Kỹ thuật đo : Đo điện part 4 ppt

ĐO ĐIỆN TRỞ 107 Cọc A: cọc đo điện trở đất R X; Cọc P: cọc phụ đo điện áp; Cọc C: cọc phụ đo dòng điện Hình 3.26: Mạch đo điện trở đất bằng vôn-kế và ampe-kế Theo mạch tương đương của điện trở đất của cọc A, P, C (H.3.27) Điện trở cho bởi vôn-kế V: V AP = R X I’ + R P I V với I = I’ + I V cho bởi ampe-kế. Nếu: I V  I’ thì I’ ≈ I. Do đó: ≈ Ι A X V R Hình 3.27 Mạch tương đương của ba cọc A, P, C Hình 3.28 Mạch đo điện trở đất bằng phương pháp gián tiếp Vậy điện trở được xác đònh bởi trò số đọc của vôn-kế và ampe-kế. Do đó nếu chúng ta quan tâm đến sai số do vôn-kế và điện trở cọc phụ thuộc điện áp thì R X có sai số tương đối: RBBV RR R[/( )] %ε= + 100 trong đó: R B - điện trở đất của cọc phụ điện áp B R V - tổng trở vào của của vôn-kế Như vậy để sai số càng nhỏ thì R B  R V . CHƯƠNG 3 108 Phương pháp gián tiếp: Trong trường hợp này đo điện trở đất từng cọc như hình 3.28. Vôn-kế và ampe-kế có giá trò điện trở từng cọc: AP V RR+= Ι 1 1 Sau đó lần lượt đo điện áp của hai cọc BC và CA: PC V RR+= Ι 2 2 Tương tự như vậy: CA V RR+= Ι 3 3 Sau đó từ ba phương trình này chúng ta xác đònh R A , R B , R C Trong phương pháp này cả ba cọc đất (gồm cọc đo và hai cọc phụ) đều được xác đònh, loại trừ được ảnh hưởng sai số do điện trở cọc phụ gây ra như đã đề cập trong phương pháp trực tiếp. Dùng cầu Kohlrausch đo điện trở đất Đây là dạng cầu Wheatstone để đo điện trở của dung dòch có tính chất điện giải bằng hai điện cực, nó cũng được ứng dụng để đo điện trở đất (H.3.29) điện trở R A +R B được xác đònh khi cầu cân bằng (giống như phương pháp gián tiếp dùng vôn-kế và ampe-kế). AB R RR R R += 1 3 2 Phương pháp đo điện trở đất dùng cầu cân bằng có ưu điểm là loại bỏ được dòng điện tản chạy qua vùng đất cần đo điện trở. Máy đo “chuyên dùng” để đo điện trở đất Máy đo dùng tỉ số kế từ điện: mạch đo nguyên lý hình 3.30. Dòng điện I 1 đi qua cuộn dây I của tỉ số kế đi qua vùng đất cần đo điện trở. Dòng điện I 2 đi qua cuộn dây 2 có tỉ số phụ thuộc vào điện áp rơi trên cọc đo và cọc phụ điện áp. Điều chỉnh biến trở R S , I 2 thay đổi. Vì V AP = (R S + r 2 ) = R X I 1 . Suy ra XS IRRr / /( )Ι= + 21 2 Điều chỉnh R S cho đến khi: I 1 = I 2 ⇒ R X = R S +r 2 Hình 3.29: Đo điện trở bằng cầu đo ĐO ĐIỆN TRỞ 109 Như vậy với R S tại trò số / Ι Ι= 21 1, sẽ xác đònh được R X khi r 2 đã biết trước. Trong thực tế dòng I 1 qua tỉ số kế là DC, còn dòng i 1 chạy qua vùng đất đo là AC, do đó có bộ biến đổi I 1 (DC) sang i 1 (AC) đưa vào cọc đo. Sau đó dòng i 1 (AC) chuyển sang I 1 (DC) trở về máy phát G một chiều bằng bộ chỉnh lưu, còn điện áp V AP (AC) được chỉnh lưu sang điện áp V AP (DC) tạo ra dòng điện I 2 (DC). Như vậy trong các máy đo cổ điển, dùng máy phát (quay tay) thường có trục quay gắn liền với bộ biến đổi DC sang AC, hoặc chỉnh lưu từ AC về DC dùng hiện tượng cơ điện. a) b) Hình 3.30: Máy đo dùng tỉ số kế a) Mạch đo nguyên lý; b) Mạch đo thực tế Máy đo dùng cơ cấu chỉ thò từ điện (H.3.31): Mạch đo có hai vò trí của SW 1 (công tắc chuyển mạch) là ở vò trí “C” dùng để chỉnh máy, điện trở chuẩn R C thay thế điện trở đất cần đo. Ở vò trí M: Mạch đo hoạt động với điện trở đất cần đo. Từ nguồn phát xoay chiều G tạo ra dòng điện I đi qua điện trở R C (khi chỉnh máy) hay qua R X khi đo điện trở đất sẽ tạo ra điện áp: R C I 1 hoặc R X I 1. Điện áp này được so sánh với điện áp I 2 R as với I 2 phụ thuộc vào K I I 1 , trong đó K I là tỉ số biến dòng CT và R as phụ thuộc vào vò trí S của biến trở R V. Nếu I 2 R as khác R X I 1 thì V 1 = I 2 R as – I 1 R X ≠ 0. Khi đó V 2 = K V V 1 được chỉnh lưu qua cơ cấu điện từ, kim chỉ thò khác G M R MC R S P A E 1 I 1 E 2 B I 2 P A E 1 I 1 E 2 B I 2 G R S I 1 I 2 CHƯƠNG 3 110 không. Con chạy S của R s được điều chỉnh cho đến khi V 1 = 0, khi đó kim chỉ thò của cơ cấu điện từ chỉ không: I 1 R X = K 1 I 1 R as Do đó: R X = K I R as Như vậy điện trở R as xác đònh điện trở đất R X . Hình 3.31: Mạch đo của máy đo điện trở đất CT: Biến dòng, VT: Biến áp 1- Cọc phụ áp; 2- Cọc phụ dòng; 3- Cọc đất đo Hình 3.32: Sơ đồ khối máy đo Hình 3.33: Cách đóng cọc Mạch đo điện trở đất có sự kết hợp với mạch điện tử dùng cơ cấu từ điện: ĐO ĐIỆN TRỞ 111 Sơ đồ khối của máy đo (H.3.32). Nguồn tín hiệu xung vuông tần số 500 Hz được tạo ra nhờ mạch dao động dùng transistor, có dòng cung cấp cho điện trở đất cần đo vào khoảng từ 10 ÷20mA. Mạch so sánh tách sóng đồng bộ (dùng phương pháp tách sóng đồng bộ), có nhiệm vụ vừa chỉnh lưu vừa so sánh hai điện áp xoay chiều. E X = R X I và E S0 = R S0 × K I I Điều chỉnh con chạy để cho “G” chỉ “0” ⇒ X S RR n = 0 1 . Với (K I = n 1 ). Cách đóng cọc đất để đo cho những máy đo điện trở đất sau này (loại điện tử): Ba cọc đất E (cọc đo); P (cọc điện áp); C (cọc dòng điện) được nối vào máy đo theo hình 3.33. Khoảng cách giữa các cọc là từ 5 đến 10m. Vò trí các cọc tạo ra một góc lớn hơn 100 o . Khoảng cách EC, EP cần phải lớn hơn các cọc trong trường hợp đóng thẳng hàng. Cách đo ba điện áp rơi trên cọc đất (H.3.34) Có những máy đo điện trở đất có phần đo điện thế rơi trên cọc đất 1 với cọc đất 2, khi đó bộ chỉ thò trên máy đo cho biết điện áp rơi trên hai cọc. Ví dụ, đo điện áp rơi trên cọc đất được xem là cọc an toàn của tải với cọc trung tính của lưới điện (H.3.34). 1- Cọc phụ áp (Cọc trung tính); 2- Cọc đất đo Hình 3.34: Đo điện áp rơi trên cọc đất Nếu kết quả đo được điện áp dưới 10V thì khả năng an toàn chấp nhận được và khi đó chúng ta có thể đo điện trở đất của cọc đất an toàn cho tải. Trong trường hợp điện áp trên lớn hơn 10V thì việc đo điện trở đất của cọc đất bò ảnh hưởng và khả năng an toàn phải lưu ý do có sự hiện diện của dòng rỉ và sự hiện hữu của dòng trung tính do sự mất cân bằng của lưới điện. 3.8 ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG V.O.M. ĐIỆN TỬ 3.8.1 Nguyên lý CHƯƠNG 3 112 Để đo được điện trở trong máy đo điện tử, người ta cũng chuyển đại lượng điện trở sang đại lượng điện áp, sau đó đưa vào mạch đo điện áp của vôn-kế điện tử. Mạch đo điện trở có hai dạng:  Nối tiếp  Mắc rẽ. 3.8.2 Mạch đo điện trở dạng nối tiếp Mạch đo được mắc như hình 3.35  Mạch đo trên có năm tầm đo ×1 – ×10 – ×100 – ×1k – ×10k. Nghóa là trò số đọc được nhân với hệ số nhân của tầm đo. Ví dụ: Ở tầm ×100 trò số đọc trên mặt chỉ thò là 36 Ω thì kết quả đo của R X = 3600Ω.  Mạch thay đổi tầm đo gồm có các điện trở chuẩn nối tiếp với R X , các điện trở chuẩn này là loại điện trở chính xác, sai số nhỏ hơn 1%. Tầm đo điện trở càng lớn thì điện trở chuẩn mỗi tầm đo càng tăng. Dòng điện của mỗi tầm đo giảm tương ứng (tầm đo tăng 10 thì dòng điện giảm 10).  Khi R X = 0Ω (nối tắc hai đầu AB), V đo = 0V  Khi R X → ∞Ω (hai đầu AB để hở), V đo # 1,5V Vì tổng trở vào của mạch đo điện áp DC rất lớn so với điện trở chuẩn của tầm đo, cho nên điện áp rơi trên điện trở chuẩn không đáng kể trong trường hợp AB để hở. Hình 3.35: Mạch đo điện trở dạng nối tiếp  Trường hợp R X bất kỳ với tầm đo tương ứng có điện trở chuẩn R 1 . Chúng ta có: X đo X R VE RR = + 1 ĐO ĐIỆN TRỞ 113 Hình 3.36: Thang đo điện trở Ví dụ 3.15: Ở “tầm đo 1×kΩ” điện trở đo có trò số R X = 1kΩ. Khi đó V đo có trò số như nhau. 1 15 075 11 ,, đo k VV V kk Ω == Ω+ Ω Như vậy kim chỉ thò sẽ chỉ số 1 ở giữa thang đo. Nếu R X = 0,5KΩ thì: 05 15 05 105 , ,, , đo k VV V kk Ω == Ω+ Ω Như vậy kim chỉ thò chỉ số 0,5 ở 1/3 thang đo. Nếu R X = 2kΩ thì: 2 15 1 12 , đo k VV V kk Ω == Ω+ Ω Như vậy kim chỉ thò số 2 ở 2/3 thang đo. Vậy thang đo điện trở trong trường hợp này không tuyến tính. 3.8.3 Mạch đo điện trở dạng mắc rẽ Mạch đo được mắc theo hình 3.37. Trong mạch đo này: Khi R X = 0Ω, khi đó V đo = 0V Khi R X → ∞ thì đo R VE RR = + 2 12 Khi R X có trò số bất kỳ. [ ] X đo X RR VE RRR // [// ] = + 2 12 X X X RR E RR RR R() = ++ 2 212 Theo biểu thức này khi: == + 12 12 12 X RR RRR RR (//) thì đo R VE RR = + 2 12 1 2 Khi đó kim chỉ thò 1/2 thang đo CHƯƠNG 3 114 Hình 3.37 Mạch đo điện trở dạng mắc rẽ Hình 3.38 Mạch đo điện trở loại mắc rẽ Ví dụ 3.16: Có mạch đo điện trở sau đây: Cơ cấu chỉ thò có: I max = 50μA, R m = 2kΩ, E = 1,5V Khi R X = 10Ω ở tầm × 1 R X = 100Ω ở tầm × 10 Thì () M II max /= 12 xác đònh R 1 , R 2 . Giải: Mạch tương đương Thevénin cho mạch đo (H.3.39). tđ R EE RR = + 2 12 R tđ = [R 1 // R 2 ] Vì mạch đo có mạch khuếch đại hệ số khuếch đại bằng 1 cho nên: V i = V đo , khi R X → ∞ thì: V i → (V đo ) max = R m I max . (V i ) max = (V đo ) max = 100mV Do đó khi: R X = RR RR Ω= + 12 12 10 (1) Thì: V đo = V i = 50mV = = + tđ R EE RR 2 12 11 22 (2) Từ phương trình (1) và (2) ta có: mV RRRRR E ()() =+=+ 21212 100 1 15 Hình 3.39 Mạch tương đương Thevénin ĐO ĐIỆN TRỞ 115 R 1 R 2 = 10(R 1 + R 2 ) = 10×15R 2 Suy ra: R 1 = 150Ω và R 2 = / ,Ω= Ω150 14 10 7 . Trong trường hợp R X = 100Ω (ở tầm × 10). Thì RR R R/( ) + =Ω 12 1 2 100 Suy ra R 1 R 2 = 100(R 1 + R 2 ) = 100×15R 2 R 1 = 1500Ω và R 2 = 107,14Ω Vậy mạch đo có thể vẽ lại như trên có hai tầm đo (H.3.40). Hình 3.40: Mạch đo điện trở có hai tầm đo 3.8.4 Mạch đo dòng điện dùng nguồn dòng không đổi  Trong các mạch đo điện trở trên ta dùng nguồn áp không đổi, nhưng điện áp đo được chuyển từ đại lượng điện trở có dòng điện đi qua thay đổi theo điện trở đo, cho nên điện áp đo này đưa vào mạch đo không tuyến tính theo điện trở R X , dẫn đến thang đo không đều. Để cho điện áp đo tuyến tính theo điện trở R X , người ta sử dụng nguồn dòng điện không đổi khi R X thay đổi: V đo = IR X Trong trường hợp này R X → ∞V đo → trò số lớn nhất của tầm đo điện áp R X → 0 thì V đo = 0V Mạch đo điện trở tuyến tính (linear ohmmeter) thường được dùng trong máy đo đa dụng điện tử chỉ thò số (digital multimeter). Mạch có nguồn dòng không đổi dùng transistor (BJT) Hình 3.41: Mạch đo nguyên lý nguồn dòng không CHƯƠNG 3 116 Nguồn dòng điện không đổi cung cấp cho điện trở R X là dòng I C của Q 1, R 1 , R 2 điện trở phân cực cho cực nền Q 1 theo điện áp của mạch đã cho. Như vậy điện trở R E có điện áp 5V không đổi. Giả sử, điều chỉnh R E để cho I C = 1mA. Khi đó điện trở R X = 5kΩ thì V đo = 5kΩ ×1mA = 5V (trò số lớn nhất của tầm đo). Khi đo điện trở lớn hơn 5kΩ thì phải chuyển tầm đo bằng cách thay đổi nguồn dòng I C . Ví dụ: thay đổi R E để cho dòng I C = 0,1mA, khi đó điện trở đo được đến 50k Ω. Nếu không muốn thay đổi dòng I (hoặc không thể cho I C quá nhỏ khi R X tăng lên lớn) thì thay đổi tầm đo điện áp tương ứng với điện trở R X . Hình 3.42 Mạch đo điện trở tuyến tính Hình 3.43 Mạch đo dùng nguồn dòng không đổi [...]... ΔR ) ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 125 Chương 4 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 4. 1 DÙNG VÔN-KẾ, AMPE-KẾ ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 4. 1.1 Đo điện dung Mạch đo được mắc theo hình 4. 1 Tổng trở của điện dung CX được xác đònh bởi vôn-kế và ampe-kế (nếu sự hao mất do điện môi của tụ điện không đáng kể) Z CX = V 1 I = ; Suy ra: CX = I CX ω Vω Hình 4. 1: Mạch đo CX dùng vôn-kế và Hình 4. 2: Mạch đo. .. Hình 4. 14 Cầu đo CX đơn giản Hình 4. 15 Cầu đo LX đơn giản Cầu đo điện cảm cuộn dây: Mạch đo được theo hình 4. 15 Z 1: cuộn dây mẫu L1; Z 2: cuộn dây do LX R3, R 4: là điện trở mẫu (hộp điện trở) thay đổi được Khi cầu đo đạt được điều kiện cân bằng: Z2R4 = Z1R3; jωLXR4 = jωLR3; L X = ( R3 /R4 ) L Trong hai cầu đo đơn giản trên chúng ta chỉ xác đònh thuần túy giá trò CX và LX Không xác đònh sự hao mất trên điện. .. đònh những điện dung có góc mất nhỏ Để đo góc mất δ được chính xác, người ta thường dùng phương pháp cầu đo (đề cập ở phần sau) 4. 1.2 Đo điện cảm Hình 4. 3: Mạch đo LX, RX dùng vôn-kế Hình 4. 4: Mạch đo LX, RX dùng vôn-kế, và ampe-kế ampe-kế và watt-kế Mạch đo điện cảm LX được mắc như hình 4. 3 Tổng trở của điện cảm LX V 2 được xác đònh: Z = = RX + L2 ω2 X I và điện cảm: LX = 1 Z 2 − R X 2 ω với: Z - được... cho cầu đo AC Điều kiện cân bằng cho cầu đo AC Theo mạch đo của cầu đo AC (H .4. 9 ): Z1 Z3 = Z2 Z4 Từ phương trình này ta có sự cân bằng theo Hình 4. 9 Cầu Wheatstone AC ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 129 điều kiện: Cân bằng suất: Z1 Z 3 = Z 2 Z 4 Cân bằng pha: Z1 + Z 3 = Z 2 + Z 4 Nếu khai triển số phức của phương trình cân bằng, ta c : Cân bằng phần thực: Re[Z1Z3] = Re[Z2Z4] Cân bằng phần ảo: Im[Z1Z3]... 1 1 tương đương (RX // LX ): = + ZX RX j ω RX Q= 1/ω L X R = X (trò số lớn); 1/RX ωL X (Q > 1 0: Q lớn) Tùy theo giá trò của D (điện dung ký sinh), Q (điện cảm) lớn hơn hoặc nhỏ sẽ có mạch cầu đo phổ quát cho từng loại Cầu phổ quát đo điện dung: Cầu phổ quát đo điện dung gồm có hai loại điện dung có hệ số D lớn và nhỏ (H .4. 47) CHƯƠNG 4 1 34 Hình 4. 1 7: Cầu phổ quát đo điện dung: a) Cầu Sauty; b) Cầu Nernst... kiện cân bằng: RX = R4 C3 ; C1 CX = C1 R3 R4 Góc mất: tgδX ≈ δX = ωR3C1 Khi đó sự cách điện tổng trở nhánh C1 và (Cx+Rx) rất lớn so với nhánh 4 và 3 nếu cầu sử dụng điện áp cao Cầu Grover (H .4. 21) Tương tự như cầu Sauty nhưng các cuộn dây dùng để so sánh tụ điện cần đo với tụ điện mẫu Phương trình cân bằng về đối số cho ta: Z1 + Z 4 = Z 2 + Z 3 Hình 4. 2 1: Cầu GROVER đo điện dung ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM... ; M = 2 4 R2 + R4 R4 Từ phương trình trên và theo hình vẽ thì M phải dương cho nên tỉ số của biểu thức tính M có điều kiện như sau: L 2 /L 3 > R2 /R4 4. 3.3 Cầu Carey Foster cải tiến Hình 4. 2 4: Cầu Carey Foster cải tiến đo hệ số hỗ cảm M ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 141 Dùng tụ điện mẫu để đo hệ số hỗ cảm Khảo sát mạch hình 4. 24 Khi cầu cân bằng có phương trình sau: [ R2 + ( 1 C2 )]i1 = R4 i 3 jω... Cầu đo điện dung: Mạch đo được mắc theo hình 4. 14 Z 1: là tụ điện mẫu C1 (có thể thay đổi được trò số) Z 2: tụ điện cần đo CX Z3, Z 4: là những điện trở mẫu thay đổi được hoặc là những hộp điện trở thay đổi Khi cầu cân bằng “D” chỉ 0 Z 1 Z4 = Z 2 Z3; R 1 1 R3 = R4 ; Suy ra: CX = 3 C1 R4 j ω CX j ω C1 Với giá trò cầu đo CX bất kỳ, chúng ta điều chỉnh tỉ số R3 R4 và C1 (nếu là tụ điện mẫu thay đổi được)... mẫu phụ thuộc vào tụ C3, là hộp điện dung có độ chính xác kém hơn hộp điện trở mẫu R3, thích hợp với cuộn dây có Q nhỏ (Q = 2πfLx/Rx) Hình 4. 19 Cầu Owen đo cuộn dây Hình 4. 20 Cầu Schering đo điện dung Cầu đo điện dung (H .4. 20) Cầu Schering thường được dùng để đo điện dung và đo tổn hao trong vật cách điện cao cấp Khi đo điện dung nhỏ, C1 là điện dung không khí Khi đo điện dung lớn, C1 là tụ mica thật... ; R4 R4 R3 L X = C 3 R1 R 4 Do đó hệ số Q của cuộn dây [LX +RX] được xác đònh: Q= ω L X ω C3 R1 R4 = = ωC3R3 RX R1 R4 / R3 Hình 4. 1 8: Cầu phổ quát đo điện cảm cuộn dây a) Cầu Maxwell-Wien; b) Cầu Hay Ví dụ 4. 2: Trong cầu Maxwell (H .4. 18), điện dung mẫu C3 = 0,1μF, tần số tín hiệu cung cấp cho cầu f = 100Hz Khi cầu cân bằng R1 = 1,26kΩ; R3 = 47 0Ω và R4 = 500Ω, tính điện cảm LX và RX, hệ số Q Giải: Theo . ==−Δ Δ 13 24  Hình B.3.17 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 125 Chương 4 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 4. 1 DÙNG VÔN-KẾ, AMPE-KẾ ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 4. 1.1 Đo điện dung. 107, 14 Vậy mạch đo có thể vẽ lại như trên có hai tầm đo (H.3 .40 ). Hình 3 .4 0: Mạch đo điện trở có hai tầm đo 3.8 .4 Mạch đo dòng điện dùng nguồn dòng không đổi  Trong các mạch đo điện. ĐO ĐIỆN TRỞ 107 Cọc A: cọc đo điện trở đất R X; Cọc P: cọc phụ đo điện áp; Cọc C: cọc phụ đo dòng điện Hình 3.2 6: Mạch đo điện trở đất bằng vôn-kế và ampe-kế