rể” TỦ SÁCH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS NGUYÊN TÂN PHƯỚC
PO LUONGE BIEN VA BIEN TU SD s 20i8aseEoooee ie
Trang 2TỦ SÁCH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
TS NGUYÊN TẤN PHƯỚC
ĐO LƯỜNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ
Trang 3TỦ SÁCH KỸ THUẬT ĐIỆN ~ ĐIỆN TỬ
TS NGUYEN TAN PHUGC
ĐO LƯỜNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ
Chịu trách nhiệm xuất bản: HỒNG CHÍ DŨNG
Biêntập: — HỒNG NAM
Trình bày: NGUYEN PHUGC TUGNG VAN
Bia: NGUYEN TAN PHUGC
NHA XUAT BAN HONG DUC
111 Lê Thánh Tơn - Q.1 - TP.HCM DT: 08.8244534
wwwww
Thực hiện liên doanh: NGUYÊN TẤN PHƯỚC In lân thứ:01 Số lượng: 1000 cuốn, Khổ: 16x24em Tại nhà in: Xí nghiệp in Khuyến Học Phía Nam
GPXB số: 772 - 2007 / CXB / 14-12 / HĐ ngày 10 -10 -2007
Trang 4LOI NOI DAU
Đo lường điện là một trong những mơn học kỹ thuật cơ sở
cla các ngành thuộc lĩnh vực Điện ~ Điện tử
Trước đây, mơn Do lường điện thường chia ra 3 phần:
- Đo lường điện - Bo lying điện tử
- — Đo lường các đại lượng khơng điện
Hiện nay, do khối lượng kiến thức các mơn chuyên ngành
ngày càng nhiều, quỹ thời gian dành cho các mơn kỹ thuật cơ sổ bị
giảm; sự phát triển nhanh của linh kiện cắm biến; đồng thời, các
ngành đào tạo thuộc lĩnh vực Điện ~ Điện tử đều cĩ nhu cầu hiểu biết gần giống nhau; mơn Đo lường điện được chia lại thành 2 phần:
- Đo lường Điện và Điện tử
- Cam biến - Đo lường và điều khiển (thay cho mơn Đo
lường các đại lượng khơng điện)
Để đáp ứng yêu cầu học tập theo phương pháp mới, giảng
viên đạy khơng đọc chép, học sinh / sinh viên phải cĩ giáo trình thích hợp với điều kiện hiện nay; hai giáo trình trên được biên soạn
cĩ tính thực tế, chọn lọc nội dung thích hợp, giảm bớt phần lý luận tính tốn khơng cần thiết Hy vọng giáo trình này sẽ được độc giả
đĩn nhận như các giáo trình đã phát hành trong bộ giáo trình Kỹ thuật Điện ~ Điện tử do chúng tơi chủ trương
Tuy đã rất cố gắng, nhưng do hạn chế về tài liệu tham khảo và thời gian nghiên cứu, giáo trình này chắc chắn cịn nhiều khiếm khuyết Rất mong nhận được sự đĩng gĩp ý kiến của bạn đọc để sách được hồn thiện hơn trong lần tái bản sau
Trang 5ĐO LƯỜNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ
Mục lục
Lời nĩi đầu Mục lục
Chương I: Khái niệm cơ bản về đo lường điện |.]- Đại cương
1.2- Thiết bị đo — Chức năng - Đặc tính
}.3- Sai 96 và cấp chính xác của thiết bị đo
I.4- Các hệ đơn vị đo lường
Chương 2: Các loại điện kế chỉ thị kim 2.]- Đại cương
2.2- Điện kế từ điện 2.3- Điện kế điện từ
2.4- Điện kế điện động
Chương 3: Đo dịng điện và điện ap DC 3.1- Đại cương
3.2- Đo dịng điện DC 3.3- Đo điện áp DC
3.4- Nội trở của Ampere kế và Volt kế
Chương 4: Đo dịng điện và điện áp AC 4.1- Đại cương
4.2- Đo điện áp AC 4.3- Đo dịng điện AC
Trang 6Do lường điện và điền tử Nguyễn Tấn Phước
Chương 5: Ðo cơng suất và điện nặng 49
Š.1- Đo cơng suất dịng điện ĐC
5.2- Ðư cơng xuất dịng điện AC
5.3- Do dién nang
Chương 6: Volt kế và Ampere kế diện tử 58
6.1- Volt kế DC điện tử 6.2- Volt ké AC điện tử
6.3- Ampere ké DC va AC dién (tr
6.4- Mach khuéch daa dién tích
Chuong 7: Do dién trở 69
7.1- Đại cương
7.3- Ðo điện trở bang volt ke và ampere kế 7.3- Đo điện trở bằng cầu Wheastone
7-1- Ohm kế 7.5- Megohim Kế
Chương &: Ðo điện trớ nối đất 82
R.1- Đại cương
8.2- Phương pháp đo trực tiếp
Đ.3- Máy đo tiếp đất điện tử
Chương 9: Ðo điện dụng và điện cảm 86 9.1- Đại cương
Y.2- Do C va L bang volt ké va ampere ké 9,3- Đo C va L bang volt ke AC
Chương 10: Máy phát sĩng 93 10.1- Đại cương
10.2- Vấn đề đo biên độ của âm tần
10.3- Máy phát sĩng sín tần số thấp
10.4- May phat song tao ham vudng va tam pide
Trang 7Đo lường diện và điện tử
Chương 11: Máy dao động ký 11,1- Đại cường
11.2- Sơ đồ khối của đao động ký
11.3- Den CRT
11.4- Mạch khuếch đại tín hiệu lệch dọc
LI.5- Tín hiệu quét ngang 11.6- Dao động ký 2 tia
11.7- Sử dụng dao động ký
11.8- Ứng dụng của dao động ký Tài liệu tham khảo
6
Nguyễn Tấn Phước
114
Trang 8CHUGNG 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
§1.1- ĐẠI CƯƠNG 1- Các định nghĩa
a) Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo để cĩ được kết quả bằng số đo với đơn vị đo
b) Do iường học: là ngành kỹ thuật chuyên mơn nghiên cứu
những phương pháp và thiết bị để đo các đại lượng về lý hố sinh „, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo
¢) Kỹ thuật đo lường: là ngành kỹ thuật chuyên mơn nghiên cứu
để áp dụng thành quả của đo lường học vào phục vụ sẵn xuất và đời sống
Kỹ thuật đo lường điện và đo lường điện tử là 2 ngành phát
triển nhanh va được sử dụng nhiều nhất nhờ các ưu điểm: chính xác, nhanh chĩng, đễ sử dụng và cĩ khá năng đo được hầu hết các đại lượng cĩ trong sản xuất và sinh hoạt
2- Đại lượng đo lường
Dựa vào tính chất cơ bản của đại lượng đo, chia ra:
- Đại lượng điện
- Đại lượng khơng điện (như đại lượng cơ, nhiệt, hố, sinh .)
a) Đại lượng điện cịn được chia ra 2 loại là đại lượng điện
thụ động và đại lượng điện tác động
- Đại lượng điện thụ động như: điện trở, điện dung, điện
cảm Khi đo các đại lượng này, thiết bị đo phải cung cấp điện áp
Trang 9Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
- Đại lượng điện tác động như: điện áp, dịng điện cơng suất điện năng, tần số
b) Đại lượng khơng điện cĩ rất nhiều trong đời sống như: nhiệt độ ánh sáng, áp suất, từ trường, lực tốc độ, vị trí, khoảng
cách độ ẩm
Để cĩ thể đo được các đại lượng khơng điện bằng thiết bị đo điện hay điện tử phải dùng các bộ cẩm biến (sensor) chuyển những
đại lượng trên thành tín hiệu điện trước khí đưa vào thiết bị đo
§1.2- THIẾT BỊ ĐO - CHỨC NĂNG ~ ĐẶC TÍNH 1- Thiết bị đo
Là thiết bị kỹ thuật dùng để biến đối tín hiệu đo thành số đo
tiện lợi cho người sử dụng
2- Chức năng của thiết bị đo
Thiết bị đo cĩ chức năng cung cấp kết quả do đại lượng đang
khảo sát hay dùng kết quả đo để điều khiển lại quá trình tạo ra đại
lượng cần đo
Thí dụ: máy đo điện áp sẽ chỉ thì piá trị điện áp đo được trên bảng đo; mạch đo của bộ ổn định điện áp sẽ lấy giá trị điện áp đo
được ở ngõ ra điều chỉnh lại mạch cung cấp để cho ra điện áp ổn
định
3-_ Đặc tính của thiết bị đo
Tuy thudc cách thức đo, cấu tao hay cách chỉ thị kết quả do
người ta phân biệt các loại thiết bị đo theo đặc tính như sau: - Thiết bị đo điện và thiết bị đo điện tứ
- Thiết bị đo tương tự và thiết bị đo chỉ thị số
Trang 10Chương | Khái niềm cơ bấn về do lường điện
§1,3- SAI SỐ VÀ CẤP CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ ĐO
1- Sai số trong đo lường
Mỗi thiết bị do đều cĩ cấp chính xác riêng, ngồi ra khi đo
cịn nhiều yếu tố ánh hưởng đến kết quả đo gây ra sai số (như: cách
đĩ, cách đọc, nhiệt độ mơi trường, điều kiện khi đĩ ) Trong do
lường người ta chia ra các loại sai số là:
a) Sai số tuyệt đốt: tính theo cơng thức (error: sai số, sai biệt) e, = AX =Xy- Xp (a: absolute - tuyệt đối) trong đĩ; Xo là giá trì tin cây được giá trị chuẩn |
Xụ giá trị đo được
b) Sai so name đối: tính theo tỉ lệ
=.=— | 100% (r: relative - tương đối) Ă©) Độ chính vác tương đối:
” yr 4
Ny NX,
A=l- tính theo %: — a= 1002 -e,
“0
Thí dụ: một điện trở mẫu trị số 100, dùng ohm kế đo được 99) Ta cĩ sai số tuyệt đối là: e„ = 100 —- 99 = 10
)—099 Sai số tương đổi là: e, hy ———
100% = 1% | Cc Độ chính xác là: 4= -m minh = 0,99 Hay: a = 100% - 1% =99% 2- Cấp chính xác
Khi sử dụng thiết bị đo, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của mục đích
Trang 11Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
khi sản xuất sẽ được thiết kế và chế tạo theo một tiêu chuẩn nhất định để xác định cấp chính xác Từ cấp chính xác này ta cĩ thể tính được sai số của kết quả đo
Thí dụ: máy đo cấp chính xác I cĩ giới hạn sai số của thang là 1% Cấp chính xác của thiết bị đo là giá trị sai số cực đại mà thiết bị đo mắc phải Qui định cấp chính xác của thiết bị đo chính là sai số tương đối qui đổi của thiết bị đĩ và được qui định cụ thể là:
AX
y4 = ——"100% X
mn
Trong đĩ: AX„: sai số tuyệt đối cực đại Xw pid tri cue dai cla thang do
Thí dụ: một volt kế cĩ cấp chính xác +2% Ở thang đo 500V, tính giới hạn sau] số khi đo điện áp 200V
Ta cĩ: y% = 2%, Xu= 500V
= 2%.500 0 100%
‘= I0V
] Suy ra: AX, = y~%X y ar É⁄ 9 mn 100
Khi đo điện áp 200V cĩ giới hạn sai số là:
¿,= 10 00% = 5%
200
§1.4- CAC HE DON VI DO LUGNG
Trước năm 1960, cĩ nhiều hệ đại lượng là:
1) Hệ khối hiợng các đại lượng LMT (L: length - chiều đài M: mass - khối lượng và T: me - thời gian)
Trong hệ LMT, cĩ hai hệ đo lường:
- Hệ đơn vị CGS dựa trên các đơn vị: centimet, gram va giây - Hệ đơn vị MKS dựa trên các đơn vi: met, kilogram va gidy
Trang 12Chương ] Khái niệm cơ bán về đo lường điện 2) Hệ kỹ thuật các đại lượng LFT (L: length - chiéu dai, F:
force - lic va T: ame - thor gian)
Trong hệ LFT cĩ hệ đo lường MEGS dựa trên các đơn VỊ:
met, kilogram, lực và giây
Trong quá trình phát triển của khoa học và kỹ thuật, mội số
đơn vị khác đã được bổ sung vào Trong lĩnh vực nhiệt học cĩ thêm đơn vị nhiệt độ Cclcius nên cho thêm hệ đơn vị mới là: CGSC, MKSC và MKGSC Trong lĩnh vực điện và từ học cĩ thêm đơn vị
dịng điện (ampere) và từ trường (magnectism) nên cho thêm hệ đơn vị mới là: MKSA và CGSM
3) Hệ Don vị Do lường Quốc tế SĨ:
Năm 1960, Hệ Đơn vị Đo lường Quốc tế viết tắt là SI (System
International d’Unités) ra đời để thống nhất các hệ đơn vị cũ
Theo hệ này cĩ bảy đơn vị đo cơ ban 1a: met, kilogram, gidy, ampere, Kelvin, mol và candela ứng với bảy đại lượng vật lý cơ bản
là: chiều dài, khối lượng, thời gian, dịng điện, nhiệt độ nhiệt động
học, lượng chất và cường độ sáng
Ngồi ra, hệ cịn thêm hai đơn vị đo bổ sung là radian và
steradian để đo gĩc phẳng và gĩc khối (gĩc đặc)
Ngồi các đơn vị đo cơ bản trên, mỗi lĩnh vực khoa học, kỹ
thuật đều cĩ một số đơn vị bổ sung gọi là đơn vị dẫn xuất
Bảng sau giới thiệu các đơn vị cơ bắn và các đơn vị dẫn xuất
trong hệ ST
Các đại lượng Đơn vị đo Ký hiệu
1- Các đại lượng cơ bản
Độ dài (]) met m
Khối lượng (m) kilogram kg
Thời gian () giây S
Trang 13{3o lường diện và điện Lử Nguyễn Tấn Phước
| Dong dién (1) ampere A |
Nhiệt độ (19) Kelvin K '
Số lượng vật chất (n) mol Mol
— Cường độ ánh sáng (I) candela Cd
, 2- Cac dai lượng cơ học
Tốc độ (v hay n) | met/pidy | HS
Gia tốc (a) met/giây bình phương | m/s" Nẵng lượng và Cơng (W) Joule 3
Lue (F) Newton N
Cơng suất (P) Watt W
Nang lượng (A) Watrgiây Ws
| 3- Các đại lượng điện học
Điện lượng (Q) Coulomb C
Điện áp, Sức điện động (U) Volt Vv
Cường độ diện trường (E) Volt/met Vim
1 Điện dụng (C) Farad F
Điện trở (R) Ohm Q
Điện trở suất (p) Ohm-met Om
¡ Hằng số điện mơi tuyệt đối (e) Farad/met F/m
4- Các đại lượng từ học
Từ thơng (4) | Weber Wh Cầm ứng từ (B) Tesla hay Webecr/m T Cường đơ từ trường (JH) Ampecre/met A/m
Dién cam (1) Henri H
Hệ số từ thẩm (41) Henri/inet - H/o 5- Cac dai lugng quang hoc
Ludng doh sdng-quang thong F Lumen im
Độ trưng — Độ chĩi (R) Candela/met vuơng Cdn"
Trang 14Chương I Khát niệm cơ hán cễ đo lường điện
Câu hoi chương |
1- Phần biệt độ chính vác và cấp chính xác?
2- Phân biệt sài số tượng đối và độ chính xác tưởng đối?
3= Một vưlt kế cĩ cấp chính xác + 1%, Ở thang đo 100V, tính
giới hạn sat số khi đo điện vip 20V và khi đồ điển áp 5V,
4- Cho nhận xét về giới hạn sai số Khi đo để cĩ cách chọn
tháng đo thích hợp nhất khí đo
Trang 15CHUONG 2
CÁC LOẠI ĐIỆN KẾ CHỈ THỊ KIM
§2.1- DAI CUONG
Điện kế (galvanometer) là dụng cụ đo cường độ dịng điện và là bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị đo điện
Điện kế chỉ thị kim, cịn được gọi là cơ cấu đo chỉ thị kim, được chia ra nhiều loại theo cấu tạo như sau:
- - Điện kế từ điện
- - Điện kế điện từ
- _ Điện kế điện động
Cả ba loại điện kế này hiện nay đều cịn được sử dụng làm cơ cấu chỉ thị trong các loại thiết bị đo điện, nhưng điện kế từ điện là loại thơng dụng nhất
§2.2- ĐIỆN KẾ TỪ ĐIỆN
Điện kế từ điện cĩ ký hiệu ghi trên mặt thiết bị đo là: `
1- Cấu tạo: gồm các chi tiết
- Nam châm vĩnh cữu: cĩ dạng hình mĩng ngựa để tạo ra từ
trường đều giữa khe hở, từ trường đi theo chiều vào cực Nam và ra ở cực Bắc, Giữa khe hở cĩ đặt một khung quay
- Khung quay: khung bằng nhơm hình chữ nhật, trên khung
cĩ quấn dây điện từ (loại dây đồng cĩ tráng lớp sơn cách điện) tiết diện rất nhỏ Khung quay cĩ khối lượng càng nhẹ càng tốt để
tránh gây ra sai số do quán tính lớn Khung quay được đặc trên
trục quay hay được treo bởi dây treo Giữa khung quay cĩ lõi sắt
non hình trụ
Trang 16Chương 2 Các loại điện kế chỉ thị kim
- Kim chỉ thị: bằng nhơm mỏng, nhỏ và nhẹ Kim được gắn
cố định trên trục quay hoặc đây treo, phía sau kim cĩ gắn đối trọng để trọng tâm của kim nằm trên trục quay, tránh kim bi lệch theo phương ngang, khi quay sẽ cọ vào các chỉ tiết khác
- Lị xo cần (cân bằng): cịn gọi là lị xo kiểm sốt, cĩ nhiệm vụ g1ữ cho kim thăng bằng khi cĩ lực điện từ làm quay kim và
kéo kim trở về vị trí ban đầu khi mất lực điện từ
Kim chỉ số LồxoS —” Cuộn dầy L
Cực nam châm Nam châm M
Hình 2.1: Cấu tạo của điện kế từ điện
2- Nguyên lý:
Bình thường, cuộn day nam trong khe hở của nam châm nên
nhận được từ trường đều
Khi cho dịng điện vào cuộn dây, dịng điện qua cuộn dây sẽ sinh ra từ trường tác dụng lên từ trường của nam châm tạo thành lực điện từ lầm cuộn dây (và khung quay) quay trong khe hở của
nam châm sẽ làm kim chỉ thị quay theo Chiều cúa lực điện từ
được xác định theo qui tắc bàn tay trái
Nhỡ cĩ lị xo cần nên kim sẽ được giữ ở một vị trí thăng bằng
ứng với lực điện từ do dịng điện cho vào cuộn dây tạo nên Khi
mất dịng điện vào cuộn dây thì lị xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu
Trang 17Ðu lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
[uức điện từ do dịng điện sinh ra được tính theo cơng thức:
F=N.8.L1 (N)
trong đĩ: N- số vịng đầy quấn trên cuộn dây
B- cường đệ từ cảm của nam châm qua cuộn dây,
thường từ Ø.1 đến 0.3 Tesfa
l- cường độ dịng điện cho vào cuộn đây
[- chiều đài của cuộn dây
Lực điện từ làm khung quay voi momen quay la:
T,=FWEzENBIIW (Num) (T: torque)
Ty = k,.1 (với kạ=N.B.LW)
Đồng thời khi khung đây quay sẽ làm lị xo cán bị xoấn nên JO Xo sinh ra momen can:
T =k .0
trong đĩ: W- bề cao của khung quay
ke: hing số xoấn của lồ xo
Ơ: gĩc quay của khung hay kim chi thi
Kim chỉ thị sẽ cần bằng (đứng yên) ở gĩc quay Ø sao cho: Ty = Te = ky =k, 0
k Suy ra: 0= 1 = kỉ
Như vậy: gĩc quay Ø của kim tỉ lệ tuyến tính với dịng điện Ï
Nhận xét:
- khi đối chiều dịng điện cho vào cuộn đây sẽ làm kìm chỉ thị đổi chiều quay (theo qui tắc bàn tay trái)
- _ điện kế từ điện chỉ dùng để đo cường độ dịng điện DC
- — đo gĩc quay ứ lệ tuyến tính với dịng điện cần đo nên mặt chỉ thị kết quả đo sẽ được chia các vạch đều nhau
Trang 18Chương 2 Các loại điện kế chỉ thị kim
3- Đặc tính kỹ thuật của điện kế từ điện:
Các thơng số kỹ thuật tiêu biểu của điện kế từ điện là: a4) Dịng điện quay hết khung: tes (Full Seale)
Đây là trị số dịng điện khi cho vào cuộn đây sẽ làm khung
day va kim quay đến vị trí tối đa trên mặt hiển thị Gĩc quay tối đa của điện kế từ điện thường từ 90” đến 1002
Hiện cĩ các trị số dịng Irs theo tiêu chuẩn là: 50A, 100I1A
500k\A, ImA
b) Điện trở một chiếu của cuộn day: Rg
Cuộn dây quấn trên khung quay cĩ tiết diện nhỏ nên cĩ điện trở một chiều khá lớn Điện kế cĩ Irs càng nhỏ thì khung quay cĩ
điện trở một chiều càng lớn
Trị số điện trở của cuộn dây ứng với các dịng điện tiêu
chuẩn lgs như trên 1a: 2kQ - 1,5kQ - 600Q, 3000
c) Dién dp quay hét khung: Ves
Khi cho dong điện cĩ trị số I¿s vào cuộn để cuộn dây quay hết khung thì điện áp cĩ trên cuộn dây gọi là điện áp quay hết khung và tính theo cơng thức:
Vựs= Irs Rư
Thí dụ: - điện kế cĩ l¿s = SOMA, Rg = 2kQ thì cĩ:
Ves = 50.10 2.10°=0,1V
- điện kế cĩ Irs = 100A, Rg = 1,5KQ thì cĩ:
Ves= 100.10° 1500 = 0,15V
Trang 19Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
4- Đặc điểm của điện kế từ điện
a) Ưu điểm:
- nam châm vĩnh cữu cĩ từ trường mạnh nên ít bị ảnh hưởng bởi từ trường nhiều bên ngồi
- _ cơng suất tiêu thụ của điện kế nhỏ
- _ độ chính xác cao đến cấp chính xác là 0,5 (sai số 5%}
- g6c quay tuyến tính theo dịng điện nên thang đo cĩ khoảng chia độ đều
b) Nhược điểm:
chí đo được dịng điện một chiều, nếu muốn đo dịng điện xoay chiều thì phải dùng mạch nắn điện
- cudn đây cĩ tiết điện nhỏ nên dịng Igs cũng rất nhỏ, điện
kế khơng thể đo được địng điện cĩ trị số lớn, muốn đo
dịng điện trị số lớn hơn Ips thì phải cĩ biện pháp mở rộng
thang đo
§2.3- ĐIỆN KẾ ĐIỆN TỪ
Điện kế điện từ được phân thành 2 loại: cuộn dây dẹt và
cuộn dây trịn, cịn gọi là loại lực hút và loại lực đẩy Điện kế điện
từ cĩ ký hiệu phi trên mặt thiết bị đo là: I- Cấu tạo
d) Loại cuộn dây đẹt (loại lực húU gồm 2 phần:
- Phần tĩnh là cuộn dây phẳng 1, bên trong cĩ khe hở khơng khí
- Phần động là lõi thép 2 được gắn trên trục 5, lõi thép cĩ thể quay tự do trong khe hở khơng khí Kim chỉ thị 6 được gắn dính
với trục quay 5 sé chi thi kết quả trên thang đo 8
Trang 20Chương 2 Các loại điện kế chỉ thị kim | A2 ban dea <C— Nam chủ = Miệng sút vị đơng the hú True quay
Hình 2.2: Cấu tạo của điện kế điện từ loại lực hút
b) Loại cuộn đây trịn (loại lực đẩy) gồm 2 phần:
- phần tĩnh là cuộn dây cĩ mạch từ khép kín 1, bên trong cĩ
tấm kim loại cố định 2
- phần động là tấm kim loại động 3 gắn với trục quay 4, gắn ở mặt trong của cuộn dây Trên trục quay cĩ gắn kim chỉ thị để
cho kết quả đo được trên thang đo
oe — Z oS Thang ma
Muse ve
Hình 2.3: Cấu tạo của điện kế điện từ loại lực đẩy
Trang 21Đo tường điện và điện tử Nưuyễn Tấn Phước 2- Nguyên lý
- Loại cuộn đây det: khi cho dong điện cần đo vào cuộn dây sẽ tạo thành một nam châm điện hút lõi 2 vào khe hở khơng khí tao ra momen quay “Tụ Khi lõi 2 bị hút vào sẽ làm trục 5 xoay va kim chí thị gấn trên trục quay theo Lị xo cần sẽ giữ cho kim ở vị trí cân bằng ứng với trị số dịng điện cho vào cuộn dây Khi đo dịng điện, cĩ lực hút lõi thép vào bên trong khc hở của cuộn dây
nên loại này cịn được gọi là /oa? chiên từ cĩ lực lun
- hoại cuộn dây trịn: khi cho dịng điện vào cuộn đây sẽ tạo
ra từ trường và từ hố các tâm kim loại tĩnh và động tạo thành
nam châm Nam châm của tấm kim loại tĩnh và động sẽ đẩy nhau
làm tâm kim loại động bị xoay, trục guay 4 xoay theo làm kim chỉ thị xoay cho kết quả đĩ được trên thang đo Khi do dịng diện,
cĩ lực đẩy giữa cúc tấm kim loại nên nên loại này cịn được gọi là loại điện từ cĩ lực đấu
- Momen quay được tính theo cơng thức:
HH
T= (N.m) dự
, LP Sos Ss
VỚI: W`= >" (J) là năng lượng nạp vào cuộn dây L: điện cm của cuộn dây, T: dịng điện cho vào cuộn dây và ơ là gĩc quay của kim
- Thay W vao Ty ta co:
d u
T = "4 | /⁄Ẻ dle
, da 2 da
Do cĩ lị xo cán , khi trục xoay cũng tạo ra momen cần Mẹ
Khi kim cân bằng thì: Tạ=T
1 al > aL
Suy ra: —~P ska > =p dl
Trang 22Chương 2 Các loại điện kế chí thị kim
Như vậy: gĩc quay œ của kim chỉ thị khơng phụ thuộc vào
chiều dịng điện và tỉ lệ theo bình phương dịng điện cần do
3- Đặc điểm
- do khơng phụ thuộc vào chiều dịng điện nên điện kế điện
từ cĩ thể đo được dịng điện I chiều và xoay chiều
- gĩc quay tỉ lệ với bình phương của | nén thang do chia khơng đều
- do cuộn dây nhận dịng điện cố định nên cĩ thể quấn dây
tiết điện lứn và điện kế cĩ khả năng đo được dịng điện cĩ trị số
lớn hơn điện kế từ điện
- được sử dụng làm cơ cấu chỉ thị trong các loại volt kế và
ampere kế ÁC cĩ cấp chính xác là 1 hay 2
§2.4- ĐIỆN KẾ ĐIỆN ĐỘNG
Điện kế điện động là sự phối hợp giữa điện kế từ điện (nam châm tạo từ trường đều cố định sẵn trong điện kế, dịng điện cho vào cuộn dây quấn trên khung làm khung và cuộn dâyv quay) với
điện kế điện từ (cuộn dây cố định nhận địng điện tạo ra từ trường
lam truc va kim quay)
Do cấu tạo cĩ khác nhau nên cẩn phân biệt điện kế điện động và điện kế sắt điện động
Điện kế điện động cĩ ký hiệu ghi trên máy đo là: =
Điện kế sắt điện động cĩ ký hiệu ghi trên máy đo là: S 1- Cấu tạo: gồm 2 phan
- Phần tĩnh: cuộn dây phần tĩnh được chia thành 2 phần nối tiếp nhau để tạo ra từ trường đều khi cĩ đồng điện chạy qua
Trang 23Đo lưỡng điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước - Phần động: cuộn dây di động quấn trên khung quay đặt trong cuộn dây tĩnh và gắn trên trục quay Thơng thường, cuộn
dây di động khơng cĩ lõi sắt non để tránh hiện tượng từ trễ và
dịng điện xốy
- Nếu cuộn dây tĩnh quấn trên lõi sắt từ thì điện kế này được gọi là điện kế sắt điện động
- Cả phần tĩnh và động được bọc kín bằng vật liệu khơng dẫn từ để tránh bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngồi khi hoạt động
Kim chỉ thị ea, +
II
ha Cunt dị —L> in Cuỗn dây
\
dùng Cực từ
1ơ xo xoắn Khung quay Hình 2.4: Cấu tạo của điện kế điện động và sắt điện động
2- Nguyên lý
- Khi cho dịng điện I¡ vào cuộn dây tĩnh sẽ tạo ra từ trường
trong cuộn dây
- Nếu cĩ dịng I; vào cuộn dây động thì từ trường do cuộn tĩnh tạo ra sẽ tác động lên dịng điện chạy vào khung quay, tạo ra momen quay làm khung quay gĩc œ
dw
~ Momen quay được tính theo cơng thức: 7, = qi da
a) Néu đồng điện l¡ và I; là dịng DC thì:
Trang 24Chương 2 Các loại điện kế chỉ thị kim a) Nếu dịng điện J, va I, 1a ddng DC thì:
| 2
Wea shal, tS bly +M,h1,
Trong đĩ: - L¡, L¿ là điện cảm của cuộn dây tinh va dong - Mì; là hỗ cảm giữa 2 cuộn đây
- Do L¡, Lạ khơng đổi khí khung quay cĩ cuộn động quay trong cuộn tĩnh, mà chỉ cĩ hỗ cảm M¡; thay đổi, nên đạo hàm của nĩ theo gĩc a bằng 0 và:
„4W — AM, =—— lì
* dự da `7
- Khi kim ở vị trí cân bằng thì: T¿ = T.~ ky œ
dM
- Suy ra: |]; Paka => „=2:
- k oda
- Nếu cuộn dây tĩnh và cuộn dây động mắc nối tiếp nhau thì , dM,
1} =L=1, nén: a= i pan k ‘ da
- Gĩc quay ơ sẽ tỉ lệ với bình phương của dịng điện cần do và biến thiền theo hệ số hỗ cẩm giữa 2 cuộn dây
b) Nếu dịng điện I, và lạ là dịng ÁC thì momen quay tức
thdi va moment trung bình được tính theo cơng thức:
` 1í
t„ =lia ——= ff => T, == [i at q T q
0
-néutacé: 1 =/,,sin@ — “im Và i, =/1,,, sin(@t—@) thi:
r
; dM
= [Anton sin col sin{at —Ø)——~=di
0 : da
l
‹q T
Trang 25Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước - khi kim cân bằng cĩ: Tụ= T.= k,œ
; dM |,
ka = 1h, 2 cose => z=.-hh, “cose
a a “
- gĩc quay œ tỈ lệ theo tích số dịng điện và sự biến thiên hỗ cam giữa 2 cuộn đây và gĩc lệch pha của 2 dịng điện
3- Đặc điểm
- do khơng phụ thuộc vào chiều dịng điện nên điện kế từ
điện cĩ thể đo được địng điện I chiều và xoay chiều
- gĩc quay tỉ lệ với bình phương của I nên thang đo chia
khơng đều và tỉ lệ theo sự biến thiên hỗ cảm giữa 2 cuộn dây nên
cố độ chính xác cao
- do cuộn dây nhận dịng điện cố định nên cĩ thể quấn dây
tiết điện lớn và điện kế cĩ khá năng đo được dịng điện cĩ trị số lớn hơn điện kế từ điện
- được sử dụng làm cơ cấu chỉ thị trong các loại volt kế và
ampere kế, watt kế AC cĩ độ chính xác cao, cấp chính xác là 0,l
đến 0,2
Trang 26Chương 2 Các loại điện kế chỉ thị kim Câu hỏi chương 2
I- Cho biết nguyên lý hoạt động của điện kế từ điện và điện
kế điện từ cơ bắn khác nhau như thế nào?
2- Điện kế từ điện cĩ thể chế tạo để đo đồng điện cĩ trị số
lun nhu điện kế điện từ được khơng? Giải thích lý đo
3- Giải thích lý do tại sao chiều quay kimchï thị của điện kế
từ điện tuỳ thuộc chiều dịng điện, trong khi điện kế điện từ lại
khơng bị ảnh hưởng bởi chiều dịng điện
4- Cho biết những điểm khác nhau của điện kế điện đơng và sắt điện động?
5- Cho biết cấu tạo của điện kế từ điện? Nhiệm vụ của lị xo
Trang 27CHƯƠNG 3
ĐO DỊNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP DC
§3.1- ĐẠI CƯƠNG
Điện kế từ điện chỉ đo được dịng điện DC và cĩ thang đo
chia độ đều nên thường được dùng làm cơ cấu chỉ thị cho ampere kế
va volt ké DC
Tuy nhiên, do tri s6 Ips va Ves cla dién ké tir dién c6 tri sé nhỏ nên muốn đo những giá trị dịng điện và điện áp lớn hơn phải dùng biện pháp mở rộng thang đo,
Điện kế từ điện cĩ ký hiệu trên sơ đồ như hình 3.1
Hinh 3.1 On
§3.2- DO DONG DIEN DC 1- Do dong dién nho hen [ys
- Cách đo: đặt điện kế nối tiếp với dịng điện cần do theo
đúng chiều đương ầm của điện kế như hình 3.2
mm —
Une Ị |
Hình 3.2: Do dịng điện trực tiếp bằng điện kế
Trang 28Chương 3 Do dong dién va dién ap DC
Trị số dịng điện lớn nhất cĩ thể đo được chính là trị số Irs
của điện kế
2- Mở rộng thang đo cho điện kế
Để cĩ thể đo được những dịng điện cĩ trị số lớn hơn lụs thì phải mở rộng thang do bằng cách phép thêm điện trở song song với
điện kế (phép shunt) để rẽ dịng điện như hình 3.3
Hình 3.3: Mở rộng thang đo bằng điện trở shunt
- Cách tỉnh trị số điện trở shunt:
Giả thiết sử dụng điện kế cĩ Iz¿s = 50uA, Re = 2kO, Vụs = 0, IV, Ở thang đo 50A, dịng điện chỉ qua điện kế, điện kế cĩ điện trở
là Ro= 2kO Kim quay hết khung, điện áp trên điện kế là Vạs= 0,1V
Ở thang đo 250A, điện trở Rị là điện trd shunt được tinh sao
cho khi đo dịng điện 250u0A thì dịng qua điện kế vẫn là 50UA, dong dién con lai sé qua Ry
Ta cĩ: Tri = [hang — les
Tương tự cho các thang đo cịn lại Cơng thức tính trị số điện trở shunt cho các thang đo là:
Trang 29Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
F } N
~l iN
R.=
/ thung
Thí dụ: thang 250HA cĩ trị số điện trở shunt là:
0.1
See = 5000 250.10 “ — $0.10 °
Thí dụ: thang 50mA cĩ trị s6 dién trd shunt 12:
0.1
=Z——————>20
50.10°' —50.107° 4
Sơ đỏ hình 3.4 là mạch miliampere kế và ampecre kế nhiều thang đo cĩ cách ghép điện trở shunt kiểu khác để mở rộng thang đo Với cách phép này, điện trở nội của máy đo sẽ cĩ trị số lớn hơn So Với cách trên
Thí dụ: ở thang đo EOmA, điện kế (20006) sẽ nối tiếp với
điện trở 3000 và cả 2 sẽ song song với 4 điện trở cịn lại 2000 50uA 30009 2259 20 04750 0.0250 10mA Pos Neg (®) (-)
Hình 3.4: Milliampere kế và ampere kế nhiều thang đo
Trang 30Chương 3 Đo dịng điện và điện ấp DC
§3.3- ĐO ĐIỆN AP DC
I- Đo điện áp nhỏ hơn Vụs
- Cách đo: đặt điện kế sonp song với hai điểm cĩ điện áp cần
đo đúng chiều dương âm cúa điện kế như hình 3.4
Hình 3.5: Đo điện áp trên Rị
trực tiếp bằng điện kế
Trị số điện áp lớn nhất cĩ thể đo được chính là trị sế Vị cúa điện kế,
2- Mở rộng thang đo cho điện kế làm volt kế
Để cĩ thể đo được những điện áp cĩ trị số lớn hơn Vịs thì phải mở rộng thang đo bằng cách ghép thêm điện trở nối tiếp với
điện kế để phân áp như hình 3.6
- Cách tính trị số điện trở phụ ghép nổi tiếp:
Giá thiết sử dụng điền kế cĩ Irs = 50uA, R¿= 2kO, Vụs= OV
G6 thang đo 0.1V, điện áp chỉ đặt trên điện kế, điện kế cĩ điện trở là R¿ = 2kQ Khi kim quay hết khung thì điện áp trên điện
kế là Vrs = 0,1 V và đồng qua dién ké {a Ips = SOpA
Ở thang đo 2,5V, điện trở Ry (a dién tro phu dude tinh sao
cho khi đo điện áp 2.5V thì điện áp wén dién ké van IA Ves = OV, điện íp cịn l1 sẽ giim qua Ry
Ta co: Viet = Vibang — Ves
Trang 31Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước 0,1V > Vv ^ “a 5 2,5V 250V Hình 3.6: Mở rộng thang đo bằng điện trở ghép nối tiếp
Tương tự cho các thang đo cịn lại, Cơng thức tính trị số điện trở phụ cho các thang đo là;
R = thang ~ Vy, ` _ V nang _ F, N Đ TT —————- = -—— Lis lis Th Y ane hay R= eR Ih Thí dụ: thang 2,5V cĩ trị số điện trở phụ là: 2.5 |= - 2.10" = 48k 50.10 Thí dụ: thang 50V cĩ trị số điện trở phụ là: 50 = soi07 7 210 = 998kQ 3
Hình 3.6 cĩ điện trở phụ riêng cho từng thang đo Một cách mở rộng thang đo khác như hình 3.7, trong đĩ các điện trở phụ của
các thang đo được phép nối tiếp nhau
Trang 32Chương 3 Đo dịng điện và điện áp DC 250V R; R› 50V | 10 + (
Hình 3.7: Các điện trở phụ phép nối tiếp nhau
Trang 33Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
Sơ đồ hình 3.8 là mạch một volt kế DC dùng điện kế cĩ lrạ =
500A, Re= 2kÕ Vẹs= 0,1 V với các điện trở phụ cĩ trị số cụ thé
Độc giả cĩ thể tự tính các điện trở phụ trên với volt kế dùng
điện kế cĩ Izs = LOOWA, Rg= 1,5kQ, Ves = 0,15V theo hai cách trên
§3.4- NOI TRO CUA AMPERE KE VA VOLT KE
Điện trở trong máy đo được gọt là nội trở của máy do
1- Nội trở của ampere kế DC
Ở thang đo nhỏ nhất của máy đo dịng điện thì nội trở chính
là điện trở Re của điện kế Ở các thang đo khác, nội trở chính là
điện trở Re song song với điện trở shunt của thang đo đĩ
Thí dụ: hình 3.3, thang 250A cĩ điện trở shunt là 500 nên
nội trở của thang này là:
Ry (2sopa) = 3006 / 2kÕ Š 4000
2- Ndi trở của volt kế DC
QO thang do nhỏ nhất của máy đo điện áp thì nội rớ cũng
chính là điện trở Re của điện kế Ở các thang đo khác, nội trở chính là điên trở Rœ¿ nối tiếp với điện trở phụ của thang đo đĩ
Thí dụ: hình 3.5, thang 2,5V cĩ điện trở phụ là 48kO nên nội trở của thang này là:
Rị (25V) 2k€2 + 48k = SOKO
Mỗi thang đo sẽ cĩ giá trị nội trở riêng Để cĩ khái niệm chung về nội trở của volt kế DC, người ta định nghĩa: độ nhạy của volt kế DC chính là nội trở ở thang đo TV và được tính theo cơng thức:
S=R,,, =— (S: sensitivity - d6 nhay)
Độ nhạy càng lớn thì kết quả đo được càng ít sai số
Trang 34Chương 3 Đo địng điện và điện áp DC
Thí dụ 1: volt kế dùng điện kế cĩ Ips = SOWA thì độ nhạy của
MA 30.10
volt kế là;
Trên máy đo ghi: 20kQ@/VDC_ (ở gĩc dưới bên trái mặt kính) Thí dụ 2: Volt kế đùng điện kế cĩ Igs = 100uA thì độ nhạy của
100.10 volt kế là:
Trên máy đo ghi: 10kQ/VDĐC_ (ở gĩc dưới bên trái mặt kính)
3- Anh hưởng của nội trở khi đo
a) Nội trở của máy đo dịng điện: (mA kế hay A kế)
+ +»
Hinh3.9a yy gay ! ' | ae 5000
Dong J trong hinh 3.9a cé tri s6 theo tinh todn 1a:
po Ue 2? R 500 _ gang
Nếu dùng máy đo dịng điện thang 250uA thì mạch cĩ thêm
nội trở của máy đo là Rị¿;souA) = 400Q và thành hình 3.9b
R; = 4000
Trang 35
Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
Dong I bay giờ khi đo được sẽ cĩ trị số:
_ Uy: _ 0,2
= R+R, 500+400 = ——*"_ = 022m
Như vậy kết quả đo được sẽ bị sai số so với tính tốn,
b) Nội trở của Volt kế :
Trong mạch điện hình 3.10a, điện áp trên điện trở R;¡ được tính theo cơng thức: R 00.10° Uy, =U yy R,+R, ——=l0 200.10' + 200.10° a > 7 R, = 200kQ Hinh 3.10a R, = 200k Ri gov) = 200KQ R, = 200kQ «——n1—T—` + _—>y I Upc = 10V I | R;=200kQ
Hình 3.10b: Đo điện áp sẽ gây ra sai số do nội trở
Trang 36Chương 3 Ðo dịng điện và điện áp DC Nếu dùng volt kế thang 10V để đo thì sẽ cĩ nội trở là R, ((ov) =
200KO phép song song với Rị = 200k Điện trở tương đương của R,
và Rị chỉ cịn 100kĨ Điện áp do được trên mạch như hình 3.8b sẽ là:
R.J AR, t0 100.10 0°
Un = 1% = 3 7 (R, MR )+R, 100.10° + 200.10 >
c) Nhận xét:
- khi dùng ampere kế hay volt kế để đo dịng và áp đều bị sai số do nội trở của máy đo
- ampere kế cĩ nội trở càng nhỏ sẽ ít bị sai số - Volt kế cĩ nội trở càng lớn sẽ ít bị sai số
- điện kế cĩ Ïps càng nhỏ, Ro càng lớn thì khi được ding lam co
cấu chỉ thị cho ampere kế và volt kế sẽ ít gây ra sai số 4- Thang đo chung của volt kế và mỉlliampere kế
Khi dùng trực tiếp điện kế để đo dịng điện thì trị số của
thang do 14 Ips , nhưng nếu để đo điện áp thì trị số của thang đo là
Vps Trên máy đo đa năng cĩ một vị trí thang đo phi 2 trị số, đĩ
chính là Ips va Ves
Từ 2 trị số này ta cĩ thể tính ra giá trị điện trở một chiều của
điện kế theo cơng thức:
Rp avs
, hp
Thí dụ: các máy đo Trung quốc cĩ thang đo chung ghi
- 50HA _ 0,IV => Irs = 50uA, Ves=0,1V = Ro= 2k
hay - 100uA _ 015V => Irs = 100UA, Ves=0,15V => Ro=1,5kQ
Trang 37Đo lường điện và điện tử Nguyễn Tấn Phước
Hình 3.11: Mặt ngồi máy đo VOM
(volt ké, ohm ké va miliampere ké)
Câu hỏi
1- Phân biệt cách đo của ampere kế và volt kế? Nếu đo sai
theo cách ngược lại sẽ xảy ra hiện tượng gì? Giải thích
2- Mở rộng thang đo cho mA kế bằng những điện trở shunt độc lập nhau (hình 3.3) và bằng những điện trở shunt nối tiếp nhau (như hình 3.4) cĩ ưu điểm và nhược điểm như thế nào?
3- Mở rộng thang đo cho volt kế bằng những điện trở phụ
độc lập nhau (hình 3.6) và bằng những điện trở phụ nối tiếp nhau
Trang 38Chương 3 Đo dịng điện và điện ấp DC
Bai tap
I- Tính điện trở shunt cho milliampere kế cĩ 4 thang đo:
100HA, 500A, 5mA và 25mA Cho biết điện kế từ điện c6 Ips =
I00úA, Ro= I,5kƠ
2- Tính điện tré phu Rp cho volt kế cĩ 4 thang đo: 0,3V — 10V — 50V - 250V Cho biết điện kế từ điện cĩ Ips = 500uA, Ro=
6000,
3- Cho biết độ nhạy của volt kế nếu dùng các lôi điện kế từ
điện cĩ trị số Irs như sau: 50IuA, I001LA, 500A va ImA
4- Tính trị số các điện trở shunt trong mạch điện sau để mở
rộng các thang đo địng điện theo hình vẽ
15000 + - 400A Ri Re Rs; lạ Rs AN 500nA 100mA A 10m 1mA
—e Pos Neg
(+) ~ (-)
Trang 39Đo lường điện và điện tứ Nguyễn Tấn Phước
5- Tính trị số các điện trở phụ trong mạch điện suu để mở các thang đo điện áp theo hình vẽ
Trang 40CHƯƠNG 4
ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DỊNG ĐIỆN AC
§4.1- ĐẠI CƯƠNG
Để đo điện áp và dịng điện AC, cĩ thể dùng điện kế từ điện, điện từ hay điện động để làm cơ cấu chỉ thị Trong các máy đo
chuyên dùng để đo điện áp AC hay do dịng điện AC và chỉ cĩ một thang đo duy nhất thì thường điện kế điện từ, lúc đĩ, việc tính tốn điện trở phụ hay điện trở shunt sẽ đơn giản
Đối với các loại máy đo đa năng, thường chọn điện kế từ điện
vì loại này cĩ thang chia độ đều Tuy nhiên, điện kế từ điện chỉ đo
được dịng điện DC, để đo được điện áp và dong dién AC, trong may
đo phải cĩ mạch nắn điện để đổi từ dịng điện AC ra DC
Trong chương này chỉ phân tích mạch đo điện áp và dịng điện AC trong máy đo dùng điện kế từ điện