Bài giảng kỹ thuật đo lường điện 1

Một cách tổng quát, có thể phân loại các phương pháp đo như sau: - Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo mà kết quả nhận được từ chỉ thị của dụng cụ đo thể hiện giá trị đại lượng c

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG

1.1 Các khái niệm cơ bản

Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để

đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo

Kỹ thuật đo lường: ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống

Đo lường là quá trình so sánh, định lượng giữa đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng đã được chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng

độ là kelvin (K); đơn vị cường độ ánh sáng là candela (Cd); đơn vị số lượng vật chất là mol (mol)

1.2 Đại lượng đo lường

Đại lượng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo Trong một quá trình vật lý có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể, ta chỉ quan tâm đến một thông số cụ thể

Ví dụ: nếu đại lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có thể

là giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số…

Dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta có thể phân đại

lượng đo lường ra thành hai loại cơ bản:

- Đại lượng điện

- Đại lượng không điện

Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo ta có thể đưa ra các phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo các thiết bị đo

1.1.1 Đại lượng điện

a Đại lượng điện tác động

Đại lượng điện tác động là những đại lượng điện có sẵn năng lượng điện nên khi đo lường các đại lượng này, ta không cần cung cấp cung cấp năng

lượng cho mạch đo Đại lượng điện tác động như đại lượng điện áp, dòng điện, công suất

Trong trường hợp năng lượng của đại lượng cần đo quá lớn sẽ được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo Ví dụ điện áp cần đo quá lớn, ta có thể sử dụng cầu phân áp để cho phù hợp với cơ cấu đo hay thông qua một thiết bị khác để giảm nhỏ năng lượng cần đo

Trong trường hợp năng lượng quá nhỏ thì được khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được

b Đại lượng điện thụ động

Đại lượng điện thụ động là các đại lượng không mang năng lượng điện

Vì vậy khi đo lường các đại lượng loại này, ta cần phải cung cấp nguồn năng lượng điện cho mạch đo Đại lượng điện thụ động như điện cảm, điện trở, điện dung, hỗ cảm

Sau khi cung cấp năng lượng điện cho các đại lượng này, các đại lượng này sẽ được đo lường dưới dạng đại lượng điện tác động Như vậy các đại lượng điện thụ động có sự tiêu hao năng lượng, cho nên phải có những yêu cầu riêng cho đại lượng này như: tiêu hao năng lượng ít, khi được cung cấp năng lượng điện, bản chất của các đại lượng điện này không thay đổi Ví dụ: dòng điện cung cấp cho điện trở cần đo có trị số lớn khiến cho một nhiệt lượng đốt nóng điện trở làm thay đổi trị số điện trở

1.1.2 Đại lượng không điện

Là đại lượng không mang năng lượng điện, đó là đại lượng vật lý chẳng hạn như nhiệt độ, lực, áp suất, ánh sáng, tốc độ

Để đo lường các đại lượng vật lý này, người ta có những phương pháp và thiết bị đo lường thích hợp để chuyển đổi các đại lượng không điện thành đại lượng điện Nhất là với hệ thống tự động hóa càng hiện đại sẽ cần nhiều thông

số để xử lý trong đó các thông số không điện cần xử lý ngày càng nhiều Tuy nhiên việc đo các đại lượng không điện thường phức tạp và rời rạc Do đó, cần

chuyển đổi những đại lượng không điện thành đại lượng điện để phép đo được

dễ dàng, thuận lợi, tin cậy và chính xác đồng thời tăng tính tự động hoá Cách thức đo này đã mở rộng kỹ thuật đo lường nói chung cho các đại lượng và

không điện Những thiết bị biến đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện được gọi là cảm biến điện hoặc chuyển đổi

1.3 Các phương pháp đo

Để thực hiện một phép đo, người ta có thể sử dụng, lựa chọn nhiều cách

đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo Một cách tổng quát, có thể phân loại các phương pháp đo như sau:

- Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo mà kết quả nhận được từ chỉ thị của dụng cụ đo thể hiện giá trị đại lượng cần đo mà không cần phải thông qua một phép tính toán nào Nếu bỏ qua các sai số về phương pháp đo, dụng cụ đo… thì chỉ số trên dụng cụ đo chính là giá trị thực của đại lượng cần đo

Phương pháp đo này cho kết quả ngay

Ví dụ: Dùng Ôm mét đo trực tiếp điện trở, đọc ngay giá trị điện trở trên mặt chỉ thị của dụng cụ đo

- Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp đo mà kết quả đo được chưa phải là giá trị đại lượng cần đo Muốn có giá trị của đại lượng đo, ta phải thông qua một hoặc nhiều phép tính

Với phương pháp đo này, chỉ thị của dụng cụ đo chỉ cho ta số liệu cơ sở

để tính toán ra giá trị của đại lượng cần đo

Ví dụ: Đo điện trở thông qua hiệu điện thế và cường độ dòng điện Dùng Vôn mét và Ampe mét để đo điện trở của tải Sau khi có số liệu cơ sở là hiệu điện thế và cường độ dòng điện, ta thực hiện phép tính (dựa vào định luật Ôm): R=U/I

Ngoài ra ta còn có thể kể thêm phương pháp đo so sánh, phương pháp đo tương quan, phương pháp đo thống kê

Trong thực tế, với ngành điện, phương pháp đo phổ biến nhất là phương pháp đo trực tiếp Vì đo trực tiếp thực hiện đơn giản, cho kết quả ngay và các dụng cụ đo trực tiếp tương đối rẻ tiền mặc dù độ chính xác chưa cao

Với những phép đo yêu cầu độ chính xác cao (chính xác đến 0,001%), người ta áp dụng phương pháp so sánh, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian

để đo, chỉnh và dụng cụ đo thì phức tạp và đắt tiền

1.4 Chức năng và đặc tính của thiết bị đo lường

Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin

đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Thiết bị đo gồm thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường, các tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường Mỗi loại thiết bị thực hiện những chức năng riêng trong quá trình đo lường

Các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo của đại lượng đang khảo sát Kết quả này được chỉ thị hoặc 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 lại kết quả đo của hệ thống đang hoạt động, giúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ

1.4.1 Mẫu

Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định

Thiết bị mẫu phải có độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo từng cấp, từng loại

1.4.2 Dụng cụ đo

Là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số

1.4.3 Chuyển đổi đo lường

Là thiết bị biến đổi tín hiệu đo ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công tiếp theo hoặc lưu giữ mà không cho kết quả ra trực tiếp

Có 2 loại chuyển đổi:

- Chuyển đổi các đại lượng điện thành các đại lượng điện khác: các bộ phân áp, phân dòng; biến áp, biến dòng; các bộ A/D, D/A…

- Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện: là các chuyển đổi sơ cấp - bộ phận chính của đầu đo (cảm biến - sensor): các chuyển đổi nhiệt điện trở, cặp nhiệt, chuyển đổi quang điện…

1.4.4 Hệ thống thông tin đo lường

Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bi phụ để tự động thu thập số liệu

từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển

Có thể phân hệ thống thông tin đo lường thành nhiều nhóm:

- Hệ thống đo lường: là hệ thống để đo và ghi lại các đại lượng đo

- Hệ thống kiểm tra tự động: là hệ thống thực hiện nhiệm vụ kiểm tra các đại lượng đo, cho ra kết quả lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng chuẩn

- Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: là hệ thống kiểm tra sự làm việc của đối tượng để chỉ ra chỗ hỏng hóc cần sữa chữa

- Hệ thống nhận dạng: là hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu đã cho

- Tổ hợp đo lường tính toán: có chức năng có thể bao quát toàn bộ các thiết bị ở trên, là sự ghép nối hệ thống thông tin đo lường với máy tính; có thể tiến hành đo, kiểm ra nhận dạng, chẩn đoán và cả điều khiển đối tượng

Hệ thống thông tin đo lường có thể phục vụ cho đối tượng ở gần (khoảng cách dưới 2km) nhưng cũng có thể phục vụ cho đối tượng ở xa, khi đó cần phải ghép nối vào các kênh liên lạc Một hệ thống như vậy gọi là hệ thống thông tin

đo lường từ xa

1.5 Sai số của phép đo

1.3.1 Sai số của phép đo

Khi đo lường, số chỉ của dụng cụ đo cũng như kết quả tính toán luôn có

sự sai lệch với giá trị thực của đại lượng cần đo Giá trị sai lệch này gọi là sai số

Trong thực tế, khi thực hiện phép đo, ta thường phải so sánh đại lượng cần đo với đại lượng mẫu thông qua dụng cụ đo hoặc cho phép đại lượng cần đo tác dụng trực tiếp lên dụng cụ đo Quá trình này thực chất là phương pháp vật lý thực nghiệm, nên kết quả thường là các giá trị gần đúng Vì vậy bất kỳ phép đo nào cũng có một sai số nào đó, nghĩa là phép đo chỉ được công nhận sau khi đã biết sai số của phép đo

Muốn có kết quả chính xác của phép đo thì trước khi đo phải xem xét các điều kiện đo để chọn phương pháp đo, dụng cụ đo phù hợp và tuyệt đối tuân thủ các quy định về đo lường; sau khi đo cần phải gia công các kết quả thu được nhằm tìm được kết quả chính xác

Nguyên nhân gây sai số thường do nguyên nhân chủ quan và nguyên nhân khách quan:

- Nguyên nhân chủ quan là do không thành thạo trong việc thực hiện đo, thao tác chưa chính xác, chọn phương pháp đo không phù hợp, không tuân thủ các qui định của khi sử dụng dụng cụ đo, các qui định về đo lường…

- Nguyên nhân khách quan là do dụng cụ đo không hoàn hảo, độ chính xác của dụng cụ đo không cao, đại lượng cần đo bị nhiễu, không ổn định, ảnh hưởng của điều kiện môi trường…

Giá trị thực Xth của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó (thường nhờ các dụng cụ mẫu có cáp chính xác cao hơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét)

Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước,

vì vậy khi đánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo

Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo Việc xác định sai số của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học

Sai số của phép đo có thể phân loại theo cách thể hiện bằng số, theo

nguồn gây ra sai số hoặc theo qui luật xuất hiện của sai số

Tiêu chí

phân loại

Theo cách thể hiện bằng số

Theo nguồn gây ra sai số

Theo quy luật xuất hiện sai số

Loại sai số - Sai số tuyệt đối

- Sai số tương đối

- Sai số ngẫu nhiên

Sai số tuyệt đối ∆X: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth:

∆X = |X - Xth|

Sai số tương đối X: là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng phần trăm: % 100 %

th X

X X

Độ chính xác A = 98%

Sai số hệ thống (systematic error): là sai số cơ bản, do các yếu tố thường

xuyên hay có quy luật tác động làm cho kết quả đo luôn không đổi hoặc thay đổi

có quy luật và không đúng với giá trị thực Sai số hệ thống phụ thuộc vào thiết

bị đo, điều kiện môi trường

- Sai số do thiết bị đo: các phần tử của thiết bị đo có sai số do công nghệ

chế tạo, sự lão hóa khi sử dụng Để giảm sai số này thì phải bảo trì định kỳ cho thiết bị đo

- Sai số do ảnh hưởng của điều kiện môi trường: nhiệt độ tăng cao, áp

suất tăng, độ ẩm tăng, điện trường hoặc từ trường tăng đều ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo lường Để giảm sai số này cần giữ cho điều kiện môi trường ít thay đổi, có các biện pháp chống ảnh hưởng của từ trưởng

Sai số ngẫu nhiên: ngoài sự hiện diện sai số do chủ quan trong cách thức

đo và sai số hệ thống thì còn lại là sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên là sai số

mà giá trị của nó thay đổi bất thường không theo quy luật nào Thông thường sai

số ngẫu nhiên được thu thập từ một số lớn những ảnh hưởng nhỏ được tính toán trong đo lường có độ chính xác cao

Cấp chính xác: Để đánh giá độ chính xác của một dụng cụ đo, người ta

quy định ra cấp chính xác Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại

mà dụng cụ đo mắc phải Cấp chính xác của dụng cụ đo được qui định đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đó và được Nhà nước qui định cụ thể:

% 100

m

m qdX

X X





với ∆Xm- sai số tuyệt đối cực đại; Xm- giá trị lớn nhất của thang đo

Ví dụ: Dụng cụ đo 5A, cấp chính xác là 1 thì sai số tuyệt đối phạm phải là 5.1% = 0,05 (A)

Sau khi xuất xưởng chế tạo thiết bị đo lường sẽ được kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hóa và xác định cấp chính xác Từ cấp chính xác của thiết bị đo lường sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo

Thường cấp chính xác của dụng cụ đo được ghi ngay trên dụng cụ hoặc ghi trong sổ tay kỹ thuật của dụng cụ đo Theo tiêu chuẩn đo dụng cụ có các cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4

Các dụng cụ đo có cấp chính xác nhỏ hơn 0,5 thường được dùng làm dụng cụ mẫu Các dụng cụ dùng trong công nghiệp có cấp chính xác từ 1 -:- 2,5

1.3.2 Tính toán sai số

a Sai số tuyệt đối

Sai số tuyệt đối được định nghĩa bằng biểu thức: ∆X = |X - Xth|

Nhưng trong thực tế sai số tuyệt đối không xác định được vì Xth không thể xác định Cho nên trong thực tế chúng ta chỉ xác định trị số giới hạn lớn nhất của sai số tuyệt đối ∆X mà thôi

∆X = |X - Xth|max

Ví dụ: Một điện trở có trị số được viết như sau: R = 200 ± 20 Ohm

± 20 Ohm có ý nghĩa là giới hạn sai số tuyệt đối của điện trở đo được Nên biểu diễn giới hạn sai số theo phần trăm (%):

% 10 (%) 100 200

20

X

b Sai số tương đối

Sai số tương đối được xác định theo biểu thức: 100 %

th X

X X

và thường đựơc ghi trên thiết bị đo

c Sai số tương đối của tầm đo (thang đo)

Đối với thiết bị đo có nhiều tầm đo khác nhau người ta thường dùng sai số tương đối của tầm đo Sai số tương đối của tầm đo được xác định như sau:

Ví dụ: Một volt kế có tầm đo 0 – 150V trị số ∆X của Volt kế này là 1V5

Như vậy sai số tương đối của tầm đo này là:

% 1 01 , 0 150

5 ,



L

Nếu trị số tầm đo tối đa là 100V thì sai số tương đối của thang đo này là:

% 5 , 1 015 , 0 100

5 ,



L

Như vậy nếu ∆X không đổi trong tầm đo và trị số đo thay đổi thì khi số đo càng nhỏ thì sai số tương đối càng lớn Cho nên thông thường ∆X được xác định theo tầm đo và độ chính xác trên thiết bị đo

d Sai số tương đối của tổng hai đại lượng

Nếu 2 đại lượng đó có tính chất độc lập với nhau mỗi đại lượng có trị số sai số tương đối riêng biệt a và b Sai số tương đối của tổng 2 đại lượng a và b được xác định:

b a

b a

b a X

b b a a

b a

e Sai số tương đối của tích hai đại lượng

Nếu 2 đại lượng đó có tính chất độc lập với nhau mỗi đại lượng có trị số sai số tương đối riêng biệt a và b Sai số tương đối của tích 2 đại lượng a và b được xác định:

x(a.b) = a + b

Có thể suy rộng ra cho nhiều đại lượng độc lập:

x = i

Ví dụ: Vôn kế và ampe kế được dùng để xác định công suất tiêu thụ của

điện trở Cả hai thiết bị này đều có sai số tầm đo 1% Nếu vôn kế được đọc ở tầm đo 150V có chỉ thị 80V, và ampe kế được đọc ở tầm đo 100mA là 70mA

Sai số tầm đo vôn kế: 150V x 1% = 1,5 V

Sai số ở trị số 80V: 1,5/80 x 100% = 1,86%

Sai số tầm đo ampe kế: 100mA x 1% = 1 mA

Sai số ở trị số 70V: 1/70 x 100% = 1,43%

Sai số công suất đo được: 1,86% + 1, 43% = 3,29%

f Sai số ngẫu nhiên

Dựa vào số lớn các giá trị đo được có thể xác định qui luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng các phương pháp toán học thống kê và lý thuyết xác suất

Nhiệm vụ của việc tính toán sai số ngẫu nhiên là chỉ rõ giới hạn thay đổi của sai số của kết quả đo khi thực hiện phép đo nhiều lần, như vậy phép đo nào

có kết quả với sai số ngẫu nhiên vượt quá giới hạn sẽ bị loại bỏ

Việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa trên giả thiết là sai số ngẫu nhiên của

bố Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó thì xác suất xuất hiện sẽ hầu như bằng không và vì thế kết quả đo nào có sai số ngẫu nhiên như vậy sẽ bị loại bỏ

Các bước tính sai số ngẫu nhiên:

Xét n kết quả đo với các kết quả đo thu được là x1, x2, , xn

- Ước lượng trị số trung bình của n kết quả đo:

n

x n

x x

x X

1

2 1 0

2 )

1 (

3

2 2

2 2 2 1

A n

n

A A

A X

n i i n

- Giới hạn của sai số ngẫu nhiên được cho bởi công thức:

X = 4,5.X Những trị số đo nào vượt quá trị số giới hạn này sẽ bị loại bỏ

- Kết quả đo có thể được viết như sau: X = X0X

Ví dụ: Trong một thí nghiệm xác định điện trở, trong 8 lần đo có kết quả

đo lần lượt như sau: R1 = 116,2; R2 = 118,2; R3 = 118,5; R4 = 117; R5 = 118,2; R6 = 118,4; R7 = 117,8; R8 = 118,1

Ta có giá trị trung bình của điện trở:

) ( 8 , 117 8

8

2 1

7

Giới hạn của sai số ngẫu nhiên là 4,5.0,2 = 0,9 Như vậy kết quả đo lần thứ nhất có A1 = 1,6 sẽ bị loại bỏ Kết quả đo có thể viết: R = 117,8  0,2 ()

Chương 2

CƠ CẤU ĐO

2.1 Cơ sở chung của các thiết bị cơ điện

Nguyên tắc hoạt động của đa số các dụng cụ đo điện chỉ thị kim được dựa trên sự quay phần động dưới tác dụng của mômen quay Mômen quay tạo nên bởi dòng điện, mà dòng điện này lại phụ thuộc vào đại lượng đo Do vậy, dụng

cụ đo điện loại này thường có hai bộ phận chính là cơ cấu đo và mạch đo Mạch

đo sẽ biến đổi các đại lượng cần đo thành tín hiệu điện (dòng điện, điện áp ) tác dụng trực tiếp lên cơ cấu đo Cơ cấu đo gồm 2 phần: phần tĩnh biến đổi điện năng thành cơ năng tác dụng lên phần động; phần động gắn với kim chỉ thị Muốn cho phần động được cân bằng thì phải tác dụng lên nó một mômen nữa là mômen phản kháng, nếu không kim chỉ thị sẽ quay với tốc độ rất nhanh, quay hết mặt thang đo và sẽ không trở lại vị trí ban đầu khi dừng đo

Đối với các dụng cụ đo chỉ thị kim, tuy nguyên lý làm việc khác nhau, nhưng về cơ bản thì các phần tử, bộ phận tạo nên dụng cụ đo có công dụng giống nhau Có thể mô tả chung cùng một loại, cấu tạo như sau:

- Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục như:

khung dây, kim chỉ thị, lò xo cản… Trục được làm bằng thép cứng pha iridi hoặc osimic và có tiết diện tròn có đường kính từ 0,8 đến 1,5mm, đầu trục hình chóp với góc đỉnh là 45– 600

và đỉnh bán cầu có bán kính 0,05 – 0,3mm

- Lò xo phản kháng: tạo ra mômen cản và dẫn dòng điện vào khung dây

Lò xo được chế tạo bằng đồng berili hoặc đồng phốt phát để có độ đàn hồi tốt và

dễ hàn, lò xo được chế tạo thành hình xoắn ốc

- Dây căng và dây treo: được sử dụng khi cần giảm mômen cản để tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ thị Dây căng và dây treo là các đoạn dây phẳng, có tiết diện hình chữ nhật được làm bằng đồng berili hoặc đồng phốt phát Momen phản kháng của dây căng và dây treo nhỏ để hạn chế ma sát

- Bộ phận cản dịu: có tác dụng rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí cân bằng nhanh chóng

- Kim chỉ thị: được gắn vào trục quay, độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay α Kim chỉ thị được chế tạo bằng nhôm hay hợp kim nhôm Với dụng cụ có cấp chính xác cao, kim được làm bằng thủy tinh, hình

dáng của kim chỉ thị được chế tạo tuỳ theo cấp chính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ để quan sát

- Thang đo: khắc giá trị của đại lượng đo Có nhiều loại thang đo khác nhau, tùy thuộc vào cấp chính xác và bản chất của cơ cấu chỉ thị Thang đo thường được chế tạo từ nhôm lá, trên mặt có khắc vạch chia độ Để tránh sai số trong quá trình đo trên mặt thang đo người ta gắn thêm “mặt gương“ phản chiếu phía dưới và khi đọc kết quả đo bắt buộc kim và bóng của kim đo trên mặt

gương phải trùng nhau Đặc biệt đối với các dụng cụ làm việc cả ban đêm và ban ngày, các số trên thang đo được kẻ bằng chất phát quang (dạ quang) trong bóng tối

Nguyên lý làm việc chung: Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ

điện, trong cơ cấu sẽ tích lũy một năng lượng điện từ We

Do tác động của từ trường (do nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu đo sẽ sinh ra mômen quay Mq

e c

Cấu tạo gồm 2 phần cơ bản:

- Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu; mạch từ và cực từ và lõi sắt hình thành mạch từ kín Giữa cực từ và lõi sắt có có khe hở không khí đều gọi là khe

hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

- Phần động: gồm khung nhôm hình chữ nhật (khung quay) được quấn bằng dây đồng Khung quay được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Kim chỉ thị được gắn chặt trên trục quay hoặc dây treo Phía sau kim chỉ thị có mang đối trọng để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo Lò xo phản kháng hoặc dây treo có nhiệm vụ kéo kim chỉ thị về vị trí ban đầu (vị trí 0) và kiểm soát độ quay của kim chỉ thị

2.2.2 Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện I đi vào cuộn dây phần động, dưới tác dụng của từ

trường nam châm vĩnh cửu, sinh ra năng lượng từ trường làm quay phần động

Từ thông qua khung dây:

Trong đó: B: mật độ từ thông xuyên qua khung dây

S: diện tích khung dây W: số vòng dây của cuộn dây

: góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu

Năng lượng từ trường:

We = .I = B.S.W..I Mômen quay sinh ra được xác định theo biểu thức:

I K I W S B d

dW

q   



Mômen quay này làm phần động mang kim đo quay đi một góc  nào đó

và lò xo phản kháng bị xoắn lại tạo ra mômen cản Mc tỷ lệ với góc quay 

Mc = Kc. (Kc là hằng số xoắn của lò xo)

Khi cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:

c



 . .

C gọi là độ nhạy của cơ cấu đo từ điện (A/mm) Cho biết dòng điện cần thiết chạy qua cơ cấu đo để kim đo lệch được 1mm hay 1 vạch

Kết luận: qua biểu thức trên ta thấy rằng góc quay  của kim đo tỷ lệ bậc nhất với dòng điện cần đo và độ nhạy của cơ cấu đo, dòng điện và độ nhạy càng lớn thì góc quay càng lớn

- Cuộn dây của khung quay thường chịu đựng qua tải nhỏ nên thường dể

bị hư hỏng nếu dòng điện quá mức đi qua

- Chỉ sử dụng dòng điện một chiều, không hoạt động ở dòng điện xoay chiều

- Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ

- Đối với khung quay có dây xoắn dễ hư hỏng khi bị chấn động mạnh hoặc di chuyển quá mức giới hạn

Ứng dụng:

- Cơ cấu này thường được dùng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường, đối với

cơ cấu chỉ thị kim như: ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5)

- Có thể dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt

để có thể đo được dòng, áp xoay chiều

2.3 Cơ cấu đo điện từ

Hình 2.2: Cơ cấu đo điện từ loại lực hút

1 Cuộn dây phần tĩnh 4 Trục quay

2 Rãnh hẹp 5 Bộ cản dịu kiểu không khí

3 Phiến thép 6 Lò xo đối kháng

Gồm có cuộn dây cố định , miếng sắt di động trong vùng từ trường do cuộn dây tạo ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây Nếu từ trường tạo ra càng lớn thì miếng sắt càng bị hút mạnh vào và kim chỉ thị càng bị lệch nhiều Để cân bằng lực hút, ta gắn thêm lò xo kiểm soát đối kháng lại Khi không có dòng điện chạy qua cuộn dây, từ trường sẽ không còn nên kim chỉ thị sẽ trở về vị trí cân bằng ban đầu

Sự chuyển động của kim chỉ thị cũng được đệm để làm dịu, bộ phận đệm gồm một lá nhôm gắn chặt với kim chỉ thị di chuyển trong buồng được che kín

0

1

2

3

Gồm có hai miếng sắt di động được gắn chặt với trục quay, còn miếng sắt

cố định được gắn với vách trong của nòng cuộn dây Khi có dòng điện chạy qua

sẽ từ hóa 2 miếng sắt có cùng cực tính cho nên 2 miếng sắt sẽ đẩy nhau, khi đó miếng sắt di động sẽ di chuyển

dL

M q   q

Tại vị trí cân bằng:

Mq = Mc → KqI2 = Kc

I K

- Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ

- Đo được điện một chiều và xoay chiều

- Khả năng quá tải tốt vì có thể chế tạo cuộn dây phần tĩnh với tiết diện dây lớn

- Do cuộn dây có lõi là không khí nên từ trường yếu, vì vậy độ nhạy kém

và chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài

- Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/d là một đại lượng phi tuyến

- Độ chính xác không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị sai số (do hiện tượng từ trễ, từ dư…)

Ứng dụng:

Thường được sử dụng để chế tạo các loại ampemét, vônmét trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1 -:- 2 Ít dùng trong các mạch có tần số cao

2.4 Cơ cấu đo điện động

2.4.1 Cấu tạo

Hình 2.4: Cơ cấu đo điện động

- Phần tĩnh: gồm cuộn dây cố định (được chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh

- Phần động: gồm một khung dây đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị Thông thường cuộn dây di động không có lõi sắt mà là lõi không khí cho nên tránh được hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy

Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường ngoài

2.4.2 Nguyên lý làm việc

- Khi cho dòng điện một chiều I1, I2 chạy vào cuộn dây phần tĩnh và phần động, làm xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây phần tĩnh Từ trường này tác động lên dòng điện I2 chạy trong cuộn dây phần động tạo ra mômen quay:

2

1 2

1

I I M I L I

L

W e   

Trong đó L1, L2 là điện cảm của các cuộn dây (không phụ thuộc ); M12 là

hỗ cảm của 2 cuộn dây phần tĩnh và phần động (phụ thuộc )

I I K I I d

(Kc: hằng số xoắn của lò xo kiểm soát hoặc dây treo)

i i d

dM d

Trong đó: i1 = I1 sint; i2 = I2 sin(t-)

I1, I2 là các giá trị hiệu dụng của dòng điện lần lượt chạy trong các cuộn dây phần tĩnh và phần động

 là góc lệch pha giữa 2 dòng điện

Do có quán tính nên phần động không kịp thay đổi theo giá trị tức thời Cho nên , trên thực tế người ta lấy giá trị trung bình trong một chu kỳ:





) (

1

2 1 2

1 12 0

I I K I

I d

dM dt t M T

T q

- Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều

- Góc quay α phụ thuộc tích (I1.I2) nên thang đo không đều

- Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha  giữa hai dòng điện nên có thể ứng dụng làm Watt kế đo công suất

- Có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều

- Công suất tiêu thụ lớn nên không thích hợp trong mạch công suất nhỏ

- Chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ

- Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu

- Cấu tạo phức tạp, đắt tiền

Ứng dụng:

- Chế tạo các ampe kế, vôn kế, oát kế một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp; các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ

- Trong mạch có tần số cao phải có mạch bù tần số (đo được dải tần đến 20KHz)

2.5 Cơ cấu đo cảm ứng

2.5.1 Cấu tạo

Hình 2.5: Cơ cấu đo cảm ứng

Phần tĩnh gồm có hai cuộn dây quấn trên mạch từ (lõi thép kỹ thuật) để tạo ra nam châm điện Khi có dòng điện chạy qua các cuộn dây sẽ sinh ra từ trườngmóc vòng qua mạch từ và qua phần động Có ít nhất là 2 nam châm điện

Phần động là một đĩa kim loại thường làm bằng nhôm gắn vào trục quay

và trên có mang kim chỉ thị

2.5.2 Nguyên lý làm việc

Khi dòng điện I1, I2 vào các cuộn dây phần tĩnh → sinh ra các từ thông

Ф1, Ф2 Các từ thông này lệch pha nhau góc  bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tương ứng Từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm phần động → xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → xuất hiện các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2)

Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tương hỗ với các dòng điện Ix1, Ix2 → sinh

ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động)

Mômen quay được tính:

Mq = C.f Ф1.Ф2.sin

Với C là hằng số của cơ cấu đo

 là góc lệch pha giữa I1, I2

Mômen quay cũng được tính:

Mq = Kq.U.I.cos = Kq.P Mômen phản kháng tỉ lệ với tốc độ quay của đĩa nhôm

Mc = Kc.n Khi đĩa nhôm quay đều thì mômen quay bằng mômen phản kháng

Mq = Mc → Kq.P = Kc.n

K

K n

- Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha  giữa I1, I2 bằng π/2

- Cơ cấu đo kiểu cảm ứng chỉ làm việc trong mạch điện xoay chiều

- Có moment lớn, cấu tạo chắc chắn, khả năng chịu quá tải cao

- Độ chính xác thấp do có sai số và do từ trễ nên chủ yếu dùng để đo công suất xoay chiều

- Moment quay phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số

Ứng dụng:

Chủ yếu để chế tạo công tơ đo năng lượng; có thể đo tần số…

Các phương pháp đo dòng điện phổ biến gồm:

- Phương pháp đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo dòng điện như ampe kế, mili ampe kế, micrô ampe kế để đo dòng và trực tiếp đọc kết quả trên thang chia độ của dụng cụ đo

- Phương pháp đo gián tiếp: có thể dùng vôn kế đo điện áp rơi trên một điện trở mẫu (mắc trong mạch có dòng điện cần đo chạy qua); thông qua phương pháp tính toán ta sẽ được dòng điện cần đo

- Phương pháp so sánh: đo dòng điện bằng cách so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác; ở trạng thái cân bằng của dòng cần đo và dòng mẫu sẽ đọc được kết quả trên mẫu Có thể so sánh trực tiếp và so sánh gián tiếp

b Yêu cầu chung

Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện:

- Công suất tiêu thụ: khi đo dòng điện ampe kế được mắc nối tiếp với các mạch cần đo Như vậy ampe kế sẽ tiêu thụ một phần năng lượng của mạch đo gây sai số trong quá trình đo Phần năng lượng này còn được gọi là công suất tiêu thụ của ampe kế PA và được tính: PA = IA

cụ đo xoay chiều phải được thiết kế chỉ để đo ở các miền tần số sử dụng nhất định (dải tần nhất định)

Lưu ý quá trình đo:

- Trước khi đo phải kiểm tra sự an toàn cho người và thiết bị đo; đảm bảo

độ tin cậy của mạch cần đo

- Trong khi đo phải chọn thang đo phù hợp; điều chỉnh kim, que đo đúng

vị trí

- Sau khi đo phải đánh giá kết quả đo được và tính toán được sai số

c Cách tính sai số

Hình 3.1: Mạch đo dòng điện

Mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải như hình vẽ

Gọi: I là dòng điện qua phụ tải khi chưa mắc ampe kế (khi khoá K đóng)

IA là dòng điện qua phụ tải khi mắc ampe kế (khi khóa K mở)

RA là điện trở nội của ampe kế

R là điện trở của phụ tải

U là điện áp nguồn cung cấp cho mạch điện

R R

U I

R R

R I

I I I

Volt kế được mắc song song với phụ tải

Khi điện áp cần đo tạo ra dòng điện nằm trong giới hạn dòng tối đa của cơ cấu, thì ta có thể đo trực tiếp

Khi điện áp cần đo lớn, ta phải mở rộng tầm đo cho volt kế

Khi mắc volt kế vào mạch điện, volt kế sẽ tiêu thụ một phần điện năng nên gây ra sai số trong quá trình đo

Hình 3.2: Mạch đo điện áp

Khi chưa mắc vôn kế, điện áp rơi trên tải:

t

R I

U  Khi mắc vôn kế vào mạch, điện áp rơi trên tải:

v t

v t V

R R

R R I U



Sai số tương đối:

% 100

% 100 (%)

v t

t V

R R

R U

U U U

R

U P

2



Để công suất tiêu hao trên volt kế nhỏ thì nội trở của volt kế phải rất lớn (lớn hơn điện trở tải càng nhiều càng tốt, tốt nhất là 10 lần)

Ví dụ: Một vôn kế có tầm đo 5V được mắc vào mạch như sơ đồ

a Tính giá trị điện áp trên điện trở R2 khi chưa mắc vôn kế vào mạch

b Tính giá trị điện áp trên điện trở R2 khi mắc vôn kế vào mạch (vôn kế

có RV = 100 k)

Biết rằng R1 = 70 k và R2 = 50k

Khi chưa mắc vôn kế, ta có:

) ( 5 50 50 70

12

2 2 1

R R

12

1

R R

50 100

R R R R R

V

V V

td

Ta nhận thấy giá trị đo nhỏ hơn giá trị thực vì lúc này có nội trở của vôn

kế tham gia vào mạch làm cho giá trị của phép đo bị thay đổi

3.2 Đo dòng điện một chiều

3.2.1 Đặc điểm

Để đo dòng điện một chiều ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu điện từ, từ điện hay điện động Thông thường ta sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện vì có độ nhạy cao lại tiêu thụ năng lượng ít khoảng 0,2 -:- 0,4W và vạch chia trên thang

đo đều nên dễ đọc

Khung dây của ampe kế kiểu từ điện được quấn bằng dây đồng có đường kính từ 0,03 -:- 0,2mm, số vòng dây khoảng 300 vòng nên dòng điện cho phép qua cơ cấu đo từ 100µA -:- 20mA và điện trở của cơ cấu đo khoảng 20-:-2000

3.2.2 Phương pháp mở rộng thang đo

Trong quá trình đo dòng điện, đôi khi giá trị cần đo lớn hơn giới hạn cho phép củacơ cấu đo, khi đó ta phải mở rộng thang đo cho ampe kế Phương pháp phổ biến là dùng điện trở Shunt, điện trở Shunt thường làm bằng manganin mắc song song với cơ cấu đo (thường dòng điện đi qua điện trở Shunt lớn hơn dòng điện đi qua cơ cấu đo rất nhiều)

Khi có điện trở Shunt trong mạch đo, dòng điện phân nhánh vào khung quay và điện trở Shunt tỉ lệ nghịch với giá trị điện trở của chúng Để thay đổi giới hạn khung đo của ampe kế, ta thay đổi giá trị điện trở Shunt Ta có thể điều chỉnh giá trị điện trở Shunt để phù hợp cho từng giá trị dòng điện cần đo

S A A

I

I R

Trong đó: IS: dòng qua điện trở shunt

IA: dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu được

I R

A

A A S

Với n = I/IA là hệ số mở rộng thang đo

Ví dụ: Một ampe kế kiểu từ điện có nội trở RA = 99 và dòng điện làm kim lệch tối đa là Imax = 0,1mA Tính giá trị dòng điện tối đa của tầm đo nếu giá trị điện trở shunt là RS = 1

Dòng điện qua điện trở shunt:

) ( 9 , 9 1

1 , 0 99

max

mA R

R I I

Shunt gắn ngoài có 4 cực, 2 cực nhỏ còn gọi là cực áp gắn vào ampe kế và

2 cực lớn còn gọi là cực dòng đấu với cực cần đo dòng điện Khi sử dụng, ta cần lưu ý các cực này tránh nhầm lẫn để không làm hỏng cơ cấu đo

Để có nhiều cấp đo khác nhau (nhiều thang đo), ta có thể mắc các điện trở shunt độc lập hay nối tiếp Điện trở shunt mắc độc lập như hình 1 (song song) ít được sử dụng hơn dạng điện trở shunt mắc nối tiếp (hình 2)

Đối với điện trở shunt mắc nối tiếp, giá trị điện trở thành phần được xác định như sau:

1

1 3 2 1 1

R R

1 2

để có các thang đo 100 µA, 1mA và 10mA

Ta có hệ số mở rộng từng thang đo tương ứng là:

2 50

300 1

1

0 3 2 1 1

R R

1 20

300 1

3 2

3 0 2 1 2

R n

R r R R

R

1 200

300 1

2 3 3

2 3 0 1 3

R R r R

Ví dụ: F = 300A.vòng cho 3 tầm đo I1 = 1A, I2 = 5A, I3 = 10A

Khi đó n1 = 300 vòng cho tầm đo I1 = 1A

n2 = 60 vòng cho tầm đo I2 = 5A

n3 = 30 vòng cho tầm đo I3 = 10ª

* Mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện động bằng cách mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động, trong khi cuộn dây cố định mắc nối tiếp với cuộn dây di động Cách tính toán điện trở shunt cũng giống như ampe kế cơ cấu

kế đo dòng điện một chiều

Riêng cơ cấu từ điện khi dùng phải biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Ngoài ra do tính chính xác của cơ cấu từ điện nên cơ cấu này rất thông dụng trong phần lớn Ampe kế (trong máy đo vạn năng Multimeter, hay còn gọi là V.O.M)

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

Như vậy muốn mở rộng thang đo của ampe kế điện từ chỉ cần thay đổi sao cho IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = = WnIn = const

Ampe kế điện từ có nhiều thang đo được chế tạo bằng cách chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau, khi thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này song song hay nối tiếp ta sẽ có các thang đo khác nhau

Ví dụ: Một ampe kế điện từ có 2 thang đo, ta chia cuộn dây tĩnh thành hai

phân đoạn bằng nhau

Nếu nối tiếp 2 phân đoạn này ta sẽ được dòng điện là I1

Nếu đấu song song hai phân đoạn này ta sẽ được dòng điện là I2 = 2I1

Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng để chế tạo ampe kế điện từ có nhiều nhất là ba thang đo vì khi tăng số lượng thang đo lên việc bố trí mạch chuyển thang đo sẽ phức tạp không thể thực hiện được

Muốn đo các dòng điện có có trị số khác nhau, ta sử dụng biến dòng để cơ cấu đo được đơn giản hơn (sử dụng ampe kềm)

3.3.3 Ampe kế điện động

Thường dùng để đo dòng điện ở miền tần số cao hơn tần số công nghiệp (khoảng 4002000Hz), đồng thời cơ cấu điện động có độ chính xác cao đối với tín hiệu xoay chiều nên cũng thường được sử dụng làm dụng cụ mẫu

Có 2 loại sơ đồ mạch của ampe kế điện động:

- Khi dòng điện cần đo nhỏ hơn hoặc bằng 0,5A thì trong mạch của ampe

kế cuộn dây động và cuộn dây tĩnh ghép nối tiếp với nhau (h.a)

- Khi dòng điện cần đo lớn hơn 0,5A thì trong mạch của ampe kế cuộn dây động và cuộn dây tĩnh ghép song song với nhau (h.b)

Các phần tử R, L trong sơ đồ dùng để bù sai số tần số và tạo cho dòng điện ở 2 cuộn dây trùng pha nhau

Cách mở rộng thang đo và chế tạo ampe kế điện động có nhiều thang đo cũng giống ampe kế điện từ

3.3.4 Ampe kế từ điện chỉnh lưu

Là ampe kế kết hợp cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu diode hoặc chỉnh lưu dùng cặp nhiệt ngẫu

Đối với cơ cấu dùng diode để chỉnh lưu dòng điện, thường gặp các mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ và chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (cầu diode)

Dòng điện qua diode nối tiếp với cơ cấu từ điện là dòng điện xoay chiều

đã chỉnh lưu thành dòng một chiều Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:



T cl cltb i dt I

Với dòng xoay chiều i = Imsint thì I cltb  2 0 , 318I m  0 , 636I m

Trường hợp dòng điện xoay chiều có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu

* Sử dụng cặp nhiệt ngẫu:

Bộ biến đổi nhiệt điện gồm có dây điện trở được đốt nóng bởi trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều cần đo Cặp nhiệt điện được cung cấp nhiệt lượng do dòng điện này sẽ tạo ra điện áp một chiều (dòng điện một chiều) cho

cơ cấu đo:

E0 = Kt.R.Ihd2Trong đó Ihd: giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

R: điện trở của dây đốt nóng

Kt: hằng số tỷ lệ của cặp nhiệt ngẫu

Phương pháp này có ưu điểm là không phụ thuộc vào dạng của tín hiệu xoay chiều, cho phép đo dòng điện ở tần số cao, dãi tần rộng Tuy nhiên nhược điểm là sai số lớn, khả năng quá tải kém, công suất tổn hao lớn

* Để mở rộng tầm đo cho cơ cấu đo từ điện ta cũng có thể sử dụng điện trở shunt

Nếu dòng xoay chiều có dạng hình sin thì điện trở shunt được xác định:

) (

22 , 2 )

(

2 318 , 0

.

max max

RMS I

I R V

RMS I

I R V

R

S

m D

S

m D S







Trong đó: VD: điện áp rơi trên diode

Imax: dòng tối đa của cơ cấu

IS: dòng qua điện trở shunt

Rm: điện trở trong của cơ cấu đo Ngoài việc sử dụng điện trở shunt, ta còn có thể mở rộng tầm đo bằng cách dùng biến dòng TI (CT) TI có số vòng dây cuộn sơ cấp W1 rất ít (thường

là 1 vòng) so với số vòng dây cuộn thứ cấp W2 Khi thay đổi số vòng dây sẽ thay đổi thang đo theo tỉ số W1/W2

Khi sử dụng TI, tuyệt đối không để hở mạch thứ cấp vì lúc đó điện áp ở 2 đầu mạch thứ cấp có thể rất lớn gây nguy hiểm cho thiết bị và người sử dụng

Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, ta nên nối đất bảo vệ cho TI

3.3.5 Ampe kế kìm

Để thuận tiện cho việc đo cường độ dòng điện lớn và hạn chế thao tác khi

đo, người ta sử dụng ampe kìm Đây là một dạng kết hợp đặc biệt của cơ cấu đo với biến dòng TI

Ampe kìm là thiết bị đo dòng điện rất tiện lợi vì khi cần đo dòng điện chạy qua một dây dẫn nào đó, ta không cần ngắt mạch điện để mắc dụng cụ đo vào như các loại ampe kế khác

Mạch từ của máy biến dòng trong ampe kế kìm có thể đóng mở được như một chiếc kìm Khi cần đo dòng điện chạy qua dây dẫn (phụ tải), ta cho dây dẫn vào mạch từ khép kín, dây dẫn có dòng điện cần đo lúc này đóng vai trò cuộn dây sơ cấp của máy biến dòng với số vòng W1 = 1vòng Trên mạch từ ta mắc thêm cuộn thứ cấp W2 vòng, hai đầu cuộn thứ cấp được nối với cơ cấu đo

Chức năng chính của ampe kềm là dùng để đo dòng điện xoay chiều từ 1A đến 600A hoặc lớn hơn tùy theo hãng chế tạo Ngoài ra còn có thêm chức năng đo điện áp và điện trở nhưng không chính xác vì hai chức năng này chỉ là phụ

3 Núm xoay; 4 Nút khóa kim;

5 Nút điều chỉnh 0; 6 Kim đo;

Trong các cơ cấu đo trên, cơ cấu đo kiểu từ điện được sử dụng nhiều hơn

cả vì có độ chính xác cao và tiêu tốn ít năng lượng (tổn hao thấp) Tuy nhiên cơ

OFF



DCV ACV

cấu này có nhược điểm là điện áp định mức khoảng từ 50 - 75mV, cho nên khi

đo điện áp lớn hơn giá trị định mức, ta phải mở rộng thang đo cho vôn kế

3.4.2 Mở rộng thang đo

Để mở rộng thang đo cho vôn kế người ta mắc thêm điện trở shunt nối tiếp với cơ cấu đo Điện trở shunt làm giảm điện áp đặt lên cơ cấu đo, giá trị điện trở shunt càng lớn thì tầm đo điện áp càng cao

V V

S S S S V

V S

U

U R R

U R

U I I

U

Với m = U/UV là hệ số mở rộng thang đo vôn kế

Ví dụ: Một cơ cấu đo từ điện có dòng điện cực đại của khung đo là 60mA,

điện trở của cơ cấu đo là Rm = 10 Tính giá trị điện trở shunt gắn thêm vào để khung đo lệch hết kim khi đo nguồn điện áp 30V





06 , 0

Để tăng tính linh hoạt cho cơ cấu đo có thể đo được ở nhiều thang đo, ta

sử dụng bộ điện trở shunt gồm nhiều điện trở shunt có giá trị khác nhau được mắc nối tiếp với nhau hoặc mắc độc lập với nhau như hình vẽ

Ví dụ: Tính điện trở phụ cho 3 tầm đo 2,5V; 10V và 50V của vôn kế từ

điện có Imax = 100A; Rm = 0,5K (Điện trở phụ mắc nối tiếp)

) ( 5 , 24

1 max

2 1 max

3.5 Đo điện áp xoay chiều

Để đo điện áp xoay chiều, ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện, điện

từ hay điện động kết hợp với bộ chỉnh lưu

3.5.1 Vôn kế từ điện

Do cơ cấu đo từ điện chỉ đo được điện áp một chiều, vì thế để đo điện áp xoay chiều bằng cơ cấu đo kiểu từ điện ta phải chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện một chiều

Để hạn chế sai số, người ta gắn điện trở phụ vừa có tác dụng mở rộng thang đo vừa có tác dụng bù nhiệt Điện trở R1 được làm bằng đồng và R2 được làm bằng manganin, còn tụ điện C dùng để bù sai số do tần số, ta cũng có thể thay tụ điện C bằng cuộn kháng L như hình vẽ

Để mở rộng thang đo cho cơ cấu đo, ta sử dụng điện trở shunt (giống như

đo điện áp một chiều)

Khi đo điện áp xoay chiều ở tần số cao sẽ xuất hiện sai số do tần số Để khắc phục hiện tựong này, ta gắn các tụ điện song song với điện từ các điện trở shunt như hình vẽ

Riêng đối với điện áp lớn hơn 600 V ta có thể sử dụng biến áp đo lường

TU (BU) kết hợp với cơ cấu đo Ta dùng biến áp đo lường để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp Việc sử dụng biến áp đo lường TU có ưu điểm là đảm bảo an toàn trong quá trình đo và tạo ra điện áp phù hợp với điện áp cơ cấu đo

3.5.3 Vôn kế điện động

Vôn kế điện động có cấu tạo tương tự như ampe kế điện động, nhưng số vòng dây ở cuộn tĩnh nhiều hơn và cỡ dây nhỏ hơn do vôn kế cần điện trở nội lớn để hạn chế sai sotrong quá trình đo Ở volt kế điện động, cuộn dây tĩnh và cuộn dây động luôn mắc nối tiếp nhau

Người ta có thể chế tạo volt kế điện động có nhiều thang đo bằng cách thay đổi cách đấu hai phân đoạn cuộn dây tĩnh từ song song sang nối tiếp và nối tiếp với các điện trở phụ

Chương 4

ĐO ĐIỆN TRỞ

4.1 Các phương pháp đo gián tiếp

4.1.1 Đo điện trở bằng Vôn kế và Ampe kế

Theo định luật Ohm , ta có R = U/I

Như vậy để xác định giá trị điện trở ta sử dụng ampe kế và volt kế Đây là phương pháp xác định giá trị điện trở đang hoạt động (đo nóng) theo yêu cầu

Có 2 cách mắc để đo điện trở:

- Mắc rẽ dài: Vôn kế mắc trước, ampe kế mắc sau

- Mắc rẽ ngắn: Ampe kế mắc trước, vôn kế mắc sau

a Mắc rẽ dài

Điện trở cần đo: RX = U/I

Do ampe kế mắc nối tiếp với điện trở tải nên ta có:

U = UA + UR

Trong đó: UA là điện áp rơi trên ampe kế

UR là điện áp rơi trên điện trở

Để giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của ampe kế thì RA<<RX

b Mắc rẽ ngắn

Do vôn kế mắc song song với điện trở tải nên ta có:

I = IV + IR