Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 3 doc

Khái niệm chung Dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet Ký hiệu là: Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có: + Ampe kế từ điện + Ampe kế điệ

42

Chương 3:

Đo dòng điện

I Khái niệm chung

Dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet

Ký hiệu là:

Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có: + Ampe kế từ điện

+ Ampe kế điện từ

+ Ampe kế điện động

+ Ampe kế nhiệt điện

+ Ampe kế bán dẫn

…

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:

+ Ampe kế một chiều

+ Ampe kế xoay chiều

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)

II Ampe kế một chiều

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:

1

ư

=

n

R

CT

I

I

n= gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe

kế

I là dòng cần đo và ICT 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)

1 3 3 2 1

1 2

3 2

1

1 1

3 2 1

3 2 1

ư

= + +

=

ư

+

= +

=

ư

+ +

=

=

n

Rct R

R R R

n

R Rct R

R R

n

R R Rct R R

S S

S

với

CT CT CT

I

I n I

I n I

I n

3 3

2 2

1 1

=

=

=

ở hình b)

K

Mắc điện trở sun kiểu nối tiếp Mắc điện trở sun kiều song song

Ict

I

Ict

I

K

R4 R3 R2 R1 Rct1

R3 R2

R1

Rct

44

1

4

1

3

1

2

1

1

4

3

2

1

ư

=

ư

=

ư

=

ư

=

n

Rct

R

n

R

R

n

R

R

n

R

R

S

CT

S

CT

S

CT

S

với

Ict

I n I

I n I

I n I

I n

CT CT CT

4 4

3 3

2 2

1 1

=

=

=

=

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 làm 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 bằng Mn R2: điện trở bằng Cu

R3

R2 R1

Một số bài tập minh hoạ

Ví dụ 1: Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100μA và điện trở cuộn dây RCT = 1kΩ Tính điện trở sun cần thiết để biến dụng cụ thành 1 ampekế có độ lệch thang đo 100mA và độ lệch thang đo 1A

Bài giải:

+ Độ lệch thang đo 100mA

Ω

=

=

=

=

−

=

−

=

= Ω

=

=

001 , 1 9 , 99 100

9 , 99 100

100

100 100

1

S

CT S

CT S

CT CT CT

I

V R

mA A

mA I

I I

mV A

k I

R V

μ μ

+ Độ lệch thang đo 1A

Ω

=

=

=

=

−

=

−

=

= Ω

=

=

10001 , 0 9 , 999 100

9 , 999 100

1

100 100

1

S

CT S

CT S

CT CT CT

I

V R

mA A

A I

I I

mV A

k I

R V

μ μ

46

Ví dụ 2: Một ampe kế từ điện có dòng điện cực đại chạy qua chỉ thị là 0,1mA; điện trở khung dây chỉ thị RCT = 99Ω Điện trở sun RS = 1Ω Xác định dòng đo được khi kim của ampe kế ở vị trí:

+ Lệch toàn thang đo

+ Lệch 1/2 thang đo

+ Lệch 1/4 thang đo

Bài giải:

+ Lệch toàn thang đo

mA I

I I

A R

U I

mV V

R I U

mA I

S CT S

CT S

CT CT CT CT

10 9 , 9 1 , 0

10 9 , 9 1

10 9 , 9

9 , 9 10

9 , 9 99 10 1 , 0

1 , 0

3 3

3 3

= +

= +

=

=

=

=

=

=

=

=

=

ư

ư

ư

ư

+ Lệch 1/2 thang đo

mA I

I I

A R

U I

V R

I U

mA I

S CT S

CT S

CT CT CT CT

5 95 , 4 2

1 , 0

10 95 , 4 1

10 95 , 4

10 95 , 4 99 10 05 , 0

05 , 0 2

1 , 0

3 3

3 3

= +

= +

=

=

=

=

=

=

=

=

=

ư

ư

ư

ư

+ Lệch 1/4 thang đo

mV V

R I U

mA I

CT CT CT

CT

475 , 2 10

475 , 2 99 10 025 , 0

025 , 0 4

1 , 0

3

=

=

=

=

ư

ư

mA I

I I

A R

U I

S CT S

CT S

5 , 2 475 , 2 4

1 , 0

10 475 , 2 1

10 475 ,

= +

= +

=

=

=

Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05Ω; R2=0,45Ω; R3=4,5Ω mắc nối tiếp RCT = 1kΩ; ICT = 50μA

Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 trường hợp đó

Bài giải:

+ Khi khoá K ở vị trí I3

10mA

là kế ampe của do ng khoả

mA R

R I I

R R R R

S

CT CT S

S

10 5

10 10 50

5 3 2 1

3 6

=

=

=

Ω

= + +

=

ư

+ Khi khoá K ở vị trí I2

100mA

là kế ampe của do ng khoả

mA R

R I I

R R R

S

CT CT S

S

100 5

, 0

) 10 5 , 4 (

10 50

5 , 0 2 1

3 6

=

+

=

=

Ω

= +

=

−

+ Khi khoá K ở vị trí I1

1A

là kế ampe của do ng khoả

A R

R I I

R R

S

CT CT S

S

1 5

10 )

5 , 4 45 , 0 (

10 50

05 , 0 1

3 6

=

+

=

=

Ω

=

=

−

Ví dụ 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là C=0.1mA; Rct = 100Ω Tính giá trị Rs để đo đ−ợc các giá trị dòng tối đa là 1A, 2A

và 3A

Bài giải:

Miliampe kế có dòng qua chỉ thị khi kim chỉ mức cực đại (còn gọi là tại độ lệch toàn thang - ĐLTT) là Ict = số vạch x độ chia = 150 x 0.1 = 15 mA

+ Để đo dòng 1A cần sử dụng Rs1 có giá trị nh− sau:

Ω

=

−

=

−

=

10 15 1

10 15 100

3 3

1 1

1

Ict I

Ict Rct I

Ict Rct R

S S

+ Để đo dòng 2A cần sử dụng Rs2 có giá trị nh− sau:

Ω

=

−

=

−

=

10 15 2

10 15 100

3 3

2 2

2

Ict I

Ict Rct I

Ict Rct R

S S

+ Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh− sau:

Ω

=

−

=

−

=

10 15 5

10 15 100

3 3

3 3

3

Ict I

Ict Rct I

Ict Rct R

S S

48

III Ampemet xoay chiều

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

1 Ampemet chỉnh lưu

Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode

Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là W1 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

RL được chọn để gánh phần dòng dư thừa giữa I2trb và Ict

Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình phương Irms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau:

trb rms

P p

rms

P trb

I I

I

I I

I I

11 , 1

707 , 0 2

637 , 0

=

=

=

=

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

R1

D2

DIODE

D1

DIODE

Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Rct

RL

Rm T1

10TO1

Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Ví dụ: Một ampe kế chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (sơ đồ như hình trên) có ĐLTT với dòng sơ cấp là 250mA Máy đo TĐNCVC có ĐLTT là 1mA; Rct là 1,7kΩ Biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là 500 và 4 vòng; sụt áp trên diode

là 0,7V; Rm là 20kΩ

Xác định RL

Bài giải:

V k

mA rms

U

mA mA

Itrb p

I

V Rct Rm p I p U

p U rms

U

rms I

rms U R

D

L L

08 , 25 ) 7 , 0 2 7 , 21 57 , 1 ( 707 , 0

57 , 1 637 , 0

1 637 , 0

2 ) (

707 , 0

2 2

2 2

2 2

2

= +

Ω

=

⇒

=

=

=

+ +

=

=

=

Ω

=

=

⇒

=

ư

=

⇒

=

=

=

=

=

=

ư

=

k mA

V R

mA rms

I

mA mA

trb I rms

I

mA mA

rms I N

N rms I

rms I rms I rms I

L L

ct ct

ct L

18 , 28 89

, 0

08 , 25

89 , 0 11 , 1 2

11 , 1 1 11 , 1

11 , 1

2 250

500

4 1

2

1 2

2

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 do nhiệt và do tần số cho ampe kế chỉnh lưu như sau:

2 Ampemet điện động

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

C RCu

RMn L

RMn RCu

RCu

50

L7

L6 L5 T4

R4 L4 R4

Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) 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

3 Ampemet điện từ

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

L13 L12 L11 L10 L9

L8

4 Ampemet nhiệt điện

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 t1), hai đầu kia nối với milivonkế gọi là đầu tự do (nhiệt độ t0)

Khi nhiệt độ đầu làm việc t1 khác nhiệt độ đầu tự do t0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra sức điện động

0 1

1

0

0

t t

k Et

ư

=

= θ

θ

Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu

t1 thì:

2 2

2 0

.

2 1

2

x x

x

I k I k k Et

I k

=

=

⇒

=

θ

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 là sắt – constantan; đồng – constantan; crom – alumen và platin – 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:

J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt

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

Cặp nhiệt

Đầu nối cách nhiệt