Giáo trình đo lường điện - Phần 2

 laø nhieät ñoä cuûa löu löôïng tröôùc khi vaøo hoäp ño coâng suaát. C: dung löôïng nhieät theå tích rieâng cuûa chaát loûng. G: löu löôïng theå tích cuûa chaát loûng.  Nhaän xeùt : p[r]

(1)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm

* A

V

Cx IL

Rx0

A

V Cx

IL Rx=0

W

Chương 6 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM , HỔ CẢM

6.1 Đo điện dung, điện cảm hổ cảm volt kế ampe kế:

6.1.1 Đo điện dung [F ]:

Trong thực tế, dịng điện I qua tụ điện không lệch pha 900 điện áp rơi tụ điện tổn hao bên tụ điện Nguyên nhân điện trở rỉ (nội trở) giá trị điện dung thực, nghĩa tụ điện khơng cách điện hồn tồn

Khi tụ điện khơng có xét đến tổn hao nội trở gây gọi tụ điện lý tưởng Xét hai mạch đo điện dung hình vẽ sau:

a)Không xét tổn hao tụ (Rx=0) b)Xét tổn hao (Rx0)

Hình 6.1: Mạch đo điện dung Trong trường hợp có xét tổn hao tuỳ thuộc vào góc  :

+ Nếu  nhỏ (tụ điện có điện mơi khơng khí, tụ Mica, tụ Polystyrene…) sơ đồ mạch tương đương tụ điện có tổn hao tụ Cx mắc nối tiếp với điện trở nội Rx, xem hình 6.2

Hình 6.2: Mạch đo điện dung với  nhỏ *

A

V

Cx

UA IL

W

(2)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm + Nếu  lớn (tụ giấy) sơ đồ mạch tương đương tụ điện có tổn hao tụ Cx mắc song song với điện trở nội Rx, xem hình 6.3

Hình 6.3: Mạch đo điện dung với  lớn

Lưu ý: nguồn cung cấp cho mạch đo phải tín hiệu hình sin có độ méo dạng nhỏ (hoạ tần xem không đáng kể) Biên độ tần số tín hiệu phải ổn định

- Cách xác định giá trị Rx, hình 5.1b: 2 I

P

Rx  [] (6.1)

P số công suất [W], I số ampe kế [A] - Tổng quát, cách xác định giá trị ZC hình 5.1:

2

       



x x

c

c R

I U Z

 [] (6.2)

U số volt kế [V]

2

x c x

R Z C

 



 [F ] (6.3)

Nhận xét:

- Phương pháp dùng Watt kế khơng xác xác định điện dung có góc nhỏ Để đo tụ điện có góc nhỏ dùng phương pháp cầu đo

* A

V UA Cx

W

(3)

6.1.2 Đo điện cảm [H]:

Hình 6.4: Mạch đo điện cảm

Mạch đo điện cảm mắc hình 5.4, tổng trở ZL điện cảm xác định:

2

) ( x

x

L R L

I U

Z    [] (6.4)

Điện cảm tính: 2

X L

X Z R

L  

 [H]

(6.5)

Trong đó: Rx xác định trước, U I số Volt kế ampe kế Công suất tổn hao cuộn dây xác định Watt kế

6.1.3 Đo hổ cảm:

Hình 6.5: Mạch đo hổ cảm

Hệ số hổ cảm M hai cuộn dây (do tương tác gây ra) xác định bởi: I

U M I

U M



    (6.6)

Trong đó: 2f , U I số Volt kế Ampe kế Ngồi ra, người ta tính hệ số hổ cảm M theo công thức sau:

M M

* A

*

V

*

* V

* A

V

W

(4)

R n n

M  (6.7)

Trong đó, n1 n2 số vòng dây cuộn tương ứng, R từ trở mạch từ

* Xét trường hợp cuộn dây mắc nối tiếp cực tính (nghĩa đầu cuối cuộn nối với đầu cuộn 2) mạch từ Khi đó, tổng điện cảm cuộn dây xác định:

2 2

1 ( )

1

2M Z R R

L L

La     a  

 (6.8)

Za tổng trở hai cuộn dây:

I U

Za  , U I số Volt kế ampe kế

R1 R2 điện trở cuộn dây

* Xét trường hợp hai cuộn mắc nối tiếp khác cực tính (nghĩa đầu cuối cuộn nối tiếp với đầu cuối cuộn 2) mạch từ, điện cảm xác định:

2 2

1 ( )

1

2M Z R R

L L

Lb     b  

 (6.9)

Zb tổng trở hai cuộn dây:

I U

Zb  , U I số Volt kế ampe kế

Lưu ý: đầu cuộn dây biểu thị dấu chấm tròn sơ đồ mạch

Từ phương trình 6.8 6.9 ta tính hệ số hổ cảm M sau:

4

b

a L

L

M   [H] (6.10)

6.2 Đo điện dung điện cảm cầu đo:

(5)

6.2.1 Cầu Wheastone:

`

Hình 6.6: Cầu Wheastone

Z1, Z2, Z3 Z4 tổng trở tương ứng, số thực hay số phức Số phức số bao gồm thành phần thực thành phần ảo: Z= A +jB

A thành phần thực, B thành phần ảo Ví dụ: Z = 2+j3 []

Cầu Wheastone cân bằng, nghĩa kim điện kế G số 0, tương ứng với điều kiện:

Z1Z4=Z2Z3 (6.11)

Công thức (5.11) áp dụng theo quy tắc anpha

6.2.2 Caàu đo đơn giản:

6.2.2.1 Đo điện dung:

Hình 6.7: Đo điện dung R3 R4 điện trở mẫu thay đổi C1 tụ điện mẫu thay đổi

CX tụ điện cần đo

Nguồn cung cấp tín hiệu hình sin (với độ méo dạng nhỏ) f=1KHz (tần số âm tần) hay tần số điện lưới 50Hz

Khi cầu đo cân bằng, áp dụng cơng thức (5.11), ta có: Z2

Z4 Z3

Z1

CxZ2

R4Z4 Z3R3

(6)

3

1

R C j R C

j  x



1

C R R

Cx  [F] (6.12)

6.2.2.2 Đo điện cảm:

Hình 6.8: Đo điện cảm L1: điện cảm mẫu có giá trị thay đổi

Lx: điện cảm cần ño

R3 R4 điện trở mẫu thay đổi Khi cầu đo cân bằng, áp dụng cơng thức 5.11, ta có:

3

1R j L R L

j   x

1

L R R

Lx  (6.13)

 Nhận xét:

Phương pháp cầu đo đơn giản xác định giá trị Cx hay Lx tuý mà chưa xét tổn hao tụ điện hay cuộn dây tương ứng

6.2.3 Cầu đo phổ quát (universal bridge):

6.2.3.1 Đo điện dung:

Trong thực tế mạch tương đương tụ điện dung có dạng tuỳ theo hao điện dung Do chất lượng điện dung đánh giá qua hệ số D tụ điện

Trường hợp điện dung có hao nhỏ, nghĩa trị số D nhỏ (D<0.1) sơ đồ mạch tương đương bao gồm Cx mắc nối tiếp Rx, giá trị Dnt tính:

LxZ2

R4Z4 Z3R3

(7)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm Trong đó:

x x

x

C j R Z



1

 

Vậy D tính theo cơng thức sau: 

 x x x

x

nt R C

C R

D  

1

(6.14)

Trường hợp ngược lại, điện dung có hao lớn, D lớn (D>0.1) sơ đồ mạch tương đương bao gồm Cx mắc song song với Rx, giá trị Dss tính:

nt x x x

x ss

D C R C

R

D 1  



 (6.15)

Sơ đồ mạch cầu đo phổ quát với điện dung có tổn hao nhỏ (D<0.1):

Hình 6.9: Cầu Sauty (D<0.1) Khi cầu Sauty cân bằng, ta được:

4

1

R C

j R R

C j R

x

x 

  



Cân phần thực:

R R R

Rx  (6.16)

Cân phần ảo:

C R R

Cx  (6.17)

Hệ số tổn hao: Dnt RxCx R1C1 (6.18) Lưu ý: giá trị Cx Rx không phụ thuộc tần số

 Bài tập:

Cho cầu đo Sauty, biết C1=0.1F, R3=10K, R4=14.7K người ta điều chỉnh giá trị điện trở mẫu R1=125 thấy cầu cân Hãy xác định giá trị Cx, Rx D

biết tần số tín hiệu 100Hz Bài giải:

(Rx nt Cx) Z2

R4Z4 Z3R3

(8)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm Aùp dụng công thức cầu cân Sauty, ta được:

F F K K C R R

Cx 0.1 0.068

7 14 10           

 14.7 183.3 10 125 K K R R R Rx

Hệ số tổn hao:   1 2 1 2 100*125*0.1*10 0.008



 



R C RC fRC

Dnt x x

Sơ đồ mạch cầu đo phổ quát với điện dung có tổn hao lớn (D>0.1):

Hình 6.10: Cầu Nernst (D>0.1) Khi cầu đo cân bằng, ta có:

)

( )

(

1 x x C j R R C j R

R     

Cân phần thực:

3 R R R

Rx  (6.19)

Cân phần ảo: C1R3 CxR4

1 C R R Cx 

 (6.20)

Hệ số tổn hao:

nt x x ss D C R C R

D 1

1    

 (6.21)

6.2.3.2 Đo điện cảm:

Phẩm chất cuộn dây có điện cảm Lx xác định hệ số Q Cơng thức tính hệ số phẩm chất Q:   

x x Z Z Q Re Im 

* Nếu cuộn dây có hao nhỏ Q<10 (điện trở cuộn dây nhỏ) có mạch (Rx//Cx)Z2

R4Z4 Z3R3

(9)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm  

  x

x x x nt R L Z Z

Q   

Re

Im (6.22)

* Nếu cuộn dây có hao lớn Q>10 (điện trở cuộn dây lớn) mạch tương đương Rx mắc song song với Lx, hệ số phẩm chất Q tính theo cơng thức (6.23):

 

  x

x x x x x ss L R R L Z Z Q      1 Re Im (6.23)

Sơ đồ mạch cầu đo phổ quát với cuộn dây có hệ số phẩm chất nhỏ Q<10:

Hình 6.11: Phương pháp cầu đo Maxwell-Wien

Lưu ý: dùng điện cảm mẫu cầu đo chúng dễ gây nhiễu ảnh hưởng đến nhau, khơng xác, khó cân

Khi cầu cân bằng:

4 3 ) ( R L j R C j R

R    x   x

Cân phần thực:

3 R R R

Rx  (6.24) Cân phần ảo:

4 R L R

C  x

 

4 3RR C Lx 

 (6.25)

Hệ số phẩm chất: C3R3 R L Q x x nt   

 (6.26)  Bài tập:

(Rx nt Lx) Z2

R4Z4 Z3 (C3//R3)

(10)

Chương : Đo điện dung,điện cảm,hổ cảm Cho cầu đo Maxwell-Wien, biết C3=0.1F, R1=1.26K, R3=470, R4=500 thoả mãn cầu cân Hãy xác định giá trị Lx, Rx Q biết tần số tín hiệu 200Hz

Bài giải:

     

 K K

R R R

Rx 500 1.34

470 26 mH R R C

Lx  3 1 4 0.1*1061.26*103*50063

Heä số phẩm chất:   3 2 *200*0.1*10 *4700.06

    R C R L Q x x nt

Sơ đồ mạch cầu đo phổ quát với cuộn dây có hệ số phẩm chất lớn Q>10:

Hình 6.12: Cầu Hay Khi cầu cân baèng:

) ( 1 3 C j R L j R R R x x     

Cân phần thực:

3 R R R

Rx  (6.27)

Cân phần ảo:

x x C L R R    3R R C Lx 

 (6.28)

Hệ số phẩm chất:

nt x x ss Q R C L R

Q 1

3     

(Rx //Lx) Z2

R4Z4 Z3(C3 nt R3)

(11)

6.3 Đo hổ cảm:

6.3.1 Cầu đo Maxwell:

Hình 6.13: Cầu Maxwell đo hỗ cảm

Trong mạch có: M1 hổ cảm mẫu (có thể thay đổi được), Mx hổ cảm cần đo, R1 hộp điện trở L cuộn dây thêm vào để cân điện cảm mạch

2

1i j (L L)i Ri M

j í     (6.29)

2 2 Ri i L j i M

j x í   x  (6.30)

Chia (6.30) cho (6.29), ta được:

1

2 j (L L) R

R L j M

Mx x

 

 

 

Cân phần thực phần ảo, ta được:

1

1 R

R L L

L M

Mx x 



 (6.31)

Lx L

Cuộn dây cộng hưởng điện cảm

R1:Hộp điện trở R2

L1

* *

* Hổ cảm mẫu

*

Hổ cảm cần ño

i2 i2

(12)

6.3.2 Caàu Heavyside:

Hình 6.14: Cầu Heavyside

Trong mạch M hổ cảm cần đo cuộn dây, cuộn dây thứ cấp có điện cảm L2

1 4i R i

R  (6.32)

) ( )

( )

(R3 jL3 i3  R1 jL2 i1 jM i1i3 (6.33) Chia phương trình (5.32) cho (5.33), ta được:

)] (

[ ) (

4 2

1 3

2

R MR M L j R R L j R

R        (6.34)

Cân phần thực:

4

R R R

R  (6.35) Cân phần ảo:

4

2

R R

R L R L M

 

 (6.36)

i1+ i3 *

R1

i3

i3 *

L2

L3

R3

R2

(13)

Chương : Đo điện áp đo dịng điện

Chương 7 ĐO ĐIỆN ÁP VÀ ĐO DÒNG ĐIỆN

7.1 Đo dòng điện DC:

7.1.1 Nguyên lý đo:

Các cấu đo điện từ, từ điện điện động hoạt động với dòng điện DC chúng dùng làm thị cho ampe kế DC

Muốn đo giá trị đo khác ta cần phải mở rộng tầm đo cho thích hợp

7.1.2 Mở rộng tầm đo:

7.1.2.1 Mở rộng tầm đo cho cấu đo từ điện: dựa vào điện trở Rs

Hình 7.1: Cách mở rộng tầm đo cấu đo từ điện Rs điện trở shunt

Rm điện trở nội cấu đo Dòng điện đo: I = Im + Is

Trong đó: Im dịng điện qua cấu đo Is dòng điện qua điện trở shunt Cách tính điện trở shunt Rs:

max max

I I

R I R

c m s



 (7.1)

Imax dòng điện tối đa cấu đo Ic dòng điện tối đa tầm đo  Bài tập 1:

Cho sơ đồ mạch hình 7.1, biết Imax 50A Rm =1K Ic =1mA, tính Rs

I Im G

IS RS

(14)

Chương : Đo điện áp đo dịng điện Giải

p dụng cơng thức (6.1), ta có   

    52.6 10

50 10

10 10 50

6

3

s

R  Bài tập 2:

Cho sơ đồ mạch hình 7.1, biết Imax 2.5mA Rm =1K Ic =100mA, tính Rs Đối với ampe kế có nhiều tầm đo dùng nhiều điện trở shunt để mở rộng tàm đo chuyển tầm đo chuyển điện trở shunt hình 7.2

Hình 7.2: Cách mở tầm rộng tầm đo dùng nhiều điện trở shunt * Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton:

Hình 7.3: Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton Điện trở shunt B: Rsb = R1 + R2 + R3

Điện trở shunt C: Rsc = R1 + R2 điện trở R3 nối tiếp với cấu thị

Điện trở shunt D: RsD = R1 điện trở R2 R3 nối tiếp với cấu thị

D B

C R3

R2

I Im G

I1 R1

Rm RSn ISn

IS2 I

G Im

IS1 RS1

Rm

(15)

Chương : Đo điện áp đo dịng điện Cho sơ đồ mạch Ayrton, Rm=1K Imax 50A Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 1mA, tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 10mA tầm đo D dòng điện tối đa qua cấu đo 100mA

Giải

Ở vị trí B: Imax 50A, Ic =1mA: p dụng cơng thức (7.1), ta có:

     

    52.6 10 50 10 10 10 50 3 R R R

Rs (a)

Ở vị trí C: Imax 50A, Ic =10mA: Aùp dụng công thức (7.1), ta có:

199 10 50 10 10 ) ( 10 50 3 3 R K R R R K

Rs    

  

   (b)

Ở vị trí D: Imax 50A, ID =100mA: Aùp dụng công thức (7.1), ta có:

1999 10 50 10 100 ) ( 10

50 3 2

1 3 R R K R R R K

Rs    

   

    (c)

Giải phương trình (a), (b) ta được:

3 52 199 R R K      

R3 47.237

thay R3 vào (c), tính R1=0.526

Từ (1) suy giá trị R2 = 4.737

7.1.2.2 Mở rộng tầm đo cho cấu đo điện từ:

Thay đổi số vòng dây cho cuộn dây cố định cho lực từ cuộn dây có dịng điện chạy qua tác dụng lên lõi sắt phần động không đổi, tức là:

F n1I1 n2I2 n3I3 (7.2)

 Bài tập 4:

(16)

p dụng cơng thức (7.2), ta có n1=300 vịng

n2 = 60 voøng n3 =30 voøng

7.1.3 Mở rộng tầm đo cho cấu đo điện động:

Hình 7.4: Cách mở rộng tầm đo cho cấu đo điện động Cuộn cố định có đặc điểm sợi to, vịng

Cuộn di động có đặc điểm sợi nhỏ, nhiều vòng

Mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động, cuộn dây cố định mắc nối tiếp với cuộn di động

Cách xác định điện trở shunt tương tự ampe kế kiểu cấu đo từ điện nêu phần a)

7.2 Đo dòng điện AC:

7.2.1 Nguyên lý đo:

Các cấu đo điện từ cấu đo điện động hoạt động với dòng điện AC Riêng cấu đo từ điện cần phải biến đổi dòng điện AC thành dòng điện DC trước sử dụng

7.2.1.1 Mạch chỉnh lưu Diode:

Hình 7.5: Mạch chỉnh lưu diode dùng cấu đo từ điện

Cuộn di động Cuộn cố định

Cuộn cố định

Rt

Rs

D G

cl

(17)

Chương : Đo điện áp đo dòng điện

hd m

m m

T

cl

cl i dt I tdt I I I

i sin 0.318 0.318

2

1 /2

0

 

  

  



(7.3) Lưu ý: dịng điện AC có dạng hàm sin tuần hồn

Nếu dòng điện AC có dạng iclphụ thuộc vào dạng tần số tín hiệu

7.2.1.2 Mạch chỉnh lưu cầu diode:

Hình 7.6: Mạch chỉnh lưu cầu diode dùng cấu đo từ điện

Khi dùng cầu diode dịng điện AC chỉnh lưu hai chu kỳ giá trị trung bình xác định:

hd m

m m

T

cl

cl i dt I tdt I I I

i 1 sin 0.636 0.636

2 / 0

 

  

  



(7.4)

7.2.1.3 Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện:

Phương pháp biến đổi nhiệt điện bao gồm điện trở đốt nóng cặp nhiệt điện Điện trở đốt nóng dịng điện AC cần đo Chính nhiệt lượng cung cấp cho cặp nhiệt điện tạo điện áp DC cung cấp cho cấu đo từ điện

Hình 7.7: Phương pháp biến đổi nhiệt điện

Tính chất phương pháp biến đổi nhiệt điện: khơng phụ thuộc tầnsố dạng tín hiệu, cần quan tâm đến thay đổi nhiệt độ môi trường

Nhiệt lượng: E = KT RI2 i

G

(18)

Chương : Đo điện áp đo dịng điện KT số đặc trưng cặp nhiệt điện

R điện trở dây đốt nóng

I giá trị hiệu dụng dòng điện cần đo

7.2.2 Cách mở rộng tầm đo: 7.2.2.1 Dùng điện trở shunt:

Hình 7.8: Mở rộng tầm đo dùng cho cấu đo điện từ

Diode mắc nối tiếp với cấu đo từ điện, dịng điện chỉnh lưu qua cấu đo, dòng điện qua Rs dòng AC

Im dòng điện qua cấu đo Immax dòng điện cực đại

Imax dòng điện cực đại cho phép qua cấu đo

max max 0.318

318

0 I I I

icl  m  m 

Giá trị dòng điện hiệu dụng dòng điện AC qua Rs:

2 318

max I I

Is  c  Ic dòng điện cần đo Điện trở Rs xác định:

s m D

s

I I R U

R 0.318

max



 [] (7.5)

 Bài tập 5:

Cho sơ đồ mạch hình 7.9, Rm=1K Imax 50A Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo A dòng điện tối đa qua cấu đo 250mA, tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 500mA tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 750mA Lưu ý: diode loại 1N4007

D Rm G

(19)

Hình 7.9: Mở rộng tầm đo dòng điện AC cách dùng điện trở mắc song song

Giaûi

Diode loại 1N4007, chọn điện dẫn cho diode UD=0.6V Aùp dụng cơng thức (7.5), cho tầm đo:

Tại tầm đo A, ISA = 250mA:

        84 10 250 318 10 50 1000 318 max sA m D I I R U R

Taïi tầm đo B, ISB = 500mA:

        68 10 500 318 10 50 1000 318 max sB m D I I R U R

Taïi tầm đo C, ISC =750mA:

        52 10 750 318 10 50 1000 318 max sC m D I I R U R R3 I3 C B A

D Rm G

I2

I1 R1

(20)

7.2.2.2 Dùng phương pháp biến dòng:

Hình 7.10: Dùng phương pháp biến dòng Nguyên tắc hoạt động biến dòng dựa tượng hổ cảm

n1i1=n2i2 (7.6)

i1 dòng điện tải cần đo i2 dòng điện qua cấu đo

7.3 Đo điện áp DC:

7.3.1 Nguyên lý đo:

Hình 7.11: Mạch đo điện áp DC Điện áp cần đo chuyển thành dòng điện đo qua cấu thò

max I R R

V I

m s

do

do 



 (7.7)

Các cấu đo từ điện, điện từ điện động dùng làm volt kế đo DC cách nối thêm điện trở Rs để hạn dòng

Riêng cấu đo điện động cuộn dây cố định cuộn dây di động mắc nối tiếp

Rs Rm G

(21)

Hình 7.12:Mở rộng tầm đo:

Đối với cấu đo từ điện cách mắc nối tiếp thêm điện trở Rs để mở rộng tầm đo Nghĩa là, thay đổi tổng trở vào lớn tầm đo điện áp cao người ta thường dùng trị số độ nhạy /VDC để xác định tổng trở vào tầm đo.

 Bài tập 6:

Volt kế có độ nhạy 20K/VDC tầm đo 2.5V có tổng trở vào bao nhiêu?

Giaûi

Tổng trở vào Volt kế Zv = 2.5V*20K/V=50K Lưu ý: nội trở Volt kế cao giá trị đo xác

Hình 7.13: Cách mở rộng tầm đo

Hình 7.14: Cách mở rộng tầm đo theo kiểu Ayrton  Bài tập 7:

Cho sơ đồ mạch hình 7.13, biết Volt kế dùng cấu từ điện có Rm=1K

A

Imax 100 Ở tầm đo V1=2.5V, V2=20V, V3 = 50V Hãy tính điện trở cịn

lại

Cuộn di động Cuộn cố định

Cuộn cố định

Rs

V3 V2 V1 G

Rm R1

R2 R3

R3 R2

G R1

Rm

(22)

Ở V1=2.5V, ta có:      K

I V R

R m 25

10 100

5

6 max

1

1 (d)

Maø Rm = 1K nên R1=24K

Ở V2=20V, ta có:       K

I V R R

R m 200

10 100

20 max

2

2 (e)

Từ (d) (e) suy R2 =175K

Ở V3=50V, ta có:        K

I V R R R

R m 500

10 100

50 max

3

2

3 Suy R3=300K

Lưu ý để Volt kế có độ xác cao nên chọn sai số R1,R2,R31%/VDC volt kế

 Bài tập 8:

Volt kế dùng cấu đo điện từ có cuộn dây cố định, dịng Imax 50mA Rm=100, tầm đo 0300V Xác định R nối tiếp với cấu đo công suất P

Giải

Ta có,      K

I V R

R m

10 50

300 max

Maø Rm = 100 nên R=5.9K

Công suất P: P RImax2 5.9000*(50.10 3)2 14.75W



7.4 Đo điện áp AC:

7.4.1 Nguyên lý đo:

Tương tự đo dòng điện AC, cấu đo điện động điện từ phải mắc điện trở nối tiếp với cấu đo Volt kế DC, hai cấu đo hoạt động với giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều

(23)

7.4.2 Mạch đo điện áp cấu đo từ điện:

Hình 7.15: Mạch đo điện áp AC cấu đo từ điện D1 chỉnh lưu dòng điện AC nửa chu kỳ dương

D2 cho dòng điện nửa chu kỳ âm qua (không qua cấu đo) điện áp nghịch không rơi D1 cấu đo, tránh điện áp nghịch lớn đo điện áp AC có giá trị lớn

Điện trở Rs nối tiếp tầm đo điện áp UAC xác định: D m m S

AC R R I U

U (  ) 

2 318 / max I

U U I

U U R

R AC D

m D AC m S

 

  

 (7.8)

 Bài tập 9:

Cho hình 7.16, Rm=1K Imax 50A Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo C điện áp tối đa 5VAC, tầm đo B điện áp tối đa 10VAC tầm đo A điện áp tối đa 20VAC Lưu ý: diode loại 1N4007

Hình 7.16: Mở rộng tầm đo điện áp AC dùng điện trở mắc nối tiếp A

B C

D1

D2

G Rm

UAC

R3 R2

R1

D1 Rs

D2

(24)

Diode loại 1N4007, chọn điện dẫn cho diode UD=0.6V Aùp dụng công thức (7.8), cho tầm đo:

Tại tầm đo C, UAC = 5V:

       

  K

I U U I U U R

R AC D

m D AC

m 39.5

2 318 / 10 50 318 / max      

R3 39.5 Rm 39.5 38.5K Tại tầm đo B, UAC = 10V:

        

  K

I U U I U U R R

R AC D

m D AC

m 84.5

2 318 / 10 50 10 318 / max        

R2 84.5 Rm R3 84.5 38.5 45K

Tại tầm đo A, UAC = 20V:

         

  K

I U U I U U R R R

R AC D

m D AC

m 174.5

2 318 / 10 50 20 318 / max          

R1 174.5 Rm R3 R2 84.5 38.5 45 90K

7.4.3 Mạch đo điện áp AC dùng biến đổi nhiệt đổi:

Thang đo Volt kế AC ghi theo giá trị hiệu dụng sử dụng phương pháp chỉnh lưu trung bình Riêng phương pháp dùng biến đổi nhiệt điện gọi volt kế AC có giá trị hiệu dụng thực

(25)

Chương : Đo điện áp đo dịng điện Rt điện trở nhiệt cần đo điện áp Các điện trở R1, R2 R3 điện trở mở rộng tầm đo

Ôn tập cuối chương

7.1) Cho sơ đồ mạch hình 7.12, biết Volt kế dùng cấu từ điện có Rm=1K

A

Imax 50 Ở tầm đo V1=2.5V, V2=20V, V3 = 50V Hãy tính điện trở cịn lại

7.2) Cho sơ đồ mạch hình 7.13, biết Volt kế dùng cấu từ điện có Rm=1K

A

Imax 50 Ở tầm đo V1=0.5V, V2=2.5V, V3 = 10V Hãy tính điện trở cịn

lại

7.3)Cho sơ đồ mạch hình 7.9, Rm=1K Imax 50A Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo A dòng điện tối đa qua cấu đo 250mA, tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 500mA tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 750mA Lưu ý: diode loại 1N4007

(26)

Chương : Đo tần số

Chương 8 ĐO TẦN SỐ

Tần số số chu kỳ dao động đơn vị thời gian, đơn vị tần số Hz

Trong kỹ thuật vô tuyến, đo tần số dùng trường hợp khắc độ chuẩn lại máy tạo tín hiệu đo lường, máy phát, máy thu; xác định tần số cộng hưởng mạch dao động; xác định dãi thông lọc, mạng bốn cực, kiểm tra mức độ lệch tần số thiết bị công tác,…

8.1 Đo tần số mạch điện có thông số phụ thuộc tần số

8.1.1 Phương pháp cầu:

Hình 8.1: Đo tần số mạch điện phụ thuộc tần số

Khi cầu đo cân bằng: Z1Z3=Z2Z4

Hay R1Z3=R2R4 (*)

Z3=R3+j(

C L



  ) (8.1)

Thế (1) vào phương trình (*) cân phần ảo, ta được: C

L

x

x 

 

LC fx



2





(8.2)

Tiếp tục điều chỉnh nhánh cộng hưởng nối tiếp số cần đo fx,  R2

R3 R4

R1

(27)

Chương : Đo tần số

R1R3=R2R4 (8.3)

Cách đo: nhánh cộng hưởng điều chỉnh cách thay đổi giá trị tụ điện C, thang đo trực tiếp khắc độ theo đơn vị tần số Mở rộng tầm đo tần số cách thay đổi cuộn L Bộ thị cân dùng volt kế chỉnh lưu

Nhược điểm: khó chế tạo cuộn cảm tần số thấp, khó thực thị có tác động từ trường lên cuộn điện cảm

8.1.2 Phương pháp cộng hưởng:

Đo tần số phương pháp cộng hưởng dựa nguyên lý chọn lọc tần số mạch cộng hưởng

Hình 8.2: Sơ đồ khối đo tần số phương pháp cộng hưởng

Điện dung điện cảm linh kiện có thơng số tập trung L, C Bộ phận điều chuẩn tụ điện biến thiên C, có thang độ khắc độ theo đơn vị tần số Vì tụ C có hệ số biến đổi (Cmax/Cmin) không lớn lắm, muốn mở rộng dãi tần số tần số kế cịn phải thay đổi cuộn L

Hình 8.3: Mạch đo cộng hưởng tần số D

C’

L

Ufx

C

Lg Ufx Bộ phận

ghép

Mạch cộng huởng

Bộ phận thị

(28)

Chương : Đo tần số Mạch cộng hưởng kích hoạt dao động lấy từ nguồn cần đo thông qua cuộn dây ghép Lg Sự thị cộng hưởng mạch điện tần số đo thực tách sóng cấu đo từ điện

Khi mạch cộng hưởng thị đồng hồ cực đại

8.2 Đo tần số dao động kí (phương pháp so sánh):

Đo tần số dao động kí thực phương pháp so sánh tần số cần đo với tần số chuẩn dao động chuẩn thông qua đường cong Lissaju Muốn tạo đường cong Lissaju đưa tần số cần đo vào cặp làm lệch, tần số chuẩn vào cặp làm lệch lại Điều chỉnh tần số chuẩn cho đường cong Lissaju đứng yên

Hình dáng đường cong Lissaju phụ thuộc vào tỉ số biên độ, tần số pha ban đầu tín hiệu chuẩn tín hiệu cần đo Đường Lissaju đứng yên tần số chuẩn tần số cần đo tỉ số số nguyên:

n d x

n n f f



0

(8.4) nd, nn số nguyên số điểm tiếp tuyến đường Lissaju với trục đứng trục ngang

8.3 Đo tần số phương pháp đếm:

Tần số kế cấu tạo theo phương pháp đếm có sơ đồ hình vẽ, bao gồm: mạch vào chính, phận tạo dạng xung, tạo xung có thời gian chuẩn, điều khiển, chọn xung theo thời gian, đếm xung

Bộ tạo dạng xung: tần số cần đo fx qua mạch vào đến tạo dạng xung có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện áp dạng điều hịa thành dạng tín hiệu xung Các xung có cực tính có chu kì chu kì tín hiệu điều hịa cần đo

Ngõ

vào Mạch vào

Bộ tạo dạng xung

Bộ chọn

xung Bộ đếm

(29)

Chương : Đo tần số Hình 8.4: Sơ đồ khối đo tần số phương pháp đếm

Bộ tạo xung chuẩn có chức tạo nên xung thời gian chuẩn có tính ổn định cao, bao gồm phận: tạo dao động thạch anh, chia/nhân tần số, tạo dạng xung Đầu có nhiều tần số khác dao động thạch anh 100KHz tần số chia 10KHz, 1KHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1Hz tương ứng với tần số chuẩn thời gian chuẩn chu kì chúng 0.0001s, 0.001s, 0.01s, 0.1s, 1s, 10s

Bộ điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển trình đo với chức tạo chu trình thời gian “mở” “xóa” để đưa đếm trạng thái ban đầu

Nguyên lý làm việc: tần số cần đo có dạng tín hiệu điều hịa đưa qua mạch vào đến tạo dạng xung Qua tín hiệu hình sin biến thành tín hiệu xung có tần số Các xung đưa đến chọn xung chuyển tới đếm khoảng thời gian tương ứng xung mở cửa, tức cho xung qua đếm khoảng thời gian “mở”, “đóng” tương tự mạch AND có đầu vào đầu Chỉ đầu vào chọn xung có tín hiệu đầu có tín hiệu

Số xung qua chọn xung đếm xung ghi lại, tần số fx cần đo:

ch x

T n f



 (8.5)

n: số lượng xung đếm ch

T

 khoảng thời gian mở cửa chu kì xung chuẩn

(30)

Chương : Đo công suất

A

V UL

UA

IL +

-

A

V UL

IV IL +

-A S

Chương ĐO CÔNG SUẤT

9.1 Đo công suất volt kế ampe kế:

9.1.1 Đo công suất chiều:

Cách mắc Volt kế trước-Ampe kế sau:

U=UA+UL PL=ILUL=IL(U-UA)

PL=UIL-RAIL2 Hình 9.1: Đo công suất cách mắc V-A

 Nhận xét: theo cách mắc việc xác định cơng suất PL có sai số điện trở nội ampe kế

Cách mắc Ampe kế trước-Volt kế sau:

I=IV+IL PL=ILU=U(I –IV) PL=UI-IVU

Hình 9.2: Đo công suất cách mắc A-V

 Nhận xét: theo cách mắc việc xác định cơng suất PL có sai số điện trở nội volt kế

(31)

Chương : Đo công suất    L Z

U UZ

Hình 9.2: Đo cơng suất xoay chiều pha Volt kế Ampe kế Khi khóa S1, S2 vị trí A C volt kế cho giá trị UR

Khi khóa S1, S2 vị trí B D volt kế cho giá trị UZL, điện áp lệch pha với dịng điện tải góc

Khi khóa S1, S2 vị trí A D volt kế cho giá trị UZ, điện áp lệch pha so với dòng điện

Theo giản đồ vector, ta có:

2 2

cos

2 R Z 

R Z

Z U U U U

U

L   

R Z

Z U U

U

L cos  cos1

L Z R Z U U U 

 cos

cos 

Hình 9.4: Giản đồ vector

Công suất tải xác định bởi:

(32)

9.2 Đo công suất hiệu ứng Hall:

Hình 9.5: Đo cơng suất phương pháp hiệu ứng Hall

Đặt cảm biến Hall vào khe hở nam châm điện Dòng điện vào cuộn hút L dịng điện qua phụ tải ZL Dòng điện qua cực T-T tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL Điện trở phụ Rp để hạn dòng Thế điện động Hall xác định bởi:

kBW UH B=kii , W kuu

P k ui k iu kk

UH i  '  '

k’ hệ số tỉ lệ đặc trưng cảm biến phụ thuộc vào vật liệu, kích thước, hình

dáng cảm biến, nhiệt độ tác động UH hiệu điện Hall đo mV kế

 Nhận xét: Watt kế loại cho phép đo công suất xoay chiều có tần số đến hàng trăm MHz, khơng có qn tính, có cấu tạo đơn giản, bền tin cậy

ZL

Rp

L

T

X

X ix

i

iL

(33)

9.3 Đo công suất nhiệt lượng kế:

Hình 9.6: Đo công suất nhiệt lượng kế

Watt kế dùng phương pháp nhiệt lượng kế chế tạo theo nguyên tắc xác định công suất theo nhiệt độ môi trường nhiệt lượng kế

Công suất Px phụ tải Rx tiêu thụ xác định theo hiệu nhiệt độ chất lỏng (vật mang nhiệt) đầu đầu vào nhiệt lượng kế Hiệu nhiệt độ đo cặp nhiệt điện mV kế chất lỏng không đổi

) (2 1

CG Px

 nhiệt độ lưu lượng khỏi hộp đo công suất

 nhiệt độ lưu lượng trước vào hộp đo cơng suất C: dung lượng nhiệt thể tích riêng chất lỏng

G: lưu lượng thể tích chất lỏng

 Nhận xét: phương pháp nhiệt lượng kế thường bị sai số thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh biến động đặc tính nhiệt nhiệt độ vật mang nhiệt

9.4 Đo công suất phương pháp phân mạch định hướng

Đo công suất phương pháp phân mạch định hướng ứng dụng để đo công suất truyền thông nguồn công suất tải Trong truyền thông tồn phản xạ phần cơng suất trở nguồn phát từ phía tải Công suất phản xạ làm hư nguồn công suất hay máy phát, có phối hợp trở kháng tốt tượng bị loại bỏ hay ảnh hưởng máy phát

Công suất hấp thụ tải hiệu số công suất phát nguồn công suất phản xạ

Rx

mV

G



2

(34)

Chương : Đo cơng suất Phương pháp đo công suất cách phân mạch định hướng gọi phương pháp phản xạ mét Với cách ghép ta có khả phân biệt lượng truyền từ nguồn đến tải, lượng từ tải phản xạ trở

a) Sơ đồ khối đo công suất phương pháp phân mạch định hướng

b) Cấu trúc bên mạch đo công suất định hướng

Hình 9.7: Đo cơng suất phương pháp phân mạch định hướng

Bộ phận phân mạch định hướng dùng dây đồng trục, đoạn dây dc vòng dây ghép U cấu thành phân mạch định hướng Đoạn ab, cd đoạn dây biến đổi trở kháng đường dây truyền trở kháng đường dây truyền phối hợp với phân mạch định hướng Vịng dây ghép U có kích thước nhỏ so với chiều dài bước sóng, có ghép điện dung điện cảm với đường dây truyền làm xuất dịng Ic phía IM Nếu kích thước vịng dây U khoảng cách từ vòng dây U đến trục đường dây đồng trục thỏa IC=IM đầu A phân mạch lượng điện, cịn đầu B khơng có nửa vòng dây ghép dòng điện khử lẫn Tại đầu A có mắc Watt kế để đo cơng suất biết hệ số ghép phân mạch tính cơng suất truyền thông dây đồng trục

9.5 Đo công suất phương pháp đo áp suất sóng điện từ:

Cũng ánh sáng, sóng điện từ truyền dây truyền sóng gây áp suất học Aùp suất tác động lên bề mặt thành ống sóng sóng điện từ lan truyền ống Khi đặt vật vào ống dẫn sóng có sóng điện từ lan truyền chịu áp lực sóng Cường độ áp lực tỉ lệ với modun vector Umop-pointing,

Phân mạch định hướng Watt kế

Tải Nguồn

(35)

Chương : Đo cơng suất truyền xác định thông qua áp lực sóng điện từ tác động lên vật Thang độ áp lực chuyển đổi trực tiếp thành thang độ theo đơn vị công suất

Hình 9.8: Đo cơng suất cách đo áp suất sóng điện từ

Giá trị áp suất nhỏ, chẳng hạn cơng suất sóng điện từ lan truyền 1mW áp suất khoảng 10-12N/cm2 đo trực tiếp mà phải thông qua biến đổi phần tử áp điện, tụ vi chỉnh, đồng hồ đo áp suất học

Cơ cấu đo gồm ống dẫn sóng (1) để truyền dẫn lượng cần đo, sợi dây thạch anh (3) có đường kính mãnh (khoảng 10m) bên ống dẫn sóng, nối với gương phản xạ (4) Bản kim loại đặt nghiêng 450 so với chiều sóng điện từ lan truyền Dưới tác dụng điện từ kim loại quay làm xoắn dây treo, góc quay kim loại xác định vị trí thị điểm sáng phát từ nguồn sáng (5) phản chiếu gương (4) đập lên thang chia độ (6)

 Ưu điểm: dãi đo công suất rộng từ vài %W đến vài trăm KW, không gây tổn hao công suất nhiều, dễ phối hợp với nguồn đo, bị tải, quán tính, sai số khoảng 5%

(36)

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Tân-Kỹ Thuật Đo, NXB KHKT, Hà Nội-1998

[2] Nguyễn Trọng Quế-Dụng cụ đo điện-NXB KHKT, Hà Nội, 1980. [3] Phạm Thượng Hàn- Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, Tập 2-NXB GD, Hà Nội-1996

(37)

Mục lục

MỤC LỤC

Chương NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

1.1 Định nghĩa phân loại phép đo

1.1.1 Định nghóa

1.1.2 Phân loại cách thực phép đo

1.2 Các đặc trưng kỹ thuật đo lường

1.2.1 Đại lượng đo hay cịn gọi tín hiệu đo

1.2.2 Điều kiện cần đo

1.2.3 Đơn vị đo

1.2.4 Thiết bị đo phương pháp đo

1.2.5 Người quan sát

1.2.6 Kết đo

1.3 Phương pháp đo

1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

1.3.2 Phương pháp đo kiểu so sánh

1.4 Phân loại thiết bị đo 10

1.5 Các đặc tính thiết bị đo 11

1.6 Sai số phép đo cách trình bày kết đo 12

Chương CƠ CẤU ĐO .14

2.1 Cơ cấu đo từ điện 14

2.1.1 Cấu tạo 14

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 15

2.1.3 Ứng dụng 15

2.2 Cơ cấu đo điện từ 15

2.2.1 Cấu tạo 15

2.3 Cơ cấu đo điện động 16

2.3.1 Cấu tạo 16

2.4 Bảng kí hiệu 18

Chương THIẾT BỊ PHÁT TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG 19

(38)

Mục lục

3.1.1 Mục đích – ý nghóa 19

3.1.2 Đại lượng đo lường 19

3.1.3 Cấp chuẩn hố 20

3.2 Khái niệm chung thiết bị phát tín hiệu 20

3.2.1 Khái niệm 20

3.2.2 Phân loại 20

3.3 Máy phát tín hiệu tần số thấp 21

3.3.1 Các đặc tính 21

3.3.2 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu đo lường 22

3.3.3 Maùy phaùt LC 23

3.3.4 Maùy phát trộn tần số 23

3.3.5 Máy phát RC 24

3.4 Maùy phaùt xung 25

3.4.1 Đặc tính máy phát xung 25

3.4.2 Sơ đồ khối 26

3.5 Maùy phaùt sóng quét 27

Chương THIẾT BỊ QUAN SÁT VÀ GHI TÍN HIỆU 29

4.1 Dao động ký điện tử tia 29

4.1.1 Khái niệm 29

4.1.2 Cấu tạo ngun lý họat động 29

4.1.3 Ống phóng tia điện tử (CRT: Cathode Ray Tube) 29

4.1.4 Tín hiệu quét ngang 31

4.1.5 Sơ đồ khối dao động ký tia 32

4.2 Dao động ký hai tia 33

4.3 Ứng dụng dao động ký điện tử đo lường 34

4.3.1 Ứng dụng để quan sát tín hiệu 34

4.3.2 Đo điện áp tín hieäu 34

4.3.3 Đo tần số dao động ký: 35

4.3.4 Đo góc lệch pha dao động ký điện tử tia 35

4.4 Các loại dao động kí điện tử 36

4.4.1 Dao động kí có chức thơng dụng 36

4.4.2 Dao động kí vạn 36

4.4.3 Dao động kí tốc độ nhanh 36

4.4.4 Dao động kí lấy mẫu 36

(39)

Mục lục

Chương ĐO ĐIỆN TRỞ 44

5.1 Đo điện trở volt kế ampe kế 44

5.1.1 Cách mắc Volt kế trước-Ampe kế sau 44

5.1.2 Cách mắc ampe kế trước volt kế sau 44

5.2 Đo điện trở Ohm kế 45

5.2.1 Ohm kế với sơ đồ nối tiếp 45

5.2.2 Ohm kế với sơ đồ song song 47

5.3 Đo điện trở cầu Wheastone 48

5.3.1 Cầu Wheastone cân 48

5.3.2 Cầu Wheastone không cân 49

5.4 Đo điện trở có giá trị nhỏ cầu đôi Kelvin 50

5.5 Đo điện trở có giá trị lớn 51

5.5.1 Đo điện trở volt kế micro-ampe kế 51

5.5.2 Đo điện trở có giá trị lớn MegaOhm kế chun dùng 51

Chương ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM , HỔ CẢM……….………54

6.1 Đo điện dung, điện cảm hổ cảm volt kế ampe kế 54

6.1.1 Đo điện dung [F ] 54

6.1.2 Đo điện cảm [H] 56

6.1.3 Đo hổ cảm 56

6.2 Đo điện dung điện cảm cầu đo 57

6.2.1 Caàu Wheastone 58

6.2.2 Cầu đo đơn giản 58

6.2.3 Cầu đo phổ quát (universal bridge) 59

6.3 Đo hổ cảm 64

6.3.1 Cầu đo Maxwell 64

6.3.2 Cầu Heavyside 65

Chương ĐO ĐIỆN ÁP VÀ ĐO DÒNG ĐIỆN 66

7.1 Đo dòng điện DC 66

7.1.1 Nguyên lý ño 66

7.1.2 Mở rộng tầm đo 66

7.1.2.1 Mở rộng tầm đo cho cấu đo từ điện: dựa vào điện trở Rs 66

(40)

Mục lục

7.1.3 Mở rộng tầm đo cho cấu đo điện động 69

7.2 Đo dòng điện AC 69

7.2.1 Nguyên lý đo 69

7.2.2 Cách mở rộng tầm đo 71

7.3 Đo điện áp DC 73

7.4 Đo điện áp AC 75

7.4.2 Mạch đo điện áp cấu đo từ điện 76

7.4.3 Mạch đo điện áp AC dùng biến đổi nhiệt đổi 77

Chương ĐO TẦN SỐ … …….79

8.1 Đo tần số mạch điện có thông số phụ thuộc tần số 79

8.1.1 Phương pháp cầu 79

8.1.2 Phương pháp cộng hưởng 80

8.2 Đo tần số dao động kí (phương pháp so sánh) 81

8.3 Đo tần số phương pháp đếm 81

Chương ĐO CÔNG SUẤT……… ……… 83

9.1 Đo công suất volt kế ampe kế 83

9.1.1 Đo công suất chiều 83

9.1.2 Đo công suất xoay chiều pha 83

9.2 Đo công suất hiệu ứng Hall 85

9.3 Đo công suất nhiệt lượng kế 86

9.4 Đo công suất phương pháp phân mạch định hướng 86

9.5 Đo cơng suất phương pháp đo áp suất sóng điện từ 87