Bài giảng kỹ thuật đo lường điện 1

Chƣơng KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƢỜNG 1.1 Các khái niệm Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo Kỹ thuật đo lường: ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống Đo lường trình so sánh, định lượng đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng chuẩn hóa (đại lượng mẫu đại lượng chuẩn) Kết đo lường (Ax) giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (Xo): Ax = X/Xo Ví dụ: đo dòng điện I = 5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo dòng điện I, đơn vị đo A(ampe), kết số Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Hệ thống đơn vị chuẩn quốc tế hệ SI, thành lập năm 1960, đơn vị xác định: đơn vị chiều dài mét(m); đơn vị khối lượng kilôgam(kg); đơn vị thời gian giây(s); đơn vị cường độ dòng điện ampe (A); đơn vị nhiệt độ kelvin (K); đơn vị cường độ ánh sáng candela (Cd); đơn vị số lượng vật chất mol (mol) 1.2 Đại lƣợng đo lƣờng Đại lượng đo thông số xác định trình vật lý tín hiệu đo Trong trình vật lý có nhiều thông số trường hợp cụ thể, ta quan tâm đến thông số cụ thể Ví dụ: đại lượng vật lý cần đo dòng điện đại lượng cần đo giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số… Dựa tính chất đại lượng đo, phân đại lượng đo lường thành hai loại bản: - Đại lượng điện - Đại lượng không điện Tùy thuộc vào tính chất cụ thể đại lượng đo ta đưa phương pháp cách thức đo để từ thiết kế chế tạo thiết bị đo 1.1.1 Đại lượng điện a Đại lượng điện tác động Đại lượng điện tác động đại lượng điện có sẵn lượng điện nên đo lường đại lượng này, ta không cần cung cấp cung cấp lượng cho mạch đo Đại lượng điện tác động đại lượng điện áp, dòng điện, công suất Trong trường hợp lượng đại lượng cần đo lớn giảm bớt cho phù hợp với mạch đo Ví dụ điện áp cần đo lớn, ta sử dụng cầu phân áp phù hợp với cấu đo hay thông qua thiết bị khác để giảm nhỏ lượng cần đo Trong trường hợp lượng nhỏ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo hoạt động b Đại lượng điện thụ động Đại lượng điện thụ động đại lượng không mang lượng điện Vì đo lường đại lượng loại này, ta cần phải cung cấp nguồn lượng điện cho mạch đo Đại lượng điện thụ động điện cảm, điện trở, điện dung, hỗ cảm Sau cung cấp lượng điện cho đại lượng này, đại lượng đo lường dạng đại lượng điện tác động Như đại lượng điện thụ động có tiêu hao lượng, phải có yêu cầu riêng cho đại lượng như: tiêu hao lượng ít, cung cấp lượng điện, chất đại lượng điện không thay đổi Ví dụ: dòng điện cung cấp cho điện trở cần đo có trị số lớn khiến cho 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 lượng điện, đại lượng vật lý chẳng hạn nhiệt độ, lực, áp suất, ánh sáng, tốc độ Để đo lường đại lượng vật lý này, người ta có phương pháp thiết bị đo lường thích hợp để chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện Nhất với hệ thống tự động hóa đại cần nhiều thông số để xử lý thông số không điện cần xử lý ngày nhiều Tuy nhiên việc đo đại lượng không điện thường phức tạp rời rạc Do đó, cần chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện để phép đo dễ dàng, thuận lợi, tin cậy xác đồng thời tăng tính tự động hoá Cách thức đo mở rộng kỹ thuật đo lường nói chung cho đại lượng không điện Những thiết bị biến đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện gọi cảm biến điện chuyển đổi 1.3 Các phƣơng pháp đo Để thực phép đo, người ta sử dụng, lựa chọn nhiều cách đo khác phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo Một cách tổng quát, phân loại phương pháp đo sau: - Phương pháp đo trực tiếp: phương pháp đo mà kết nhận từ thị dụng cụ đo thể giá trị đại lượng cần đo mà không cần phải thông qua phép tính toán Nếu bỏ qua sai số phương pháp đo, dụng cụ đo… số dụng cụ đo giá trị thực đại lượng cần đo Phương pháp đo cho kết Ví dụ: Dùng Ôm mét đo trực tiếp điện trở, đọc giá trị điện trở mặt thị dụng cụ đo - Phương pháp đo gián tiếp: phương pháp đo mà kết đo chưa phải giá trị đại lượng cần đo Muốn có giá trị đại lượng đo, ta phải thông qua nhiều phép tính Với phương pháp đo này, thị dụng cụ đo cho ta số liệu sở để tính toán giá trị đại lượng cần đo Ví dụ: Đo điện trở thông qua hiệu điện cường độ dòng điện Dùng Vôn mét Ampe mét để đo điện trở tải Sau có số liệu sở hiệu điện cường độ dòng điện, ta thực phép tính (dựa vào định luật Ôm): R=U/I Ngoài ta 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 phương pháp đo trực tiếp Vì đo trực tiếp thực đơn giản, cho kết dụng cụ đo trực tiếp tương đối rẻ tiền độ xác chưa cao Với phép đo yêu cầu độ xác cao (chính xác đến 0,001%), người ta áp dụng phương pháp so sánh, phương pháp đòi hỏi nhiều thời gian để đo, chỉnh dụng cụ đo phức tạp đắt tiền 1.4 Chức đặc tính thiết bị đo lƣờng Thiết bị đo 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, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường Mỗi loại thiết bị thực chức riêng trình đo lường Các thiết bị đo có chức cung cấp cho kết đo đại lượng khảo sát Kết thị ghi lại suốt trình đo, dùng để tự động điều khiển đại lượng đo Ví dụ: hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo ghi lại kết đo hệ thống hoạt động, giúp cho hệ thống xử lý điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ 1.4.1 Mẫu Là thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý định Thiết bị mẫu phải có độ xác cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo cấp, loại 1.4.2 Dụng cụ đo Là thiết bị để gia công thông tin đo lường thể kết đo dạng số, đồ thị bảng số 1.4.3 Chuyển đổi đo lường Là thiết bị biến đổi tín hiệu đo đầu vào thành tín hiệu thuận tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công lưu giữ mà không cho kết trực tiếp Có loại chuyển đổi: - Chuyển đổi đại lượng điện thành đại lượng điện khác: phân áp, phân dòng; biến áp, biến dòng; A/D, D/A… - Chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện: chuyển đổi sơ cấp - phận đầu đo (cảm biến - sensor): chuyển đổi nhiệt điện trở, cặp nhiệt, chuyển đổi quang điện… 1.4.4 Hệ thống thông tin đo lường Là tổ hợp thiết bị đo thiết bi phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc chuyển dạng để tiện cho việc đo điều khiển Có thể phân hệ thống thông tin đo lường thành nhiều nhóm: - Hệ thống đo lường: hệ thống để đo ghi lại đại lượng đo - Hệ thống kiểm tra tự động: hệ thống thực nhiệm vụ kiểm tra đại lượng đo, cho kết lớn hơn, nhỏ hay chuẩn - Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: hệ thống kiểm tra làm việc đối tượng để chỗ hỏng hóc cần sữa chữa - Hệ thống nhận dạng: hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu cho - Tổ hợp đo lường tính toán: có chức bao quát toàn thiết bị trên, ghép nối hệ thống thông tin đo lường với máy tính; tiến hành đo, kiểm nhận dạng, chẩn đoán điều khiển đối tượng Hệ thống thông tin đo lường phục vụ cho đối tượng gần (khoảng cách 2km) phục vụ cho đối tượng xa, cần phải ghép nối vào kênh liên lạc Một hệ thống gọi hệ thống thông tin đo lường từ xa 1.5 Sai số phép đo 1.3.1 Sai số phép đo Khi đo lường, số dụng cụ đo kết tính toán có sai lệch với giá trị thực đại lượng cần đo Giá trị sai lệch gọi sai số Trong thực tế, thực phép đo, ta thường phải so sánh đại lượng cần đo với đại lượng mẫu thông qua dụng cụ đo cho phép đại lượng cần đo tác dụng trực tiếp lên dụng cụ đo Quá trình thực chất phương pháp vật lý thực nghiệm, nên kết thường giá trị gần Vì phép đo có sai số đó, nghĩa phép đo công nhận sau biết sai số phép đo Muốn có kết xác phép đo trước đo phải xem xét điều kiện đo để chọn phương pháp đo, dụng cụ đo phù hợp tuyệt đối tuân thủ quy định đo lường; sau đo cần phải gia công kết thu nhằm tìm kết xác Nguyên nhân gây sai số thường nguyên nhân chủ quan nguyên nhân khách quan: - Nguyên nhân chủ quan không thành thạo việc thực đo, thao tác chưa xác, chọn phương pháp đo không phù hợp, không tuân thủ qui định sử dụng dụng cụ đo, qui định đo lường… - Nguyên nhân khách quan dụng cụ đo không hoàn hảo, độ xác dụng cụ đo không cao, đại lượng cần đo bị nhiễu, không ổn định, ảnh hưởng điều kiện môi trường… Giá trị thực Xth đại lượng đo: giá trị đại lượng đo xác định với độ xác (thường nhờ dụng cụ mẫu có cáp xác cao dụng cụ đo sử dụng phép đo xét) Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường trước, đánh giá sai số phép đo thường sử dụng giá trị thực X th đại lượng đo Như ta có đánh giá gần kết phép đo Việc xác định sai số phép đo - tức xác định độ tin tưởng kết đo nhiệm vụ đo lường học Sai số phép đo phân loại theo cách thể số, theo nguồn gây sai số theo qui luật xuất sai số Tiêu chí phân loại Theo cách thể Theo nguồn gây số sai số Theo quy luật xuất sai số Loại sai số - Sai số tuyệt đối - Sai số tương đối - Sai số hệ thống - Sai số ngẫu nhiên - Sai số phương pháp - Sai số thiết bị - Sai số chủ quan - Sai số bên Sai số tuyệt đối ∆X: hiệu đại lượng đo X giá trị thực Xth: ∆X = |X - Xth| Sai số tương đối X: tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực tính phần trăm:  X %  X 100% X th X ≈ Xth nên có:  X %  X 100% X Độ xác tương đối: A = 100% - x% Ví dụ: Điện áp đầu điện trở có trị số thực 50V Dùng vôn kế đo 49V Như sai số tuyệt đối ∆X = 1V Sai số tương đối  X %  100%  2% 50 Độ xác A = 98% Sai số hệ thống (systematic error): sai số bản, yếu tố thường xuyên hay có quy luật tác động làm cho kết đo không đổi thay đổi có quy luật không với giá trị thực Sai số hệ thống phụ thuộc vào thiết bị đo, điều kiện môi trường - Sai số thiết bị đo: phần tử thiết bị đo có sai số công nghệ chế tạo, lão hóa sử dụng Để giảm sai số phải bảo trì định kỳ cho thiết bị đo - Sai số ảnh hưởng điều kiện môi trường: nhiệt độ tăng cao, áp suất tăng, độ ẩm tăng, điện trường từ trường tăng ảnh hưởng đến sai số thiết bị đo lường Để giảm sai số cần giữ cho điều kiện môi trường thay đổi, có biện pháp chống ảnh hưởng từ trưởng Sai số ngẫu nhiên: diện sai số chủ quan cách thức đo sai số hệ thống lại sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên sai số mà giá trị thay đổi bất thường không theo quy luật Thông thường sai số ngẫu nhiên thu thập từ số lớn ảnh hưởng nhỏ tính toán đo lường có độ xác cao Cấp xác: Để đánh giá độ xác dụng cụ đo, người ta quy định cấp xác Cấp xác dụng cụ đo giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Cấp xác dụng cụ đo qui định sai số tương đối quy đổi dụng cụ Nhà nước qui định cụ thể:  qdX  X m 100% Xm với ∆Xm- sai số tuyệt đối cực đại; Xm- giá trị lớn thang đo Ví dụ: Dụng cụ đo 5A, cấp xác sai số tuyệt đối phạm phải 5.1% = 0,05 (A) Sau xuất xưởng chế tạo thiết bị đo lường kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hóa xác định cấp xác Từ cấp xác thiết bị đo lường đánh giá sai số kết đo Thường cấp xác dụng cụ đo ghi dụng cụ ghi sổ tay kỹ thuật dụng cụ đo Theo tiêu chuẩn đo dụng cụ có cấp xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; Các dụng cụ đo có cấp xác nhỏ 0,5 thường dùng làm dụng cụ mẫu Các dụng cụ dùng công nghiệp có cấp xác từ -:- 2,5 1.3.2 Tính toán sai số a Sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối định nghĩa biểu thức: ∆X = |X - Xth| Nhưng thực tế sai số tuyệt đối không xác định Xth xác định Cho nên thực tế xác định trị số giới hạn lớn sai số tuyệt đối ∆X mà ∆X = |X - Xth|max Ví dụ: Một điện trở có trị số viết sau: R = 200 ± 20 Ohm ± 20 Ohm có ý nghĩa giới hạn sai số tuyệt đối điện trở đo Nên biểu diễn giới hạn sai số theo phần trăm (%): X (%)  20 100(%)  10% 200 b Sai số tương đối Sai số tương đối xác định theo biểu thức:  X  X 100% X th Trong thực tế trị số sai số tương đối tính theo (%) thường suy từ độ xác cấp xác thiết bị đo thường cho nhà sản xuất thường đựơc ghi thiết bị đo c Sai số tương đối tầm đo (thang đo) Đối với thiết bị đo có nhiều tầm đo khác người ta thường dùng sai số tương đối tầm đo Sai số tương đối tầm đo xác định sau: L  X L Với L trị số lớn tầm đo Ví dụ: Một volt kế có tầm đo – 150V trị số ∆X Volt kế 1V5 Như sai số tương đối tầm đo là: L  1,5  0,01  1% 150 Nếu trị số tầm đo tối đa 100V sai số tương đối thang đo là: L  1,5  0,015  1,5% 100 Như ∆X không đổi tầm đo trị số đo thay đổi số đo nhỏ sai số tương đối lớn Cho nên thông thường ∆X xác định theo tầm đo độ xác thiết bị đo d Sai số tương đối tổng hai đại lượng Nếu đại lượng có tính chất độc lập với đại lượng có trị số sai số tương đối riêng biệt a b Sai số tương đối tổng đại lượng a b xác định:  X ( a b )  a  b ab Ta có:  a  b a  b  b a →  X ( a b )  a.a  b.b ab e Sai số tương đối tích hai đại lượng Nếu đại lượng có tính chất độc lập với đại lượng có trị số sai số tương đối riêng biệt a b Sai số tương đối tích đại lượng a b xác định: x(a.b) = a + b Có thể suy rộng cho nhiều đại lượng độc lập: x = i Ví dụ: Vôn kế ampe kế dùng để xác định công suất tiêu thụ điện trở Cả hai thiết bị có sai số tầm đo 1% Nếu vôn kế đọc tầm đo 150V có thị 80V, ampe kế đọc tầm đo 100mA 70mA Sai số tầm đo vôn kế: 150V x 1% = 1,5 V Sai số trị số 80V: 1,5/80 x 100% = 1,86% Sai số tầm đo ampe kế: 100mA x 1% = mA Sai số 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 giá trị đo xác định qui luật thay đổi sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng phương pháp toán học thống kê lý thuyết xác suất Nhiệm vụ việc tính toán sai số ngẫu nhiên rõ giới hạn thay đổi sai số kết đo thực phép đo nhiều lần, phép đo có kết với sai số ngẫu nhiên vượt giới hạn bị loại bỏ Việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa giả thiết sai số ngẫu nhiên phép đo đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bố chuẩn (luật phân bố Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt giá trị xác suất xuất không kết đo có sai số ngẫu nhiên bị loại bỏ Các bước tính sai số ngẫu nhiên: Xét n kết đo với kết đo thu x1, x2, , xn - Ước lượng trị số trung bình n kết đo: X0  n x1  x2   xn x  i n i 1 n - Xác định độ lệch ngẫu nhiên (còn gọi sai số dư): Ai = |xi – X0| - Sai số ngẫu nhiên xác định: n X  Ai2 A12  A22   An2  i 1  n(n  1) n(n  1) - Giới hạn sai số ngẫu nhiên cho công thức: X = 4,5.X Những trị số đo vượt trị số giới hạn bị loại bỏ - Kết đo viết sau: X = X0  X Ví dụ: Trong thí nghiệm xác định điện trở, lần đo có kết đo 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 điện trở: R0  R1  R2   R8  117,8() Độ lệch ngẫu nhiên: A1 = |R1 – R0| = 1,6; A2 = |R2 – R0| = 0,4; A3 = |R3 – R0| = 0,7; A4 = |R4 – R0| = 0,8; A5 = |R5 – R0| = 0,4; A6 = |R6 – R0| = 0,6; A7 = |R7 – R0| = 0; A8 = |R8 – R0| = 0,3; Sai số ngẫu nhiên: X  A12  A22   A82  0,2 7.8 10 6.3.2 Mạch pha dây Gọi dòng điện chạy pha iA, iB, iC ta có: iA + iB + iC =  iC = - (iA + iB) Công suất tức thời pha: P3P = iAUA + iBUB + iCUC = iAUA + iBUB - (iA + iB)UC = iA(UA - UC) + iB(UB - UC) = iAUAC + iBUBC = P1 + P2 Như công suất mạng pha dây đo Watt kế pha: - Watt kế thứ đo dòng điện pha A điện áp UAC - Watt kế thứ hai đo dòng điện pha B điện áp UBC * A B * * P1 * P2 C Z Z Z Hình 6.8: Dùng Watt kế đo công suất mạch xoay chiều pha dây Trường hợp nối cực tính mà kim Watt kế quay ngược phải đổi chiều cuộn áp cuộn dòng Watt kế Lúc công suất tác dụng mạch pha hiệu số số Watt kế, tức là: P3P = P1 - P2 6.3.3 Phối hợp biến dòng biến áp Trường hợp tải có điện áp dòng điện lớn nên cần phải phối hợp biến dòng, biến áp Watt kế để đo công suất cho tải Hình 6.9: Dùng Watt kế biến dòng đo công suất mạch xoay chiều pha 59 Hình 6.10: Dùng Watt kế biến dòng biến ápđo công suất mạch xoay chiều pha Cách tính công suất thực tế mạch pha 6.4 Đo điện Để đo điện mạch điện xoay chiều người ta dùng công tơ điện (điện kế) Công tơ điện chế tạo dựa cấu cảm ứng, gồm phần phần tĩnh phần động: - Phần tĩnh gồm: + Cuộn dòng mắc nối tiếp với phụ tải (cỡ dây lớn, số vòng dây ít) + Cuộn áp mắc song song với tải (cỡ dây nhỏ, số vòng lớn) + Nam châm chữ U đặt vuông góc với đĩa nhôm để tạo mômen hãm - Phần động gồm: + Một đĩa nhôm mỏng D gắn với trục quay, mép đĩa nằm khe hở mạch từ cuộn dòng cuộn áp Để đĩa nhôm quay đều, người ta gắn thêm nam châm đệm M học có bánh ăn khớp với trục quay + Bộ hiển thị nối liền với hệ thống bánh * Nguyên lý hoạt động: Như trình bày phần trước ta có tốc độ quay đĩa nhôm tỷ lệ với công suất tải n Kq Kc P Điện tiêu thụ: 60 W  P.t  Kc N n.t  Kq C Trong đó: C = Kq/Kc số thực công tơ điện, cho biết số vòng quay công tơ (đĩa nhôm) KWh điện tiêu thụ N = n.t số vòng quay thực tế đĩa nhôm Hình 6.11: Cấu tạo công tơ điện * Cách mắc công tơ điện Sơ đồ đấu dây thường ghi nắp công tơ Tùy theo cách đấu đầu dây cuộn dòng cuộn áp mà ta có cách đấu dây khác phải đảm bảo nguyên tắc cuộn dòng mắc nối tiếp với tải, cuộn áp mắc song song với tải Hình 6.12: Cách mắc công tơ điện pha 61 Hình 6.13: Cách mắc công tơ điện 3 phần tử Hình 6.14: Cách mắc công tơ điện pha phần tử 6.5 Đo góc pha Hệ số công suất cos mạch điện xoay chiều dùng để đánh giá chất lượng mạch điện Trong  góc lệch pha điện áp dòng điện 6.5.1 Đo gián tiếp Hình 6.15: Đo cos vôn kế, ampe kế watt kế Đây phương pháp cổ điển đơn giản, nhiên sơ đồ mắc dây phức tạp sai số lớn Hệ số công suất xác định công thức: cos   P U I 6.5.2 Đo trực tiếp dùng cấu điện động a Trường hợp tải pha 62 Hình 6.16: Cos kế điện động pha Cơ cấu đo kiểu điện động, phần tĩnh phần động chia làm hai cuộn dây mắc nối tiếp Đặc biệt cuộn dây mắc nối tiếp với điện trở R cuộn dây mắc nối tiếp với cuộn kháng L để cho dòng điện IR IL lệch pha góc 90o Ta có: M1 = M.cos M2 = M.sin Trong M1 hệ số hỗ cảm cuộn dây di động với cuộn dây cố định; M2 hệ số hỗ cảm cuộn dây di động với cuộn dây cố định; M hệ số hỗ cảm lớn cuộn dây di động có từ thông (do cuộn dây cố định tạo ra) xuyên qua lớn  góc cuộn dây véc tơ pháp tuyến véc tơ cảm ứng từ Điện áp qua tải: u t  U cos t Dòng điện qua tải: it  I cos(t   ) Mômen quay trung bình cuộn dây 2: M q1  dM UI UI cos   M cos  sin  i d R R M q2  dM UI UI sin   M sin  cos  i d L L Tại trị số i cuộn dây di động Mq1 = Mq2, cuộn dây di động đứng yên góc lệch pha điện áp dòng điện tải xác định: tg  L R tg i Trên cos kế khắc độ theo trị số cos góc lệch pha  có trị số (tương ứng với giá trị cos = 1) 63 Nếu kim cos kế lệch phía (hay phía phải) điện áp nhanh pha dòng điện Nếu kim cos kế lệch phía (hay phía trái) điện áp chậm pha dòng điện b Trường hợp tải pha Hình 6.17: Cos kế điện động pha giản đồ véc tơ điện áp với dòng điện Khi đo hệ số công suất cos ba pha nghĩa ta đo góc lệch pha  dòng điện dây pha với điện áp dây pha tải ba pha Cuộn dây cố định pha kế mắc nối tiếp với tải ba pha điện tải, khung dây mắc pha tải qua trung gian điện trở R có trị số lớn điện cảm cuộn dây có trị số không đáng kể Mômen quay trung bình cuộn dây 2: M q1  M 3UI 3UI 2 sin  cos( I1 ,U AB )  M sin  cos(  ) R R M q2  M 3UI 3UI 2 cos  cos( I ,U AC )  M cos  cos(  ) R R M hệ số hỗ cảm lớn cuộn dây di động song song với trục cuộn dây cố định  góc cuộn dây véc tơ pháp tuyến véc tơ cảm ứng từ Tại trị số i cuộn dây di động Mq1 = Mq2, cuộn dây di động đứng yên: sin  i cos(   tg i  2 2 )  cos  i cos(  ) 3 cos(  2 / 3) cos(  2 / 3) Góc lệch pha điện áp dòng điện tải xác định: cos = G (i) 64 Chƣơng MÁY HIỆN SÓNG 7.1 Khái niệm chung Máy sóng phương tiện đo lường vạn dùng để quan sát dạng tín hiệu đo tham số tín hiệu Theo nguyên lý hoạt động, máy sóng phân làm loại máy sóng máy sóng điện tử Máy sóng máy sóng với chuyển đổi học, máy sóng điện tử sử dụng ống tia điện tử Máy sóng loại có độ nhạy nhỏ, độ tin cậy kém, dải tần thấp ngày sử dụng Hiện người ta chủ yếu sử dụng máy sóng điện tử Máy sóng điện tử phân loại theo nhiều cách khác Tuỳ theo số lượng tia điện tử người ta phân biệt máy sóng tia, máy sóng tia máy sóng nhiều tia Tùy theo độ lưu ảnh huỳnh quang người ta phân biệt máy sóng không lưu ảnh (với thời gian lưu ảnh nhỏ 0,1 giây) máy sóng lưu ảnh (với thời gian lưu ảnh từ 0,1 giây trở lên) Tuỳ theo chức người ta phân biệt máy sóng thông dụng máy sóng chuyên dụng (chỉ sử dụng lĩnh vực đặc biệt theo mục đích đề chế tạo) Tuỳ theo trường điều khiển tia điện tử, phân biệt máy sóng điều khiển điện trường hay máy sóng điều khiển từ trường Việc điều khiển từ trường có nhược điểm công suất tiêu thụ lớn, gây nhiễu chịu ảnh hưởng nhiễu, kết cấu cồng kềnh nên ngày hầu hết không sử dụng Ở phần ta nghiên cứu loại máy sóng tia điều khiển điện trường, loại máy sóng thông dụng 7.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc Bộ phận chủ yếu máy sóng ống tia điện tử, thực chức vẽ dạng tín hiệu máy sóng Ống tia điện tử ống thuỷ tinh chứa chân không, bên chứa điện cực xếp theo quy luật định Về cấu tạo coi ống tia điện tử gồm phần bản: súng điện tử, phận làm lệch, huỳnh quang 65 Hình 1.1 Cấu tạo ống phóng tia điện tử CRT Phần thứ gọi súng điện tử có tác dụng tạo chùm tia điện tử nhỏ, bắn tới huỳnh quang làm phát sáng huỳnh quang Súng điện tử gồm: sợi đốt S, katốt K, lưới điều chế L, anốt A1 anốt A2 Khi katốt K bị nung nóng sợi đốt S phản xạ điện tử bề mặt xuất lớp mây điện tử Dưới tác dụng điện dương so với katốt anốt A1 (khoảng 300V đến 500V) anốt A2 (khoảng 1,5 KV đến KV) điện tử bị hút ảnh M Khi qua điện trường lưới L anốt A1 điện trường anốt A1 anốt A2 điện tử hội tụ lại thành tia mảnh Các điện trường nói đóng vai trò thấu kính điện tử để hội tụ tia điện tử Trong vai trò điện trường anốt A1 A2 quan trọng Vì người ta dùng để thay đổi độ hội tụ, cụ thể thay đổi điện anốt A1 nhờ chiết áp R2 anốt A2 nối đất đồng thời thay đổi điện anốt A1 A2 Cách thứ đơn giản tránh ảnh hưởng điện A2 tới trường điều khiển hệ thống làm lệch Núm chiết áp R2 đưa mặt máy với ký hiệu độ hội tụ Thay đổi điện anốt A1 thay đổi độ hội tụ chùm tia điện tử nên anốt gọi anốt hội tụ Thay đổi điện anốt A2 thay đổi tốc độ chùm tia điện tử nên anốt A2 gọi anốt tốc độ Tuy nhiên việc thay đổi điện anốt A2 làm ảnh hưởng tới độ nhạy ống tia điện tử nên thực tế không thay đổi điện anốt A2 Để điều chỉnh độ sáng phải thay đổi vận tốc chùm tia điện tử (nghĩa thay đổi động làm phát sáng lớp huỳnh quang), phải thay đổi mật độ điện tử chùm tia Muốn thay đổi vận tốc điện tử phải thay đổi điện anốt mà chủ yếu anốt A1 anốt A2, điều ảnh hưởng tới độ nhạy ống tia điện tử, ảnh hưởng lớn tới độ hội tụ Do thông thường người ta điều chỉnh độ sáng hình ảnh thay đổi 66 mật độ chùm tia điện tử nhờ thay đổi điện lưới điều chế L Vì lưới điều chế L sát katốt K, nên cần đến thay đổi nhỏ điện âm (thường từ đến 100V) nó, làm thay đổi lớn mật độ chùm tia điện tử bay tới Điện lưới điều chế L thay đổi nhờ chiết áp R1, chiết áp đưa mặt máy với ký hiệu độ sáng Như nhờ súng điện tử tạo chùm tia điện tử điều chỉnh để chùm tia điện tử hội tụ điểm huỳnh quang đèn ống tia điện tử điều chỉnh mật độ điện tử chùm tia nên điều chỉnh độ sáng tối hình ảnh đèn ống tia điện tử Phần thứ hai hệ thống làm lệch tia điện tử theo chiều thẳng đứng nằm ngang Hệ thống làm lệch gồm hai cặp phiến làm lệch đặt trước sau vuông góc với bao quanh trục ống Một cặp theo phương thẳng góc gọi cặp phiến làm lệch Y, cặp theo phương nằm ngang gọi căp phiến làm lệch X Hai cặp phiến lệch dọc lệch ngang tạo hai trường tĩnh điện điều khiển tia điện tử theo trục dọc trục ngang Nếu cặp phiến làm lệch có đặt điện áp (gọi điện áp điều khiển) khoảng không gian chúng tạo thành điện trường Khi điện tử qua phiến, bị tác dụng điện trường mà bị thay đổi quỹ đạo chuyển động Khoảng cách lệch điểm sáng chùm tia tạo nên so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường thời gian bay điện tử qua khoảng không gian phiến Vì tác dụng hai cặp phiến làm lệch nên ta xét cặp phiến Y làm ví dụ Điện áp điều khiển đặt lên cặp phiến lệch dọc Uy Điện áp Uy gây điện trường cặp phiến Y Cường độ điện trường lớn, thời gian bay lâu độ lệch quỹ đạo tăng Phần thứ ba ảnh M đèn ảnh lớp huỳnh quang phủ lên lớp đáy đèn Màu sắc độ lưu ảnh phụ thuộc vào chất huỳnh quang khác phủ lên Khi có điện tử đập vào huỳnh quang điểm điểm phát sáng 67 Chƣơng CÁC BỘ CẢM BIẾN Trong hệ thống điều khiển tự động, tự động hóa trình sản xuất công nghiệp hệ thống thông tin đo lường, cảm biến (sensor) có nhiệm vụ cảm nhận thông tin, thông số đối tượng biến đổi thành đại lượng điện Các cảm biến tiếp xúc trực tiếp không trực tiếp tiếp xúc với đối tượng Tùy theo nhiệm vụ cảm biến ta có cảm biến vị trí, cảm biến nhiệt độ, cảm biến mức … CẢM BIẾN VỊ TRÍ 1.1 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng Hình 8.1 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng mạch từ hở gồm cuộn dây xoay chiều lõi sắt Khi cuộn dây cấp điện, từ trường khép kín lõi thép phần không khí phía Mạch từ hở nên từ trở lớn, điện kháng cuộn dây nhỏ nên dòng qua cuộn dây lớn Khi miếng sắt chuyển động qua mạch từ mạch từ khép kín, từ trở giảm từ thông tăng mạnh, điện kháng cuộn dây tăng dòng qua cuộn dây giảm Nếu mắc nối tiếp cuộn dây với rơle miếng sắt tức vật chuyển động qua, dòng điện lớn làm rơle hút Khi có vật chuyển động qua rơle nhả Các tiếp điểm rơle dùng để điều khiển mạch cần thiết Để nâng cao độ tin cậy cho tác động rơle, cuộn dây mắc song song với tụ điện C cho mạch LC tạo cộng hưởng dòng miếng sắt khép kín mạch từ (hình 8.2a) 68 Nếu sử dụng rơle chiều mắc nối tiếp với cuộn dây qua cầu điốt hình 8.2b a) CB vị trí có cộng hưởng dòng b) CB vị trí với rơle chiều Hình 8.2 Cảm biến vị trí không tiếp điểm kiểu cảm ứng Hình 8.3 cảm biến vị trí dùng rơle lưỡi gà có kích thước nhỏ, tần số thao tác lớn Hai tiếp điểm platin gắn đầu hai dẫn thép lò xo kiểu lưỡi gà đặt ống thủy tin chân không khí trơ Khi có nam châm chuyển động qua, từ trường nam châm gây nhiễm từ làm tiếp điểm hút nối kín mạch Khi nam châm, lực đàn hồi hai dẫn làm mở tiếp điểm Hình 8.3 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng loại dùng rơle lưỡi gà 1.2 Cảm biến vị trí kiểu quang học Cảm biến vị trí kiểu quang học gồm phát nhận Phần tử phát thường đèn LED phát ánh sáng đến nhận Phần tử nhận điốt quang, điện trở quang, tranzitor quang … có ánh sáng chiếu vào làm thay đổi điện trở làm thông mạch Các cảm biến quang học sử dụng phổ biến công tắc quang học, ưu điểm có tuổi thọ cao, không rung động tác động nhanh Tuy nhiên 69 nhược điểm độ xác tác động bị hạn chế môi trường làm việc bụi, khói … độ suốt, màu sắc đối tượng Hình 8.4 Cách bố trí phát nhận Hiện người ta sử dụng cảm biến quang học có sợi quang Sợi quang có lõi làm vật liệu có chiết suất lớn nhiều so với không khí, bên lõi lớp màng vỏ có chiết suất nhỏ Hình 8.4 Cảm biến quang học dùng sợi quang CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở Cảm biến nhiệt điện trở cảm biến mà nhiệt độ thay đổi điện trở thay đổi theo quy luật định a) b) Hình 8.5 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (a) bán dẫn (b) 1- Nhiệt điện trở 2- Vỏ bảo vệ 3- Dây nối 70 2.2 Cảm biến nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu (dây) kim loại khác hàn lại với Khi nhiệt độ hai mối hàn khác mạch xuất sức điện động nhiệt hình thành dòng điện gọi dòng nhiệt điện Để có sức điện động lớn người ta thường ghép nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện lại thành Cặp nhiệt điện lồng vào ống sứ cách điện bảo vệ vỏ thép không gỉ, chịu nhiệt độ cao Hình 8.6 Cặp nhiệt ngẫu CẢM BIẾN ÁP SUẤT Dưới tác dụng áp suất, vật bị biến dạng chuyển động Để cảm nhận áp suất, người ta thường dùng cảm biến ống, Hình 8.7 Các cảm biến áp suất: a), b) ống buốc đông; c), d) màng Hình 8.7a ống Bourdon kim loại hình chữ C, áp suất khí ống tăng lên đầu tự chữ C duỗi Hình 8.7b ống Bourdon lò xo, áp suất khí ống tăng lên đầu tự lò xo xoay chuyển góc Hình 8.7c cảm biến áp suất loại màng, màng căng phồng áp suất khí buồng tăng lên Hình 8.7d cảm biến áp suất dùng màng nhăn (lượn sóng) CẢM BIẾN LỰC 4.1 Cảm biến điện trở ten xơ (điện trở lực căng) 71 Đây loại cảm biến mà tác dụng lực gây biến dạng điện trở bị thay đổi Vật liệu làm cảm biến số kim loại, hợp kim bán dẫn 4.2 Cảm biến áp điện Cảm biến áp điện dựa hiệu ứng áp điện số vật liệu thạch anh, muối Sê nhét… Đó tượng xuất điện tích trái dấu bề mặt đối diện vật liệu chịu tác dụng lực Các điện tích trái dấu xuất hai phía đối diện tạo điện áp tỷ lệ với lực tác dụng khuếch hiển thị xử lý hệ điều khiển tự động CẢM BIẾN LƢU LƢỢNG Cảm biến lưu lượng biến tín hiệu tốc độ dòng chảy thành tín hiệu điện, thông qua tín hiệu điện để xác định lưu lượng Với chất lỏng dẫn điện (dung dịch muối, bazơ, axit…) sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall Đó tượng có dòng điện chạy qua dây dẫn đặt từ trường vuông góc với dòng điện dây dẫn xuất điện trường ngang vuông góc với dòng điện từ trường Cấu tạo thực tế cảm biến loại sau: Hình 8.8 Cảm biến lưu lượng chất lỏng dẫn điện Chất lỏng dẫn điện chảy ống dẫn không dẫn từ đặt từ trường nam châm điện xoay chiều Dưới tác dụng từ trường, dòng chất lỏng dẫn điện chảy qua ống làm xuất điện áp đưa mạch khuếch đại qua hai điện cực Độ lớn điện áp tỷ lệ với dòng điện xoay chiều cấp cho nam châm điện tốc độ dòng chảy Từ tính lưu lượng dòng chảy: Q D v Trong đó: D đường kính ống dẫn 2; v tốc độ dòng chảy 72 73 ... định điện trở, lần đo có kết đo sau: R1 = 11 6,2; R2 = 11 8,2; R3 = 11 8,5; R4 = 11 7; R5 = 11 8,2; R6 = 11 8,4; R7 = 11 7,8; R8 = 11 8 ,1 Ta có giá trị trung bình điện trở: R0  R1  R2   R8  11 7,8()... Volt kế 1V5 Như sai số tương đối tầm đo là: L  1, 5  0, 01  1% 15 0 Nếu trị số tầm đo tối đa 10 0V sai số tương đối thang đo là: L  1, 5  0, 015  1, 5% 10 0 Như ∆X không đổi tầm đo trị số đo thay... Chủ yếu để chế tạo công tơ đo lượng; đo tần số… 21 Chƣơng ĐO DÕNG ĐIỆN – ĐIỆN ÁP 3 .1 Cơ sở chung 3 .1. 1 Đo dòng điện a Các phương pháp đo Trong đại lượng điện, dòng điện điện áp đại lượng Vì công