Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 3 doc

BomonKTDT-ĐHGTVT 42 Chơng 3: Đo dòng điện I. Khái niệm chung Dụng cụ đợc 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 tơng tự / Analog) Hình bên là hai loại đồng hồ vạn năng số và kim. Nếu chia theo tính chất của đại lợng 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 tởng là bằng 0. . Làm việc trong một dải tần cho trớc 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 dới) Chơng 3: Đo dòng điện 43 II. Ampe kế một chiều Ampe kế một chiều đợc chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Nh đã biết, độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhng độ lệch kim đợc 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 thờng, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10 -4 đến 10 -2 A; điện trở của cuộn dây từ 20 đến 2000 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) ngời ta mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị nh sau: 1 = n R R CT S với CT I I n = gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe kế I là dòng cần đo và I CT là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng đợc (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 nh một phụ kiện kèm theo. Khi ampe kế có nhiều thang đo ngời ta mắc sun nh sau: Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo đợc xác định theo công thức nh trên nhng với n khác nhau. ở hình a) 13 321 12 3 21 11 32 1 3 2 1 =++= + =+= ++ == n Rct RRRR n RRct RRR n RRRct RR 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 R2R1 Rct BomonKTDT-ĐHGTVT 44 14 13 12 11 4 3 2 1 = = = = n Rct R n R R n R R n R R S CT S CT S CT S với Ic t 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 đợc 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 đợc quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trờng 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 hởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, ngời ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ nh sau: Dới 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 bằn g M n R2: điện trở bằng Cu I Rs R3 R2 R1 Chơng 3: Đo dòng điện 45 Một số bài tập minh hoạ Ví dụ 1: Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100A và điện trở cuộn dây R CT = 1k. 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 === === = = = 001,1 9,99 100 9,99100100 100100.1. S CT S CTS CTCTCT I V R mAAmAIII mVAkIRV + Độ lệch thang đo 1A === === = = = 10001,0 9,999 100 9,9991001 100100.1. S CT S CTS CTCTCT I V R mAAAIII mVAkIRV BomonKTDT-ĐHGTVT 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 R CT = 99. Điện trở sun R S = 1. Xác định dòng đo đợc 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 mAIII A R U I mVVRIU mAI SCT S CT S CTCTCT CT 109,91,0 10.9,9 1 10.9,9 9,910.9,999.10.1,0. 1,0 3 3 33 =+=+= === ==== = + Lệch 1/2 thang đo mAIII A R U I VRIU mAI SCT S CT S CTCTCT CT 595,4 2 1,0 10.95,4 1 10.95,4 10.95,499.10.05,0. 05,0 2 1,0 3 3 33 =+=+= === === == + Lệch 1/4 thang đo mVVRIU mAI CTCTCT CT 475,210.475,299.10.025,0. 025,0 4 1,0 33 ==== == mAIII A R U I SCT S CT S 5,2475,2 4 1,0 10.475,2 1 10.475,2 3 3 =+=+= === Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05 ; R2=0,45; R3=4,5 mắc nối tiếp. R CT = 1k; I CT = 50A Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 trờng hợp đó. Bài giải: + Khi khoá K ở vị trí I3 10mAlà kếampecủa do ngkhoả mA R RI I RRRR S CTCT S S 10 5 10.10.50 . 5321 36 === = ++= + Khi khoá K ở vị trí I2 Chơng 3: Đo dòng điện 47 100mAlà kếampecủa do ngkhoả mA R RI I RRR S CTCT S S 100 5,0 )105,4.(10.50 . 5,021 36 = + == = += + Khi khoá K ở vị trí I1 1Alà kếampecủa do ngkhoả A R RI I RR S CTCT S S 1 5 10).5,445,0.(10.50 . 05,01 36 = + == = = Ví dụ 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là C=0.1mA; Rct = 100 . Tính giá trị Rs để đo đợc 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: = = == 52.1 10.151 10.15.100 3 3 11 1 IctI IctRct I IctRct R S S + Để đo dòng 2A cần sử dụng Rs2 có giá trị nh sau: = = == 76.0 10.152 10.15.100 3 3 22 2 IctI IctRct I IctRct R S S + Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh sau: = = == 3.0 10.155 10.15.100 3 3 33 3 IctI IctRct I IctRct R S S BomonKTDT-ĐHGTVT 48 III. Ampemet xoay chiều Để đo cờng độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp ngời ta thờng sử dụng ampemet từ điện chỉnh lu, ampemet điện từ, và ampemet điện động. 1. Ampemet chỉnh lu Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lu 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 đợc tính bằng: Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động R L đợc chọn để gánh phần dòng d thừa giữa I2trb và Ict Mối quan hệ giữa dòng đỉnh I P , dòng trung bình I trb và dòng trung bình bình phơng I rms của sơ đồ mạch chỉnh lu cầu nh sau: trbrms P p rms Ptrb II I I I II .11,1 .707,0 2 .637,0 = == = Chú ý: giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhng thang khắc độ thờng theo giá trị rms. R1 D2 DIODE D1 DIODE Chỉnh lu nửa chu kỳ Rct RL Rm T1 10TO1 Chỉnh lu hai nửa chu kỳ Chơng 3: Đo dòng điện 49 Ví dụ: Một ampe kế chỉnh lu hai nửa chu kỳ (sơ đồ nh hình trên) có ĐLTT với dòng sơ cấp là 250mA. Máy đo TĐNCVC có ĐLTT là 1mA; Rct là 1,7k . 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 20k . Xác định R L Bài giải: VkmArmsU mA mAItrb pI VRctRmpIpU pUrmsU rmsI rmsU R D L L 08,25)7,0.27,21.57,1(707,0 57,1 637,0 1 637,0 .2).( .707,0 2 2 22 22 2 =+= === ++= = = == == === === = k mA V R mArmsI mAmAtrbIrmsI mAmArmsI N N rmsI rmsIrmsIrmsI L L ctct ctL 18,28 89,0 08,25 89,011,12 11,11.11,1.11,1 2250. 500 4 . 1 2 1 2 2 Chú ý: Nói chung các ampe kế chỉnh lu có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do hệ số chỉnh lu 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 lu nh sau: 2. Ampemet điện động Thờng đợc 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 ngời 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 BomonKTDT-ĐHGTVT 50 L7 L6 L5 T4 10TO1 T5 10TO1 L2 L L1 L3 R3 R4 L4 R4 Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt (thờng 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 I 2 nên máy đo chỉ giá trị rms. Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng nh trị số dòng một chiều tơng đơng nên có thể đọc thang đo của dụng cụ nh 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 đợc chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W là một hằng số) Khi đo dòng có giá trị nhỏ ngời ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn ngời ta mắc các cuộn dây song song. L13 L12 L11 L10 L9L8 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 đợc 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 01 .1 0 0 tt kEt = = Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì: 22 2 0 2.1 .2 xx x IkIkkEt Ik == = Nh 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 nhng có thể đo ở dải tần rất rộng từ một chiều tới hàng MHz. Thông thờng để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, ngời ta sử dụng một bộ khuếch đại áp nh sơ đồ dới đây: Chơng 3: Đo dòng điện 51 J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt Chú ý: Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều ngời ta cũng làm nh trên vì khi đó nhiệt độ đo đợc 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 đợc giá trị của điện áp thông qua giá trị nhiệt độ. Đây chính là nguyên tắc để chế tạo Vônkế nhiệt điện Cặp nhiệ t Đầu nối cách nhiệt . = = == 76.0 10.152 10.15.100 3 3 22 2 IctI IctRct I IctRct R S S + Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh sau: = = == 3. 0 10.155 10.15.100 3 3 33 3 IctI IctRct I IctRct R S S BomonKTDT-ĐHGTVT . mVVRIU mAI CTCTCT CT 475,210.475,299.10.025,0. 025,0 4 1,0 33 ==== == mAIII A R U I SCT S CT S 5,2475,2 4 1,0 10.475,2 1 10.475,2 3 3 =+=+= === Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05 ; R2=0,45; R3=4,5 mắc nối. dụ thực tế của một sơ đồ mắc điện trở sun của một dụng cụ đo cả dòng và áp R1, 3: điện trở bằn g M n R2: điện trở bằng Cu I Rs R3 R2 R1 Chơng 3: Đo dòng điện 45