỗ trống Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dới tác động của ánh sáng do hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang.
- Bước sóng ngưỡng của ánh sáng có thể gây nên hiện tợng giải phóng điện tử λmax=hc/w1
Kết luân: Hiệu ứng quang điện tỷ lệ thuận với số lợng hạt dẫn đợc giải phóng do tác dụng của ánh sáng trong một đơn vị thời gian Tuy nhiên ngay cả khi λ< λmax không phải mọi photon chiếu xuống bề mặt đều tham gia vào việc giải phóng hạt dẫn vỡ một số sẽ bị phản xạ từ bề mặt, một số khác chuyển hóa thành năng lợng của chúng thành nhiệt.
- Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ Việc sử dụng cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng
- Các nguồn sáng thông dụng: đèn sợi đốt, diốt phát quang và Lazer
- Cấu tạo: gồm sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa các khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt
- đặc điểm đèn sợi đốt
• Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ một cách nhanh chóng
• Tuổi thọ thấp, độ bền cơ học thấp b) Điot phát quang LED(light-Emitting-Diode)
Là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lợng giải phóng do tái hợp điện tử- lỗ trống gần chuyển tiếp p-n của diode sẽ làm phát sinh các photon Đặc điểm của đèn LED
• Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi
• Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định
• Tuổi thọ cao, đạt tới 100.000 giờ
• Tiêu thụ công suất thấp
• độ bền cơ học cao
• Quang thông tơng đối nhỏ cỡ mW và nhạy với nhiệt độ c) Lazer
Lazer(Light Amplification by stimulated Emission Radiation) phát sáng đơn sắc dựa trên hiện tợng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích.
Cấu tạo gồm 4 thành phần cơ bản: Môi trờng tác dụng, cơ cấu kích thích, cơ cấu phản xạ và bộ phối gép đầu ra.
Quang trở, tế bào quang điện
Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó
2.1 T ế bào quang d ẫ n Đặc trưng của tế bào quang dẫn là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lợng của bức xạ và phổ của bức xạ ánh sáng Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhậy cao.Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tợng quang dẫn do kêt quả của hiệu ứng quang điện bên trong Hiệu ứng quang điện là hiện tợng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dới tác dụng của ánh sáng
Vật liệu chế tạo cảm biến Cds(cadmium sulfid), Cdse(Cadmium selenid), CdTe (Cadmium Telurid)
Tính chất của cảm biến quang dẫn: điện trở tối Rco phụ thuộc vào hình dáng, kích thớc, nhiệt độ và bản chất hóa lý của vật liệu.
Hình 7.1: Quan h ệ gi ữ a điệ n tr ở và độ chi ế u sáng c ủ a c ả m bi ế n quang d ẫ n
Tế bào quang dẫn có độ nhậy cao cho phép đơn giản hóa trong các ứng dụng nhưng có một số nhược điểm:
■ Đặc tính điện trở - độ rọi phi tuyến
■ Thời gian hổi đáp tơng đối lớn
■ Thông số không ổn định do già hóa
■ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ sadsads
Hình 7.2: Ứ ng d ụ ng c ủ a t ế bào quang d ẫ n
Khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở R giảm xuống đáng kể đủ để cho dòng điện I chạy qua tế bào Dòng điện sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơle.
+ Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể được sử dụng biến xung quang thành xung điện Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang điện sẽ được phản ánh thành xung điện của mạch đo,vì vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang tới sẽ được thể hiện trên xung điện.Người ta ứng dụng mạch đo này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.
- Tiếp xúc giữa P và N tạo nên vùng nghèo hạt dẫn và ở đó tổn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb Khi đó dòng điện đặt lên chuyển tiếp I=0
- Nguyên lý làm việc: Khi chiếu sáng lên bề mặt diôt bán dẫn bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λ s sẽ làm xuất hiện thêm các cặp điện tử và lỗ trống.
Hình 7.3: C ấ u t ạ o c ủ a Photodiode Để các hạt này có thể tham gia vào dộ dẫn và làm tăng dòng điện I cần ngăn cản quá trình tái hợp chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử, lỗ trống dới tác dụng của điện trờng điều này chỉ có thể xảy ra ở vùng nghèo và sự chuyển rời của các điện tích đó kéo theo sự gia tăng dòng điện ngợc Ir để đạt đợc điều đó ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua bề dày của chất bán dẫn và tiêu hao năng lợng không nhiều.Càng đi sâu vào chất bán dẫn quang thông càng giảm Φ(x)= Φ0.e-λx thực tế các diốt có lớp sự hấp thụ là cực đại.
Es nguồn phân cực ngược diot
Rm- đo tín hiệu đặc tính Vôn-ampe của photodiot ứng với mức quang thông khác nhau
Ir=Es/Rm+Vd/Rm
Hình 7.4: Đặ c tính V – A c ủ a photodiode ứ ng v ớ i m ứ c quang thông khác nhau
+ Chế độ quang thế: trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào điốt. Photodiot hoạt động giống như một nguồn dòng Người ta đo thế hở mạch và dòng ngắn mạch Voc và Isc đặc điểm ở chế độ này là không có dòng tối do không có nguồn điện phân cực ngoài do đó có thể giảm nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ
- Sơ đồ sử dụng photodiot : tùy thuộc mục đích sử dụng photodiot người ta chọn chế độ làm việc cho nó.
Hình 7.5: S ơ đồ ứ ng d ụ ng c ủ a photodiode ở ch ế độ quang d ẫ n
Phototranzitor là tranzitor silic loại NPN vùng bazo có thể đợc chiếu sáng, không có điện áp đặt lên bazo, chỉ có điện áp đặt lên C, chuyển tiếp B-C phân cực ngược (hình a)
Nguyên lý: khi chuyển tiếp B-C đợc chiếu sáng nó hoạt động hoạt động giống photodiot ở chế độ quang dẫn với dòng ngược:
Ir=I0+Ip Trong đó: I0- dòng điện ngợc trong tối
Ip- dòng quang điện khi có thông lượng ánh sáng chiếu qua bề dàyX
→Dòng Ir đóng vai trò là dòng bazo gây nên dòng colector Ic=( +1) Ir=( +1) I0 +( +1) Ip
- hệ số khuếch đại dòng của transzitor khi đấu chung emittor
Có thể coi Phototranzitor là tổ hợp gồm một photodiot và 1 tranzitor (hình b) Photodiot cung cấp dòng quang điện tại bazo, còn tranzitor cho hiệu ứng khuếch đại Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazo (dưới tác dụng của ánh sáng) sẽ bị phân cực dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B- C
Sơ đồ dùng Phototranzitor: Phototranzitor có thể dùng làm bộ chuyển mạch hoặc làm phần tử tuyến tính Chế độ chuyển mạch phototranzitor có ưu điểm so với photodiot là cho phép điều khiển trực tiếp dòng qua tương đối lớn.Ngược lại ở chế độ tuyến tính, phototranzitor có ưu điểm là cho độ khuếch đại nhưng độ tuyến tính của photodiot tốt hơn.
Hình 7.7 Các s ơ đồ ứ ng d ụ ng Phototranszitor
Thông tin sử dụng dạng nhị phân: có hay không có bức xạ, ánh sáng lớn hơn hay không lớn hơn ánh sáng ngưỡng
■ Hình a: điều khiển trực tiếp rơle
■ Hình b: Sau khi khuếch đại điều khiển rơle
■ Hình c: điều khiển cổng logic
Sợi quang
Sợi quang ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng được chiếu từ môi trường trong xuốt có hệ số chiết quang n 1 lớn (như nước, thủy tinh, chất dẻo trong xuốt) qua mặt phân cách sang một môi trường trong xuốt khác có chiết suất n2 nhỏ hơn(như không khí) Hiện tượng phản xạu toàn phần xảy ra khi góc tới y lớn hơn góc phản xạ toàn phần Ỵ 0
Hình 7.8: Truy ề n ánh sáng trong s ợ i quang
Sợi quang thông thường có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với không khí Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏ hơn Như trên hình 7.8 ánh sáng đi vào sợi quang qua mặt đầu của sợi quang và phản xạ toàn phần liên tục giữa mặt phân cách lõi và màng vỏ rồi ra ngoài ở mặt đầu kia của sợi Những tia sáng không phản xạ toàn phần được thì xuyên ra ngoài sợi quang và gây ra tổn hao năng lượng ánh sáng truyền.
Các sợi quang được chế tạo để sợi có bị uốn thì phần lớn ánh vẫn được truyền dọc theo sợi.
Hình 7.9: C ả m bi ế n quang h ọ c dùng s ợ i quang ki ể u ánh sáng xuyên a, và ánh sáng ph ả n x ạ b
Hình 7.9 là sơ đồ lắp cảm biến quang học dạng sợi quang Trên đó SQ: sợi quang, ĐT: đối tượng, TQ: Transzitor quang. Đường kính sợi quang cỡ 1mm.Ưu điểm của loại này là có thể cảm nhận những vật có kích thước nhỏ tới 1mm Cảm biến chịu tốt các rung động, va đập vì đầu sợi quang không có mạch điện, thiết bị nào cả Do sợi quang có đường kính nhỏ nên có thể luồn lách và đặt ở những nơi rất hẹp.
Sơ lược về áp dụng cảm biến quang
Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp để phát hiện sự có mặt của vật, đếm số sản phẩm.
Phát hiện vật thể bóng loáng, gồ ghề
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Cảm biến điện cảm
Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng ( hay còn gọi là cảm biến điện cảm) làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.
❖Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên
- Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn.
1, lõi sắt từ 2, cuộn dây 3,phần động
Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở.
Sơ đồ hình 8.1a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí ỗ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
Sơ đồ hình 8.1b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, là cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo
Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai
❖Cảm biến tự cảm có lõi từ di động
Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 4.5).
Hình 8.2: S ơ đồ nguyên lý c ả m bi ế n t ự c ả m lõi s ắ t t ừ
1, cuộn dây 2, lõi sắt từ
Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài 1f của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt.
Cảm biến hỗ cảm
Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 8.4).
Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 8.4a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 8.4b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 8.4c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi.
- Cảm biến đơn có khe hở không khí:
Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 8.5) Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể.
Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau.
1, cuộn sơ cấp 2, cuộn thứ cấp 3, lõi từ
Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo V m ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng không Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo V m gần như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp.
Cảm biến điện dung
Một số hình dáng của cảm biến điện dung thường gặp
Hình 8.5: M ộ t s ố hình dáng c ủ a c ả m bi ế n điệ n dung th ườ ng g ặ p
Nguyên lý làm việc của các cảm biến điện dung dựa trên sự tác động tương hỗ giữa hai điện cực tạo thành một tụ điện.điện dung của nó sẽ thay đổi dới tác động của đại lượng đầu vào.
Cảm biến điện dung chia thành hai nhóm chính: cảm biến máy phát và cảm biến thông số.
Cảm biến điện dung máy phát đại lượng ra là điện áp máy phát, đại lưựng vào là di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của của cảm biến. Loại này thờng dùng đo các đại lượng cơ học:
Cảm biến điện dung thông số có đại lượng ra là sự thay đổi điện dung của cảm biến đại lượng vào là sự di chuyển.
Cảm biến tiếp cận
Cảm biến tiệm cận được sử dụng để phát hiện sự có mặt hay không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học.
Cảm biến tiệm cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng Cảm biến này có cấu trúc tương đối đơn giản, không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động bị hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm.
Hiện nay các cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Cấu tạo: 1 bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm 4 khối chính:
• Cuộn dây và lõi Ferit
Nguyên lý làm việc: Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng giao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON. Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường.
Hiệu số biên độ tác động và không tác động của bộ tác động tương ứng với sự trễ với cảm biến Nó tương ứng với điểm phát hiện và điểm nhả của cảm biến đối diện bề mặt đối tượng.
Phạm vi của cảm biến tiệm cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt của cảm biến và đối tượng có liên quan đến hình dáng của lõi và dây quấn.
Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm (phạm vi) của cảm biến:
• Kích thước và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi
• Vật liệu và kích thước đối tượng
• Điều kiện điện từ xung quanh
• Nhiệt độ môi trường xung quanh
Cảm biến tiệm cận điện dung: sự có mặt của đối tợng làm thay đổi điện dung của các bản cực cảm biến Cảm biến tiệm cận điện dung cũng gồm 4 bộ phận:
+ Cảm biến (các bản cực cách điện)
Nguyên lý làm việc: Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện tăng lên Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện môi của vật liệu Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực.
Dải đo của cảm biến điện dung: Cảm biến điện dung thông thường có dải đo từ 2mm đến dưới 50mm Cảm biến điện dung 2mm, Cảm biến điện dung4mm, Cảm biến điện dung 8mm, Cảm biến điện dung 12mm, Cảm biến điện dung 16mm,Cảm biến điện dung 25mm, Cảm biến điện dung ON-OFF.
ĐO LƯU LƯỢNG VẬN TỐC LƯU CHẤT VÀ MỨC
Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất
Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp Ưu điểm của các dụng cụ này là đơn giản chắc chắn không có tiếng ổn, dễ chế tạo hàng loạt, đo được ở bất kỳ môi trường, nhiệt độ và áp suất nào, giá thành thấp.
Khảo sát nguyên lý dòng chảy trong một ống dẫn có đặt thiết bị thu hẹp. Khi có dòng chất lỏng chảy qua lỗ thu hẹp thì tốc độ của nó tăng lên so với tốc độ trước lỗ thu hẹp Do đó áp suất dòng chảy ở cửa ra của lỗ thu hẹp giảm xuống tạo nên sự chênh lệch áp suất phía trước và phía sau lỗ thu hẹp Sử dụng áp kế vi sai đo được sự chênh lệch áp suất này từ đó đo được lưu lợng này.
Tốc độ dòng chảy sau ống thu hẹp lớn hơn trớc ống do đó áp suất sau ống lớn hơn
2 Lưu lượng phụ thuộc vào tốc độ nên cũng phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất
2( − ) d: đường kính lỗ thu hẹp; : hệ số lưu lượng; : mật độ dòng chảy
Đo mức bằng cảm biến điện dung
Sử dụng sự phụ thuộc điện dung của phần tử nhạy cảm của bộ chuyển đổi vào chất lỏng.
Cấu tạo: phần tử nhạy cảm điện dung được thực hiện dưới dạng các điện cực hình trụ tròn đặt đồng trục hay các điện cực phẳng đặt song song với nhau. Cấu tạo của các phần tử thụ cảm điện dung được xác định theo tính chất hóa lý của chất lỏng Với chất lỏng cách điện (có điện dẫn suất nhỏ hơn10-6 simen/m) ta có các sơ đồ cảm biến như hình dưới đây.
Hình 9.1: Cảm biến đo mức chất lỏng cách
Hình a: phần tử thụ cảm gồm 2 điện cực đồng trục 1 và 2 có phần nhúng chìm vào chất lỏng Các điện cực tạo thành 1 tụ điện hình tròn, giữa hai điện cực điền đầy chất lỏng có chiều cao h, H-h là không gian chứa hỗn hợp hơi khí Điện dung của tụ điện hình trụ được xác định bằng phương trình:
Trong đó: : hằng số điện môi điền đầy giữa 2 điện cực; : hằng số điện môi của chân không; H: chiều cao điện cực; D: đường kính ngoài và trong của điện cực.
