phương pháp đo dòng điện

 Sai số do nhiệt độ Cuộn dây trong dụng cụ đo được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó có thể thay đổi theo nhiệt độ  I chạy qua cuộn dây  nung nóng dây  Rd thay đổi  Sai

 Khái niệm chung

 Các dụng cụ đo dòng điện

 Đo dòng điện nhỏ

 Đo dòng điện lớn

 Do dòng là phép đo rất hay gặp trong kĩ thuật điện

 Dòng điện đo có phạm vi rộng 10-9 A đến 107 A.

 Các phép đo dòng điện: đo trực tiếp, đo gián tiếp, so sánh…

 Dòng điện có các dạng cơ bản sau

 Các dạng dòng điện xoay chiều

• Dòng điện tức thời

• Dòng điện hiệu dụng

• Dòng điện trung bình

 Sai số phụ do quá trình đo lường

Trong đó: I – dòng điện qua tải trước khi mắc ampe kế

IA – số chỉ ampe kế

 Công suất tiêu thụ trong mạch ampemet

 công suất tiêu thụ trên ampe kế càng nhỏ cảng tốt,

điện trở càng nhỏ càng tốt.

 Sóng hài trong đo dòng điện

 Thành phần dao động điện từ bậc cao hơn tần số cơ bản

 Gây nên tổn thất sắt từ , gây nhiễu, giảm công suất thiết bị so vớiđịnh mức, gây ra các dao động cơ học làm hỏng thiết bị

 Xét sóng hài gây ra trong một số thiết bị

 Đối với động cơ:

Với I1, … In : các thành phần dòng điện hài

 Tổn thất động cơ:

 Đối với máy biến áp

 Đối với tụ điện

 Ảnh hưởng sóng hài đến phép đo dòng điện

 Hệ số méo dòng điện (THD)

 Sai số do sóng hài bậc cao xâm nhập vào tổng trở điện cảm

 Sơ đồ mắc và một số loại ampe mét

 Ampe mét một chiều – Điện trở Shunt

 Ampe mét một chiều có dòng qua nhỏ

0,1 ÷ 0,2 A

 Để mở rộng thang đo, ta mắc thêm

điện trở Shunt như hình vẽ

n: hệ số mở rộng thang đo

 Với ampe mét có I<30A, điện trở

Shunt đặt trong vỏ ampe mét

 Với ampe mét có I>30A, điện trỏ

Ict

rct

IsI

1



 n R

Rs g

 Bài tập 1:

 Một ampe-kế dùng cơ cấu đo từ điện có điện trở cơ cấu đo Rm

= 99 Ω và dòng làm lệch tối đa Imax=0.1mA Điện trở Shunt Rs=1 Ω.

 Tính dòng điện tổng cộng đi qua ampe kế trong các trường hợp

• Kim lệch tối da

• 0,5Dm

 Điện trở Shunt

 Mở rộng nhiều thang đo  mắc nhiều điện trở Shunt nối

tiếp/song song với nhau

Mắc song song: thuận lợi cho việc sửa chữa, hiệu chỉnh giá trị các shunt

Nhưng số điện trở tăng lên

Mặt khác khi chuyển mạch tiếp xúc xấu hoặc không tiếp xúc các shunt bị loại khỏi mạch, gây ngắn mạch, hỏng thiết bị

 Bài tập 2:

 Một cơ cấu từ điện có 3 điện trở Shunt được mắc theo kiểu Shunt ayrton sử dụng làm ampe kế với mạch đo như hình vẽ

 R1=0.05Ω , R2=0.45Ω , R3=4,5Ω

 Rm = 1kΩ , Imax = 50μA

 Tính các trị số tầm đo của ampe kế

 Bài tập 3:

 Một cơ cấu từ điện có Rm = 1kΩ , Imax = 0.1mA Tính các

điện trở Shunt được sử dụng trong 2 cách mắc nối tiếp và song song, để tạo ampe mét có 3 tầm đo tương ứng là 50mA , 100mA , 1A

 Các loại điện trở Shunt trong kĩ thuật

 Sai số do nhiệt độ

 Cuộn dây trong dụng cụ đo được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó có thể thay đổi theo nhiệt độ

 I chạy qua cuộn dây  nung nóng dây  Rd thay đổi  Sai số phép đo dòng điện

 Khắc phục: mắc Rbù bằng Mn hoặc Constantan với cuộn dây.

 Nếu Rbù = 9Rdây  RA = 10.Rdây

 Khi Rdây thay đổi 1%  RA thayđổi 0,1%

 Ampe mét xoay chiều

 Đo dòng xoay chiều miền tần số công nghiệp  ampemet từ điện chỉnh lưu, ampemet điện từ, và ampemet điện động

 Ampe mét điện từ:

 Dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ, mỗi ampe kế được chế tạo có số ampe vòng nhất định (I.W = const)

 Để mở rộng thang đo  thay đổi cách mắc dây

 dùng bộ biến áp dòng điện

• Mở rộng thang đo thỏa mãn :

I.W = const

• Ampe mét nhiều thang đo : thay

đổi cách mắc dây nối tiếp hoặc

song song

 Ampe mét điện động

 Đo dòng ở tần số 400Hz hoặc lớn hơn, độ chính xác cao (0,5 – 0,2)

 Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh vàcuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song

Các điện trở và cuộn dây (L3, R3) , (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt và sai số do tần số

 Ampe mét chỉnh lưu

 Dụng cụ đo dòng xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu diode

 ampe kế chỉnh lưu có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do

hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số

 Dòng điện chỉnh lưu

: chỉnh lưu nửa chu kì

: chỉnh lưu 2 nửa chu kì

 Ampe mét chỉnh lưu

 Mở rộng thang đo cho ampe

mét dùng điện trở Shunt

Cho Rm = 1k và Imax = 100µA Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết rằng ở tầm đo A dòng điện tối đa qua cơ cấu đo

là 1mA, tầm đo B dòng điện tối đa qua cơ cấu đo là 5mA và tầm đo C dòng điện tối đa qua cơ cấu đo 10mA Biết UD = 0.6V.

 Mở rộng thang đo dùng biến dòng

• Cuộn sơ cấp biến dòng có W1 nhỏ

 I2 = I1 /W2

• Dòng qua ampe mét nhỏ hơn rất nhiều so với dòng tải

 Máy biến dòng (CT hoặc BI )

 Máy biến dòng thường có cấp chính xác: 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 ; 10

 Trạng thái không tải của biến dòng là ngắn mạch thứ cấp

 Dòng ra thứ cấp định mức: 1A, 5A, 10A

 Quy ước máy biến dòng: 100A/5A

 Ampe mét nhiệt điện

 dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện

 Khi có dòng xoay chiều đi qua nhiệt điện trở làm điện trở bị đốt nóng  làm nóng đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu  đầu tự do sẽ xuất hiện sức điện động

 Sức điện động Et tạo ra trên cơ cấu từ điện góc quay α

 Ampe kế dùng hiệu ứng Hall

 Tạo ra hiệu điện thế tỉ lệ với dòng điện cần đo

 Dòng điện phản hồi iS được chuyển hóa thành hiệu điện thế ra vS nhờ bộ khuếch đại điện

 Tỷ lệ giữa số vòng cuốn trên lõi sắt từ m ( khoảng 1000 - 10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần đo và dòng phản hồi: iS = 1/m · iP

Ưu điểm: - Hiệu điện thế trên cuộn dây quấn vào đầu đo nhỏ

- Đo dòng xoay chiều có tần số 0 – 100KHz

- Hệ thống an toàn do cách điện với mạch điện

 Dòng điện nhỏ Ix << ICT , thường trong khoảng 10-5 ÷ 10-10 A

 Dụng cụ đo dòng nhỏ: điện kế cơ điện, điện lượng kế, các dụng cụ điện tử có KĐ xoay chiều, chỉnh lưu… kết hợp với chỉ thị cơ điện

 Điện kế từ điện có khung quay

 Đo dòng rất nhỏ, có độ nhạy cao

 Góc quay kim tỉ lệ với dòng điện:

 Nâng cao độ nhạy:

• Tăng B: dùng nam châm kích thước lớn

• Giảm hệ số xoắn của lò xo: dùng dây treo mảnh

• Dùng hệ thống quang học để tăng khoảng cách từ bộ phận động đến thang chia độ.

 Khuếch đại điện kế

 Tăng độ nhạy về dòng và áp

 Tăng độ ổn định

 Nâng cao đặc tính tần số của thiết bị đo

1: chuyển đổi sơ cấp 2: chuyển đổi đo lường 3: khuếch đại điện tử

4: cơ cấu thứ cấp (bộ phận chỉ thị)

 Đo từ trường sinh ra quanh dây dẫn

• Khi có dòng điện đi vào dây dẫn

 trong khe hở không khí có từ cảm B

• Đo Ix : tạo mạch từ trở hình xuyến lồng vào dây dẫn

• Đo B suy ra được dòng cần đo Ix

0 x

B  I





 Đo dòng 1 chiều lớn

 Bộ biến dòng biến dòng điện I cần đo có trị số lớn thành dòng điện trị số nhỏ mà cơ cấu đo điện từ có thể làm việc được

Cuộn dây W1 mắc nối tiếp với dòng điện cần đo

Cuộn dây W2 mắc với ampe mét điện từ

(W2>W1)

: hệ số biến dòng

Để có các thang đo khác nhau

 biến dòng có cuộn thứ cấp có nhiều

đầu ra

 Đo dòng 1 chiều lớn

 Biến dòng một chiều

• W1 mắc vào mạch 1 chiềucần đo dòng điện

• W2 mắc vào mạch xoaychiều

• Đảm bảo an toàn cho người sử dụng

• Thang đo thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi số lượng vòng dây

 Đo dòng xoay chiều lớn

 Kết hợp biến dòng xoay chiều với các ampe mét

 Biến dòng làm việc ở chế độ biến áp ngắn mạch vì RA nhỏ

 Hệ số biến dòng

 Để đo dòng xoay chiều lớn, kết hợp biến dòng và ampe mét xoaychiều chọn phù hợp thang đo với dòng thứ cấp (I2) của biến dòng

I

k W W

II21  12 

Chương 8 : Đo điện áp

 Khái niệm chung

 Các dụng cụ đo điện áp

 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Đo điện áp bằng phương pháp số

Nội dung

 Đo điện áp là phép đo phổ biến trong các ngành

 Khoảng giá trị điện áp đo rộng (vài μV đến vài trăm kV), trong dải tần số rộng (vài Hz đến vài nghìn MHz), và dưới nhiều dạng tín hiệu điện áp khác nhau

 Các dạngđiện áp xoay chiều

 Điện áp tức thời với biên độ Um: u

 Điện áp hiệu dụng Uhd , U

 Điện áp trung bình Utb , U0

 : hệ số biên độ của tín hiệu điện áp

 : hệ số dạng của tín hiệu điện áp

Khái niệm chung

 Dụng cụ đo điện áp là vôn mét

Ut  E khi rn << Rt

Khi có thêm điện trở vôn mét Rv

Ut  E khi rn << Rt và rn << Rv

Như vậy khi mắc vôn mét vào tải sẽ gây sụt áp trên tải

Khái niệm chung

t

t n

n t

n

U

/ 1

n v

t v t

R R R

//

 Sai số do quá trình đo lường

 Ví dụ: Một nguồn điện áp , điện trở trong Rn =

2 , cấp cho tải có điện trở 15 Dùng vôn mét có điện trở 1500 , cấpchính xác 0,5 để đo điện áp tải Xác định kết quả đo và sai số tương đốicủa phép đo ?

(xem lý thuyết phần sai số gián tiếp p.22, sách giáo trình )

 Sóng hài điện áp

Khái niệm chung

 Vôn mét một chiều (vôn mét từ điện)

 Đo điện áp có trị số nhỏ 50 ÷ 70 mV

 Mở rộng thang đo: mắc thêm điện trở phụ vào cơ cấu đo

Các dụng cụ đo điện áp

 

ct x

ct p

U U n

R n

 Vôn mét từ điện

 Mở rộng nhiều thang đo: mắc nối tiếp các điện trở phụ khác nhau vào

cơ cấu đo

Các dụng cụ đo điện áp

Ví dụ: Tính điện trở cho 3 tầm đo V3=5V , V1=10V, V2=50V Cho vônkế dùng cơ cấu từ điện Imax = 0.1mA , Rm=0.5kΩ, sử dụng sơ đồ mắc nối tiếp các điện trở phụ

 Vôn mét xoay chiều

 Là sự kết hợp cơ cấu từ điện và mạch chỉnh lưu để đo điện áp xoaychiều

Các dụng cụ đo điện áp

 Tính toán cho vôn mét chỉnh lưu

Các dụng cụ đo điện áp

ầ đ

 Cho mạch vôn-kế như hình 2.17, Rm = 1k và Imax = 50µA Hãy xác địnhgiá trị điện trở R1, R2, R3 biết rằng ở tầm đo C điện áp tối đa là 5VAC(hiệu dụng), tầm đo B điện áp tối đa là 10VAC và tầm đo A điện áp tối đa20VAC Biết VD = 0.6V.

Ví dụ

 Vôn mét điện từ

 Đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp

 Số vòng trên cuộn dây tĩnh lớn, cỡ 1000 – 6000 vòng

 Mở rộng nhiều thang đo: mắc nối tiếp các điện trở phụ với cuộn dây

Các dụng cụ đo

Tụ điện C: dùng để bù sai số do tần số đo lớn hơn tần số công nghiệp

 Vôn mét điện từ

 Vôn mét điện động

 Cấu tạo phần động giống ampe mét điện động

 Phần tĩnh có số vòng dây nhiều hơn, vì vôn mét yêu cầu điện trở tronglớn

 Mở rộng thang đo: thay đổi cách mắc song song hoặc nối tiếp các phânđoạn cuộn tĩnh và nối tiếp với điện trở phụ

Các dụng cụ đo

 Dùng để mở rộng thang đo cho các điện áp cỡ kV trở lên

 Cuộn sơ cấp có nhiều vòng dây, nối với điện áp cần đo

 Cuộn thứ cấp có số vòng ít hơn, được nối với vôn mét

 Hệ số biến áp

 Thường chọn điện áp phía thứ cấp của biến điện áp100V Phía sơ cấp được chế tạo tương ứng với cấp củađiện áp lưới

 Khắc độ vôn mét theo điện áp sơ cấp

Biến điện áp xoay chiều

1

2 2

 Nguyên lý đo

 Uk = Rk I : điện áp mẫu, chính xác cao

 CT là thiết bị tự động phát hiện chênh lệch điện áp ∆U = Ux – Uk , gọi

là cơ quan chỉ không

 Nếu ∆U ≠ 0 thì điều chỉnh con trượt D của điện trở mẫu Rk sao cho Ux

 Điện thế kế một chiều điện trở lớn

 Giữ dòng điện ổn định Ip

 Thay đổi Rk để thay đổi Uk bù với điện áp Ux cần đo

 Điều chỉnh con trượt đến khi điện kế chỉ 0

 Điện áp cần đo Ux = Rk Ip

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Điện thế kế một chiều điện trở nhỏ

 Giữ nguyên điện trở mẫu Rk

 Điều chỉnh khóa K thay đổi các

dòng công tác sao cho điện kế chỉ

gi : điện dẫn các điện trở mắc song song

ở đầu vào bộ KĐTT

 Điện thế kế một chiều tự động

cân bằng

 Việc cân bằng giữa điện áp cần

đo và điện áp mẫu được thực hiện

tự động

 Sử dụng rộng rãi để đo các đại

lượng không điện, thường gặp

nhất là đo nhiệt độ thông qua cặp

nhiệt ngẫu

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Điện thế kế xoay chiều

 So sánh điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu khi có dòngcông tác chạy qua

 Ux và Uk cân bằng, phải điều chỉnh cân bằng cả về modun và pha

 2 loại điện thế kế xoay chiều

 Tọa độ cực

 Tọa độ decac

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Tọa độ cực:

 điện áp cần đo Ux được cân bằng với điện áp

rơi trên điện trở R

 Dòng công tác Ip được xác định nhờ ampe mét

chính xác cao và điện trở điều chỉnh Rđ/c

 Cần có bộ điều chỉnh pha cung cấp nguồn cho

mạch

 Điện thế kế xoay chiều

 Tọa độ decac

 dùng 2 cuộn dây đặt gần nhau, hỗ cảm của chúng phân Uk thành 2 thành phần lệch nhau góc 90 o , và Ux sẽ cân bằng với tổng 2 vecto thành phần này

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Điện thế kế tự động tự ghi

Đo điện áp bằng phương pháp so sánh

 Vôn mét điện tử xoay chiều

 Vôn mét điện tử loại khuếch đại – tách sóng

 Vôn mét điện tử loại tách sóng – khuếch đại

 Vôn mét xoay chiều loại khuếch đại – tách sóng

 Đo điện áp nhỏ hơn điện áp vôn mét chỉnh lưu (0,1V)

 Khối phân áp: tăng điện trở vào chung cho cả vôn mét ở các thang đokhác nhau, bù tần số cho vôn mét ở các dải tần khác nhau

 Tách sóng: biến điện áp xoay chiều thành dòng điện, hay điện áp DC

Vôn mét điện tử tương tự

Phân áp

vào Bộ lặplại Phân ápcơ bản Khuếch đạidải rộng chỉnh lưuSơ đồ

 Vôn mét điện tử xoay chiều loại tách sóng – khuếch đại

 Đo điện áp trung bình

 Bộ tách sóng: biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều

 Thang đo khắc độ theo biên độ hoặc trị hiệu dụng của điện áp vào

 Chỉ thị là vôn mét điện tử một chiều nhiều thang đo có điện trở vào khálớn

 Độ nhạy cao, dải đo rộng, khả năng chịu quá tải cao

 Cần có nguồn ổn định, chỉnh 0 trước khi đo

Vôn mét điện tử tương tự

~ Ux Tách

sóng Phân áp Lọc Khuếch đạimột chiều

 Đươc sử dụng rộng rãi vì khả năng chính xác cao, gọn nhẹ, thuận tiện cho người sử dụng

 3 loại:

 Vôn mét số chuyển đổi thời gian

 Vôn mét số chuyển đổi tần số

 Vôn mét số chuyển đổi trực tiếp

Vôn mét số

 Nguyên lý:

 Biến đổi điện áp cần đo (Ux) thành khoảng thời gian (t), sau đó lấp đầykhoảng thời gian bằng các xung mang tần số chuẩn (f0), dùng bộ đếm

để đếm số lượng xung (N) tỉ lệ với Ux để suy ra Ux

Vôn mét số chuyển đổi thời gian

 Làm việc:

 Thời gian từ t1 đến t2 tương ứng với tx, từ đó ta có mối quan hệ

Vôn mét số chuyển đổi thời gian

rcmac

x ctr

Ux tỉ lệ với số lượng xung đến

bộ đếm trong thời gian tx sẽ là:

x rc

ctr x







Số lượng xung n được khắc độ

theo giá trị điện áp

 Quá trình lượng tử hóa tín hiệu điện áp vào (ADC một lần tích phân)

Vôn mét số chuyển đổi thời gian

 Biểu đồ thời gian chuyển đổi

Ux Udac

Xung đếm Khởi động

Uđk Uc Điện áp lấy ra

Bắt đầu một chu kì mới

Vôn mét số chuyển đổi thời gian

 Ví dụ: Một chuyển đổi ADC 12 bit loại 1 lần tích phân, điện áp

tham chiếu Uref = 2,5V, tần số xung nhịp là f0=1MHz Điện áp cần chuyển đổi Ux=1,7V

 Xác định tín hiệu số ở đầu ra và thời gian chuyển đổi

 Nếu muốn cho đầu ra UN = 1700 thì điện áp tham chiếu sẽ là bao nhiêu

Vôn mét số chuyển đổi thời gian

 Nguyên lý:

 So sánh điện áp cần đo Ux với điện áp chuẩn Uk

 Tùy thuộc vào việc gia công tín hiệu Uk và quy trình so sánh với Ux mà

có 2 loại chuyển đổi trực tiếp kiểu bù quét và chuyển đổi trực tiếp kiểutùy động

 Kiểu bù quét

Vôn mét số chuyển đổi trực tiếp

 Kiểu tùy động

 Điện áp Ux được so sánh với điện áp bù Uk

Bắt đầu từ t1 Uk tăng dần đến thời điểm t2

khi Ux ≈ Uk, xuất hiện bất pt

Ux – Uk < ΔUk kết thúc quá trình đo, cho ra

kết quả ở chỉ thị số

Vôn mét số chuyển đổi trực tiếp

Ux - Uk = ∆U > 0, tín hiệu ∆U qua khuếch đại có lệch đến thông khoá K và điều khiển bộ đếm làm việc ở chế độ cộng

Ux - Uk = ∆U < 0 thì khuếch đại có lệch tạo xung thông khoá K, điều khiển bộ đếm làm việc ở chế độ trừ

Ux ≈ Uk khóa K đóng,

kết thúc quá trình đo

 Đối với điện áp cỡ kV thì việc đo điện áp không thể dùng các dụng

cụ bình thường, mà phải sử dụng máy biến áp (VT) để chuyển đổi

từ cao áp xuống hạ áp ( đọc sách Giáo trình )

 Đo điện áp xung cao áp: xung cao áp thường dùng kiểm tra độ bền của thiết bị  đo xung cao áp ( đọc sách giáo trình )

Đo điện áp cao