Kỹ thuật đo : Đo điện part 2 ppt

ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 37 Hình 2.13: Mạch đo dòng có nhiều tầm đo Hình 2.14: Mạch shunt Ayrton Hoặc dùng cách chuyển tầm theo kiểu shunt Ayrton (H.2.14). Mạch đo kiểu shunt Ayrton có 3 tầm đo B, C, D. Khi khóa A ở vò trí B (tầm đo nhỏ nhất). Điện trở shunt: =++ 123SB RRRR Ở vò trí C: =+ 12SC RRR Còn 3 R nối tiếp với cơ cấu chỉ thò. Ở vò trí D: = 1SD RR Còn + 23 RR nối tiếp với cơ cấu chỉ thò. Ví dụ 2.2: 1 m Rk=Ω; I max của cơ cấu 50μA. Xác đònh ba tầm đo: B (1mA); C (10mA); D(100mA) cho R , 1 R , 23 R Giải: Ở tầm B (1mA): 123 150 150()( )mA A R R R k A − μ++=Ω×μ − − × + += = Ω × 3 123 6 50 10 52 6 950 10 RRR() , Ở tầm C (10mA): 6 33 12 6 150101 199 9950 10 () ()kR A kR RR A − − Ω+ × Ω+ += = × Ở tầm D (100mA): 6 23 1 6 15010 99950 10 ()kRR R A − − Ω+ + × = × ; 23 1 1 1999 kRR R Ω+ + = Thay vào ta được: 3 12 3 1 52 6 199 , kR RR R Ω+ += = Ω− Suy ra: −Ω = =Ω 3 10 467 4 1000 47 337 200 R (. , ) , CHƯƠNG 2 38 Ω+ Ω− Ω = ==Ω 1 1 1000 52 6 1052 6 0526 1999 2000 R R , , , Còn =− + = 2 52 6 47 337 0 526 4 737R ,(, , ), ohm Đáp số: = 1 0526R , ohm; = 2 4737R , ohm; = 3 47 337R , ohm. Mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện từ: thay đổi số vòng dây quấn cho cuộn dây cố đònh với lực từ động F không đổi: = === 11 22 33 FnI nI nI Ví dụ: F = 300 Ampe vòng cho ba tầm đo; = 1 1IA; = 2 5IA; = 3 10IA. Khi đó = 1 300n vòng cho tầm đo = 1 1IA = 2 60n vòng cho tầm đo = 2 5IA = 3 30n vòng cho tầm đo = 3 10IA. Mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện động: Trong trường hợp ampe-kế dùng cơ cấu chỉ thò điện động (sắt điện động) được mắc như hình 2.15 thì sự mở rộng tầm đo bằng cách mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động (như cơ cấu từ điện) trong khi cuộn cố đònh được mắc nối tiếp với cuộn dây di động. Cách tính toán điện trở shunt cũng giống như ampe-kế cơ cấu từ điện. Hình 2.15: Ampe-kế cơ cấu điện động 2.2.2 Đo dòng AC Nguyên lý đo: Cơ cấu điện từ và cơ cấu điện động đều hoạt động được với dòng AC. Do đó có thể dùng cơ cấu này trực tiếp và mở rộng tầm đo dòng như đã nói ở trên. Riêng cơ cấu điện từ khi dùng phải biến đổi dòng AC thành dòng DC. Ngoài ra, do tính chính xác của cơ cấu điện từ nên cơ cấu này dùng rất nhiều (thông dụng) trong phần lớn ampe-kế (trong máy đo vạn năng Multimeter còn gọi V.O.M.). Dùng cơ cấu từ điện đo dòng AC Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng diod (H.2.16). ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 39 Dòng điện qua diod nối tiếp với cơ cấu từ điện là dòng điện xoay chiều đã chỉnh lưu thành dòng DC. Trò trung bình của dòng điện chỉnh lưu: T cl tb cl IidtI T * max =≤ ∫ 0 1 (2.16) Hình 2.16 Dòng chỉnh lưu qua cơ cấu Hình 2.17 Cầu chỉnh lưu diod Ví dụ: Dòng điện AC: = ω AC m VI tsin Khi đó: = ω cl m iI tsin : T t ()≤≤0 2 ; = 0 cl i : T tT ()≤≤ 2 . Vậy: ==0318 0318 2 cltb m hd II I,, (tín hiệu sin). Trường hợp dòng điện AC có dạng bất kỳ thì cltb I có trò số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu. Cụ thể dòng: = π2100 AC imA t()sin thì dòng: =× =0 318 2 0 636 cl tb imA,(),(mA) Cầu diod (H.2.17). Dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu ở hai bán kỳ, khi đó trò chỉnh lưu trung bình: = ∫ 2 cl tb cl Iidt T . Ví dụ: = ω AC m II tsin ; =× =2 0 318 0 636 cl tb m m III,, CHƯƠNG 2 40 Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện: Bộ biến đổi nhiệt điện (H.2.18) gồm có dây điện trở được đốt nóng nhờ trò hiệu dụng của dòng điện xoay chiều cần đo. Cặp nhiệt điện (thermocouple) được cung cấp nhiệt lượng do dòng điện này sẽ tạo ra điện áp một chiều (dòng điện DC) cho cơ cấu điện từ: = 2 oThd EDC KRI() (2.17) với: hd I - trò số hiệu dụng của dòng điện AC R - điện trở của dây đốt nóng T K - hằng số tỉ lệ của bộ biến đổi nhiệt điện. Khi sử dụng bộ biến đổi chỉ dùng trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến o E theo hd I . Phương pháp biến đổi nhiệt điện có ưu điểm là không phụ thuộc vào dạng của tín hiệu AC và tần số. Do đó để cho dòng điện có tần số cao, dạng bất kỳ, người ta thường dùng bộ biến đổi này. Ngoài ra khi dùng bộ biến đổi này còn phải quan tâm đến sự thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh, sự gia tăng nhiệt lượng khi dòng điện đo được duy trì sẽ làm cho o E tăng theo thời gian (vấn đề bổ chính hay bù nhiệt này sẽ đề cập đến trong phần thiết bò đo điện tử vôn-kế điện tử dùng bộ biến đổi nhiệt điện). Hình 2.18: Bộ biến đổi nhiệt điện Mở rộng tầm đo Dùng điện trở shunt cho diod và cơ cấu từ điện (H.2.19a). Diod mắc nối tiếp với cơ cấu điện từ, do đó có dòng cltb I qua cơ cấu, còn dòng điện xoay chiều lại qua điện trở shunt. ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 41 Hình 2.19: a) Mạch đo dòng AC có điện trở shunt b) Mạch đo dùng biến dòng Ví dụ: A C i Dòng xoay chiều dạng sin có trò hiệu dụng hd I , khi đi qua diod sẽ có: =≤0318 2 cl tb hd iII max , , với I max - dòng tối đa của cơ cấu. Khi đó dòng điện xoay chiều còn lại sẽ qua điện trở shunt. Cụ thể: = 1I max mA; = 100 đo I mA (RMS trò hiệu dụng). Trò hiệu dụng của dòng điện xoay chiều qua điện trở shunt: Sđo I mA II mA max () ,, =− = − 1 100 0 318 2 0 318 2 RMS = (100 mA – 2,2 mA) RMS = 97,8mA (RMS) Điện trở shunt được xác đònh: Dm S S VRI R IRMS max (/, ) () + = 0 318 2 Ví dụ: = 06 D VV, ; = Ω50 m R ; = 1ImA max ; = 100 đo ImA(RMS) Áp dụng công thức trên: +Ω× = 06 50 222 97 8 S VmARMS R mA RMS ,,() ,( ) = Ω7269, Dùng biến dòng (H.2.19b). Theo nguyên lý hoạt động của biến dòng là phải có sự cân bằng của lực từ động phần sơ cấp và thứ cấp của biến dòng: = 11 22 ni ni Ví dụ: = 1 5n vòng; = 2 100n vòng; = 1 10iA(RMS) n ii n = 1 21 2 ; iA,== 2 5 10 0 5 100 (RMS) CHƯƠNG 2 42 Khi sử dụng biến dòng nên lưu ý đừng để hở phần thứ cấp biến dòng khi phần sơ cấp có dòng điện. Kẹp đo dòng điện (clamp ammeter) là một ứng dụng của biến dòng với cơ cấu điện từ và diod chỉnh lưu có phần mở rộng tầm đo (H.2.20). 2.2.3 Ảnh hưởng của ampe-kế trên mạch đo Mỗi ampe-kế đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi tầm đo. Ví dụ: Ampe-kế cơ cấu điện từ ở tầm đo 1mA, có nội trở ==ΩΩ=Ω 2 1000 5 2 5 17 AmS RRR// // , , . Do đó tầm đo càng lớn nội trở A R (nội trở ampe-kế) càng nhỏ. Việc mắc nối tiếp nó với điện trở tải cần đo dòng điện sẽ ảnh hưởng đến mạch đo. Nếu nội trở ampe-kế rất nhỏ so với điện trở tải thì sai số do ảnh hưởng của ampe-kế trở nên không đáng kể. Ví dụ: Khi không có ampe-kế, dòng điện qua tải L R : 51 5/ L IVkmA=Ω= Khi có ampe-kế, nội trở = Ω517 A R , : 51 517 4975/( , ) , L IVk=Ω+Ω=mA Do đó sai số ảnh hưởng của ampe-kế: %[(, /) %] ,%−×=100 4 975 5 100 0 5 Nếu sai số của thiết bò đo cho phép 1% thì sai số ảnh hưởng này không đáng kể. Còn nếu 5 L Rk = Ω dòng qua tải khi không có ampe-kế L IV / = 55 kΩ = 1,0 mA. Còn có ampe-kế nội trở = Ω49 4 A R , thì: 55 494 0990/( , ) , L IVk=Ω+Ω=mA Do đó sai số ảnh hưởng của ampe-kế: %[(, /) %] %−×=100 0 99 1 100 1 Như sai số tăng lên gấp hai trong trường hợp trước. 2.3 ĐO ĐIỆN ÁP AC VÀ DC 2.3.1 Đo điện áp DC Nguyên lý đo (H.2.21): Điện áp đo được chuyển thành dòng điện đo đi qua cơ cấu chỉ thò. Nếu cơ cấu chỉ thò có I max và điện trở nối tiếp thì: Hình 2.20: Kẹp đo dòng ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 43 =≤ + đo đo m V II RR max , với m R - nội trở của cơ cấu (2.18) Tổng trở vào của vôn-kế =+ Vm ZRR. Các cơ cấu từ điện, điện từ và điện động đều được dùng làm vôn-kế DC. Bằng cách nối thêm điện trở R để hạn chế dòng điện qua cơ cấu theo biểu thức trên. Hình 2.21: Mạch đo điện áp Riêng đối với cơ cấu điện động cuộn, dây di động và cuộn dây cố đònh được nối tiếp (H.2.22). Mở rộng tầm đo Dùng cơ cấu từ điện Mở rộng tầm đo bằng cách nối tiếp điện trở (H.2.23). Đây là mạch đo điện áp một chiều thường dùng trong máy đo vạn năng. Tổng trở vào của vôn- kế thay đổi theo tầm đo nghóa là tổng trở vào càng lớn thì tầm đo điện áp càng cao. Cho nên người ta thường dùng trò số độ nhạy DC V/Ω của vôn-kế để xác đònh tổng trở vào của mỗi tầm đo. Hình 2.22: Mạch đo điện áp của cơ cấu điện động CHƯƠNG 2 44 Hình 2.23: Mạch đo áp DC nhiều tầm đo Ví dụ: Vôn-kế có độ nhạy 20 / DC kVΩ . Ở tầm đo 2,5V là tổng trở vào. 1 2 5 20 200,/ VDC ZVkV k=×Ω=Ω . Ví dụ 2.3: Tính điện trở cho ba tầm đo = 1 25VV, ; = 2 10VV; = 3 05VV,. Cho vôn-kế dùng cơ cấu từ điện = μ100IA max ; 05, m Rk = Ω Giải: Mạch đo của vôn-kế được mắc theo hình 2.23b cho ba tầm đo. Do đó ở tầm 1 V = 2,5V: += = μ 12 25 25 100 MAX VV RR IA ,, ; 1 4 25 05 245 110 , ,, V Rkk A − = −Ω= Ω × Ở tầm: = 2 10VV: − == μ 21 2 75 100 VV V R IA max , 1 75 75 10 , kk − = Ω= Ω Ở tầm: = 3 50VV: − − == μ 32 3 50 10 100 VV VV R IA max 400k = Ω . Để cho vôn-kế có độ chính xác cao nên chọn sai số của điện trở 1 R , 2 R , ≤ 3 1R % độ nhạy DC V/Ω của vôn-kế. 1 25 10 25 / , m DC DC RR k kV VV + Ω ==Ω Ví dụ 2.4: Vôn-kế dùng cơ cấu điện từ có cuộn dây cố đònh có dòng = 50ImA max tầm đo 0 – 300V. Xác đònh điện trở R nối tiếp với cơ cấu. Điện trở nội Rm = 100 Ω và công suất của điện trở. Giải: 300 6 50 m V RR k mA += =Ω , R = 6kΩ − 0,1kΩ = 5,9kΩ Công suất của điện trở 22 59 50 max ,()PRI k mA==Ω× = 14,75 watt 2.3.2 Đo dòng điện AC Nguyên lý đo: Đối với cơ cấu điện động, điện từ vôn-kế AC dùng cơ cấu này phải mắc điện trở nối tiếp với cơ cấu như trong vôn-kế DC vì hai cơ cấu ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 45 này hoạt động với trò hiệu dụng của dòng xoay chiều. Riêng đối với cơ cấu điện từ thì phải dùng phương pháp biến đổi như ở phần ampe-kế nghóa là dùng diod chỉnh lưu hoặc bộ biến đổi nhiệt điện (H.2.18). Cách xác đònh điện trở nối tiếp cho cơ cấu từ điện Hình 2.24: Mạch đo điện áp AC Mạch đo được mắc như hình 2.24 diod 1 D chỉnh lưu dòng điện AC ở bán kỳ dương, diod 2 D cho dòng điện âm đi qua (không qua cơ cấu chỉ thò) để cho điện áp nghòch của bán kỳ âm của điện áp AC không rơi trên diod 1 D và cơ cấu chỉ thò. Tránh được điện áp nghòch quá lớn khi đo điện áp AC có giá trò lớn. Điện trở 1 R nối tiếp ở tầm đo điện áp A C V được xác đònh: =+ + 1AC m hd D VRMS RRI VRMS()( ) () (2.19) mà: ==0318 2 cl tb hd II I max , (2.20) hd I - dòng điện của điện áp đo A C V (tính theo trò hiệu dụng) qua cơ cấu chỉ thò và qua 1 R tương đương. − += 1 0314 2 A CD m VRMSV RR I max () / (, ) (2.21) Ví dụ: 1 m Rk = Ω ; = μ50IA max . Xác đònh 1 R ở tầm đo = 10 AC V V (RMS) với = 06 D VV, (RMS). 1 10 0 6 9 4 85 45 50 0 45 110 (), ,() , /( , ) m VRMS V VRMS RR k AA − += = = Ω μμ ; 1 R # 85kΩ Độ nhạy A C V/Ω của vôn-kế trong trường hợp này: 1 110 9()/ () / ac VRMS ARMS k Vμ=Ω CHƯƠNG 2 46 Như vậy với cùng một cơ cấu (cơ cấu từ điện) tổng trở vào của vôn-kế AC sẽ nhỏ hơn tổng trở vào của vôn-kế DC. Đối với vôn-kế điện tử tổng trở vào của vôn-kế không thay đổi theo tầm đo đối với điện áp AC hoặc DC.  Mạch đo điện áp AC có thể dùng cầu diod (4 diod) hoặc (2 diod) và (2 điện trở) như hình 2.25.  Khuyết điểm của vôn-kế AC dùng diod chỉnh lưu phụ thuộc vào dạng tín hiệu và tần số cao có ảnh hưởng của tổng trở và điện dung ký sinh của diod. Hình 2.25: Mạch đo điện áp AC dùng cơ cấu từ điện  Để cho vôn-kế AC không phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu AC thì dùng vôn-kế có bộ biến đổi nhiệt điện (H.2.26), các điện trở thay đổi tầm đo được nối tiếp với điện trở cung cấp nhiệt lượng cho cặp nhiệt điện. Hình 2.26: Mạch đo điện áp AC dùng bộ nhiệt điện  Thang đo của vôn-kế AC được ghi theo trò hiệu dụng (RMS) mặc dù dùng phương pháp chỉnh lưu trung bình. Còn nếu dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện thì gọi là vôn-kế có trò hiệu dụng thực (true RMS). [...]... và D2 2. 7 AMPE-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÒNG AC VÀ DC 2. 7.1 Đo dòng DC Nguyên lý đo dòng DC trong ampe-kế điện tử là chuyển dòng điện đo Iđo thành điện áp đo bằng cách cho dòng điện đo Iđo qua điện trở RS theo mạch đo nguyên lý sau (H .2. 57) I1 A + Iđo Vđo – RS Iđo B Hình 2. 5 7: Mạch đo dòng DC I2 + Imax – Rm A Iđo R1 I3 I4 B Iđo RS1 RS2 RS3 MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP DC RS4 Hình 2. 5 8: Mạch phân tầm đo dòng điện ĐO ĐIỆN ÁP... cấp cho mạch đo B 2: nguồn chuẩn R 1: biến trở điều chỉnh cho dòng điện I R 2: nội trở của nguồn chuẩn G: điện kế (cơ cấu từ điện) Hình 2. 2 9: Mạch đo điện áp bằng biến trở Biến trở BA là biến trở đo lường Khóa S có hai vò trí 1 và 2 dùng để chuẩn máy đo và để đo đại lượng Vx Dòng điện I chạy trong mạch đo: I = B1 K 1 R1 + R AB 0 ≤ K1 ≤ 1: phụ thuộc vào vò trí con chạy (2. 22) ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 49 RAB... hóa” vôn-kế AC 2. 5 VÔN-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO ĐIỆN ÁP DC 2. 5.1 Vôn-kế điện tử đo điện áp DC transistor Mạch đo điện áp DC dùng transistor hai mối nối (BJT) Hình 2. 3 5: Mạch đo dùng BJT Mạch đo được diễn tả bởi hình 2. 35 Mạch đo là mạch cầu đo gồm transistor Q1, Q2, R2, R3 điện áp ra được lấy ở cực E1, E2 của Q1, Q2 (hoặc cực C1, C2) Điện áp vào của mạch đo được đưa vào ở cực B1 (hoặc 1 cực B2 của Q2) của Q1 Khi.. .ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 47 2. 3.3 Ảnh hưởng của vôn-kế trên mạch đo điện áp Khi vôn-kế được mắc vào phần tử cần đo điện áp thì có thể xem như tổng trở vào của vôn-kế mắc song song với phần tử đó (H .2. 27) Ví d : Vôn-kế đo điện áp hai đầu điện trở R2 , dòng điện đi qua R2 khi không có vôn-k : I = V /( R1 + R2 ) Điện áp vào: V2 = R2 I = R2 × V /( R1 + R2 ) V Khi có vôn-kế dòng điện I’ qua mạch: I'=... ( R2 // RV ) Điện áp: V ' = ( R2 // RV ) I ' = ( R2 // RV ) V R1 + ( R1 // RV V ) Nếu R2 rất nhỏ so với RV dẫn đến ( R2 // RV ) → R2 Khi đó ảnh hưởng của vôn-kế không đáng kể đối với mạch đo Hình 2. 27 Hình 2. 28 Mạch tương đương khi mắc vôn-kế Mạch đo điện áp nguồn Ví dụ 2. 5: V = +10V; R2 = R1 = 10kΩ ; RV = 20 0kΩ ; V2 = Khi đó vôn-k : I ' = ' V2 = 10V × 10kΩ = 5V Ω 20 k 10V 10V = 10kΩ + (10kΩ // 20 0kΩ... điện ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 71 Phân tầm đo dòng điện bằng cách thay đổi điện trở (H .2. 58) Tầm đo I4 >I3 >I3 >I2 >I1; cho nên tầm đo càng lớn thì điện trở RS càng giảm 2. 7 .2 Đo dòng AC Nguyên lý đo: để đo dòng AC thì chúng ta chuyển dòng điện AC thành điện áp AC bằng điện trở RS như trong trường hợp đo dòng DC Sau đó chuyển điện áp đo AC thành điện áp DC bằng những phương pháp đo điện áp AC như đã nói... 50 Hình 2. 4 3: Mạch đo chuyển đổi điện áp sang dòng điện ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 59 Mạch khuếch đại dạng vi sai Mạch khuếch đại dạng vi sai được diễn tả ở hình 2. 44 Khảo sát mạch đo trên: Ecm thành phần chung của tín hiệu đo E1, E2 thành phần vi sai V01 = (1 + R2 R R2 R ) E1 + E2 ( − 2 ) + E cm )( E1 + E cm ) + ( − 2 )( E2 + E cm ) = (1 + R1 R1 R1 R1 V 02 = (1 + R R R2 R )( E2 + E cm ) + ( − 2 )( E1... pin yếu: V = 1,4V nội trở 1, 4V 20 Ω dòng điện qua vôn-k : I 2 = = 27 , 98μA 20 Ω + 50.000Ω Khi đó vôn-kế ch : 2, 5V × ( 27 , 98μA /50μA ) = 1, 39V Sai số do ảnh hưởng của vôn-k : (1 − 1, 39/1, 4 ) × 100% = 1% Do đó nếu nguồn có nội trở càng lớn thì sai số ảnh hưởng của vôn-kế khi đo điện áp càng tăng 2. 4 ĐO ĐIỆN ÁP DC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN TRỞ 2. 4.1 Nguyên lý đo Mạch đo được mắc theo hình 2. 29 B 1: nguồn... Khi điện áp vào: Vi > 0; IB1 > IB2; suy ra: IE1 > IE2 Cho nên VB1>VB2 dòng IM qua cơ cấu chỉ thò M phụ thuộc vào VE1–VE2 nghóa là phụ thuộc vào điện áp Vi Đối với mỗi mạch đo sẽ có Vi cực đại khiến cho transistor đạt đến trạng thái bão hòa VE1–VE2 cực đại Ví d : Vi = 1V khiến cho VE1–VE2 = 1V (mức điện áp bão hòa cần đo) Khi điện áp vào: ViIB2; suy ra: VE1 . đo. Hình 2. 2 2: Mạch đo điện áp của cơ cấu điện động CHƯƠNG 2 44 Hình 2. 2 3: Mạch đo áp DC nhiều tầm đo Ví d : Vôn-kế có độ nhạy 20 / DC kVΩ . Ở tầm đo 2, 5V là tổng trở vào. 1 2 5 20 . đó (H .2. 27). Ví d : Vôn-kế đo điện áp hai đầu điện trở 2 R , dòng điện đi qua 2 R khi không có vôn-k : IVRR/( )=+ 12 . Điện áp vào: VRIRVRR / ()==× + 22 2 12 Khi có vôn-kế dòng điện I’. mắc theo hình 2. 23b cho ba tầm đo. Do đó ở tầm 1 V = 2, 5V: += = μ 12 25 25 100 MAX VV RR IA ,, ; 1 4 25 05 24 5 110 , ,, V Rkk A − = −Ω= Ω × Ở tầm: = 2 10VV: − == μ 21 2 75 100 VV V R IA max , 1 75 75 10 , kk − = Ω=