BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG pptx

 Ta có thể đo cường độ dòng điện bằng một trong các cách sau:  Đo trực tiếp dùng Ampe kế Ammeter hoặc so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác.. Đo cường độ dòng một chiều

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

(chương 3)

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI

Khoa Điện – Điện tử

Bộ môn Kỹ thuật điện tử

Bài giảng

Biên soạn: Ths Đỗ Việt Hà

Ths Phạm Thanh Huyền

Chương 3 Đo lường các thông số của

mạch điện

1 Khái niệm chung về các thông số

của mạch điện

 Các đại lượng điện được chia làm hai loại: loại tích cực (active) và loại thụ động (passive)

 Loại tích cực:

 Là các đại lượng điện mang năng lượng như điện áp, dòng

điện, công suất

 Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ tác động lên mạch đo và cơ cấu đo

 Loại thụ động:

 Là các đại lượng không mang năng lượng như điện trở, điện cảm, điện dung

 Khi đo các đại lượng này phải có nguồn điện áp để cung cấp

năng lượng cho chúng trong mạch đo

2 Đo cường độ dòng điện

2 Đo cường độ dòng điện

Đặc điểm, yêu cầu

 Trong các đại lượng điện, đại lượng cường độ dòng điện và

điện áp là các đại lượng cơ bản nhất

 Trong công nghiệp cũng như trong các nghiên cứu khoa học, người ta luôn quan tâm đến các phương pháp và thiết bị đo

cường độ dòng điện.

 Ta có thể đo cường độ dòng điện bằng một trong các cách sau:

 Đo trực tiếp dùng Ampe kế (Ammeter) hoặc so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác.

 Đo gián tiếp: đo điện áp rơi trên điện trở mẫu được mắc trong mạch cần đo cường độ dòng điện Thông qua tính toán , ta sẽ xác định được dòng điện cần đo (áp dụng định luật Ohm )

2 Đo cường độ dòng điện

Đặc điểm, yêu cầu

 Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp mắc nối tiếp với dòng cần đo

 Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của điện trở của

ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng là bằng 0.

 Làm việc trong một dải tần cho trước dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo

A

Sơ đồ mắc ampe kế và một số loại ampe kế

Ampe kế từ điện

Ampe kế điện từ

Đồng hồ vạn năng số

Đồng hồ vạn năng tương tự

Đo cường độ dòng một chiều bằng Ampe kế từ điện

 Ampe kế này có cấu tạo chính là cơ cấu chỉ thị từ điện cơ cấu chỉ thị từ điện :

độ lệch của kim tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua cuộn dây động.

 Dòng điện cho phép qua cơ cấu đo từ 100A đến 20mA

và điện trở của cơ cấu đo khoảng 20 đến 2000

 Để đo dòng lớn hơn mắc thêm điện trở Shunt

 Điện trở Shunt thường làm bằng manganin mắc song

song với cơ cấu đo.

 Dòng điện đi qua điện trở Shunt lớn hơn dòng điện đi qua

cơ cấu đo rất nhiều

Đo dòng một chiều bằng Ampe kế từ điện

Mở rộng thang đo dùng điện trở shunt

Hai loại điện trở shunt:

 Điện trở shunt gắn trong: được chế tạo đặt trong ampe kế đo dòng điện nhỏ (thường nhỏ hơn 30A)

 Điện trở shunt gắn ngoài : là điện trở được mắc thêm bên

ngoài ampe kế khi cần đo dòng lớn (từ vài ampe đến 10 KA).

Để có nhiều cấp đo khác nhau (nhiều thang đo), người ta có thể mắc các điện trở shunt theo kiểu song song hoặc nối tiếp

Một số loại điện trở shunt mắc ngoài

1 – 7,5A

10 – 25A 200 – 600A

Đo dòng 1 chiều bằng Ampe kế t ừ

điện

Mở rộng thang đo dùng điện trở shunt

 Điện trở shunt mắc song song

Đặt n là hệ số nhân hay hệ số mở rộng thang đo,

n được tính theo các công thức sau:

Khi đó các điện trở shunt sẽ có giá trị là:

Ví dụ:

Một cơ cấu đo có giá trị giới hạn đo là Imax = I A = 50A , điện trở nội của cơ cấu đo là Rct = 300 Tính các giá trị của điện trở shunt để có thang đo 100A , 1mA và 10mA

1 3

, 1 2

, 1

n

R R

CT S

A

S A

S A

S

I

I n

I

I n

I I

n1  1 , 2  2 , 3  3

Đo dòng 1 chiều bằng Ampe kế t ừ

Đo dòng 1 chiều bằng Ampe kế t ừ điện

Mở rộng thang đo dùng điện trở shunt

1 3

, 1 2

, 1

3 2

1 3

2 1

R

R n

R Rct R

R n

R R

Rct

S S

s S

S

 Điện trở shunt mắc nối tiếp (1)

Đặt n là hệ số nhân hay hệ số mở rộng

thang đo,

n được tính theo các công thức sau:

Khi đó các điện trở shunt sẽ có giá trị là:

S A

S

I

I n

I

I n

Đo dòng 1 chiều bằng Ampe kế t ừ

điện

Mở rộng thang đo dùng điện trở shunt

13

,12

,1

R

R n

Rct R

R n

n được tính theo các công thức sau:

Khi đó các điện trở shunt sẽ có giá trị là:

A

S A

S A

S

I

I n

I

I n

Đo cường độ dòng xoay chiều

 Dùng Ampe kế từ điện chỉnh lưu thường sử dụng để đo dòng điện xoay chiều ở tần số âm tần và có thể sử

dụng nhiều cấp thang đo khác nhau

 Dùng Ampe kế điện động, Ampe kế điện từ thường dùng

để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp

 Dùng Ampe kế nhiệt điện được dùng để đo dòng điện xoay chiều có tần số cao và siêu cao

Đo cường độ dòng xoay chiều

 Đối với cuộn dây dẹt có ampe vòng là IW = 100 ÷ 150 A.vòng

 Đối với mạch từ khép kín có ampe vòng là IW = 50 ÷ 1000

A.vòng

 Kết luận: Muốn mở rộng thang đo của ampe kế điện từ chỉ cần thay đổi sao cho IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 =

= WnIn = const

Đo cường độ dòng xoay chiều

Dùng Ampe kế điện từ

phân đoạn cuộn dây tĩnh của cơ cấu điện từ:

 Chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau, thay đổi cách nối ghép các phân đoạn (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau

 Chỉ áp dụng để chế tạo ampemét điện từ có nhiều nhất là ba thang đo,

vì khi tăng số lượng thang đo việc bố trí mạch chuyển thang đo phức tạp không thể thực hiện được

I 1

I 2 = 2I 1

I 2

Đo cường độ dòng xoay chiều

 Có hai loại sơ đồ mạch của ampemét điện động :

 Khi dòng điện cần đo nhỏ hơn hoặc bằng 0,5A: cuộn dây động và cuộn

dây tĩnh ghép nối tiếp với nhau

 Khi dòng điện cần đo lớn hơn 0,5A: cuộn dây động và cuộn dây tĩnh

ghép song song với nhau

 Cách mở rộng thang đo và chế tạo ampemét điện động nhiều thang giống như ở ampemét điện từ.

Đo cường độ dòng xoay chiều

Dùng Ampe kế điện động

 Cách sắp xếp mạch ampemét điện động:

a) Mắc nối tiếp; b) Mắc song song

A: cuộn dây tĩnh; B: cuộn dây động

Đo cường độ dòng xoay chiều

Dùng Ampe kế chỉnh lưu

 Là ampemét kết hợp cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng điốt hoặc chỉnh lưu bằng cặp nhiệt ngẫu (gọi là ampemét nhiệt điện).

 Trong các mạch chỉnh lưu này dùng điốt dòng (Si hoặc Ge) với số lượng là 1 (chỉnh lưu nửa chu kỳ), 2 hoặc 4 (cả chu kỳ).

 Để mở rộng thang đo cho ampe kế từ điện dùng điện trở shunt hoặc biến dòng.

 Ampe kế chỉnh lưu có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số.

 Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu

 Chỉnh lưu bán kỳ ( dùng 1 diode )

 Chỉnh lưu toàn kỳ ( dùng cầu diode)

Đo cường độ dòng xoay chiều

Dùng Ampe kế chỉnh lưu

m m

m m

T o

1

1

0 0

m m

T o

T

I 1 1 sin ( cos ) 0 2 0.636

0 0

Đo cường dòng xoay chiều

Dùng Ampe kế chỉnh lưu

 Mở rộng thang đo cho ampe kế từ

điện dùng điện trở shunt

 Mở rộng thang đo dùng biến dòng

(CT)

 Cuộn sơ cấp của biến dòng

thường có số vòng rất ít (W 1 = 1)

nên: I 2 = I 1 /W 2

 Dòng qua Ampe kế nhỏ hơn rất

nhiều so với dòng tải.

 Khi có dòng điện xoay chiều IX

chạy qua điện trở nhiệt làm điện

trở này bị đốt nóng lên Độ gia

tăng nhiệt độ được tính bằng:

 k0 là hằng số, phụ thuộc vào vật

liệu làm dây dẫn

 Nhiệt độ này làm nóng đầu công

tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do

của nó sẽ xuất hiện sức điện động

• Suất điện động Et được đặt lên cơ cấu

từ điện này sinh ra dòng điện qua cơ cấu làm kim chỉ lệch một góc α

I : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị

Rn: điện trở cặp nhiệt ngẫu

Rct : điện trở của cơ cấu chỉ thị.

2 2

0 1

1 x x

t k k k I k I

E    

2 0

0 k I x T

T  





n ct

t

R R

E K

3 Đo điện áp

 Cơ sở chung

 Các dụng cụ tương tự đo điện áp.

 Vôn kế một chiều

 Vôn kế xoay chiều

 Vôn kế từ điện chỉnh lưu

 Vôn kế điện từ

 Vôn kế điện động

 Các dụng cụ đo điện áp chỉ thị số.

 Vônmét số chuyển đổi thời gian

 Vônmét số chuyển đổi tần số

 Vônmét số chuyển đổi trực tiếp (chuyển đổi bù)

 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh.

Đo điện ỏp

Cơ sở chung

 Dụng cụ dùng để đo điện áp

gọi l Vôn kế hay Vôn met à Vôn kế hay Vôn met

(Voltmeter).

 Khi đo điện áp, Vôn kế luôn

đ ợc mắc song song với ược mắc song song với

đoạn mạch cần đo.

 Cỏc sai số sinh ra trong

quỏ trỡnh đo gồm:

 Sai số do ảnh hưởng của

vụnmột khi mắc vào mạch

đo.

 Sai số do tần số.

Đo điện áp

Cơ sở chung

 Khi chưa mắc volt kế vào mạch (K hở )

 Khi mắc volt kế vào mạch (K đóng )

 Nếu I = Itải thì phép đo chính xác nhất khi:

 Công suất tiêu hao trên volt kế:

tai

R I

U 

)1

(

V

tai tai

tai V

tai tai V

V

R

R I

I I

I

R I

R I U

V

V

R

U P

2



Các dụng cụ tương tự đo điện áp

Vônmét từ điện đo điện áp một chiều

 Các cơ cấu đo từ điện, điện từ,

điện động đều hoạt động được với

dòng điện một chiều nên được

dùng để chế tạo volt kế một chiều.

 Cơ cấu đo kiểu từ điện được sử

 Khi đo điện áp lớn hơn giá trị

định mức, ta phải mắc thêm điện

trở phụ nối tiếp với cơ cấu đo

 Kv là hệ thống mở rộng thang đo

Vônmét điện tử

 Voltmeter điện tử có thể lắp theo các kiểu mạch khuếch đại khác nhau, chẳng hạn như mạch khuếch đại bằng transistor đơn hay mạch khuếch đại cân bằng, hoặc bằng op - amp

 Mục đích cơ bản của việc sử dụng mạch khuếch đại dc là để có hệ số khuếch đại và

điện trở vào cao (tức là có thể đo được các tín hiệu yếu), và để cách ly đồng hồ đo với mạch vào của thiết bị đo (tức là có thể sử dụng đồng hồ chắc chắn hơn và độ nhạy kém hơn)

Đo điện áp xoay chiều

Vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều

 Đo điện áp xoay chiều bằng cách

phối hợp mạch chỉnh lưu với cơ

cấu từ điện

 Sơ đồ milivônmét chỉnh lưu:

trong đó RP vừa để mở rộng giới

hạn đo vừa để bù nhiệt độ, tụ điện

Mạch chỉnh lưu bán kỳ: Hình bên là dạng điện áp

đầu vào Ui = V m sin(t) và đầu ra của mạch chỉnh

lưu bán kỳ (dòng điện vào chạy trong cả chu kỳ

nhưng dòng điện ra chỉ chạy trong nửa chu kỳ)

L

dc dc

R

V

I 

•Điện áp trung bình đầu ra:

•Dòng điện trung bình đầu ra:

m m

m

m

T o dc

V V

V

d V

dt

V T V

318.0)

cos

(2

sin2

11

0

0 0

Ví dụ mạch chỉnh lưu bán kỳ như hình dưới

Giả sử sụt áp trên diode là 0,7V thì điện áp

đỉnh Vm được tính bằng:

V V

V

V d

V dt

V T V

m

m m

m

T o dc

67 , 9 318

0

) cos

( 2

sin 2

1

1

0 0

V I

9







•Điện áp trung bình đầu ra:

•Dòng điện trung bình đầu ra:

V

10

2

220







Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ sử dụng 2 diode

Diode D1 dẫn trong một bán kỳ còn bán kỳ kia D2 dẫn, vì vậy luôn có dòng qua tải.

Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ sử dụng cầu diode

Diode D1, D3 dẫn trong một bán kỳ còn

bán kỳ kia D2, D4 dẫn, vì vậy luôn có dòng qua tải.

V

I 

•Dòng điện trung bình đầu ra:

•Điện áp trung bình đầu ra:

m m

m

m

T o dc

V V

V

d V

dt

V T V

636,0

2)

cos(

sin1

1

0

0 0

Vônmét từ điện đo điện áp xoay chiều

Đo điện áp xoay chiều

Vônmét điện từ đo điện áp xoay chiều

 Vônmét điện từ ứng dụng cơ cấu

chỉ thị điện từ để đo điện áp

 Thường được dùng để đo điện áp

xoay chiều ở tần số công nghiệp

 Vì yêu cầu điện trở trong của

vônmét lớn nên dòng điện chạy

trong cuộn dây nhỏ, số lượng

vòng dây quấn trên cuộn tĩnh rất

lớn, cỡ 1000 đến 6000 vòng

 Để mở rộng và tạo ra vônmét

nhiều thang đo thường mắc nối

tiếp với cuộn dây các điện trở phụ

giống như trong vônmét từ điện

 Để khắc phục sai số tần số mắc

các tụ điện song song với các điện

trở phụ

 Vônmét điện động có cấu tạo phần động giống như trong ampemét điện động,

 Số lượng vòng dây ở phần tĩnh nhiều hơn so với phần tĩnh của

ampemét và tiết diện dây phần tĩnh nhỏ vì vônmét yêu cầu điện trở trong lớn.

 Phương trình đặc tính thang đo

 ZV : tổng trở toàn mạch của vônmét

 Tạo vônmét điện động nhiều thang đo bằng cách thay đổi cách mắc song song hoặc nối tiếp hai đoạn cuộn dây tĩnh và nối tiếp các điện trở phụ.

Đo điện áp xoay chiều

Vônmét điện động đo điện áp xoay chiều

Đo điện áp xoay chiều

Vônmét điện động đo điện áp xoay chiều

 Sơ đồ vônmét điện động có hai thang

đo

 A1, A2 là hai phần của cuộn dây tĩnh

 B cuộn dây động

 Cuộn dây tĩnh và động luôn luôn nối

tiếp với nhau và nối tiếp với các điện

trở phụ RP

 Khóa K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn đo:

 Khóa K ở vị trí 1: hai phân đoạn A1,

A2 của cuộn dây tĩnh mắc song song nhau tương ứng với giới hạn đo 150V.

 Khóa K ở vị trí 2: hai phân đoạn A1,

A2 của cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp nhau tương ứng với giới hạn đo 300V.

 Các tụ điện C tạo mạch bù tần số cho vônmét

Các dụng cụ đo điện áp chỉ thị số

 Vônmét số chuyển đổi thời gian

 Vônmét số chuyển đổi tần số

 Vônmét số chuyển đổi trực tiếp

(chuyển đổi bù)

Vônmét số chuyển đổi thời gian

 Biến đổi sơ bộ điện áp cần đo (U x ) thành khoảng thời gian (t) sau đó lấp đầy

khoảng thời gian t bằng các xung mang tần số chuẩn (f 0 ); dùng bộ đếm để đếm số lượng xung (N) tỉ lệ với U x để suy ra U x

Vônmét số chuyển đổi thời gian

Hoạt động:

 Khi mở máy (Start) xung khởi động tác động lên

Trigo để mở khoá K và khởi động MFRC làm việc.

 Tại thời điểm t 1 , K mở thông để đưa xung tần số

chuẩn từ MFX tới bộ đếm và chỉ thị số Đồng thời,

MFRC đưa điện áp mẫu Uk đến bộ so sánh để so sánh

với điện áp cần đo.

 Tới thời điểm t2 khi Ux = Uk, mạch so sánh đưa xung

Stop tới trigo, trigo chuyển trạng thái làm đóng khoá

K.

 Trong suốt thời gian khoá K mở (từ t1 đến t2) bộ đếm

đếm được N xung

 f0 = 1 / T0 tần số của xung chuẩn

 tx = t2 - t1 thời gian đóng mở của khoá K

 tm: thời gian lớn nhất để Uk = Um

 Um: điện áp lớn nhất của xung do MFRC phát ra

 Ux tỉ lệ với số xung đếm được (C là hằng số)

tx f N T

t t

Um

N tm

Um tx Ux Um

Ux tm

tx

.

.

 Điện áp cần đo được biến đổi sang

tần số theo quan hệ bậc nhất

 Sau đó đo trị trung bình của tần số

trong một khoảng thời gian xác định

 Bộ biến đổi điện áp sang tần số (V/F):

Điện áp cần đo được biến đổi thành

một dãy xung có chu kỳ lặp lại tỉ lệ

với điện áp đo.

 Xung đi vào bộ đếm được điều khiển

bởi sự đóng mở của cửa chọn xung

AND.

 Hết thời gian mở cửa, bộ điều khiển

phát xung xóa kết quả ở bộ đếm, và

bộ đếm lại chuẩn bị chu kỳ mới.

Vônmét số chuyển đổi tần số

 Số đếm được đưa qua mạch chốt sau

đó đưa qua mạch giải mã và chỉ thị.

Vônmét số chuyển đổi trực tiếp

kỳ Trong mỗi chu kỳ biến thiên của Uk ta lấy số đo một lần tức là tại thời điểm Ux ≈ Uk ta đọc kết quả của phép đo.

 Vônmét số bù tùy động : đại lượng bù Uk thay đổi luôn bám theo sự biến thiên của đại lượng cần đo Ux

Vônmét số sử dụng ADC

Tín hiệu vào qua mạch suy giảm để chọn thang đo;

Sau đó tín hiệu vào sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số bởi bộ biến đổi tương tự - số (ADC) Ở dạng cơ bản nhất, ADC sẽ so sánh tín hiệu vào với điện áp mẫu.

Khi điện áp vào lớn hơn so với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ cho mức logic 1, giữ cho cổng AND mở và các xung nhịp sẽ truyền qua cổng AND Bộ đếm sẽ đếm các xung nhịp đó

Khi điện áp vào bằng với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ cho mức logic 0, cổng AND sẽ đóng và dừng việc đếm

Mức ra của bộ đếm sẽ được chốt và các LED hay tinh thể lỏng sẽ hiển thị giá trị đo

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh.

Cơ sở của phương pháp so

sánh

 So sánh điện áp cần đo với điện

áp rơi trên điện trở mẫu

 Nếu ΔU ≠ 0: điều chỉnh con trượt U ≠ 0: điều chỉnh con trượt

D của điện trở mẫu Rk cho đến

khi ΔU ≠ 0: điều chỉnh con trượt U = 0

 Khi ΔU ≠ 0: điều chỉnh con trượt U = 0: đọc kết quả trên điện

trở mẫu Rk đã được khắc độ theo

thứ nguyên điện áp, từ đó suy ra

điện áp cần đo UX = Uk

 Có nhiều loại dụng cụ bù điện áp

khác nhau, nhưng nguyên lý

chung giống nhau, chỉ khác nhau

ở cách tạo điện áp mẫu Uk

 Nguyên lý cơ bản của phương pháp

 Uk: là điện áp mẫu chính xác cao

 CT: là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp ΔU ≠ 0: điều chỉnh con trượt U =UX ưUK