GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN pptx

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky KỸ THUẬT ĐO TẬP 1 ĐO ĐIỆN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2005 3 MỤC LỤC Lời mở đầu 7 Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 9 1.1 Đại lượng đo lường 9 1.2 Chức năng và đặc tính của thiết bò đo lường 10 1.3 Chuẩn hóa trong đo lường 11 1.4 Chất lượng của đo lường 12 1.5 Những phần tử trong thiết bò đo điện tử 20 1.6 Lợi ích thiết thực của điện tử trong đo lường 21 1.7 Sự chọn lựa, tính cẩn thận và cách dùng thiết bò đo 21 1.8 Hệ thống đo lường 22 Chương 2 ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 26 2.1 Cơ cấu chỉ thò kim 26 2.2 Đo dòng một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 35 2.3 Đo điện áp AC và DC 42 2.4 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở 48 2.5 Vôn-kế điện tử đo điện áp DC 52 2.6 Vôn-kế điện tử đo điện áp AC 61 2.7 Ampe-kế điện tử đo dòng AC và DC 70 Bài tập 71 Chương 3 ĐO ĐIỆN TRỞ 82 3.1 Đo điện trở bằng Vôn-kế và Ampe-kế 82 3.2 Đo điện trở dùng phương pháp đo điện áp bằng biến trở 84 3.3 Mạch đo điện trở trong Ohm-kế 84 3.4 Cầu Wheatstone đo điện trở 91 3.5 Cầu đôi Kelvin 94 3.6 Đo điện trở có trò số lớn 96 3.7 Đo điện trở đất 105 3.8 Đo điện trở trong V.O.M. điện tử 111 Bài tập 118 Chương 4 4 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 125 4.1 Dùng Vôn-kế, Ampe-kế đo điện dung, điện cảm và hỗ cảm 125 4.2 Dùng cầu đo đo điện dung và điện cảm 128 4.3 Đo hỗ cảm 139 Bài tập 141 Chương 5 ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 146 5.1 Đo công suất một chiều 146 5.2 Đo công suất xoay chiều một pha 148 5.3 Đo công suất tải ba pha 155 5.4 Đo công suất phản kháng của tải 159 5.5 Đo điện năng 162 5.6 Đo hệ số công suất 167 5.7 Thiết bò chỉ thò đồng bộ hóa (Synchronoscope) 171 5.8 Tần số kế 173 Chương 6 ĐO ĐẠI LƯNG CƠ HỌC VẬT THỂ RẮN 178 6.1 Cảm biến vò trí và sự dòch chuyển 178 6.2 Cảm biến điện trở biến dạng 202 6.3 Cảm biến đo tốc độ 207 6.4 Cảm biến đo lực, trọng lượng 215 6.5 Cảm biến đo ngẫu lực 221 6.6 Đo gia tốc, độ rung và sự va chạm 223 Chương 7 ĐO NHIỆT ĐỘ 228 7.1 Thang đo nhiệt độ 228 7.2 Đo nhiệt độ bằng điện trở 228 7.3 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện 234 7.4 Dùng diod và transistor đo nhiệt độ 243 7.5 Đo nhiệt độ bằng IC 246 7.6 Dùng cảm biến thạch anh đo nhiệt độ 248 Chương 8 ĐO CÁC ĐẠI LƯNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG 255 5 8.1 Đo vận tốc chất lỏng 255 8.2 Lưu lượng kế 264 8.3 Đo và dò mực chất lỏng 269 Chương 9 ĐO ĐẠI LƯNG QUANG 273 9.1 Các đặc tính riêng của cảm biến quang 273 9.2 Điện trở quang 276 9.3 Diod quang 284 9.4 Transistor quang 291 9.5 Cảm biến phát xạ quang 296 Chương 10 DAO ĐỘNG KÝ, TIA ÂM CỰC VÀ MÁY GHI X-Y 310 10.1 Ống phóng điện tử (CRT) 310 10.2 Các khối chức năng trong dao động ký 314 10.3 Trình bày tín hiệu trên màn ảnh của dao động ký 317 10.4 Dao động ký hai kênh 321 10.5 Thanh đo (Probe) của dao động ký 323 10.6 Bộ tạo trễ 325 10.7 Ứng dụng của dao động ký 327 10.8 Vôn kế tự ghi kết quả (Voltmeter Recorder) 332 10.9 Máy ghi trên hệ trục X - Y (X - Y recorder) 333 Phụ lục 333 Tài liệu tham khảo 343 6 7 Lời mở đầu KỸ THUẬT ĐO được biên soạn nhằm phục vụ cho môn học Kỹ thuật Đo (Đo lường Điện và Điện tử - Electrical measurements and Electronic Instrumentation ) được biên soạn thành hai tập: KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN gồm 10 chương. KỸ THUẬT ĐO - TẬP 2 - ĐO ĐIỆN TỬ gồm 5 chương. Trong tập 1 các chương 1, 2, 3, 4, 5, 10, do thạc só Nguyễn Ngọc Tân biên soạn: trình bày những phần cơ bản về đo lường điện và đo lường điện tử. Nguyên lý hoạt động của thiết bò đo gồm bộ chỉ thò, mạch đo và phương pháp đo của vôn-kế, ampe-kế, thiết bò đo điện trở, điện dung, điện cảm, điện năng kế, cos ϕ -kế, tần số kế. Trong phần vôn-kế, ampe-kế, ohm-kế chúng tôi trình bày thêm mạch đo điện tử nhằm mục đích để sinh viên hiểu rõ nguyên lý đo của máy đo điện thông thường chuyển sang nguyên lý máy đo điện tử ngày nay đang được sử dụng rộng rãi. Các chương 6, 7, 8, 9 và bài tập chương 2, 3, 4 do thạc só Ngô Văn Ky biên soạn: trình bày nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến đo các đại lượng cơ, nhiệt, quang, cơ học lưu chất. Đây là những cảm biến cơ bản chuyển đổi đại lượng không điện sang các đại lượng điện được sử dụng trong các thiết bò đo lường công nghiệp hiện nay (industrial instrumentation) và trong hệ thống đo lường và điều khiển tự động. Cuốn sách này nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về thiết bò đo lường cho sinh viên các ngành Điện - Điện tử - Máy tính (Công nghệ Thông tin) của các trường đại học; đồng thời cũng giúp ích cho sinh viên các ngành khác muốn tìm hiểu về thiết bò đo. 8 Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp, các độc giả để lần tái bản cuốn sách được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi hoàn thành quyển sách này. Đòa chỉ: Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM - 268 Lý Thường Kiệt, Q10. ĐT: (08) 8647685. Email: nntan@hcmut.edu.vn nvky@hcmut.edu.vn Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky 9 Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 ĐẠI LƯNG ĐO LƯỜNG Trong lónh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta phân ra hai loại cơ bản.  Đại lượng điện  Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa học, sinh học, y học, không mang đặc trưng của đại lượng điện. Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bò đo. 1.1.1 Đại lượng điện Được phân ra hai dạng:  Đại lượng điện tác động (active)  Đại lượng điện thụ động (passive). 1- Đại lượng điện tác động Đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng lượng điện. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo. Trong trường hợp năng lượng quá lớn, sẽ được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo. Ví dụ như phân áp, phân dòng. Nếu trong trường hợp quá nhỏ sẽ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được. CHƯƠNG 1 10 2- Đại lượng điện thụ động Đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hỗ cảm, các đại lượng này không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho các đại lượng này khi đưa vào mạch đo. Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu. Ví dụ như cách thức đo nóng nghóa là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động. Ở mỗi cách thức đo sẽ có phương pháp đo riêng. 1.1.2 Đại lượng không điện Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc ). Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng những bộ chuyển đổi hoặc cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lónh vực đo lường và điều khiển tự động. 1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 1.2.1 Chức năng của thiết bò đo Hầu hết các thiết bò đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát. Kết quả này được chỉ thò hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được đo. Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo và ghi l kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ. Nói chung thiết bò đo lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt động của hệ thống tự động điều khiển, nghóa là đo lường quá trình trong công nghiệp (industrial process measurements). Đây cũng là môn học trong ngành tự động hóa. 1.2.2 Đặc tính của thiết bò đo lường Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lượng có những đặc tính riêng biệt, chúng ta có thể phân biệt hai dạng thiết bò đo phụ thuộc vào đặc tính một cách tổng quát. [...]... VỀ ĐO LƯỜNG 11 Ví dụ: Để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bò đo dòng điện thuần túy điện là micro ampe-kế hoặc mili ampe-kế Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bò đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo Sau đó mạch đo điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp Như vậy giữa thiết bò đo điện và thiết bò đo điện tử có đặc tính khác nhau Có loại thiết bò đo, ... Hình 2 .12 : Mạch đo dòng Mở rộng tầm đo cho cơ cấu từ điện Dùng điện trở shunt (H.2 .12 ) Dòng điện đo: I = Im + IS (2 .14 ) trong đó: I m - dòng điện qua cơ cấu chỉ thò I S - dòng điện đi qua điện trở shunt Điện trở shunt RS được xác đònh: RS = I max Rm I t − I max (2 .15 ) trong đó: Rm - điện trở nội của cơ cấu chỉ thò I max - dòng điện tối đa của cơ cấu chỉ thò I t - dòng điện tối đa của tầm đo Ví dụ 2 .1: ... số tầm đo: 300V×0,02 = 6V Do đó giới hạn sai số ở 12 0V: 6 /12 0 × 10 0% = 5% Ví dụ 2: vôn-kế và ampe-kế được dùng để xác đònh công suất tiêu thụ của điện trở Cả hai thiết bò này đều ở sai số tầm đo ± 1% Nếu vôn-kế được đọc ở tầm đo 15 0V có chỉ thò 80V và ampe-kế được đọc ở tầm đo 10 0mA là 80mA Giới hạn của sai số tầm đo của vôn-kế: 15 0V 1% = 1, 5V Giới hạn sai số ở trò số 80V: 1, 5/ 80 × 10 0% = 1, 86%... đo ampe-kế: 10 0 m0, 01 = 1mA Giới hạn sai số ở trò số đọc: 1/ 70 × 10 0% = 1, 43% Giới hạn sai số của công suất đo được: 1, 86% + 1, 43% = 3,29% 1. 5 NHỮNG PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ Tổng quát thiết bò đo điện tử thường được cấu tạo bằng ba phần như sau: Cảm biến Bộ chế biến tín hiệu Bộ chỉ thò kết quả KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 21 Cảm biến: Phần tử biến đổi các đại lượng đo không điện sang đại lượng điện. .. 11 7,0Ω R5 = 11 8,2Ω; R6 = 11 8,4Ω; R7 = 11 7,8Ω; R8 = 11 8 ,1 Trò trung bình của điện trở: R = R1 + R2 + + R8 = 11 7, 8 Ω 8 Độ lệch của các lần đo: d1 = 1, 6Ω; d2 = 0,4Ω; d3 = 0,7Ω; d4 = –0,8Ω d5 = 0,4Ω; d6 = 0,6Ω; d7 = 0,0Ω; d8 = 0,3Ω CHƯƠNG 1 20 Sai số ngẫu nhiên của các kết quả đo eRd = ( 1, 6)2 + + ( 0, 3)2 = 0 ,19 Ω ≈ 0,2Ω 8×7 2 3 Giới hạn của sai số ngẫu nhiên: lim( eRd ) = 0, 9Ω Như vậy kết quả đo lần... X n |10 0% Yn Yn − X n | Yn a = 10 0% – er = (10 0%) CHƯƠNG 1 14 Ví dụ: điện áp hai đầu điện trở có trò số tin cậy được là 50V Dùng vônkế đo được 49V Như vậy sai số tuyệt đối: e = 1V Sai số tương đối: er = 1V 10 0% = 2% 50V Độ chính xác: A = 1 0,02 = 0,98, a = 98% = 10 0% – 2% Tính chính xác (precision): 1 | Xn − X n Xn | X n - trò số trung bình của n lần đo Ví dụ: Xn = 97, trò số đo được X n = 10 1 ,1 trò... bò đo Tốc độ đáp ứng Độ trung thực Tính trễ Sai số động CHƯƠNG 1 16 Đáp ứng động ở bậc zero (bậc không) Một cách tổng quát tín hiệu đo và tín hiệu ra của thiết bò đo được diễn tả theo phương trình sau đây: an d n xo dt = bm + an 1 n m d xi dt m d n 1 xo dt + bm 1 n 1 + K + a1 d m 1 xi dt xo - tín hiệu ra của thiết bò đo; m 1 dxo + ao xo = dt + K + b1 dxi + bo xo dt xI - tín hiệu đo ao ÷ an -. .. tầm đo của thiết bò Do đó khi sử dụng thiết bò đo lường, chúng ta nên quan tâm đến cấp chính xác của thiết bò đo được ghi trên máy đo hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bò đo Để từ cấp chính xác này chúng ta sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo Ví dụ: Một vôn-kế có ghi cấp chính xác là 1, nghóa là giới hạn sai số của nó cho tầm đo là 1% 1. 4 CHẤT LƯNG CỦA ĐO LƯỜNG 1. 4 .1 Đặc tính của cách thức đo. .. DC) (2 .12 ) T hoặc: Tq = K q 1 i1 i 2 dt (dòng AC) T ∫ 0 Kq Vậy góc quay: θ= Hoặc: Kq 1 T θ= [ i1i 2 dt ] Kc T Kc I1I 2 ∫ 0 KC - hằng số xoắn của lò xo kiểm soát hoặc dây treo (2 .13 ) ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 35 Để cho thang đo tuyến tính theo I1, I2 thì K q /K c là hằng số Đặc điểm của cơ cấu Cơ cấu điện động có ưu điểm và khuyết điểm của cơ cấu từ điện và điện từ Thường dùng làm bộ chỉ thò cho vôn-kế hoặc... một đại lượng đo phải lớn Ý nghóa số học của n lần đo được xác đònh cho biến số x được cho bằng biểu thức: x = x1 + x2 + + xn n trong đó: x - trò trung bình; xn - trò số x lần đo thứ n; n - số lần đo Độ lệch Độ lệch lần đo thứ 1: d1 = x1 − x Độ lệch lần đo thứ 2: d2 = x2 − x Độ lệch lần đo thứ n: dn = xn − x Ví dụ: x1 = 50 ,1 ; x2 = 49,7Ω; x3 = 49,6Ω; x4 = 50,2Ω Ý nghóa số học: x = 50 ,1 + 49,7 + . Đo điện trở đất 10 5 3.8 Đo điện trở trong V.O.M. điện tử 11 1 Bài tập 11 8 Chương 4 4 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM VÀ HỖ CẢM 12 5 4 .1 Dùng Vôn-kế, Ampe-kế đo điện dung, điện cảm và hỗ cảm 12 5. hai tập: KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN gồm 10 chương. KỸ THUẬT ĐO - TẬP 2 - ĐO ĐIỆN TỬ gồm 5 chương. Trong tập 1 các chương 1, 2, 3, 4, 5, 10 , do thạc só Nguyễn. Vôn-kế điện tử đo điện áp DC 52 2.6 Vôn-kế điện tử đo điện áp AC 61 2.7 Ampe-kế điện tử đo dòng AC và DC 70 Bài tập 71 Chương 3 ĐO ĐIỆN TRỞ 82 3 .1 Đo điện trở bằng Vôn-kế và Ampe-kế 82 3.2 Đo