Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 4 pptx

Mở đầu Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met Voltmeter Ký hiệu là 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

52

Chương 4:

đo điện áp

I Mở đầu

Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter)

Ký hiệu là

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:

Rng Rt

E

+

= Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là:

Rt Rv

Rt Rv Rt Rv Rng

E Uv

+

=

=

+

=

//

Re

Re Re

Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là:

) (

1

1 1

1

Rng Rt Rv

Rng Rt Ut

Uv Ut

Uv

Ut

u

+ +

ư

=

ư

=

ư

=

γ

Như vậy, muốn sai số nhỏ thì yêu

cầu Rv phải càng lớn càng tốt và lý

tuởng là Rv ≈ ∞

Kết quả đo nếu muốn tính chính

xác thì phải sử dụng công thức:

Uv = ( 1 + γu) Ut

Để đo điện áp của một phần tử nào đó

người ta mắc Vôn kế như hình bên:

II Vôn kế một chiều

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 vào 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:

Rt

Rng

+

-E

Rv

Rct Rp

Uct Ux Ict

trong đó:

Rct m

Uct

Ux Rct Uct

Uct Ux Rct Rp

Ux Rct Uct Rct Rp

Rct Rp

Ux Rct

Uct Ict

)

1 ( ) 1 (

)

(

−

=

−

=

−

=

⇒

= +

⇒

+

=

=

với

Uct

Ux

m= gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp

Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ đ−ợc mắc nh− sau:

Sơ đồ mắc nối tiếp:

Trong đó:

Hoặc sơ đồ mắc song song:

) 1 3 ( 3

) 1 2 ( 2

) 1 1 ( 1

−

=

−

=

−

=

m Rct

R

m Rct

R

m Rct

R

với

Uct

U

m

Uct

U

m

Uct

U

m

3

3

2

2

1

1

=

=

=

Ví dụ: Một dụng cụ đo TĐNCVC với ĐLTT là 100μA và Rct = 1kΩ đ−ợc sử dụng

để làm Vôn kế

+ Xác định điện trở nhân cần thiết nếu muốn đo điện áp 100 V trên toàn thang

+ Tính điện áp đặt vào khi kim chỉ 3/4; 1/2 và 1/4 ĐLTT

Bài giải:

+ Để đo điện áp 100V trên toàn thang thì phải sử dụng điện trở Rp có giá trị nh− sau:

Rp =Rct (m - 1)

10 10 100

100

=

Rct Ict

U Uct

U

Ω

= Ω

−

=

⇒Rp (1000 1).1k 999k

+ Với ĐLTT Ict = 100μA

Rp3 Rp2

Rp1 Rct

Uct

U1

U2

U3

Uct

U m Uct

U m Uct

U m

3 3

2 2

1 1

=

=

=

) 1 3 ( 3 2 1

) 1 2 ( 2

1

) 1 1 ( 1

−

= + +

−

= +

−

=

m Rct Rp

Rp Rp

m Rct Rp

Rp

m Rct Rp

với

Rct

R1

R2

R3

U1 U2 U3

54

3/4 ĐLTT sẽ có Ux Ict.(Rct Rp) 75V

4

3

= +

=

1/2 ĐLTT sẽ có Ux Ict.(Rct Rp) 50V

2

1

= +

=

1/4 ĐLTT sẽ có Ux Ict.(Rct Rp) 25V

4

1

= +

=

Nhận xét: thang đo có vạch chia đều (tính chất của cơ cấu từ điện)

III Vôn kế xoay chiều

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 và 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 và 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

a Sơ đồ chỉnh lưu cầu

Trong đó đối với sóng đầu vào hình sin thì các giá trị điện áp được tính như sau:

Vtrb Vrms

Vp Vtrb

Vp Vrms

11 , 1

637 , 0

707 , 0

=

=

=

với Vp là giá trị đỉnh, Vrms là giá trị trung bình bình phương và Vtrb là giá trị trung bình

Với các sóng không phải dạng sin thì các công thức sẽ khác vì khi đó phải tính thêm các yếu tố hình dạng

T4

Vtrb

Ví dụ: Một dụng cụ đo TĐNCVC với ĐLTT là 100μA và Rct = 1kΩ được dùng như một Vôn kế xoay chiều có ĐLTT là 100V bằng cách sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu diode như hình trên

+ Xác định giá trị của điện trở nhân cần thiết

+ Xác định số chỉ của kim khi điện áp vào Vrms là 75V và 50V

+ Tính độ nhạy của Vôn kế trên

Bài giải:

+ Xác định điện trở nhân

điện trở toàn phần của mạch = (điện áp đỉnh đặt vào - độ sụt áp chỉnh lưu)/dòng đỉnh chạy trong mạch

ĐLTT của cơ cấu chỉ thị TĐNCVC là 100μA ⇒ Itrb = 100μA

ĐLTT của Vôn kế là 100V ⇒ Vrms = 100V

Từ đó ta có công thức tính các đại lượng liên quan là:

Vp = Vrms / 0,707 =100V / 0,707 = 141,44V

VD = 0,7V (giả sử mạch cầu sử dụng diode Si)

Ip = Itrb / 0.637 = 156,99μA

6 892.10 10

99 , 156

7 , 0 2 44 , 141

2

Ip

V Vp Rct

vì Rct = 1kΩ ⇒ Rm = 892 –1 = 891kΩ

+ Xác định số chỉ của kim, nghĩa là xác định giá trị dòng trung bình ứng với các điện áp đầu vào là 75V và 50V

Khi điện áp đầu vào là 75V ta có:

A A

Rct Rm

V Vp Ip

Itrb

Vrms Vp

637 , 0

100 7 , 0 2 100 2

7 , 0 2 75 2 637 , 0 2 637 , 0 637 , 0

75 2

2

≈

ư

ư

= +

ư

=

=

⇒

=

=

Khi điện áp đầu vào là 50V ta có:

A A

Rct Rm

V Vp Ip

Itrb

Vrms Vp

637 , 0

100 7 , 0 2 100 2

7 , 0 2 50 2 637 , 0 2 637 , 0 637 , 0

50 2

2

≈

ư

ư

= +

ư

=

=

⇒

=

=

+ Tính độ nhạy của Vôn kế

độ nhạy = 1 / giá trị dòng rms trên toàn thang đo = điện trở của Vôn kế / giá trị điện áp rms trên toàn thang đo

Vôn kế trên có dòng trb ứng với ĐLTT là 100μA

⇒ Irms = 1,11.Itrb = 1,11.100μA = 111μA

⇒ độ nhạy của Vôn kế là 1 / 111μA = 9.009kΩ/V

Có thể tính cách khác như sau:

Vrms = 100V

6 10 100 11 , 1

100

ư

=

=

Irms

Vrms

R V

Vrms

Rv

/ 9

90 Ω

=

b Sơ đồ chỉnh lưu nửa sóng

56

Khi đó ta có mối liên hệ giữa các đại lượng như sau:

Ip Irms

Ip Itrb

2 1

637 , 0 2 1

=

=

Ví dụ :

Một dụng cụ TĐNCVC với ĐLTT là 50 Aμ và Rct = 1,7kΩ D1 phải có dòng thuận minh 100μA khi điện áp cần đo là 20% ĐLTT Vôn kế chỉ 50V tại toàn thang

+ Xác định R1 và R2

+ Tính độ nhạy của Vôn kế ở trên khi có D2 và không có D2

Bài giải:

+ Xác định R2 và R1

A p

I

I Ict A p

I

A

Itrb p

Ict

D

μ μ μ

343 157

500

500 100

.

% 20

% 100

157 637

, 0

50 2 637 , 0

2 )

(

2

2

=

ư

=

⇒

+

=

=

=

=

=

=

Ω

=

=

=

⇒

=

=

=

k I

Uct R

mV Rct

p Ict p

Uct

778 10

343

9 , 266 2

9 , 266 10

9 , 266 10

7 , 1 10 157 )

( )

(

3 2

3 3

6

xét ở bán kỳ dương, D1 thông và D2 ngắt ta có:

dòng thuận đỉnh = (điện áp đỉnh – VD – Uct(p)) / R1

Ω

=

ư

ư

=

⇒

=

=

=

R

V rms

Uct p

Uct

5 , 139 10

500

2669 , 0 7 , 0 7 , 70 1

7 , 70 50 414 1 ) ( 414 , 1 )

(

6 + Tính độ nhạy

Khi có D2 ta có:

A R

V Vrms p

I

A p

I

D R

F

μ

μ

8 , 501 10

5 , 139

7 , 0 50 414 , 1 1

414 , 1 ) (

500 ) (

3 =

ư

=

ư

=

=

Như vậy, cả hai bán kỳ thì dòng qua dụng cụ xấp xỉ nhau, do đó

Dòng qua chỉ thị có dạng:

D2

D1

Rct R1

Irms = 0,707.500μA = 353,5μA

⇒ độ nhạy = 106/ 353,5 = 2,83kΩ/V

Khi không có D2 ta có:

A p

I Irms

p I

A p

I

F R

F

μ

μ

250 ) ( 5 , 0

0 ) (

500 ) (

=

=

⇒

=

=

⇒ độ nhạy = 106 / 250 = 4kΩ/V

c Sơ đồ chỉnh lưu nửa cầu toμn sóng

Sơ đồ trên chỉ sử dụng 2 diode (nửa cầu) nhưng cả 2 nủa chu kỳ đều có dòng qua máy đo Tuy nhiên dòng qua diode khá lớn nên nó phải làm việc ở ngoài điểm uốn, nghĩa là có khả năng bù trừ những chênh lệch có thể xảy ra trong đặc tuyến của diode

Chú ý: để bù sai số do nhiệt và khi tần số thay đổi người ta mắc thêm vào mạch các

điện trở làm bằng đồng hoặc maganin để bù nhiệt kết hợp với cuộn cảm và tụ bù tần

số

2 Vôn kế điện từ

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

C3 C2

C1

Rct Rp1 Rp2 Rp3

Uct

U1

U2

U3

Dòng qua chỉ thị có dạng:

D1

D2

R1

R2 Rct

~

58

3 Vôn kế điện động

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 I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 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

IV Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

1 Cơ sở lý thuyết

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:

+ Uk 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:

Uk = I.Rk + Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch

giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux

Uk Ux

Δ Khi ΔU ≠0 điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, nghĩa là làm cho ΔU =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 Uk

2 Điện thế kế kế một chiều

Sơ đồ mạch:

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a)

+ Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U0, 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

A1

A2 B

T1 10TO1

Rp

Ct zero

Uk

I

+

-Uk

CT zero N

R

N E

2 1

b) a)

Uk Ip

Chỉ thị Zero

A

Uo Rdc

Rk

+

-Ux

Uo Rdc Rk

A

+ 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:

N

N R

E

+ Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con trượt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero

R

E Rk Ip Uk Ux

N

N

=

=

=

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:

Trong đó:

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 (ΔU) thành điện áp xoay chiều để điều khiển động cơ

Hoạt động:

+ Trước khi đo, khoá K được đặt ở vị trí KT (kiểm tra) khi đó dòng I2 qua điện trở mẫu RN và ΔU =E N ưI2.R N

EN Rdc

RN R3

R2

R1

Uo

Role

KĐ ~ M

Đầu nối

EN Rdc

RN R3

R2

R1

Uo

Role

EN Rdc

RN R3

R2

R1

Uo

Role

Ex

Uk

Thang đo

KT

ĐO

K

I1

I2

role

BA

A

B

Rp

C

D

60

U

Δ 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 I2 tới khi ΔU=0

Đồng thời nó cũng kéo con trượt của Rp về vị trí cân bằng

+ Khi K ở vị trí ĐO ta có: ΔU= Ex – Uk

với Uk = I1 (R1 +Rp1) – I2.R2

Nếu Ex > Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để tăng Uk tới khi ΔU=0

Nếu Ex < Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để giảm Uk tới khi ΔU= 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

3 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 mà sử dụng dòng xoay chiều nên việc

điều chỉnh cho Ux và Uk bằng nhau là rất phức tạp

Muốn U x 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)

V Vôn kế số

Vôn kế số là dụng cụ chỉ thị kết quả bằng con số mà

không phụ thuộc vào cách đọc của người đo Tuỳ thuộc vào

phương pháp biến đổi người ta phân thành:

+ Vôn kế số chuyển đổi thời gian

+ Vôn kế số chuyển đổi tần số

+ Vôn kế số chuyển đổi bù

1 Vôn kế số chuyển đổi thời gian

Nguyên tắc hoạt động: Biến đổi điện áp cần đo (Ux) thành khoảng thời gian (t) sau đó lấp đầy khoảng thời gian bằng các xung có tần số chuẩn (f0) Bộ đếm

được dùng để đếm số lượng xung (N) tỉ lệ với Ux để suy ra Ux

Sơ đồ khối:

Trong đó:

SS: Bộ so sánh

MFRC: mạch phát tín hiệu răng c−a

MFX: mạch phát xung chuẩn tần số f0

Trigo: mạch lật

K: Khóa điện tử đ−ợc điều khiển bởi trigo

BĐ: bộ đếm

CT: bộ chỉ thị số (bao gồm cả mạch mã hoá, giải mã và hiển thị)

Hoạt động:

Khi mở máy (Start) xung khởi động tác động lên Trigo để mở khoá K và khởi

động MFRC làm việc

Tại thời điểm t1, K mở thông để đ−a xung tần số chuẩn từ MFX tới bộ đếm và chỉ thị số Đồng thời, MFRC đ−a điện áp mẫu Uk đến bộ so sánh để so sánh với

điện áp cần đo

C

Tr

Ux

Biểu đồ thời gian:

U

Um

Ux

t

t

tm

tx

K

N xung Trg

62

Tới thời điểm t2 khi Ux = Uk, mạch so sánh đưa xung Stop tới trigo, trigo chuyển trạng thái làm đóng khoá K

Trong suốt thời gian khoá K mở (từ t1 đến t2) bộ đếm đếm được N xung

tx f N T

t t N

1 2

0

0

=

⇒

ư

=

với T0 là chu kỳ của xung chuẩn

f0 = 1 / T0 tần số của xung chuẩn

tx = t2 - t1 thời gian đóng mở của khoá K

Mặt khác, từ biểu đồ điện áp ta có:

với tm: thời gian lớn nhất để Uk = Um

Um: điện áp lớn nhất của xung do MFRC phát ra

Từ biểu thức trên ta thấy Ux tỉ lệ với số xung đếm được (C là hằng số)

Chú ý: sai số của dụng cụ chủ yếu là do:

+ Sai số lượng tử phụ thuộc vào tx / T0

+ Sai số do MFRC không ổn định (tức làm thay đổi Um và tm, nghĩa là thay

đổi hằng số C)

Thông thường Vôn met loại này có sai số ± 0,05%

2 Vôn mét số chuyển đổi tần số

Nguyên tắc: Biến đổi điện áp cần đo Ux thành tần số fx, sau đó đo tần số fx

để suy ra Ux

VI Vôn met vμ Ampe met điện tử tương tự

Ngày nay, nhờ sự phát triển của Kỹ thuật điện tử, các dụng cụ được kết hợp giữa các bộ khuếch đại (transistor hoặc khuếch đại thuật toán) với các chỉ thị cơ

điện để khắc phục các nhược điểm của dụng cụ cơ điện thuần tuý Khi đó sẽ làm tăng độ nhạy, tăng điện trở đầu vào và có cấu trúc nhỏ gọn Các thiết bị như vậy gọi

là các thiết bị điện tử

Sơ đồ khối của Vôn met và ampe met điện tử như sau:

Ux~

Ux=

Ux~

N C tm f

Um N tm

Um tx Ux Um

Ux tm tx

0

=

=

=

⇒

=