KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 2 pdf

Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 22 - 3.3 Chỉ thị đèn ống tia âm cực Trong thiết bị quan sát ghi dạng tín hiệu, phận thị thường dùng đèn ống tia âm cực (CRT - Cathode Ray Tube) Nguyên lý hoạt động CRT dùng điện trường để điều khiển đường chùm electron phóng từ súng điện tử cho hướng lên huỳnh quang để vẽ dao động đồ tín hiệu cần nghiên cứu Trên hình 1-225 sơ đồ nguyên lý đèn ống tia âm cực CRT Hình 1-22 Nguyên lý cấu tạo đèn ống tia âm cực (CRT) 3.3.1 Súng điện tử Súng điện tử có nhiệm vụ tạo chùm tia điện tử nhỏ, có lượng cao bắn tới huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Súng điện tử cấu tạo từ catốt, lưới điều chế anốt Catốt thường làm từ niken đốt nóng gián tiếp nhờ sợi đốt nguồn xoay chiều 6,3V Cực lưới làm niken có dạng hình trụ bao bọc lấy catốt Nhờ điện áp phân cực catốt anốt mà chùm điện tử phát xạ từ catốt sau điều tiết lưới điều chế tiêu tụ gia tốc có đủ lượng độ tụ cao phóng thẳng huỳnh quang 3.3.2 Hệ thống điều tiêu Các anốt A1, A2, A3 tạo hệ thống có tác dụng thấu kính điện tử Chức chúng điều tiêu chùm tia điện tử từ catốt tới Trên hình 1-23 mức phân cực cho catốt, lưới anốt Catốt A1 tạo trường hội tụ gia tốc sơ chùm tia điện tử Do A1 A3 giữ đất, A2 điều chỉnh quanh –2kV, kết phân bố đường đẳng anốt có dạng hình 1-23 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 23 - Hình 1-23 Hình dang phân bố điện Các electron qua A1 chùm phân kỳ, cắt ngang đường đẳng chúng chịu lực tác dụng điện trường theo hướng vuông góc với đường đẳng Hình dạng đường đẳng A1 tạo nên lực hội tụ, A3 tạo lực phân kỳ chùm electron (xem hình 1-23) Có thể thay đổi lực nhờ điều chỉnh phân cực cho A2, điều chỉnh điểm điều tiêu chùm nên A2 gọi vành hội tụ 3.3.3 Hệ thống lái tia điện tử Chùm tia electron từ súng điện tử phóng điều khiển hệ thống lái chùm tia trước tới huỳnh quang Hệ thống bao gồm hai cặp phiến lái tia: cặp phiến lệch đứng cặp phiến lệch ngang đặt vuông góc với thường gọi tắt cặp phiến YY XX (hình 1-24) Nếu cặp phiến lệch đặt hiệu điện thế, chúng tồn điện trường Khi electron bay vào vùng không gian hai chịu tác dụng lực điện trường làm thay đổi quỹ đạo chuyển động Độ lệch điểm sáng chùm tia điện tử tạo nên hình so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường thời gian bay điện tử qua khoảng không gian hai Cường độ điện trường lớn thời gian bay điện tử lâu độ lệch quỹ đạo tăng Cường độ điện trường tỷ lệ vơí điện áp Uy đặt vào cặp phiến lệch (hình 1-24), tỷ lệ nghịch với khoảng cách d hai phiến Thời gian bay điện tử qua khoảng hai phiến tỷ lệ với độ dài l phiến tỷ lệ nghịch với tốc tộ điện tử, tốc độ điện tử lại tỷ lệ với điện áp anốt A2 Như tăng A2 độ sáng hình tăng, đồng thời làm giảm độ lệch tia điện tử Nói cách khác làm giảm độ nhạy ống tia điện tử Từ hình vẽ ta thấy độ lệch tia điện tử phụ thuộc vào L khoảng cách từ điểm phiến lệch đến huỳnh quang Như vậy, ta có quan hệ: y = Lưu Thế Vinh U y lL dU A = SUy (1-22) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử S = - 24 - lL gọi độ nhạy CRT, độ lệch tia dU A sáng tính mm đặt phiến lệch hiệu điện 1vôn Các CRT thông thường có độ nhạy từ 0,2 ÷ 1mm/V l U Uy Hình 1-24 3.3.4 Màn huỳnh quang Màn hình CRT tạo cách mạ lớp huỳnh quang phốt mặt Khi có điện tử bắn vào điểm phát sáng huỳnh quang Thời gian phát sáng kéo dài vài miligiây, vài giây, chí lâu Tùy thuộc vào vật liệu mà ánh sáng huỳnh quang phát có màu xanh lơ, đỏ, xanh lục màu trắng Phốt sử dụng hình chất cách điện, phát xạ thứ cấp, hình âm electron sơ cấp tích tụ lại, chúng lớn tới mức đẩy ngược chùm electron tới Để triệt bỏ hiệu ứng này, thành cổ ống CRT phủ lớp than chì để thu gom trung hòa electron tích tụ (xem hình 122) 3.3.5 Điều chỉnh độ chói Độ chói hình ảnh tạo hình phụ thuộc vào mật độ số electron chùm tia tới Để điều chỉnh mật độ electron người ta điều chỉnh điện áp lưới điều chế M Mặt khác độ chói phụ thuộc vào tốc độ electron tới, nghóa chúng phải gia tốc tới tốc độ khả dó cao Tuy nhiên tốc độ chùm electron cao tác dụng điện áp làm lệch lên chùm tia giảm chúng qua hệ thống làm lệch, độ nhạy lái tia Do người ta thường bố trí hệ thống gia tốc sau làm lệch tia điện tử qua lái tia Một dây xoắn ốc chất có điện trở cao cho kết tủa bên phần loe ống CRT Điểm đầu nối đất đầu cuối có điện cao tới +12kV, nhờ tạo điện trường gia tốc liên tục chùm electron trước đập vào hình Hệ thống gọi cực hậu gia tốc 3.4 Chỉ thị âm ánh sáng Trong thiết bị đo lường dùng thị âm thường sử dụng ống nghe loại thị nhạy phát dòng điện có công suất Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Ñieän Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 25 - nhỏ đến micrôoat hay điện áp thấp đến micrôvon Ống nghe có độ nhạy cao phạm vi tần số hợp với tai nghe, tức vào khoảng 800 đến 1200 Hz nên dùng làm thị âm tần thích hợp Đối với máy đo thị cân (chỉ thị 0) dùng ống nghe làm thị đo đạc xác định đại lượng nhanh Các ống nghe dùng đo lường thường có điện trở cao có cấu tạo để có độ nhạy cao với tần số vào khoảng 1000Hz Trong thiết bị đo lường nhằm phát báo mức ngưỡng áp dụng hệ thống bảo vệ, việc sử dụng tín hiệu âm ánh sáng để thị có ý nghóa mặt cảnh báo, tín hiệu gây ý để báo hiệu cho người biết cố để có biện pháp khắc phục 3.5 Lưu trữ kết đo lường Để lưu trữ kết đo lường người ta sử dụng nhiều biện pháp khác nhau: Sử dụng máy ghi chuyên dụng; thiết kế hệ thống đo có sử dụng vi xử lý hệ thống nhớ đóa từ; ghép nối hệ đo với máy vi tính điều khiển tự động Các máy ghi thiết bị cho phép ghi lại kết đo diễn biến theo thời gian Có thể ghi nhiều cách: 3.5.1 Ghi liên tục: Thường dùng băng giấy chạy liên tục trình diễn biến đại lượng ghi thành đường cong, qua xác được phụ thuộc đại lượng theo thời gian 3.5.2 Ghi gián đoạn: Việc ghi thực theo thời gian định thường kết hợp để ghi nhiều đại lượng khác máy nhờ chuyển mạch Kết phép ghi số đường chấm chấm Có nhiều phương pháp ghi khác nhau: – Ghi bút ghi: loại ghi đơn giản – Ghi phương pháp điện: Dùng phương pháp tia lửa điện để đánh thủng giấy ghi lúc, dùng phản ứng hóa học giấy ghi – Ghi phim ảnh, giấy ảnh – Ghi băng từ – Ghi phương pháp số đóa từ – Ghi đóa quang CD v.v DỤNG CỤ ĐO DIỆN, SAI SỐ, CẤP CHÍNH XÁC Có nhiều loại, tùy theo nguyên tắc thiết kế mạch nguyên lý tác động mà người ta chia hai loại là: - Các dụng cụ đo tương tự (analog) - Các dụng cụ đo theo phương pháp số (digital) Các dụng cụ đo tương tự thường dùng thị kim mặt đồng hồ điện kế Đa số dụng cụ đo điện thông dụng loại điện, tùy thuộc vào nguyên lý tác động cấu đo mà người ta chia loại sau : - Cơ cấu đo từ điện (điện kế khung quay); - Cơ cấu đo kiểu điện từ; - Cơ cấu đo kiểu điện động; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 26 - - Cơ cấu đo kiểu nhiệt điện; - Cơ cấu đo tónh điện; - Cơ cấu đo kiểu cảm ứng Trên bảng 1-1 ký hiệu quy ước mặt đồng hồ đo điện ý nghóa chúng Bảng 1-1 Cơ cấu đo kiể u từ điện Cơ cấu hiệu chỉnh Cơ cấu đo kiể u điện từ Giá trị từ trườ n g ngò a i gây sai lệc h số dụn g cụ L ôg ô m ét từ điệ n L ôg ô m ét điệ n từ Cơ cấu đo kiể u điện độn g Giá trị điệ n trườ n g ngòa i gâ y sai lệc h số dụ n g cụ đo Điệ n áp kiểm tra độ h điệ n 500V Điệ n áp kiểm tra độ h điệ n 500V (ï kV) L ôg ô m ét điệ n độ n g khô n g kiểm tra điệ n áp h điệ n Cơ cấu đo sắt điện độn g Đặt dụn g cụ thẳ n g đứ n g L ôg ô m ét sắt điệ n độn g Đặt dụn g cụ nằ m g ngang Cơ cấu đo kiể u nhiệt điện Dò n g m ột chiề u Cơ cấu đo kiể u tónh điệ n Dò n g xoay chiề u Cặp nhiệt ngẫu trực tiếp Dò n g điện m ột chiề u xoay chiều Cặp nhiệt ngẫu gián tiế p Định hướn g dụ n g cụ đo từ trườn g trái đất M àn chắ n tónh điệ n Cấp xác tính theo phần tră m giá trị cuối cùn g thang đo M àn chắ n từ Lưu Thế Vinh Cấp xác tính theo phần tră m chiề u dài thang đo Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 27 - Các máy đo có độ xác cao thường lắp đặt thêm mạch bổ trợ linh kiện điện tử, bán dẫn, cấu thị thường dùng loại từ điện Trong dụng cụ đo theo phương pháp số, đại lựợng đo tương tự lối vào số hóa nhờ mạch biến đổi tương tự số ADC (Analog to Digital Converter), sau đưa qua mạch đếm, giải mã thị đèn LED đoạn (LED - Light Emitting Diode) đèn tinh thể lỏng đoạn Theo đại lượng đo người ta chia dụng cụ đo điện theo tên gọi: Ampekế, Miliampekế, Micrôampekế, Vôn kế, Milivônkế, Ômkế,v.v 4.2 Sai số Bất kỳ phép đo mắc phải sai số, Theo cách biểu diễn sai số có loại sai số sau : 4.2.1 Sai số tuyệt đối: Là hiệu giá trị thực đại lượng đo trị số đo phép đo: ∆Χ = XT - X m (1-23) XT - Giá trị thực đại lượng đo Xm - Giá trị đo phép đo Như ∆Χ có giá trị dương âm Tuy nhiên, XT ta chưa biết, nên thực tế người ta thường lấy giá trị gần XT cách đo nhiều lần xem giá trị trung bình n lần đo gần với XT XT ≅ X = n ∑ XM i n i =1 (1-24) Và giá trị ∆Χ biểu diễn sau: ∆X = ( n n ∆X i = ∑ X i − X ∑ n i =1 n i =1 ) (1-25) 4.2.2 Sai số tương đối: Để đánh giá độ xác phép đo, người ta dùng sai số tương đối δX biểu diễn phần trăm: δΧ(%) = ∆Χ ⋅ 100 % Χ (1-26) ∆Χ ⋅ 100 % Χ (1-27) Thực tế, thường biểu diễn giá trị gần trung bình nó: δΧ(%) = 4.3 Cấp xác đồng hồ đo điện Để đánh giá độ xác đồng hồ đo điện, người ta dùng khái niệm cấp xác dụng cụ Cấp xác dụng cụ đo điện định nghóa là: γ%= ∆X max ⋅ 100 % Amax (1-28) ∆X max – sai số tuyệt đối lớn dụng cụ đo thang đo tương ứng; Amax – giá trị lớn thang đo Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 28 - Dụng cụ đo điện có cấp xác sau : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 Cấp xác ghi mặt đồng hồ đo Biết cấp xác ta tính sai số tuyệt đối lớn cho phép phép đo: ∆Xmax = γ% Amax / 100 (1-29) Ví dụ: Một miliampekế có thang độ lớn Amax = 100mA, cấp xác 2,5 Sai số tuyệt đối lớn cho phép là: ∆Xmax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA Vượt giá trị 2,5mA đồng hồ không đạt cấp xác 2,5 4.4 Các cách tính sai số 4.4.1 Sai số phép đo với thang đo khác nhau: Trong thực tế đo với máy đo có cấp xác định, thay đổi thang đo sai số tuyệt đối phép đo thay đổi, cách tính theo công thức (1-29) Ví dụ: Một vôn kế có cấp xác 1,5 dùng thang đo 50V mắc sai số cho phép lớn : ∆ Umax = 1,5 50 / 100 = 0,75V Nhöng dùng thang đo 100V sai số tuyệt đối lớn cho phép lại ∆ U’max = 1,5 100 / 100 = 1,5V 4.4.2 Sai số tương đối tổng đại lượng Nếu hai đại lượng đo có tính chất độc lập với nhau, đại lượng có sai số tương đối riêng biệt δA δB sai số tương đối tổng đại lượng (A + B) : δ ( A+ B) = ∆A + ∆B AδA + BδB = A+B A+B (1-30) 4.4.3 Sai số tương đối tích đại lượng Nếu hai đại lượng độc lập với mà đại có trị số sai số tương đối riêng biệt sai số tương đối tích đại lượng (A.B) xác định: δ (A.B) = δA + δB (1-31) Tổng quát, trường hợp tích nhiều đại lượng độc lập với nhau: n ∑δ Ai δ ∏ Ai = (1-32) i =1 i 4.4.4 Sai số tương đối thương δ (A/B) = δA + δB Tổng quát cho trường hợp tỷ số tích nhiều đại lượng : Nếu : x = ∏ Ai i ∏ Bj j Lưu Thế Vinh Thì: δ = ∑ δ Ai + ∑ δ Bj i (1-33) (1-34) j Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Ñieän Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 29 - CHƯƠNGII: ĐO CÁC ĐẠI LƯNG ĐIỆN § KHÁI NIỆM CHUNG Các đại lượng điện chia làm hai loại: loại tác động (active) loại thụ động (passive) – Loại tác động: Các đại lượng mang lượng điện áp, dòng điện, công suất đại lượng tác động Khi đo đại lượng này, thân lượng chúng tác động lên mạch đo cấu đo Trong trường hợp lượng lớn phải sử dụng mạch phân dòng, phân áp mạch lấy mẫu đại lượng đo (biến áp, biến dòng) Trường hợp ngược lại, đại lượng đo nhỏ, phải sử dụng mạch khuếch khuếch đại chúng lên đủ lớn để mạch đo làm việc bình thường – Loại thụ động: Các đại lượng không mang lượng điện trở, điện cảm, điện dung đại lượng thụ động Khi đo đại lượng phải có nguồn điện áp để cung cấp lượng cho chúng mạch đo § ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN VẠN NĂNG 2.1 Các tiêu chất lượng đồng hồ vạn 2.1.1 Độ nhạy γ Độ nhạy đồng hồ biểu thị mối quan hệ phụ thuộc góc lệch phần động có dòng điện tác động lên cấu đo Nó dòng điện nhỏ có khả làm lệch kim thị lên hết thang độ Dòng nhỏ độ nhạy cao Độ nhạy đồng hồ tỉ lệ với mật độ từ thông nam châm vónh cửu, số vòng khung dây điện kế, tỷ lệ nghịch với lực cản lò xo xoắn Các đồng hồ có độ nhạy cao thường có độ nhạy (50ữ20)àA ẹoọ nhaùy thửùc teỏ cuỷa ủong ho thửụứng bũ giảm có sun vạn đấu song song với khung dây Trên mặt đồng hồ đo thường có ghi trị số điện trở vào ứng với vôn (Ω/V) Muốn tính độ nhạy thực tế cần số lấy nghịch đảo điện trở vào ứng với vôn Ví dụ, đồng hồ vạn 500 T có điện trở vào ứng vôn 20.000 Ω/V độ nhạy thực tế là: γ = 1V = = 50 µA 20.000 Ω / V 20.000 Ω Như vậy, đồng hồ có số Ω/V lớn dòng điện làm lệch hết thang độ nhỏ đồng hồ nhạy Dòng điện thường rẽ nhánh qua mạch sun vạn năng, nên dòng điện thực tế chạy trực tiếp qua khung dây điện kế nhỏ Chẳng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 30 - hạn, đồng hồ 500 T có độ nhạy thực tế 50 µA, dòng thực tế qua khung dây 40 µA Đồng hồ 108 T có trị 5000Ω/V, độ nhạy thực tế 200 µA, dòng qua khung dây 63 µA 2.1.2 Cấp xác Do mạch đo dùng phối hợp để đo điện áp, dòng điện điện trở nên cấp xác đồng hồ vạn thường thấp máy đo riêng lẻ Cấp xác biểu thị theo sai số phần trăm trị số lớn thang đo Cấp xác điện xoay chiều nhỏ điện chiều ảnh hưởng đặc tuyến chỉnh lưu phi tuyến Trên mặt đồng hồ thường ghi rõ cấp xác điện chiều xoay chiều Các đồng hồ thông dụng có cấp xác 2,5 điện chiều điện xoay chiều 2.1.3 Tính thăng Đồng hồ vạn có tính thăng tốt dù để nằm, để đứng hay nghiêng kim thị số Điều chứng tỏ trọng tâm khung quay nằm đường nối hai mũi nhọn trục quay 2.2 Mạch đo đồng hồ đo điện vạn Sơ đồ khối trình bày nguyên lý tổ chức mạch đo đồng hồ đo điện vạn hình 2-1 Mạch gồm khối chức bản: khối đo dòng điện, khối đo điện áp khối đo điện trở Cơ cấu thị dùng điện kế từ điện G Mạch đo I I U R Mạch đo U + - Mạch đo R Hình 2-1 Sơ đồ khối mach đo đồng hồ đo điện 2.2.1 Mạch đo dòng điện chiều Các cấu đo từ điện đo từ vài chục tới vài trăm micrôampe (µA) Nhưng thực tế ta cần đo dòng điện có trị số lớn nhiều, muốn phải mở rộng thang đo cho đồng hồ Sơ Rg đồ nguyên lý mắc sun mở rộng thang đo cho điện kế hình 2-2 Ig Gọi dòng cần đo I, dòng làm lệch toàn phần cấu đo Ig, điện trở Is I Rs cấu đo Rg, điện trở sun RS, từ hình 22 ta dễ dàng thấy: Hình 2-2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 31 - I = IS + Ig Ig IS = RS Rg Ta coù: IS = I – Ig , gọi n = I / Ig hệ số mở rộng thang đo dòng, ta có: I = nIg , từ đó: Ig IS = Ig nI g − I g RS = Hay: = R = S n −1 Rg Rg (2-1) n −1 Trong đồng hồ vạn mạch đo thường có nhiều thang đo khác nhau, có cách đấu sun: kiểu đấu sun riêng rẽ kiểu đấu sun vạn a.Mạch sun riêng rẽ Rg Ig _ Các sun đấu riêng rẽ ứng với thang đo khác (hình R1 I1 2-3) Việc chọn thang đo R2 I2 thực nhờ chuyển mạch SW R3 SW I3 Giá trị điện trở sun R1, R2, R3 tính theo công thức (2-1) Sun riêng rẽ có ưu điểm Hình 2-3 Mạch sun riêng rẽ tách rời nên dễ dàng kiểm tra hiệu chỉnh sửa chữa Tuy nhiên, không kinh tế tăng số điện trở dây quấn Mặt khác chuyển mạch bị tiếp xúc xấu không tiếp xúc, mạch sun bị ngắt, toàn dòng đo đổ qua điện kế làm cháy khung dây đồng hồ Do kiểu sun riêng rẽ sử dụng thực tế + b) Mạch sun vạn Mạch sun vạn có đặc điểm bao gồm tất sun riêng rẽ thang đo Các sun riêng rẽ đấu nối tiếp với toàn điện trở sun đấu song song thường trực với cấu đo (hình 2-4) Rg _ + _ + R4 R3 R2 R1 R2 R1 2 SW Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 32 - a) b) Hình 2-4 Mach sun van Mỗi thang đo tổ hợp điện trở, sun thang đo trước phần sun thang đo sau Trong sơ đồ hình 2-4, a ứng với thang đo thứ nhất, điện trở sun R1, R2, R3, R4 đóng vai trò điện trở phụ nối tiếp với cấu đo Đây thang đo dòng lớn thang đo (ứng với sun nhỏ nhất) Một cách tương tự, ta có (R1 + R2) sun thang đo thứ 2; (R1 + R2 + R3) sun thang đo thứ ba (R1 + R2 + R3 + R4) sun thang đo thứ tư (thang đo dòng nhỏ nhất) So với kiểu mạch dùng sun riêng biệt, mạch dùng sun vạn tiết kiệm điện trở dây quấn hơn, đặc biệt điện trở sun mắc song song thường trực với cấu đo nên không sợ xảy tải cho đồng hồ Tuy nhiên, việc điều chỉnh sửa chữa mạch sun vạn phức tạp Để tính toán điện trở sun vạn ta xuất phát từ cách tính tổng quát sun riêng rẽ Ta xét mạch sun vạn đơn giản hình 2-5 gồm hai điện trở R1 + R2 RS = R1 + R2 = Ta coù: Rg n1 − (2-2) Ở n1 hệ số hiệu chỉnh dòng ứng với thang đo mắc sun RS = R1 + R2 Với thang đo sau, điện trở sun R2, R1 nối tiếp với cấu đo Áp dụng công thức tính sun (2-1) ta có: R2 = R1 + Rg n2 − (2-3) Ở n2 hệ số hiệu chỉnh dòng điện ứng với thang đo có sun R2 Từ phương trình (2-2) (2-3) ta rút ra: R1 = R g n1 ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ − n1 − ⎜ n1 n2 ⎟ ⎝ ⎠ (2-4) R2 = RS – R1 Tính toán tương tự với mạch sun vạn cho 3, 4, k thang đo ta rút công thức tổng quát tính điện trở sun vạn Rk thang đo bất kỳ: Rk = R g n1 ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ − n1 − ⎜ nk nk +1 ⎟ ⎝ ⎠ (2-5) –Ví dụ: Một điện kế có dòng lệch toàn thang Ig = 50µA, điện trở cấu đo Rg = 300Ω Tính trị số sun vạn để mở rộng thang đo cho điện kế với dòng 100 µA, 1mA, 10mA 100mA Ta có hệ số hiệu chỉnh dòng ứng với thang đo tương ứng laø: n1 = 100/50 = 2; n2 = 1000/50 = 20; n3 = 10.000 /50 = 2000; n4 = 100.000/50 = 2000 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử Tính RS = R1 + R2 + R3 + R4 = Rg n1 − = - 33 - 300 = 300 Ω −1 Trò số điện trở sun thang đo tính theo công thức (2-5) ⎛1 ⎞ = 270 Ω ⎜ − ⎟ = 600 20 − ⎝ 20 ⎠ ⎛ 1 ⎞ R2 = 300 = 27Ω ⎜ − ⎟ = 600 200 − ⎝ 20 200 ⎠ ⎛ 1 ⎞ R3 = 300 − = , 7Ω ⎜ ⎟ = 600 − ⎝ 200 2000 ⎠ 2000 R4 = RS – (R1+ R2 + R3) = 300 – 299,7 = 0,3Ω R1 = 300 2.2.2 Mạch đo điện áp chiều Cơ cấu đo từ điện đo điện áp nhỏ, để mở rộng thang đo người ta phải mắc thêm điện trở phụ Rp nối tiếp với cấu đo (hình 2-5) Từ hình vẽ ta có: U = UP + Ug = Ig(RP + Rg) Rg Rp Ig Trong Rg Ig điện trở cấu đo dòng lệch cực đại thang đo điện kế + Ug Up Hình 2-5 Như vậy, giá trị điện trở phụ là: Rp = _ U − Rg Ig (2-6) Tương tự thang đo dòng điện chiều, để đo trị số điện áp khác nhau, thang đo điện áp thiết kế mạch điện trở phụ kiểu riêng biệt điện trở phụ kiểu vạn (hình 2-6) Hình 2-6, a sơ đồ mạch đo điện áp chiều với thang đo mắc kiểu điện trở phụ riêng rẽ Mạch có ưu điểm dễ dàng kiểm tra sửa chữa, có nhược điểm giống mạch sun riêng rẽ dễ bị hở mạch đo chuyển mạch tiếp xúc xấu Rg + _ + R4 R4 R3 R3 _ R1 R1 R2 R2 Rg _ 1 SW + SW _ + a) Hình 2-6 a) Mạch vôn kế dùng điện trở phụ kiểu riêng rẽ b) Mạch vôn kế dùng điện trở phụ vạn Lưu Thế Vinh b) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Ñieän Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 34 - Hình 2-6, b sơ đồ mắc điện trở phụ vạn Đây kiểu dùng rộng rãi đồng hồ vạn Các điện trở thành phần hình 2-6, b dễ dàng tính theo công thức sau: R1 = R2 = R3 = U1 − I g R g Ig U − U1 Ig U3 − U2 Ig Tương tự, ta rút công thức tổng quát để tính điện trở phụ mở rộng thang đo biết thang đo trước: Rn = U n − U n −1 Ig (2-7) Trong n số thứ tự thang đo –Ví dụ: Một đồng hồ đo điện vạn có điện trở cấu đo 300 Ω, dòng lệch toàn thang 0,3mA Hãy tính điện trở phụ vạn mở rộng thang đo vôn kế để đo điện áp 6V, 30V 150V Áp dụng công thức (2-7) cho thang đo ta có: R1 = − (0,0003 × 300 ) = 19700 Ω = 19,7kΩ 0,0003 R2 = 30 − = 80000 Ω = 80 kΩ 0,0003 R3 = 150 − 30 = 400000 Ω = 400 kΩ 0,0003 Trên hình 2-7 hình 2-8 hai mạch điện trở phụ thực tế hai đồng hồ vạn U202 U1 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử R4 + - R2 R1 - 35 - R8 R3 R7 R6 R5 15 75 - + R15 + - 300 750 R5 Hình 2-7 Mạch vôn kế dùng điện trở phụ riêng biệt đồng hồ vạn U 202 R7 R6 R1 R2 R3 R8 R9 R4 50V 10V - 230V 500V + Hình 2-8 Mạch vôn kế dùng điện trở phụ vạn đồng hồ vạn U1 2.3 Đo dòng điện điện áp xoay chiều + Cơ cấu đo từ điện đo dòng chiều Để đo dòng điện điện áp xoay chiều mạch đo mắc thêm khối chỉnh lưu Các mạch chỉnh lưu đồng hồ vạn thường dùng chỉnh lưu bán kỳ, chỉnh lưu cầu đối xứng không đối xứng diode Ge Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện điện áp xoay chiều đồng hồ vạn Univecka trình bày hình 2-9 hìnhø 2-10 10K 500 300 100 30 50 10 20 100 200 10 50 500 mA 0.5 1A 0.1 0.3 2A 0.05 0.04 0.01 10A _ + Hình 2-9 Mach đo dòng điện xoay chiều đồng hoà + 0,01uF 6M 2M 1M 500K 200K 100K 50K 20K 10K 50M 1000V Lưu Thế 500 200 Vinh 100 50 20 10 50M + 5KV - 10M Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 36 - Hình 2-10 Mach đo điện áp xoay chiều đồng hồ 2.4 Mạch đo điện trở Trị số điện trở thường phân khoảng: trị số nhỏ (dưới 1Ω); trung bình (1 ÷10 Ω) lớn (trên MΩ) Các điện trở nhỏ thường đo cầu đo, loại lớn dùng Mêgôm kếá để đo Loại trung bình đo chủ yếu ôm kế Trong đồng hồ vạn thang đo ôm khắc độ trực tiếp ôm Tùy theo cách mắc điện trở cần đo RX nối tiếp hay song song với cấu đo, người ta phân hai loại: ôm kế song song ôm kế mắc nối tiếp 2.4.1 Ôm kế có điện trở đo mắc nối tiếp 11, a) Trong sơ đồ điện trở cần đo RX mắc nối tiếp với cấu đo (hình 2Rx G + G R* - + + - + U U R - - a) Rx R b) Hình 2-11 Từ hình vẽ ta có: Ig = U R + RX (2-8) Nếu U = const Ig = f(RX) Thang độ dụng cụ khắc độ theo Rx Vì hàm truyền (2-8) phi tuyến nên thang độ Rx không Khi Rx thay đổi giá trị Ig thay đổi – Khi Rx = (ngắn mạch Rx), dòng Ig = Imax, góc lệch kim thị lớn – Khi Rx =∞ (hở mạch Rx), dòng Ig = 0, góc lệch kim thị Như thang độ ôm kếá loại ngược với thang đo thông thường, giá trị Ω tận bên phải, giá trị ∞ Ω tận bên trái Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 37 - –Lưu ý Kết đo Rx xác điện áp nguồn không đổi U = const Để hiệu chỉnh điện áp nguồn phạm vi biến đổi định, người ta dùng thêm biến trở R* mắc song song với cấu đo (hình 2-11, b) Trước lần đo ta phải ngắn mạch que đo (ngắn mạch Rx) điều chỉnh kim đồng hồ số 0, sau tiến hành đo kết thị xác Núm điều chỉnh biến trở R* đưa trước mặt máy thường ký hiệu chữ Ω Mạch đo ôm mắc nối tiếp dùng rộng rãi đồng hồ vạn Thông thường thang độ ôm kếá cấu tạo theo kiểu thang đo sau lớn gấp 10 lần thang đo trước, nên chuyển thang đo cần nhân hệ số x10, x100, x1000 Hình 2-12 mạch đo điện trở đồng hồ vạn 108-T R23 R1 R2 R3 R21 - R4 + R6 R5 R7 R8 R22 R17 X1 R18 X10 R20 X1K X10K R19 1,5V 1,5V Hình 2-12 Mạch đo điện trở đồng hồ vạn 108-T 2.4.2 Ôm kế có điện trở đo mắc song song Sơ đồ ôm kế mắc song song hình 2-13 Tương tự ôm kế mắc nối tiếp, ta xét trường hợp: – Khi ngắn mạch Rx (Rx = 0) , dòng qua cấu đo – Khi hở mạch Rx (Rx = ∞) dòng qua cấu đo xác định điện trở cấu đo điện trở mạch ngoài: I= U R + Rg (2-9) Lúc dòng điện qua cấu đo lớn Khi mắc song song Rx với điện kế G, dòng qua mạch đo là: I= R+ Lưu Thế Vinh U Rx Rg (2-10) Rx + R g Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử Rx Rx G G + - 38 - + - + - + U U R R R* - - b) a) Hình 2-13 Các biểu thức (2-9) (2-10) cho thấy thang độ đồng hồ không thuận chiều bình thường thang đo điện áp dòng điện Để điều chỉnh điểm ban đầu sử dụng thêm điện trở R* mắc nối tiếp với mạch đo (hình 2-13, b) 2.5 Thang đo đề xi ben Trong số đồng hồ vạn có thêm thang đo đề xi ben (dB) dùng để đo mức tín hiệu xoay chiều Mức chuẩn quy định 1mW gánh 600Ω điện áp tương ứng 0,775 V (được tính từ hệ thức: P = U2/R từ U = P.R ) Thang độ dB tương ứng với thang đo điện áp xoay chiều đồng hồ O dB ứng với vạch kim 0,775V thang đo điện áp xoay chiều Đối với thang đo khác, giá trị dB tính cách cộng thêm vào số dụng cụ với trị số không đổi ghi mặt đồng hồ Ví dụ: Đo thang đo 50 V (14) , số thang độ +10 dB, trị số thực : +10 + 14 dB = 24 dB Đo thang đo 500 V(34), kết đo = số + 34 dB, § ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG CÁC VÔN MÉT TƯƠNG TỰ 3.1 Đặc tính chung Đo điện áp phép đo để đo thông số tín hiệu Khi cần kiểm tra, xác định chế độ công tác thiết bị điện tử phép đo điện áp sử dùng nhiều Sở dó vậy, phép đo thực nhanh chóng, dễ tiến hành có độ xác cao Đặc điểm phép đo điện áp kỹ thuật điện tử khoảng trị số đo rộng dải tần rộng nhiều dạng tín hiệu điện áp khác Độ lớn điện áp cần đo có trị số từ vài micrôvôn đến hàng trăm kilôvôn Dải tần điện áp cần đo từ điện áp chiều, điện áp có tần số biến đổi chậm (khoảng vài phần trăm Hz) đến điện áp có tần số cao tới hàng ngàn MHZ Các trị số điện áp cần đo thường trị đỉnh (biên độ); trị hiệu dụng trị trung bình Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Ñieän Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 39 - – Trị số đỉnh Um giá trị tức thời cực đại điện áp khoảng thời gian quan sát (hay chu kỳ) Đối với điện áp không đối xứng có giá trị đỉnh: đỉnh dương đỉnh âm Với điện áp điều hòa trị đỉnh trị biên độ – Trị hiệu dụng U giá trị trung bình bình phương điện áp tức thời khoảng thời gian đo (hay chu kỳ) T U= u (t )dt T∫ (2-11) Đối với điện áp có chu kỳ dạng không sin, bình phương trị số hiệu dụng điện áp tổng bình phương thành phần điện áp chiều bình phương thành phần điều hòa 2 U = U + U 12 + U + U = Hay laø: ∞ ∑ U k2 (2-12) k =0 – Trị số trung bình điện áp (thành phần chiều) trị số trung bình cộng giá trị tức thời khoảng thời gian đo (hay chu kỳ) T U tb = ∫ u (t ) dt T (2-13) Trong trường hợp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, trị trung bình cộng trị số tuyệt đối giá trị tức thời: U tb = T T ∫ u (t ) dt (2-14) Giữa trị số trị đỉnh, trị hiệu dụng trị trung bình có mối quan hệ biểu thị qua tỷ số sau: kb = Um U (2-15) kb – Hệ số biên độ tín hiệu điện áp kd = U U tb (2-16) kd – Hệ số dạng tín hiệu điện áp Trên hình 2-13 ví dụ để tính hệ số kb kd điện áp có dạng khác – Khi điện áp dạng sin (hình 2-14, a): Um =U; Utb = 0,9 U; Vaäy : kb = 1,41; kd = 1,11 – Khi điện áp dạng cưa (hình 2-14, b), có biên độ Um, chu kỳ T Trị số điện áp tức thời: Trị số điện áp hiệu duïng: Lưu Thế Vinh u (t ) = Um t, T Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 40 - T Um Um U = ∫ T t dt = ; T0 U U tb = m – Khi điện áp có dạng xung vuông góc đối xứng (hình 2-14, c) giá trị điện áp tức thời: T ⎧ Um : ≤ t ≤ ⎪ ⎪ U(t) = ⎨ ⎪− U : T ≤ t ≤ T m ⎪ ⎩ Trị số điện áp U = Um Utb = Um ; đó: kb = vaø kd =1 u Utb a) t T u Utb b) t T u T/2 Um c) T/2 t T Hình 2-14 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 41 - 3.2 Các vôn mét điện tử đo điện áp chiều Các vôn kế từ điện bị số hạn chế là: – Trở kháng vào nhỏ, đo sơ đồ có trở kháng cao; – Độ nhạy thấp, nên đo điện áp nhỏ Để khắc phục nhược điểm trên, người ta sử dụng biến đổi điện tử, bán dẫn thiết kế máy đo có điện trở vào lớn, độ nhạy cao cho phép đo điện áp thấp Các vôn mét điện tử VTVM (vacuum tube voltmeter) vôn mét tranzistor TVM (transistor voltmeter) dụng cụ đo lường xác sử dụng rộng rãi phòng thí nghiệm vật lý 3.2.1 Vôn kế transistor tải emiter Để tăng trở kháng vào vôn mét, sử dụng tầng đệm lối vào transistor Sơ đồ nguyên lý hình 2-15, a +Vcc IB Vi Ig Q V + BE = 0,7V VE Ri = Rs Vi IB Rg I E = Ig Vi + Rs R i = Rs + Rg Rg G G - - b) a) Hình 2-15 a) Vôn kế sử dụng mạch tải emiter b) Mạch vôn kế thường Điện kế từ điện mắc cực emiter transistor loại silic Q Giả sử nguồn nuôi Vcc = 20V, điện trở tải Rs + Rg = 9,3kΩ , dòng lệch toàn thang điện kế Ig = 1mA Nếu điện áp lối vào Vi = 10V, sụt áp tiếp giáp VBE = 0,7V, điện áp emiter transistor là: VE = Vi – VBE = 10 V – 0,7 V = 9,3 V Dòng điện chạy qua cấu đo (Ig) dòng emiter transistor (IE), tức ta có: IE = VE 9,3 V = = 1mA (R S + R g ) 9,3 kΩ Mặt khác IE ≈ IC = β IB, từ ta có : IB ≅ IE / β Giả thiết β = 100, thì: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered –Điện tử - 42 - IB = mA / 100 = 10 µA – Điện trở vào mạch gánh emiter (của vôn kế): Ri = Vi 10 V = MΩ = IB 10 µA – So sánh với mạch vôn kế thường (hình 2-15, b) Ở điện kế mA dùng để đo điện áp 10 V Trong trường hợp này, điện trở vào vôn kế điện áp vào 10 V là: Ri = Vi 10 V = = 10 kΩ Ig mA Nhö sử dụng mạch khuếch đại đệm transistor làm tăng trở kháng vào vôn kế (đối với trường hợp xét tăng từ 10 kΩ lên MΩ) – Nhận xét Khi mắc thêm tầng đệm emiter, sụt áp tiếp giáp VBE nên gây sai số dụng cụ thay đổi điện áp lối vào Thực vậy, giả sử Vi = 5V, lẽ kim đồng hồ phải ½ thang đo, nghóa 0,5 mA Tuy nhiên ta thấy: VE = Vi – VBE = V – 0,7 V = 4,3 V; Và dòng qua điện kế laø: Ig = VE / (RS + Rg) = 4,3 V / 9,3 kΩ = 0,46 mA Như kết đo không xác Để loại bỏ sai số nói trên, người ta sử dụng tổ hợp mạch chia áp mạch gánh emiter (hình 2-16) 3.2.2 .Mạch vôn kế tải emiter thực tế Trên hình 2-16 điện trở R3, R5 chiết áp R4 tạo chia áp cho điện áp VP điều chỉnh Điện trở R1 định thiên cho Q1 đất điện áp vào tác dụng Mạch sử dụng nguồn nuôi đối xứng ± Vcc = ± 10V Khi điện áp vào tác dụng: Vi = V, đáy Q1 V, điện áp emiter Q1 lúc là: VE = VB – VBE = V – 0,7 V = –0,7 V Và điện trở R2 : V2 = VR2 = VE – ( -Vcc) = 0,7 V – (-10 V) = + 9,3 V Điều chỉnh biến trở R4 để có VP = 0,7 V so với đất +9,3 V so với –Vcc , điện áp đặt vào điện kế 0, kim đồng hồ +Vcc IB Vi I3 R3 Ig Q1 Rs+Rg R1 R4 VE R2 Vp R5 I3 + Ig -Vcc Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý ... quay); - Cơ cấu đo kiểu điện từ; - Cơ cấu đo kiểu điện động; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered ? ?Điện tử - 26 -. .. U2 02 U1 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Ñieän Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered ? ?Điện tử R4 + - R2 R1 - 35 - R8 R3 R7 R6 R5 15 75 - + R15 + -. .. thang đo cho điện kế hình 2- 2 Ig Gọi dòng cần đo I, dòng làm lệch toàn phần cấu đo Ig, điện trở Is I Rs cấu đo Rg, điện trở sun RS, từ hình 22 ta dễ dàng thấy: Hình 2- 2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ