Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 2 doc

Trong các điện kế từ điện, để tăng độ nhạy và độ chính xác của phép đo, khung dây phần động 1 xem hình 1-16, a được gắn bằng dây treo 2, góc lệch phần động được chỉ thị trên thang độ bằn

Trang 1

Trong đó M C là mômen cản; K là hệ số phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của lò

xo xoắn Mômen cản phụ thuộc tuyến tính vào góc lệch phần động Khi cân bằng giữa mômen quay và mômen cản kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí góc lệch α:

Hay

K

BSWI

=

Trong đó G được gọi là độ nhạy của cơ cấu đo Công thức (1-21) cho thấy góc lệch α tỉ lệ với dòng điện đi vào cơ cấu đo Hàm truyền đạt của cơ cấu đo là tuyến

tính, do đó dụng cụ sẽ có thang đo tuyến tính

Trong các điện kế từ điện, để tăng độ nhạy và độ chính xác của phép đo, khung dây phần động 1 (xem hình 1-16, a) được gắn bằng dây treo 2, góc lệch phần động được chỉ thị trên thang độ bằng ánh sáng phản chiếu trên gương 3 gắn với dây treo nhờ một hệ thống quang học (hình 1-16, b)

Hình 1-16 Chỉ thị bằng ánh sáng nhờ hệ thống quang học

3

2 1

3.2 Chỉ thị dạng số

Để có thể dễ dàng đọc kết quả đo người ta đã sử dụng các bộ chỉ thị số để hiển thị kết quả đo lường Có nhiều cách khác nhau để tổ chức bộ chỉ thị số:

– Chỉ thị số dạng cơ điện: dùng đèn neon hoặc đèn đốt tim để chiếu sáng một bảng panel có khắc các chữ số

– Dùng đèn cathode lạnh Trong đèn này chứa đầy khí neon, có 1 anode chung và 10 cathode riêng rẽ Các cathode được uốn thành hình các chữ số ả rập từ 0 đến 9 Khi xuất hiện điện áp giữa anode và một cathode nào đó do bộ giải mã đưa tới thì sẽ xảy ra sự phóng điện giữa chúng và gây ra quá trình ion hóa do va chạm Các nguyên tử bị ion hóa do mất electron nên tích điện dương và được điện trường gia tốc chuyển động về phía cathode, khi đập vào cathode chúng làm phát xạ ra các electron thứ cấp, các electron thứ cấp này lại tiếp tục gây ion hóa và tái hợp trở lại với các ion đương Quá trình tái hợp giải phóng ra năng lượng dưới dạng ánh sáng và quanh cathode nào được kích hoạt sẽ sáng lên hiện hình chữ số tương ứng Cấu tạo của một trong các lọai đèn này như trên hình 1-17 và sơ đồ mắc mạch chỉ thị bằng mạch bán dẫn chỉ ra trên hình 1-18

Trang 2

Hình 1-17 Cấu tạo và ký hiệu đèn hiện số cathode lạnh

R8

T4

R4 R5

T5

T10

R1

T2

R6

R9

R7 T6

R10

T1

T3

T9

R3

T8 T7

R2

R

7

2

3

5

1

4

8

6

10

9

+V

-V Đèn cathode lạnh

Hình 1-18 Mạch chỉ thị bằng đèn cathode lạnh

– Bộ chỉ thị số là một hệ thống các khe chiếu sáng Mỗi chữ số được cấu tạo từ tổ hợp các khe Thông thường hệ thống này gồm 7 hoặc 9 khe Khi các bộ chỉ thị cần kích thước lớn thì các khe này được chiếu sáng nhờ các đèn đốt tim hoặc đèn neon (các bộ chỉ báo giờ và nhiệt độ tại các nơi công cộng, chỉ thị quang báo trên các bảng panel lớn, v.v…)

– Với các bộ chỉ thị vừa và nhỏ thường dùng các diode quang (LED) để chiếu sáng và thường được chế tạo công nghiệp dưới dạng thương phẩm Chẳng hạn một số bộ chỉ thị số dùng các đèn LED 7 đoạn họ FND350, FND357, FND360, FND367 (hình 1-19, a)

– Để chỉ thị dấu (+) và dấu (–) dùng các đèn họ FND501, FND531, FND541, FND551, FND561(H 1-19, b) Trên thị trường có cả loại đèn kép cho phép sử dụng để chỉ thị hai số trên một đèn như họ FND6710, FND6740 (H 1-19,c)

Trang 3

– Bộ chỉ thị số dùng đèn tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display - LCD) 7 đoạn cũng bố trí tương tự như các bộ chỉ thị LED 7 đoạn Ở đây mỗi đoạn được thay bằng một ô tinh thể lỏng Mặt cắt của ô tinh thể lỏng kiểu hiệu ứng trường được minh họa trên hình 1-20, a Tinh thể lỏng được đặt thành lớp giữa 2 bề mặt thủy tinh và các điện cực trong suốt kết tủa ở mặt trong Một điện thế xoay chiều được áp vào giữa đoạn (đã phủ kim loại) cần hiển thị và mặt phông (Back Plane) Khi không có hiệu điện thế tác động thì đoạn phủ kim loại phản xạ ánh sáng tới, đồng thời do tinh thể lỏng trong suốt nên ánh sáng cũng phản xạ từ mặt phông làm đoạn bị hòa lẫn vào nền phông, ta chỉ thấy toàn mặt của bộ hiển thị một màu sáng bạc yếu

Trang 4

PIN FND350/357/360/367

1 Common-Cathode

6 Common-Cathode

7 Decimal Point

8 Segment C

9 Segment B

a)

PIN FND501/531/541/551/561

1 Minus

2 Cathode ±

3 Segment C

4 Cathode 1/DP

5 Decimal Point

6 Segment B

7 Cathode 1/DP

8 Cathode ±

9 Plus NC

b)

PIN PND6710 FND6740

1 E Cath Digit 1 C Cath Digit 1

2 D Cath Digit 1 D Cath Digit 1

3 C Cath Digit 1 B Cath Digit 1

4 DP Catb Digit 1 DP Cath Digit 1

5 E Cath Digit 2 E Cath Digit 2

6 D Cath Digit 2 D Cath Digit 2

7 G Cath Digit 2 G Cath Digit 2

8 C Cath Digit 2 C Cath Digit 2

9 DP Cath Digit 2 DP Cath Digit 2

1 0 B Cath Digit 2 B Cath Digit 2

11 A Cath Digit 2 A Cath Digit 2

12 F Cath Digit 2 F Cath Digit 2

13 Digit 2 Anode Digit 2 Anode

14 Digit 1 Anode Digit 1 Anode

15 B Cath Digit 1 A Cath Digit 1

16 A Cath Digit 1 NC

17 G Cath Digit 1 NC

18 F Cath Digit 1 NC

c)

Hình 1-19 Một vài dạng đèn hiện số dùng diode quang

Trang 5

Khi có hiệu điện thế tác động, điện trường giữa đoạn và mặt phông làm thay

đổi tính chất quang học của tinh thể (phá vỡ sự sắp xếp trật tự của các phân tử trong

tinh thể) làm cho chất lỏng giữa đoạn và mặt phông không còn trong suốt nữa Lúc

này ánh sáng không phản xạ được từ mặt phông ở vùng tương ứng với đoạn, kết quả

ô được kích hoạt trong bộ hiện số sẽ nổi (đen) lên trên nền phông của chúng

Hình 1-20 Cấu tạo ô tinh thể lỏng và đèn hiện số 7 đoạn

Vì các ô tinh thể lỏng chỉ là vật phản xạ hoặc truyền xạ chứ không phải vật

phát ánh sáng nên chúng tiêu tốn rất ít năng lượng Dòng toàn phần cho 4 bộ hiện số

7 đoạn nhỏ chỉ vào khoảng 300µA, nhờ vậy mà bộ chỉ thị số dùng đèn tinh thể lỏng

rất hữu ích trong các thiết bị đo lường kích thước nhỏ Trên hình 1-21 là hình dạng và

sơ đồ chân của vài loại mô đun LCD điển hình

a) b)

Thông thường các bộ chỉ thị dùng tinh thể lỏng sử dụng nguồn điện áp có

dạng là các xung vuông tần số 60Hz, có biên độ đỉnh – đỉnh VPP = 3÷8V Có loại

LCD rất nhạy, có thể làm việc từ 1,5Vrms Thời gian đóng mở tín hiệu điều khiển

khoảng 300ms Điện áp một chiều cao nhất cho phép là 100mV, nếu lớn hơn 100mV

0các điện cực trong suốt bằng bằng oxyt kẽm có thể bị khử và điện cực bị tối đi

Cũng như trong các đèn LED 7 đoạn, trong các bộ chỉ thị số dùng LCD một đầu ra

của mỗi ô được nối chung, ở đây không phân biệt anode và cathode như trong LED;

đầu ra chung được gọi là mặt phông (H 1-20, b) Ngoài các LCD được điều khiển

trực tiếp, mỗi đoạn của LCD được nối với mạch điều khiển (H 1-21,a) còn có loại

LCD được điều khiển theo phương pháp multiplex (H 1-21, b)

Trang 6

3.3 Chỉ thị bằng đèn ống tia âm cực

Trong các thiết bị quan sát và ghi dạng tín hiệu, bộ phận chỉ thị thường dùng đèn ống tia âm cực (CRT - Cathode Ray Tube) Nguyên lý hoạt động của CRT là dùng điện trường để điều khiển đường đi của một chùm electron được phóng ra từ súng điện tử và cho hướng lên màn huỳnh quang để vẽ dao động đồ của tín hiệu cần nghiên cứu Trên hình 1-225 là sơ đồ nguyên lý của đèn ống tia âm cực CRT

Hình 1-22 Nguyên lý cấu tạo của đèn ống tia âm cực (CRT)

3.3.1 Súng điện tử

Súng điện tử có nhiệm vụ tạo ra một chùm tia điện tử nhỏ, có năng lượng cao bắn tới màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Súng điện tử được cấu tạo từ catốt, lưới điều chế và các anốt Catốt thường được làm từ niken được đốt nóng gián tiếp nhờ sợi đốt bằng nguồn xoay chiều 6,3V Cực lưới cũng làm bằng niken có dạng hình trụ bao bọc lấy catốt Nhờ điện áp phân cực trên catốt và các anốt mà chùm điện tử phát xạ từ catốt sau khi được điều tiết bởi lưới điều chế được tiêu tụ và gia tốc sẽ có đủ năng lượng và độ tụ cao phóng thẳng về màn huỳnh quang

3.3.2 Hệ thống điều tiêu

Các anốt A1, A2, A3 tạo ra một hệ thống có tác dụng như một thấu kính điện tử Chức năng của chúng là điều tiêu chùm tia điện tử từ catốt tới Trên hình 1-23 chỉ

ra các mức thế phân cực cho catốt, lưới và các anốt Catốt A1 tạo ra trường hội tụ và gia tốc sơ bộ chùm tia điện tử Do A1 và A3 được giữ ở thế đất, trong khi thế A2 điều chỉnh quanh –2kV, kết quả sự phân bố các đường đẳng thế giữa các anốt có dạng như trên hình 1-23

Trang 7

Hình 1-23 Hình dang phân bố điện thế giữa

Các electron khi đi qua A1 như một chùm phân kỳ, khi cắt ngang các đường đẳng thế chúng chịu lực tác dụng của điện trường theo hướng vuông góc với các đường đẳng thế Hình dạng các đường đẳng thế của A1 tạo nên lực hội tụ, còn A3 tạo

ra lực phân kỳ đối với chùm electron (xem hình 1-23) Có thể thay đổi các lực này nhờ điều chỉnh thế phân cực cho A2, thế này điều chỉnh điểm điều tiêu của chùm nên A2 đôi khi còn gọi là vành hội tụ

3.3.3 Hệ thống lái tia điện tử

Chùm tia electron từ súng điện tử phóng ra được điều khiển bởi hệ thống lái chùm tia trước khi đi tới màn huỳnh quang Hệ thống bao gồm hai cặp phiến lái tia: cặp phiến lệch đứng và cặp phiến lệch ngang đặt vuông góc với nhau thường gọi tắt là cặp phiến YY và XX (hình 1-24)

Nếu trên một cặp phiến lệch đặt một hiệu điện thế, thì giữa chúng sẽ tồn tại một điện trường Khi electron bay vào vùng không gian giữa hai bản sẽ chịu tác dụng lực điện trường làm thay đổi quỹ đạo chuyển động Độ lệch của điểm sáng do chùm tia điện tử tạo nên trên màn hình so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử qua khoảng không gian giữa hai bản Cường độ điện trường càng lớn cũng như thời gian bay của điện tử càng lâu thì độ lệch của quỹ

đạo càng tăng Cường độ điện trường tỷ lệ vơí điện áp U y đặt vào cặp phiến lệch

(hình 1-24), và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d giữa hai phiến Thời gian bay của điện tử qua khoảng giữa hai phiến tỷ lệ với độ dài l của phiến và tỷ lệ nghịch với tốc tộ

của điện tử, tốc độ của điện tử lại tỷ lệ với điện áp anốt A2 Như vậy tăng A2 thì độ sáng trên màn hình tăng, nhưng đồng thời cũng làm giảm độ lệch của tia điện tử Nói cách khác làm giảm độ nhạy của ống tia điện tử

Từ hình vẽ ta thấy độ lệch của tia điện tử còn phụ thuộc vào L là khoảng

cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn huỳnh quang Như vậy, ta có quan hệ:

2 2

A

y

dU

lL U

Trang 8

trong đó S =

2 2

A

dU

lL được gọi là độ nhạy của CRT, nó bằng độ lệch của tia

sáng trên màn tính ra mm khi đặt trên phiến lệch một hiệu điện thế là 1vôn Các CRT thông thường có độ nhạy từ 0,2 ÷ 1mm/V

l

U y

Hình 1-24

U

3.3.4 Màn huỳnh quang

Màn hình của CRT được tạo ra bằng cách mạ một lớp huỳnh quang bằng phốt pho ở mặt trong Khi có điện tử bắn vào thì tại những điểm đó sẽ phát sáng huỳnh quang Thời gian phát sáng có thể kéo dài trong vài miligiây, vài giây, thậm chí lâu hơn nữa Tùy thuộc vào vật liệu mà ánh sáng huỳnh quang phát ra có thể có màu xanh lơ, đỏ, xanh lục hoặc màu trắng

Phốt pho sử dụng ở màn hình là chất cách điện, nếu không có sự phát xạ thứ cấp, màn hình sẽ có thế âm khi các electron sơ cấp tích tụ lại, và chúng có thể lớn tới mức đẩy ngược chùm electron tới Để triệt bỏ hiệu ứng này, trên thành cổ ống CRT

được phủ một lớp than chì để thu gom và trung hòa các electron tích tụ (xem hình

1-22)

3.3.5 Điều chỉnh độ chói

Độ chói của hình ảnh tạo ra trên màn hình phụ thuộc vào mật độ số electron trong chùm tia tới Để điều chỉnh mật độ electron người ta điều chỉnh điện áp lưới điều chế M Mặt khác độ chói còn phụ thuộc vào tốc độ của electron tới, nghĩa là chúng phải được gia tốc tới tốc độ khả dĩ cao nhất Tuy nhiên nếu tốc độ của chùm electron quá cao thì tác dụng của điện áp làm lệch lên chùm tia sẽ giảm khi chúng đi qua hệ thống làm lệch, và độ nhạy lái tia sẽ kém Do vậy người ta thường bố trí một

hệ thống gia tốc sau làm lệch khi tia điện tử đã đi qua các tấm lái tia Một dây xoắn

ốc bằng chất có điện trở cao được cho kết tủa bên trong phần loe của ống CRT Điểm đầu nối đất còn đầu cuối có điện thế cao tới +12kV, nhờ vậy tạo ra một điện trường gia tốc liên tục chùm electron trước khi nó đập vào màn hình Hệ thống này đôi khi còn gọi là cực hậu gia tốc

3.4 Chỉ thị bằng âm thanh và ánh sáng

Trong các thiết bị đo lường dùng chỉ thị bằng âm thanh thường sử dụng ống nghe vì đây là loại chỉ thị rất nhạy có thể phát hiện được các dòng điện có công suất

Trang 9

rất nhỏ đến micrôoat hay điện áp rất thấp đến micrôvon Ống nghe có độ nhạy cao ở phạm vi tần số hợp với tai nghe, tức vào khoảng 800 đến 1200 Hz nên dùng làm chỉ thị âm tần rất thích hợp Đối với các máy đo chỉ thị cân bằng (chỉ thị 0) khi dùng ống nghe làm chỉ thị có thể đo đạc xác định các đại lượng rất nhanh Các ống nghe dùng trong đo lường thường có điện trở cao và có cấu tạo để có độ nhạy cao với tần số vào khoảng 1000Hz

Trong các thiết bị đo lường nhằm phát hiện và chỉ báo các mức ngưỡng áp dụng trong các hệ thống bảo vệ, thì việc sử dụng các tín hiệu âm thanh hoặc ánh sáng để chỉ thị là rất có ý nghĩa về mặt cảnh báo, tín hiệu gây chú ý để báo hiệu cho con người biết về sự cố để có biện pháp khắc phục

3.5 Lưu trữ kết quả đo lường

Để có thể lưu trữ kết quả đo lường người ta sử dụng nhiều biện pháp khác nhau: Sử dụng các máy ghi chuyên dụng; thiết kế các hệ thống đo có sử dụng vi xử lý và hệ thống nhớ trên đĩa từ; ghép nối hệ đo với máy vi tính và điều khiển tự động

Các máy ghi là các thiết bị cho phép ghi lại kết quả đo diễn biến theo thời gian Có thể ghi bằng nhiều cách:

3.5.1 Ghi liên tục: Thường là dùng băng giấy chạy liên tục và quá trình diễn

biến của đại lượng được ghi thành một đường cong, và qua đó có thể xác được được sự phụ thuộc của đại lượng theo thời gian

3.5.2 Ghi gián đoạn: Việc ghi được thực hiện theo từng thời gian nhất định và

thường kết hợp để ghi nhiều đại lượng khác nhau bằng một máy nhờ các bộ chuyển mạch Kết quả của phép ghi có thể là những con số hoặc các đường chấm chấm Có nhiều phương pháp ghi khác nhau:

– Ghi bằng bút ghi: là loại ghi đơn giản nhất

– Ghi bằng phương pháp cơ điện: Dùng phương pháp tia lửa điện để đánh thủng giấy ghi từng lúc, hoặc dùng phản ứng hóa học trên giấy ghi

– Ghi bằng phim ảnh, giấy ảnh

– Ghi trên băng từ

– Ghi bằng phương pháp số trên đĩa từ

– Ghi trên đĩa quang CD v.v

4 DỤNG CỤ ĐO DIỆN, SAI SỐ, CẤP CHÍNH XÁC

Có nhiều loại, tùy theo nguyên tắc thiết kế mạch và nguyên lý tác động mà người ta chia ra hai loại cơ bản là:

- Các dụng cụ đo tương tự (analog)

- Các dụng cụ đo theo phương pháp số (digital)

Các dụng cụ đo tương tự thường dùng chỉ thị bằng kim trên mặt đồng hồ điện kế Đa số các dụng cụ đo điện thông dụng là loại cơ điện, tùy thuộc vào nguyên lý tác động của cơ cấu đo mà người ta chia ra các loại sau :

- Cơ cấu đo từ điện (điện kế khung quay);

- Cơ cấu đo kiểu điện từ;

- Cơ cấu đo kiểu điện động;

Trang 10

- Cơ cấu đo kiểu nhiệt điện;

- Cơ cấu đo tĩnh điện;

- Cơ cấu đo kiểu cảm ứng

Trên bảng 1-1 chỉ ra các ký hiệu quy ước trên mặt đồng hồ đo điện và ý nghĩa của chúng

Bảng 1-1

Cơ cấu đo kiểu từ điện

Cơ cấu đo kiểu điện từ

Lôgôm ét từ điện Lôgôm ét điện từ