Giáo trình kỹ thuật đo

Phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa caùc vaät lieäu khaùc nhau, tính chaát ñieän cuûa chuùng, coù theå nhaïy vôùi nhieàu ñaïi löôïng vaät lyù nhö nhieät ñoä, ñoä chieáu saùng, aùp suaát,ño[r]

BO BO BO

BỘÄÄÄ CÔNG THCÔNG THCÔNG THƯƯƯƯƠNGCÔNG TH ƠNGƠNGƠNG TR

TRTR

TRƯƯƯƯƠƠƠỜØØØNG NG NG ĐNG ĐĐAAAẠÏÏÏI HOĐ I HOI HỌÏÏÏC CÔNG NGHIEI HOC CÔNG NGHIEC CÔNG NGHIỆÄÄÄP TP HCMC CÔNG NGHIEP TP HCMP TP HCMP TP HCM KHOA

KHOA KHOA

KHOA ĐĐĐĐIEIEIEIỆÄÄÄNNNN

BO BO BO

Khái niệm đo lường

Chương

KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

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)

Như vậy, công việc đo lường nối thiết bị đo vào hệ thống khảo sát quan sát kết đo đại lượng cần thiết

Tín hiệu đo : tín hiệu mang thông tin giá trị đại lượng đo lường

Đại lượng đo thông số xác định trình vật lý tín hiệu đo Trong q

trình vật lý có nhiều thơng số trường hợp cụ thể , ta quan tâm đến thông số cụ thể Đại lượng đo phân thành loại đại lượng đo tiền định đại lượng đo ngẫu nhiên Đại lượng đo tiền định đại lượng đo biết trước quy luật

thay đổi theo thời gian chúng đại lượng đo ngẫu nhiên đại lượng đo mà thay đổi chúng không theo quy luật định

Thiết bị đo thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thông tin đo thành

dạng tiện lợi cho người quan sát Thiết bị đo gồm có : thiết bị mẫu , chuyển đổi đo lường , dụng cụ đo , tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường

1.2 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG

Dựa tính chất đại lượng đo, phân đại lượng đo lường thành hai loại

- Đại lượng điện

- Đại lượng không điện 1.2.1 Đại lượng điện

Đại lượng điện phân thành hai dạng - Đại lượng điện tác động ( active ) - Đại lượng điện thụ động ( passive )

lường đại lượng , ta không cần cung cấp cung cấp lượng cho mạch đo Đại lượng điện tác động đại lượng điện áp, dịng điện, cơng 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

Đại lượng điện thụ động

Đại lượng điện thụ động đại lượng khơng mang lượng điện Vì đo lường đại lượng loại , 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 , 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 : tiêu hao lượng , cung cấp lượng điện , chất đại lượng điện khơng thay đổi Thí 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

1.2.2 Đại lượng không điện

Là đại lượng khơng 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 , 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 cáng đại cần nhiều thơng 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 , 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 hố Cách thức đo mở rộng kỹ thuật đo lường nói chung cho đại lượng không

1K 2000 V

R2 V

200V R1

9K 20A

A

CT I

Khái niệm đo lường

điện Những thiết bị biến đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện gọi cảm biến điện chuyển đổi mà đề cập đến phần sau

1.3 CHỨC NĂNG VAØ CÁCH SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO 1.3.1 Chức

Các thiết bị đo có chức cung cấp cho kết đo đại lượng khảo sát

1.3.2 Cách sử dụng thiết bị đo

Khi sử dụng thiết bị đo ta phải ý đến cách thức qui trình sừ dụng thiết bị đo

Phải đọc tìm hiểu kỹ đặc tính, cách sử dụng qui trình họat động thiết bị đo trước cho thiết bị họat động

Cần ý đến tầm đo thiết bị Không máy bị chấn động Phải ý đến cấp xác thiết bị 1.4 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG

1.4.1 Cấp chuẩn hóa

Khi sử dụng thiết bị đo lường, mong muốn thiết bị đo chuẩn hoá (calip) với thiết bị đo lường chuẩn ( standard) Việc chuẩn hoá thiết bị đo lường xác đinh theo cấp sau

Cấp “Chuẩn quốc tế” ( International standard ) thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế thực định chuẩn Trung tâm đo lường quốc tế đặt Paris (Pháp) Các thiết bị đo lường cấp định kỳ kiểm tra đánh giá theo trị số đo tuyệt đối đơn vị vật lý hội nghị quốc tế đo lường giới thiệu chấp nhận

Cấp “Chuẩn quốc gia” thiết bị đo lường thực định chuẩn viện định chuẩn quốc gia Các thiết bị đo lường viện định chuẩn quốc gia quốc gia khác giới phải chuẩn hoá theo chuẩn quốc tế thiết bị đo lường chuẩn hóa viện định chuẩn quốc gia

trung tâm đo lường ( Khu vực Miền Trung ) trung tâm đo lường ( Khu vực Tp Hồ Chí Minh )

Các thiết bị đo lường cá trung tâm đo lường , viện định chuẩn quốc gia phải chuẩn hóa mang tiêu chuẩn cấp cao Chẳng hạn , thiết bị phịng thí nghiệm phải trang bị thiết bị đo có tiêu chuẩn vùng tiêu chuẩn quốc gia Còn thiết bị viện định chuẩn quốc gia phải có chuẩn quốc tế

Cấp “Chuẩn phịng thí nghiệm” Trong khu vực chuẩn hố có phịng thí nghiệm cơng nhận để chuẩn hố thiết bị đo dùng sản xuất công nghiệp Như thiết bị chuẩn hoá phịng thí nghiệm có chuẩn hố phịng thí nghiệm Do thiết bị đo lường sản xuất chuẩn hoá cấp mang tiêu chuẩn đo lường cấp

1.5 PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG

Trong kỹ thuật đo lường chia phương pháp đo lường cách tổng quát :

Phương pháp đo lường trực tiếp Phương pháp đo lường gián tiếp 1.5.1 Phương pháp đo lường trực tiếp

Với phương pháp đo lường trực tiếp , thiết bị đo lường cho biết kết đo trực tiếp đại lượng đo , mà không thông qua đại lượng đo khác

Phương pháp đo lường trực tiếp cho kết nhanh chóng xác , nhiên khơng phải đại lượng dùng phương pháp đo lường trực tiếp khơng có thiết bị cho biết kết đo đại lượng đo đươc

Thí dụ Trong mạch đo có Volt kế Ampere kế , ta dùng phương pháp đo lường trực tiếp để đo công suất mà phải sử dụng phương pháp đo gián tiếp 1.5.2 Phương pháp đo lường gián tiếp

Trong phương pháp đo lường gián tiếp , đại lượng đo biết kết thông qua đại lượng đo khác , mà thiết bị đo đo đại lượng đo khác phương pháp trực tiếp Như đại lượng cần đo phải có tương quan với đại lượng đo khác

Khái niệm đo lường

Trong lĩnh vực đo lường , đại lượng điện dùng phương pháp đo lường gián tiếp bao gồm phương pháp sau

Phương pháp đo biến đổi thẳng

Phương pháp có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng , khơng có khâu phản hồi Đại lượng cần đo X đưa qua khâu biến đổi chuyển thành số NX , đồng thời đơn vị đại lượng đo X0 chuyển đổi thành N0 , sau đại lượng so sánh với ( thông qua bơ so sánh SS ) Q trình thực phép chia N NX

0 Kết đo thể biểu thức

X = N NX X0

Từ sơ đồ

, ta thấy trình đo trình biến đổi thẳng Thiết bị đo sử dụng cấu trúc gọi thiết bị biến đổi thẳng

Phương pháp so sánh

Sơ đồ mạch có cấu trúc mạch vịng có khâu phản hồi D/A Tín hiệu cần đo X so sánh với tín hiệu XK tỷ lệ với đại lượng mẫu X0 Qua so sánh , ta có X – XK = ∆X

Tùy theo cách thức so sánh mà ta có so sánh cân , so sánh không cân , so sánh đồng thời hay so sánh không đồng thời

Phương pháp so sánh cịn có tên gọi khác phương pháp tương quan Khi dùng phương pháp thiết bị đo dùng để so sánh đại lượng đo đại lượng mẫu , sau suy đại lượng đo Tuy nhiên , phương pháp đại lượng mẫu cần phải có trị số xác cao Phương pháp đạt đến độ xác cao đại lượng mẫu thiết

X

SS BÑ A/D CT

D/A

NK

X

XK

BĐ biến đổi

A/D chuyển đổi tưong tự - số D/A chuyển đổi số - tương tự SS so sánh

thao tác tương đối phức tạp

Thí dụ : Đo điện áp điện trở phương pháp thay hình vẽ Đồng hồ thị Volt đồng hồ thị Ampere dùng để thị tương quan đại lượng đại lượng mẫu

So sánh không đồng thời

Là phương pháp đo mà giá trị đo X thay đại lượng mẫu XK Các giá trị đo giá trị mẫu đưa vào thiết bị đo không thời gian , thông thường giá trị mẫu XK đưa vào khắc độ trước ,

sau qua vạch khắc độ để xác định giá trị đại lượng cần đo Thiết bị đo theo phương pháp thiết bị đánh giá trực tiếp volt kế , ampere kế thị kim ( loại đồng hồ )

So sánh đồng thời

Là phương pháp so sánh đại lượng đo X đại lượng mẫu XK Khi hai đại lượng X XK trùng , thông qua XK ta xác định giá trị đại lượng cần đo X

Đây phương pháp so sánh phương pháp đại lượng mẫu đại lượng cần đo thực thời gian Thay so sánh phương pháp thay Trong phương pháp khơng địi hỏi phận thị điểm phải có độ nhạy cao xác cao địi hỏi phần tử mạch có trị số xác khơng thay đổi q trình đo

Thí dụ : Đo điện áp phương pháp biến trở kế , đo điện trở , điện áp , điện dung cầu cân

So sánh cân phương pháp “điểm không”

Là phép so sánh đại lượng đo X đại lượng mẫu XK cho ∆

∆∆

∆X = X - XK = 0 hay X = XK = NK X0 ( với X0 đơn vị đo )

Như XK đại lượng thay đổi cho giá trị X thay đổi giá trị XK thay đổi để đảm bảo ∆X = X - XK không ( zero ) phép đo cân

Độ xác phép đo phụ thuộc vào độ xác XK độ nhạy thiết bị thị cân

So sánh không cân

Nếu XK đại lượng không đổi , lúc ta có

X - XK =∆X suy X = ∆X + XK V K

EX E

Mạch đo điện áp

I

RX R

K

E

Khái niệm đo lường

Kết phép đo đánh giá qua ∆X ( XK đại lượng biết trước ) phương pháp sử dụng để đo đại lượng không điện nhiệt độ ( sử dụng mạch cầu không cân )

Ngoài phương pháp đo lường kể , hiệân người ta sử dụng máy tính để xử lý tính hiệu điều khiển hệ thống tự động , điều khiển dùng phương pháp số ( digital ) Trong phương pháp số , tín hiệu đại lượng đo lường tín hiệu có dạng xung mã hóa , phương pháp cần địi hỏi có độ biến đổi tín hiệu điện dịng điện gọi chung tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital)

Tóm lại phương pháp đo lường nói cần phải đạt yêu cầu chung sau :

Nhanh choùng

Thuận lợi sử dụng Chính xác cao

Thiết bị gọn gàng

Đạt hiệu kinh tế cao

Khi sử dụng thiết bị đo lường cần phải quan tâm để nguyên lý hoạt động phương pháp đo

1.5 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG

Trong trình đo , ta tránh khỏi sai số sai số xảy kỹ thuật đo lường , sai số nhiều nguyên nhân đo lường khơng thể đo trị số xác cách tuyệt đối mà phải có sai số

1.5.1 Các dạng sai số

Ta phân loại sai số theo nhiều phương pháp khác sau : Những sai số nhiều bước khác cách thức tiến hành đo lường :

Sai số việc chuẩn hóa

Sai số việc biến đổi đại lượng đo cho phù hợp với mạch đo Sai số so sánh

Sai số quan sát

Những sai số theo nhiều nguồn khác

ra làm việc mạch đo không ổn định phân tử mạch đo

Sai số điều kiện bên tác động vào điều kiện đo lường

Sai số người thực , có lỗi lầm đo chọn sai phương pháp đo , đọc kết sai , nội dung sai

Sai số theo điều kiện mà cách thức tiến hành đo lường làm việc

Sai số sai số vốn có dụng cụ đo , q trình chế tạo dụng cụ gây hay điều kiện chung quanh môi trường nhiệt độ độ ẩm , nguồn cung cấp điện

Sai số phụ : sai số gây phương pháp đo khơng xác cá nhân người sử dụng dụng cụ gây Sai số tăng lên điều kiện đo lường trị số chuẩn

Sai số theo hoạt động đại lượng cần đo khoảng thời gian đo lường Sai số tĩnh:khi đại lượng đo không thay đổi theo thời gian

Sai số giao thời ( độ ) :những đại lượng đột biến thay đổi theo thời gian tạo sai số giao thời

Sai số động : đại lượng đo thay đổi theo thời gian , suốt trình đo lường , sai số động xảy phụ thuộc vào đáp ứng thiết bị đo đại lượng thay đổi Nếu tần số đại lượng đo vượt tần số đáp ứng thiết bị đo tạo nên sai số động lớn

Theo hình thức mà hệ thống xảy sai số Có hai hình thức sai số xảy

Sai số hệ thống : sai số trì kết đo lường , đo lường lập lập lại điều kiện làm việc Sai số đo dụng cụ đo, việc định cho cầu thang đo, ảnh hưởng môi trường : nhiệt độ , độ ẩm , từ trường điện trường nhiễu

Sai số ngẫu nhiên : sai số hoàn toàn khác hẳn sai số hệ thống , đo lường lập lập lại trị số sai số lại khác Muốn tính tốn sai số ngẫu nhiên phải dùng đến lý thuyết xác suất thống kê 1.5.2 Sai số kỹ thuật đo

Khái niệm đo lường

Nguyên nhân sai số mức độ xác thiết bị đo Sự sa số gọi sai số Ngồi sai số , cịn có sai số khác khách quan nhiệt độ môi trường thay đổi , độ ẩm , từ trường

Một đại lượng có trị số thật Xthật Trị số đo Xđo có sai số Sai số tuyệt đối ∆∆∆∆X = |||| Xthật – Xđo||||

Sai số tương đối 100 % X

X X

X ∆

=

∆

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 Người ta qui ước cấp xác dụng cụ đo sai số tương đối qui đổi dụng cụ đo nhà nước qui định cụ thể

∆ ∆ ∆

∆Xqd (%) =

∆ ∆∆ ∆Xmax

Xmax 100%

Cấp xác dụng cụ trị số lớn cho phép tính theo phần trăm sai số so với trị số lớn thang đo

Theo tiêu chuẩn đo dụng cụ có cấp xác : 0,05 – 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1,5 – 2,5 – 1.5.3 Cách tính toán sai số

Sai số tuyệt đối

Sai số tuyệt đối : hiệu số giá trị đại lượng đo X giá trị thực Xthật ( giá trị đại lượng đo xác định thông qua dụng cụ mẫu )

Sai số tuyệt đối định nghĩa biểu thức sau ∆

∆ ∆

∆X = |||| Xthật – Xđo |||| Xđo trị số đo thiết bị đo Xthật trị số thật đại lượng đo

Nhưng thực tế trị sai số tuyệt đối khơng xác định Xthật khơng thể xác định Cho nên thực tế xác định trị số giới hạn lớn sai số tuyệt đối ∆X mà

∆ ∆ ∆

∆X = |||| Xthật – Xđo||||max

Do δδδδX ≤ ∆∆∆∆X

Như δδδδa gọi giới hạn sai số đại lượng đo

Khái niệm đo lường

δ δδ

δrL = ∆∆∆∆ La

± 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 ( %%%% ) = ∆∆∆∆ a'a 100 Theo thí dụ , ta coù

∆X ( % ) = 200 100 = 10% 20 Sai số tương đối

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

Sai số tương đối phần trăm tỷ số sai số tuyệt đối giá trị thực Sai

số tương đối xác định theo biểu thức sau

∆ ∆∆

∆Xtñ = ∆∆∆∆ X X 100 %

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 : trị số lớn tầm đo

Thí dụ : Một volt kế có tầm đo – 150V trị số ∆a Volt kế 1V5 Như sai số tương đối tầm đo :

δrL = ∆a

L = 1.5

150 = 0.01 1%

Nếu trị số thang đo tối đa 100V sai số tương đối thang đo δrL =

∆a L =

1.5

100 = 0.015 1,5%

δ δδ

δr ( a ± b ) =

a δδδδa ± b δδδb δ a ± b

δ δ δ

δrp = ΣΣΣΣ δδδδrai

δ δδ

δr (a b ) = δδδδra + δδδδrb tầm đo laø

∆a = δrL x 150V = 1.5% x 150V = 2.25V Vậy giới hạn sai số tầm đo 2V25 thiết bị đo 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 δra δrb Sai số tương đối tổng đại lượng a b xác định

δr ( a ± b ) =

∆a ± ∆b

a ± b Maø δra =

∆a

a vaø δrb = ∆b

b

Do

Sai số tương đối tích hai đại lượng

Nếu hai đại lượng độc lập với mà đại lượng có trị số sai số tương đối riêng biệt sai số tương đối tích hai đại lượng xác định

Từ biểu thức , ta suy rộng cho nhiều đại lượng độc lập

Sai soá quy daãn

Sai số quy dẫn ( quy đổi ) tỷ số sai số tuyệt giới hạn lớn thang đo ∆

∆∆

∆Xqd =

∆ ∆ ∆ ∆X Xmax

Độ nhạy

Độ nhạy dụng cụ đo xác định theo biểu thức sau S = dX = f(X) dY

Khái niệm đo lường

Nói cách khác , độ nhạy biểu thị quan hệ góc lệch phần động có dịng điện tác động lên cầu đo Đó dịng điện nhỏ có khả làm lệch kim thị Độ nhạy thực tế , biểu diễn theo tỉ số Ω / V Đồng hồ nhạy tỉ số lớn

Sai số ngẫu nhiên

Đây sai số loại bỏ , mà phải giảm thiểu sai số kỹ thuật đo lường tốt phải phân tích lý thuyết xác xuất Trong nhiều trường hợp lượng ngẫu nhiên diễn tả thật tốt dạng phân bố xác xuất , lý mà thực đo lường theo phân bố mà tuân theo Sự phân bố thay đổi từ thiết bị đo đến thiết bị đo khác , phần lớn tuân theo đường phân bố chuẩn , gọi phân bố Gauss

Trị số trung bình chuỗi quan sát điều kiện giống thiết bị đo lường A0 =

Σ ΣΣ ΣAi

n

Trị số xem trị số có xác xuất lớn đại lượng đo

Sai số trị số gọi sai số ngẫu nhiên qui tụ phân nửa số lượng đo vượt qua trị sai số cịn phân nửa khơng vượt qua

Sai số ngẫu nhiên xác định phương trình sau :

Trong khác biệt trị số trung bình trị số đo đo : Ii = AI – A o với i = 1,2 … , n

Được gọi độ lệch ngẫu nhiên sai số thặng dư ( Residual error ) Sai số ngẫu nhiên tương đối :

và giới hạn sai số ngẫu nhiên cho :

Những trị số đo vượt trị số giới hạn , phải loại bỏ Do kết đo viết sau : A = A0 ± ∆∆∆∆A0r

Thí dụ : thí nghiệm xác định giá trị điện strở Trong lần đo có kết sau :

) (

2 22

2

− + + + =

∆

n n

i i

i

A n

or

δ δδ

δ∆∆∆∆r = ∆∆∆∆ A A0r

0 100%

R2 = 118.2 R5 = 118.2 R8 = 118.1 R3 = 118.5 R6 = 118.4

Giá trị trung bình điện trở

Ro = R1 + R2 + + R = 117.8 Ohm Độ lệch ngẫu nhiên :

I1 = R1 – R0 = - 1.6 R4 = - 0.8 R7 = 0.0 I2 = R2 – R0 = 0.4 R5 = 0.4 R8 = 0.3 I3 = R3 – R0 = 0.7 R6 = 0.6

Do sai số ngẫu nhiên kết đo ∆R0r = I1

2 + I

22 + + I82 ∆R0r = 0.19 ≅ 0.20 Ohm

Giới hạn sai số ngẫu nhiên sau

R = R0 ± R0r = 117.8 ± 0.20 Ohm

Như kết điều kiện cho không vượt 0.9 Ohm theo kết đo lần thứ R1 = 116.2 Ω có I1 = -1.6 Ohm khơng thể chấp nhận

Phạm vi thang đo

Khái niệm đo lường 1.6 ĐƠN VỊ ĐO – CHUẨN – MẪU ĐO

1.6.1 Khái niệm chung

Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Trên giới , người ta đưa đơn vị tiêu chuẩn gọi chuẩn

Ví dụ Chuẩn Ohm quốc tế điện trở điện trở cột thủy ngân có tiết diện 1mm2 dài 106,300 cm nhiệt độ 00C có khối lượng 14,452.1 gam

Chuẩn “ Ampere “ dòng điện giải phóng 0,001.111.800 gam bạc khỏi dung dịch nitrat thời gian giây

Cấp xác chuẩn khoảng 0,001% ( 1/ 100.000 ) 1.6.2 Hệ thống đơn vị

Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm Đơn vị

Được thể đơn vị chuẩn với độ xác cao mà khoa học kỹ thuật hiên đại thực

Chuẩn cấp chuẩn đảm bảo tạo đại lượng có đơn vị xác quốc gia

Ví dụ

Chuẩn đơn vị độ dài mét ( m ) quãng đường ánh sáng chân không khoảng thời gian 1/ 299.792.458 giây ( CGPM lần thứ 17 năm 1983 – CGPM tên viết tắt tiếng Pháp Đại Hội Cân Đo Quốc Tế )

Chuẩn khối lượng ( kg ) khối lượng mẫu kilogam quốc tế đặt trung tâm mẫu cân quốc tế Paris ( nước Pháp )

Chuẩn đơn vị thời gian ( giây – second ) khoảng thời gian 9.192.631.770 chu kỳ phát xạ , tương ứng với thời gian chuyển hai mức gần trạng thái nguyên tử xesi 133

Chuẩn đơn vị dòng điện ( ampe – A ) dịng điện khơng đổi chạy hai dây dẫn thẳng , song song , dài vơ hạn , tiết diện trịn nhỏ không đáng kể , đặt cách mét chân không , gây mét dài dây lực 2.10-7 Niuton ( CGPM lần thứ – 1948 )

phương xác định nguồn phát xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 Hz có cường độ xạ theo phương 1/ 683 watt steradian ( CGPM laần thứ – 1979 )

Đơn vị kéo theo

Là đơn vị có liên quan đến đơn vị đo thể qua biểu thức

Ví dụ Theo định luật Ohm ta có biểu thức R = U I tương ứng với đơn vị ( Ω ) = ( V ) ( A ) Ngày , nước thừong sử dụng hệ thống đơn vị thống hệ thống đơn vị quốc tế SI hệ thống thông qua hội nghị quốc tế năm 1960 Có đơn vị

TÊN ĐƠN VỊ CƠ BẢN KÝ HIỆU

Mét ( đo chiều dài ) Kilogam ( đo khối lượng ) Thời gian

Cường độ dòng điện Nhiệt độ

đơn vị số lượng vật chất Cường độ ánh sáng

M Kg

Giaây ( second) A

K Mol Cd

Ngồi đơn vị , cịn có đơn vị kéo theo lĩnh vực , điện , quang học từ

CÁC ĐẠI LƯỢNG TÊN ĐƠN VỊ KÝ HIỆU

1 Các đại lượng Độ dài

Khối lượng Thời gian Dòng điện Nhiệt độ

Số lượng vật chất Cường độ ánh sáng

Mét Kilogam

Giây Ampere

Kelvin Mol candela

m kg s A K mol

Khái niệm đo lường

2 Các đại lượng học Tốc độ

Gia tốc

Năng lượng cơng Lực

Cơng suất Năng lượng

Mét giây

Mét giây bình phương Jun

Niuton Watt Watt giây

m / s m / s2

J N W Ws Các đại lượng điện

Lượng điện

Điện áp , điện động Cường độ điện trường Điện dung

Điện trở Điện trở riêng

Hệ số điện môi tuyệt đối

Cublom Volt Volt mét

Fara Ohm Ohm mét Fara mét

C V V / m

F

Ω Ω M

F / m đại lượng từ

Từ thông Cảm ứng từ

Cường độ từ trường Điện cảm

Hệ số từ thẩm

Vebe Tesla Ampere mét

Henri Henri mét

Wb T A / m

H H / m Các đại lượng quang

Luồng ánh sáng Cường độ sáng riêng Độ chiếu sáng

Lumen

Candela mét vuông Lux

lm Cd / m2

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Thế tín hiệu đo đại lượng đo ? cho ví dụ minh họa ? 2 Phân biệt giống khác tín hiệu đo đại lượng đo ? 3 Đại lượng đo phân loại ? Cho ví dụ minh họa 4 Thiết bị đo ? Thiết bị đo phân loại ? 5 Đơn vị đo ? Thế đơn vị tiêu chuẩn ?

6 Phương pháp đo ? Trình bày loại phương pháp đo ? 7 Có loại sai số ? nêu ý nghĩa loại sai số ?

Dương Hữu Phước

Chương

CÁC CƠ CẤU ĐO

2.1 CẤU TẠO CƠ CẤU CHỈ THỊ

2.1.1 Khái niệm chung

Để biết trị số đo lường đại lượng đo , ta cần có cấu thị kết đo lường Đối với thiết bị đo cổ điển , để thị kết , cấu thị mang kim thị kim thị di chuyển mặt có vạch độ chia số tùy thuộc vào vị trí kim thị mà kết đo Dụng cụ đo tương tự ( Analog ) loại dụng cụ đo mà số chỉ dụng cụ tỷ lệ với đại lượng đo ( đại lượng liên tục ) Trong dụng cụ đo tương tự , người ta thường dùng thị điện , tín hiệu vào dịng điện hay điện áp cịn tín hiệu góc quay phần động ( kim thị ) di chuyển bút ghi máy ( dụng cụ tự ghi ) Những dụng cụ dụng cụ đo biến đổi thẳng Các đại lượng cần đo đại lượng điện dòng điện , điện áp , tần số biến đổi thành góc quay phần động nghĩa biến đổi lượng điện thành lượng học α = f(x) x đại lượng điện , α góc quay Cịn cấu thị thiết bị đại ngày người ta dùng led để thị kết Do chương trình bày loại cấu thị cổ điển

2.1.2 Nguyên lý làm việc thị điện

Khi cho dịng điện vào cấu thị điện , tác động từ trường lên phần động cấu đo tạo moment quay Mq Độ lớn moment tỷ lệ với độ lớn dòng điện đưa vào cấu đo :

Mq = dWe

dαααα Trong We lượng từ trường

α góc quay phần động

Nếu ta đặt vào trục phần động lò xo cản , phần động quay lò xo bị xoắn lại sinh moment cản MC Moment tỷ lệ thuận với góc lệch α biểu diễn biểu thức MC = D αααα

Với D hệ số phụ thuộc vào kích thước vật liệu chế tạo lò xo

Hay dW d e α α α

α = Dαα αα Suy αααα = D dW d e

α α α α

Phương trình phương trình đặc tính thang đo Từ phương trình , ta biết đặc tính thang đo tính chất cấu thị

Vị trí cân αc xác định đồ

thị hình vẽ Ứng với dịng điện khác ta có góc lệch khác 2.1.3 Các phận chi tiết chung cấu thị

Trục trụ

Là phận đảm bảo cho phần động quay trục khung dây , lò xo cản , kim thị Trục làm thép cứng pha iridi osimi c có tiết diện trịn có đường kính từ 0.8 đến 1.5 mm , đầu trục hình chóp với góc đỉnh γ = 450 – 60 đỉnh bán cầu có bán kính 0.05 – 0.3 mm Trụ đỡ làm đá cứng agat hay carbua rundum

Lò xo phản kháng

Là chi tiết thực hai nhiệm vụ : tạo moment cản dẫn dòng điện vào khung dây

Lò xo chế tạo đồng berili đồng phốt phát để có độ đàn hồi tốt dễ hàn , lị xo chế tạo thành hình xoắn ốc

Dây căng dây treo

Khi cần giảm moment cản để tăng độ nhậy cấu thị , người ta thay lò xo dây căng hay dây treo

Dây căng dây treo đoạn dây phẳng , có thiết diện hình chữ nhật làm đồng berili đồng phốt phát Moment phản kháng dây căng dây treo nhỏ để hạn chế ma sát

Chương Kim thị

Kim thị chế tạo nhôm hay hợp kim nhơm Với dụng cụ có cấp xác cao , kim làm thủy tinh , hình dáng kim thị chế tạo tuỳ theo cấp xác dụng cụ đo vị trí đặt dụng cụ để quan sát

Thang ño

Thang đo phận để khắc độ giá trị đại lượng Có nhiều loại thang đo khác , tùy thuộc vào cấp xác chất cấu thị Thang đo thường chế tạo từ nhôm , mặt có khắc vạch chia độ Để tránh sai số trình đo mặt thang đo người ta gắn thêm “ mặt gương “ phản chiếu phía đoc kết đo bắt buộc kim bóng kim đo trênmặt gương phải trùng Đặc biệt dụng cụ làm việc ban đêm ban ngày , số thang đo kẻ chất phát quang ( quang ) bóng tối Có nhiều loại thang đo khác , tùy theo cấp xác chất cấu đo Thông dụng loại thang đo có góc lệch kim ± 450 hai phía so với trục thẳng đứng nghĩa có góc lệch kim đo

α = 900 Bộ phận cản dịu

Là phận làm giảm trình dao động phần động xác định vị trí cân nhanh chóng

Cản dịu phân thành loại : Cản dịu khơng khí Cản dịu kiểu cảm ứng từ

Cản dịu không khí có cấu tạo hình vẽ , gồm hộp kín có nhơm chuyển động gắn liền với trục quay Khi phần động cấu thị chuyển động , nhôm chuyển động theo tạo nên lực cản làm giảm trình dao động

2.1.4 Công dụng dụng cụ đo ( đồng hồ đo )

Ampe kế ( A ) dùng để đo dịng điện có cường độ lớn ( > 1A ) Miliampe – kế dùng để đo dịng điện có cường độ nhỏ ( < 1000mA ) Vôn kế ( V KV ) dùng để đo điện áp

Milivôn – kế ( mV ) dùng để đo điện áp milivôn

Kilowat watt – kế ( KW W ) dùng để đo công suất Điện kế ( Wh KWh ) dùng để đo điện tiêu thụ

2.2 CƠ CẤU TỪ ĐIỆN ( D’ ARSONVAL ) 2.2.1 Cấu tạo

Phần tónh

Gồm có nam châm vĩnh cửu , mạch từ , cực từ lõi sắt Các phận hình thành mạch từ kín Giữa cực từ lõi sắt có khe hở goiï khe hở làm việc , có khung quay chuyển động Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm điểm Trong khe hở có độ từ cảm B điểm

Ngoài , mạch từ cịn có Shunt từ dùng để điều chỉnh từ thông qua khe hở làm việc

Phần động

Gồm có khung chữ nhơm hình chữ nhật khung có quấn dây đồng nhỏ cỡ 0.03 – 0.2 mm ( có trường hợp khung quay khơng có lõi nhơm bên điện kế )

Khung quay gắn vào trục quay ( dây căng hay dây treo ) , trục quay đặt hai điểm tựa ( hai đầu trục ) Như khung quay nhờ trục quay nên gọi khung khung quay

Ở hai đầu khung quay cịn gắn chặt vào lị xo xoắn có nhiệm vụ dẫn dòng điện vào khung quay Khung quay đặt từ trường tạo hai cực nam châm vĩnh cửu Để làm tăng ảnh hưởng từ trường khung quay người ta đặt lõi sắt non hình trụ bên lòng khung quay di chuyển ke hở khơng khí lõi sắt non cực nam châm , khe hở thường hẹp

Kim thị gắn chặt vào trục quay khung quay , khung quay di chuyển kim thị di chuyển tương ứng

Trong cấu đo từ điện , chất lượng nam châm vĩnh cửu ảnh hưởng lớn đến độ xác dụng cụ đo Do , yêu cầu nam châm vĩnh cửu tạo từ cảm B lớn khe hở làm việc , ổn định theo thời gian nhiệt độ Trị số từ cảm B lớn moment quay tạo lớn nên độ nhậy cấu đo cao bị ảnh hưởng từ trường

2.2.2 Nguyên lý làm việc Sự làm việc khung quay

Khi có dịng điện chạy qua khung dây , tác dụng từ trường nam châm vĩnh cửu khung quay lệch góc dα Moment quay tạo xác định theo biểu thức

Mq =

dWe

dαααα

We tỉ lệ với độ lớn từ thông Φ khe hở làm việc dòng điện I chạy khung dây

Chương Mà ΦΦΦΦ = B S W αααα

Trong

B độ từ cảm nam châm vĩnh cửu S diện tích khung dây

W số vòng dây quấn khung dây

α góc lệch khung dây so với vị trí ban đầu Các giá trị số ( const ) khung dây quay Ta viết lại biểu thức sau

Mq =

d( ΦΦΦΦI ) dαααα =

d ( BSW Iαααα) dαααα Mq = BSW I

Do Mq = Kq I

Khi cân , moment quay với moment cản

Mq = Mc BSW I = D α Suy αααα = BSWI D

Ta nhận thấy B, S, W, D số nên góc quay khung dây tỷ lệ bậc với dòng điệân I

Độ nhậy cấu đo xác định biểu thức sau S = d dI Nghĩa độ nhậy α dòng điện tương ứng với biến thiên góc quay có biến thiên dòng điện qua khung dây Trong thực tế người ta thường dùng trị số dòng điện tối đa hay gọi dòng điện cực đại RMS mà kim thị lệch tối đa hay lệch hết khung đo (FSD = Full Scale Deviation) để đặc trưng độ nhậy cấu

Độ nhậy lớn Imax nhỏ góc quay kim thị khơng đổi ( vào khoảng 1050 ) Do muôn tăng độ nhậy , ta tăng giá trị K

q ( nghĩa tăng cảm ứng từ B hay tăng diện tích khung dây tăng số vịng dây quấn khung dây )

Theo biểu thức xác định độ nhậy Scủa cấu xác định S = K KD

Thí duï

Độ nhậy cấu thị 50 micro ampe nghĩa dòng điện tối đa qua cấu thị lệch tối đa qua cấu thị 50 micro ampe dòng điện lớn qua cấu có trị số nhỏ cấu nhậy

Cơ cấu đo từ điện dùng để làm thị mạch đo đại lượng không điện

Dùng để chế tạo dụng cụ đo điện tử tương tự volt kế điện tử , tần số điện tử , pha kế điện tử

Kết hợp với biến đổi cầu chỉnh lưu , cảm biến , cặp nhiệt để đo đại lượng xoay chiều ( dòng áp xoay chiều )

2.3 CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

Cơ cấu đo điện từ gọi cấu có miếng sắt di động ( Moving Iron ) 2.3.1 Cấu tạo cấu đo điện từ

Cơ cấu đo điện từ có hai loại loại hút loại đẩy Cơ cấu đo điện từ loại hút

Gồm có cuộn dây cố định , miếng sắt di động vùng từ trường cuộn dây tạo có dịng điện chạy qua cuộn dây Nếu từ trường tạo lớn miếng sắt bị hút mạnh vào kim thị bị lệch nhiều Để cân lực hút , ta gắn thêm lị xo kiểm sốt đối kháng lại Khi khơng có dịng điện chạy qua cuộn dây , từ trường khơng cịn nên kim thị trở vị trí cân ban

đầu

Sự chuyển động kim thị đệm để làm dịu , phận đệm gồm nhôm gắn chặt với kim thị di chuyển buồng che kín

Cơ cấu đo điện từ loại lực đẩy

Gồm có hai miếng sắt di động gắn chặt với trục quay , miếng sắt cố định gắn với vách nịng cuộn dây Khi có dịng điện chạy qua từ hóa miếng sắt có cực tính miếng sắt đẩy , miếng sắt di động di chuyển

Nguyên lý làm việc

Cơ cấu điện từ loại lực hút đẩy có nguyên lý làm việc Thang chia

Kim chæ thị

Lị xo kiểm sốt

Cuộn dây

Lá thép di động

Chương Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây trở thành nam châm điện cuộn dây xuất moment quay xác định theo biểu thức

Mq = dW dαe

Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây xác định theo biểu thức Wtt =

L I2

Trong L điện cảm cuộn dây

Từ trường lịng cuộn dây từ hố thép Sự phân cực thép tạo thành nam châm cực có tác dụng đẩy thép động Lực làm quay thép di động quanh trục

Khi thép bị hút vào cuộn dây tổn hao lượng từ trường dWtt , lượng chuyển thành tác dụng lên thép Mq.dα

Ta coù dWtt = Mq dα d( L I2 ) = M

q dα

Suy Mq =

d( L I2 ) dα =

dL dα I

2 Do Mq = Kq I2

Khi kim vị trí cân , moment quay với moment phản kháng

Mq = Mpk Kq I2 = Kpkα Hay α = K Kq

pk I 2

α αα

α = K I2

Vậy góc quay tỉ lệ với bình phương dịng điện Do , thang đo cấu đo kiểu điện từ có vạch chia không

2.3.2 Đặc điểm cấu đo điện từ

Từ biểu thức , ta có số nhận xét sau

Do góc quay khung dây tỷ lệ bình phương với dịng điện nên thang đo chia vạch không phụ thuộc vào tỷ số dL d

α ( đại lượng phi tuyến ) Thực tế , người ta tính tốn cho góc lệch α khung dây thay đổi tỷ số dL d

α thay đổi theo qui luật ngược với bình phương dịng điện Nghĩa ta phải tính tốn lựa chọn kích thước , hình dáng lõi động mạch từ vị trí đặt cuộn dây cho phù hợp

Để cản dịu , cấu đo điện từ thường sử dụng khơng khí cảm ứng

2.4 CƠ CẤU ĐO ĐIỆN ĐỘNG

Là cấu đo phối hợp cấu đo từ điện ( khung quay mang kim thị ) cơ cấu đo điện từ ( cuộn dây cố định tạo từ trường cho khung quay )

2.4.1 Cấu tạo cấu đo điện động

Phần tĩnh gồm cuộn dây chia thành cuộn dây nối tiếp để tạo từ trường có dịng điện chạy qua cuộn dây Hai cuộn dây đặt cách khoảng để cuộn dây động nằm khoảng chịu ảnh hưởng từ trường đo cuộn dây dây tĩnh tạo

Phần động gồm khung dây đặt lòng cuộn dây tĩnh Khung dây gắn với trục quay , trục quay có gắn lị xo cản dịu kim thị Trục quay đặt xuyên qua khe hở khoảng không cuộn dây tĩnh

Phần động phần tĩnh được bọc kín màng chắn để tránh ảnh hưởng từ trường làm sai lệch giá trị đo

Thông thường cuộn dây di động khơng có lõi sắt non ( cấu từ điện ) mà lõi khơng khí tránh tượng từ trễ dịng điện xốy Khi sử dụng để đo dòng điện xoay chiều cuộn dây phần tĩnh phần động nối với phụ thuộc vào sử dụng cấu đo Cơ cấu đo kiểu điện động sử dụng để làm ampe kế , Volt kế Watt kế

2.4.2 Nguyeân lý làm việc

Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây tĩnh , lòng cuộn dây tĩnh xuất từ trường , từ trường tác động lên dòng điện chạy khung dây ( cuộn dây động ) Giữa cuộn dây có lực tác động tương hỗ tạo nên moment quay làm cho cuộn dây động quay góc α

Khi có dòng điện chiều vào cuộn dây tónh Cuộn

cố định Cuộn

di động Lị xo

Chương Moment quay xác định theo biểu thức

Mq =

dWe

dαααα = dM12

dαααα I1 I2 Mq = Kq I1 I2

Nếu I1 = I2 = I Mq = kq I2

Ở vị trí cân moment quay với moment cản Ta có đẳng thức sau Mq = Mpk

dM12

dα I1 I2 = D α Suy αααα = D 1 dMd 12

α α α

α I1 I2

Khi dòng điện xoay chiều vào cuộn dây tĩnh Moment quay xác định theo biểu thức

Mq =

dWe

dαααα = dM12

dαααα i1 i2

Do có qn tính nên phần độngkhơng kịp thay đổi theo giá trị tức thời Cho nên , thực tế người ta lấy giá trị trung bình chu kỳ tương ứng với giá trị hiệu dụng RMS

Ta coù Mq = T ∫

T

0

Mqt dt Suy Mq = dMdα12 I1 I2 cosϕ

Mq = Kq I1 I2 cosϕϕϕϕ

Với ϕ góc lệch pha hai dịng điện I1 I2

Ở vị trí cân moment quay với moment cản Ta có đẳng thức sau

dM12

dα I1 I2 cosϕ= D α Suy αααα = D 1 dMd 12

α α α

α I1 I2 cosϕϕϕϕ

Hay 2

.I K I k k p q = = α

Năng lượng từ trường cuộn dây phần tĩnh phần động :

2 2 2

1 . . .

2 1 . 2 1 I I M I L I L W

M hệ số tương hỗ cuộn dây phần tĩnh phần động thay đổi theo vị trí cuộn dây phần động cuộn dây phần tĩnh tức thay đổi theo góc quay α

Độ biến thiên dWtt : dWtt = Mq dα

2.4.3 Đặc điểm cấu đo kiểu điện động

Cơ cấu đo điện động có ưu nhược điểm cấu đo từ điện cấu đo điện từ

Ưu điểm cấu đo kiểu điện động

Cơ cấu đo kiểu điện động sử dụng để đo điện chiều xoay chiều Moment quay Mq tỷ lệ với giá trị hiệu dụng dịng điện cosϕ nên ta sử

dụng cấu đo kiểu điện động để làm watt kế ( đo công suất )

Nhược điểm cấu đo kiểu điện động

Cơ cấu đo kiểu điện động tiêu thụ cơng suất nên thích hợp cho việc đo cơng suất lớn

Moment quay cấu đo không lớn từ trường thân cuộn dây sinh nhỏ từ thơng kép kín qua khơng khí có từ trở lớn tổn hao từ nhiều Do cấu đo kiểu điện động bị ảnh hưởng nhiều từ trường nên để hạn 2.4.4 Ứng dụng cấu đo kiểu điện động

Cơ cấu đo kiểu điện động sử dụng để chế tạo ampe kế , volt kế , watt kế chiều xoay chiều với tần số công nghiệp Đồng hồ đo hệ số công suất cosϕ hay góc lệch pha Khi sử dụng mạch xoay chiều tần số cao , ta phải lắp thêm mạch bù tần số cấu đo đo dải tần lên đến 20 kHz Ngoài , ta tạo tỉ số kế điện động để làm cosϕ kế

Lưu ý

Chiều quay cấu đo điện động ( sắt điện động ) xác định trước hoạt động với dòng điện điện xoay chiều Như , kim thị cấu đo bị lệch ngược tì ta phải hốn đổi cực tính cuộn dây để kim thị quay thuận

2.5 CƠ CẤU CẢM ỨNG

2.5.1 Cấu tạo cấu đo kiểu cảm ứng

Gồm hai phần phần động phần tĩnh Phần tĩnh gồm có hai cuộn dây quấn mạch từ ( lõi thép kỹ thuật ) để tạo nam châm điện Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sinh từ trường

Chương móc vòng qua mạch từ qua phần động Số lượng nam châm

Phần động đĩa kim loại thường làm nhôm gắn vào trục quay có mang kim thị

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

Khi có dịng điện I1 I2 chạy qua, từ thơng sinh cảm ứng lên dĩa nhôm làm cho trênn dĩa nhơm xuất dịng điện xốy

Khi cuộn dây nam châm điện có dịng điện xoay chiều i1 i2 có biên độ I1 I2 qua hai cuộn dây nam châm điện chúng lệch pha góc ϕ Các dịng điện tạo từ thơng Φ1 Φ2 có pha với i1 i2 Như Φ1 tạo sức điện động cảm ứng E1’ Φ2 ta E2’ Sức điện động cảm ứng E1’ lệch pha 90o so với Φ1 sđđ cảm ứng E2’ lệch pha 90o so với Φ2

Trên dĩa nhơm , sđđ cảm ứng E1’ tạo dịng điện xốy i'1 ( có biên độ I1’) sđđ cảm ứng E2’ tạo dịng điện xốy i’2 ( có biên độ I2’ ) có pha với sức điện động cảm ứng phát sinh dòng điện xốy Các dịng điện xốy nằm từ trường nam châm điện nên chúng tác dụng tương hỗ lẫn , làm xuất lực từ dĩa nhôm xuất moment làm cho dĩa nhôm quay

Moment quay xác định theo biểu thức

Mq = C f ΦΦΦΦ1 ΦΦΦΦ2 sinϕϕϕϕ

Trong C số cấu đo kiểu cảm ứng Hay Mq = K U I cosϕϕϕϕ = K P

Moment phản kháng tỉ lệ với tốc độ quay dĩa nhôm

Mpk = K’ n

Dĩa nhôm quay moment quay cân với moment phản kháng

Mq = Mpk Hay K P = K’ n Suy n = K' P K

Để có từ thơng lớn cần phải có từ trở mạch từ nhỏ , ngồi cịn phải chịu tải chống lại từ trường nhiễu bên ngồi Hơn cịn ghi nhận nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở dòng điện xốy đĩa cuộn dây Do cấu có sai số nhiệt độ

Kết luận

Khi Mq < Mpk dĩa nhơm quay chậm 2.5.3 Đặc tính cấu đo kiểu cảm ứng Ưu điểm cấu đo kiểu cảm ứng

Có moment lớn Cấu tạo chắn

Khả chịu tải cao

Nhược điểm cấu đo kiểu cảm ứng

Độ xác thấp có sai số từ trễ nên chủ yếu dùng để đo cơng suất xoay chiều

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

Điều kiện để có moment quay phải có hai từ trường

Moment quay đạt giá trị cực đại góc lệch pha hai từ trường Φ = π Moment quay phụ thuộc vào tần số dòng điện tạo từ trường

Cơ cấu đo kiểu cảm ứng làm việc mạch điện xoay chiều Ứng dụng

Cơ cấu đo kiểu cảm ứng chủ yếu dùng để chế tạo công tơ điện ( counter điện hay compter điện ) để đo điện tiêu thụ Đôi người ta dùng để đo tần số

2.6 CÁC KÝ HIỆU GHI TRÊN CƠ CẤU CHỈ THỊ

Thông thường mặt phận thị thường ghi ký hiệu hai góc Nhờ ký hiệu mà biết cấp xác thiết bị đo , đo điện chiều , xoay chiều cho chiều ( DC ) xoay chiều ( AC )

Ngoài dưạ vào ký hiệu biết cấu thị cho thiết bị đo từ ta suy nguyên lý hoạt động cấu đo biết ưu khuyết điểm cấu đo

Cơ cấu đo từ điện

Cơ cấu đo từ điện có phận chỉnh lưu dùng diode

Cơ cấu đo từ điện có phần biến đổi điện xoay chiều sang chiều dùng cấu nhiệt điện

Cơ cấu tỉ số kế từ điện ( logomét )

Cơ cấu đo điện từ ( miếng sắt di động ) cấu điện từ có nam châm thường trực

Các cấu đo Cơ cấu sắt điện động

Cơ cấu tỉ số kế điện động Tỉ số kế sắt điện động

Cơ cấu cảm ứng

Cơ cấu tỉ số kế cảm ứng Cơ cấu đo tĩnh điện

Ngoài có ký hiệu khác ghi máy nhà sản xuất quy định cho biết sử dụng thiết bị đo Vì , sử dụng thiết bị đo cần lưu ý đến ký hiệu ghi máy

2.7 CHỈ THỊ SỐ ( DIGITAL )

Trong khứ thiết bị học quang học giúp ích cho kỹ thuật đo lường Tuy nhiên thiết bị số hạn chế không đáp ứng đại lượng đo có tần số cao , sai số lớn , khó truyền tín hiệu xa khó xử lý tín hiệu nên việc tự động hóa gặp nhiều khó khăn

Hiện thị trường thiết bị đo hiển thị ( Alnalog ) cịn có thiết bị đo hiển thị số ( Digital ) So với thiết bị đo điện , thiết bị đo hiển thị số khắc phục số nhược điểm thiết bị đo điện tăng độ nhậy , tăng tổng trở đầu vào nên hạn chế sai số trình đo , cấu tạo nhỏ gọn Đặc biệt hiển thị số nên kết đọc nhanh chóng đồng thời đáp ứng tần số cao

Thiết bị đo hiển thị số có ưu điểm sau

Độ nhậy thích hợp Tiêu thụ lượng Tốc độ đáp ứng nhanh

Dễ tương thích tín hiệu dễ dàng truyền xa Độ tin cậy cao

Tính linh hoạt cao phù hợp với vấn đề đo lường 2.7.1 Nguyên lý hoạt động thị số

Một thiết bị đo hiển thị số gồm có ba khoái

Cảm biến : dùng để biến đổi đại lượng không điện sang đại lượng điện Bộ phận thiết bị đo đại lượng công nghiệp

Bộ biến đổi tín hiệu : dùng để biến đổi đại lượng điện dòng điện , điện áp điện trở cho phù hợp với hiển thị kết ( thị số ) Bộ gồm có mạch phân tầm đo , mạch điều chỉnh tổng trở , mạch khuếch đại tín hiệu đo Ngồi cịn

có mạch lọc , mạch chỉnh lưu , mạch sửa dạng tín hiệu , mạch chopper , mạch biến đổi tín hiệu ( A / D )

Bộ thị kết đo : kết đo hiển thị hai hình thức kim hiển thị số ( đa phần hiển thị số )

Khảo sát sơ đồ khối hệ thống đo lường dạng số ( Digital )

Bộ vi xử lý ( Microprocessor µP ) tham gia vào hệ thống đo để xử lý nhanh tín hiệu

đo chống nhiễu truyền tín hiệu xa Với phát triển máy tính caa nhân ( PC ) hệ thống đo lường sử dụng PC để tự động hóa hệ thống đo lường mức độ cao hơn việc sử dụng thuận tiện Hiện bước sang giai đoạn “ máy tính hố thiết bị đo lường “ ( Computerized Instrumentation )

Trong hệ thống đo lường kỹ thuật số , tín hiệu Analog biến đổi sang tín hiệu Digital mạch ADC ( Analog Digital Converter ) , tín hiệu chuyển đến µP để xử lý liệu Muốn thể tín hiệu dạng Analog , ta dùng mạch

DAC ( Digital Analog Convertor ) để chuyển đổi tín hiệu sang analog

Ngồi , hệ thống đo lường dạng số cịn có ưu điểm hoạt động thơng minh có phần mềm ( soft ware ) xử lý tín hiệu đo lường điều khiển hệ thống cách tự động hóa Việc xử lý tín hiệu điều khiển hệ thống từ xa ( remote ) nhờ kết nối với máy tính , máy tính điều khiển thiết bị đo lường thơng qua giao tiếp chuẩn ( interface bus standard ) thông dụng IE488 RS232C Phần giao tiếp truyền số đa ( GPIB – General Purpose Interface Bus ) thiết kế để thực điều khiển

Sơ đồ khối hệ thống thu nhận xử lý liệu dùng mạch giao tiếp RS232 như sau :

Cảm

biến Chế biến tín hiệu S/H ADC Xử lý số Bộ thị

số Sử dụng

kết

đo

DAC

Máy ghi Microprocessor

P

Bộ điều khiển logic

Thiết bị điều

khiển Chương

trình Đại lượng đo

quan sát

Chương

Bo

ä c

h

o

ïn

k

e

ân

h

tư

ï đ

o

än

g

ADC

Vi xử lý

Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ liệu

Giao tieáp RS232 Giao tieáp

RS232 Giao tieáp

RS232

Máy in Điều khiển

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu Cơ cấu hiển thị bao gồm phận ? Câu Công dụng phận cấu hiển thị ? Câu Nêu cấu tạo cấu đo từ điện ?

Câu Trình bày nguyên lý hoạt động cấu đo từ điện ? Câu Nêu ưu điểm cấu đo từ điện ?

Câu Nêu nhược điểm cấu đo từ điện ? Câu Nêu cấu tạo cấu đo điện từ ?

Câu Trình bày nguyên lý hoạt động cấu đo điện từ ? Câu Nêu ưu điểm cấu đo điện từ ?

Câu 10 Nêu nhược điểm cấu đo điện từ ? Câu 11 Nêu cấu tạo cấu đo điện động ?

Câu 12 Trình bày nguyên lý hoạt động cấu đo điện động ? Câu 13 Nêu ưu điểm cấu đo điện động ?

Câu 14 Nêu nhược điểm cấu đo điện động ? Câu 15 Nêu cấu tạo cấu đo cảm ứng ?

Câu 16 Trình bày nguyên lý hoạt động cấu đo cảm ứng ? Câu 17 Nêu ưu điểm cấu đo cảm ứng ?

Câu 18 Nêu nhược điểm cấu đo cảm ứng ? Câu 19 So sánh ưu nhược điểm cấu đo ? Câu 20 Giải thích ký hiệu ghi thiết bị đo

Câu 21 Nêu tính ưu việt cấu đo hiển thị số so với cấu đo hiển thị ?

Chương

ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP

3.1 KHÁI NIEÄM

Trong đại lượng điện , đại lượng dòng điện điện áp đại lượng Cho nên công nghiệp nghiên cứu khoa học , người ta quan tâm đến phương pháp thiết bị đo dịng điện

Ta đo dịng điện phương pháp Đo trực tiếp

Đo gián tiếp

Phương pháp so sánh ( hay gọi phương pháp bù )

Ở phương pháp đo trực tiếp , ta sử dụng dụng cụ đo dòng điện ampe kế miliampe kế hay microampe kế tùy theo cường độ dòng điện cần đo giá trị đo đọc trực tiếp dụng cụ đo

Trong phương pháp đo gián tiếp , ta đo điện áp rơi điện trở mẫu mắc

mạch cần đo dịng điện Thơng qua tính tốn , ta xác định dòng điện cần đo ( áp dụng định luật Ohm )

Ở phương pháp so sánh , ta so sánh dòng điện cần đo với dịng điện mẫu xác Ở trạng thái cân dòng điện cần đo dòng điện mẫu , kết đọc mẫu Ta sử dụng phương pháp so sánh trực tiếp phương pháp so sánh gián tiếp

3.2 CÁC DỤNG CỤ ĐO DÒNG ĐIỆN

3.2.1 Đặc điểm cấu đo

Khi đo dịng điện , ta mắc dụng cụ đo nối tiếp với mạch điện cần đo Vì ampe kế lấy phần lượng mạch đo , gây sai số trình đo Phần lượng cịn gọi cơng suất tiêu thụ ampe kế tính theo biểu thức

PA = IA2 RA

Từ biểu thức , ta nhận thấy công suất tiêu thụ dụng cụ đo nhỏ sai số phép đo nhỏ nghĩa điện trở cấu đo nhỏ tốt

3.2.2 Các yêu cầu cấu đo

Trước đo

Kiểm tra an toàn cho người thiết bị

Đảm bảo độ tin cậy mạch cần đo dịng điện

Trong đo

Chọn thang đo thích hợp

Điều chỉnh kim que đo vị trí

Sau đo

Đánh giá kết đo Tính sai số

3.2.3 Cách tính sai số

Mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải hình vẽ Gọi

I dòng điện qua phụ tải chưa mắc ampe kế ( Khi khố K đóng )

IA dòng điện qua phụ tải mắc ampe kế ( Khi khóa K hở )

RA điện trở nội ampe kế R điện trở phụ tải

U điện áp nguồn cung cấp cho mạch điện Ta có I = U R vaø IA = R U

A + R

Sai số tương đối ∆% = I - I I 100% = A R RA

A + R 100% Ví dụ

Tính sai số phép đo mắc vào mạch ampe kế có nội trở Rm = 50 Ω , điện trở tải có giá trị 1kΩ điện áp đặt vào mạch điện 12 vôn

Dịng điện qua điện trở tải khóa K đóng ( khơng có ampe kế mạch )

I = U R = 1000 = 0.012 A = 12mA 12

A K

R A

K

Đo dòng điện điện áp

Dịng điện qua điện trở khóa K mở (có ampe kế mạch) IA = R U

A + R = 12

1050 = 0.0114 A = 11.4 mA

Sai số tương đối ∆% = I - I I 100% = A 12 - 11.4 12 100% = 5% 3.3 ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

3.3.1 Đặc điểm

Để đo dịng điện chiều , ta sử dụng cấu đo kiểu điện từ , từ điện hay điện động Thông thường ta sử dụng cấu đo kiểu từ điện có độ nhạy cao lại tiêu thụ lượng khoảng 0.2 đến 0.4W vạch chia thang đo nên dễ đọc

Khung dây ampe kế kiểu từ điện quấn

bằng dây đồng có đường kính từ 0.03 đến 0.2mm , số vòng dây khoảng 300 vòng nên dòng điện cho phép qua cấu đo từ 100µA đến 20mA điện trở cấu đo khoảng 20Ω đến 2000Ω

3.3.2 Phương pháp mở rộng thang đo Trong trình đo dịng điện , đơi giá trị cần đo lớn giới hạn cho phép cấu đo , ta phải mở rộng thang đo cho ampe kế Phương pháp phổ biến dùng điện trở Shunt , điện trở Shunt thường làm

bằng manganin mắc song song với cấu đo ( thường dòng điện qua điện trở Shunt lớn dòng điện qua cấu đo nhiều )

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

IS

IA =

RA

RS hay RS =

RA IA

IS

Itteá = IA + IS

Ví dụ

Một ampe kế kiểu từ điện có nội trở Rm = 99 Ω dòng điện làm kim lệch tối đa Imax = 0.1mA Tính giá trị dòng điện thực tế giá trị điện trở shunt RS = 1Ω

Giaûi

Rtaûi

A

RS

IS

Để hạn chế dòng điện chạy qua cấu đo , ta mắc song song với cấu đo điện trở shunt RS

Điện áp rơi cấu đo

Vm = Im Rm = 0.1mA 99 Ω = 9.9 mV Dòng điện qua điện trở shunt

IS = V Rm S =

9.9 mV

1Ω = 9.9mA Dòng điện qua ampe kế

IA = Im + IS = 0.1mA + 9.9mA = 10 mA a Các loại điện trở shunt

Có hai loại điện trở shunt Điện trở shunt gắn Điện trở shunt gắn

Điện trở shunt gắn trong chế tạo đặt ampe kế đo dòng điện nhỏ 30A

Điện trở shunt gắn là phận điện trở gắn kèm với ampe kế điện trở shunt đặt hộp riêng để đảm bảo điều kiện tỏa nhiệt Với điện trở shunt gắn ngồi ta đo dịng điện có cường độ từ vài ampe đến 10 kA

Shunt gắn ngồi có cực , cực nhỏ gọi cực áp gắn vào ampe kế cực lớn gọi cực dòng đấu với cực cần đo dòng điện Khi sử dụng , ta cần lưu ý cực tránh nhầm lẫn để không làm hư cấu đo

Để có nhiều cấp đo khác ( nhiều thang đo ) , ta mắc điện trở shunt độc lập hay nối tiếp Điện trở shunt mắc độc lập hình ( song song ) sử dụng dạng điện trở shunt mắc nối tiếp ( hình )

Đối với điện trở shunt mắc nối tiếp , giá trị điện trở thành phần xác định theo biểu thức

RS1

IS1

Rtaûi I I

RS2 RS3

IS2 IS3

A

IA

RS1

IS1

Rtaûi

I I

RS2

RS3

A IA

Đo dòng điện điện áp

RK = RA

n1

n1 - (

nK -

nK + 1 )

Tính tốn điện trở shunt để mở rộng thang đo

Gọi n hệ số điều chỉnh dòng điện ( tỷ số dòng điện tải dòng điện qua ampe kế )

n = I I

A =

IA + IS

IA = +

RA

RS

Ta coù I I A =

RS RA Suy RS =

RA

n -

Như để mở rộng thang đo , ta mắc điện trở shnut có giá trị nhỏ điện trở cấu đo ( n – ) lần

Ví dụ

Một cấu đo có giá trị giới hạn đo Imax = IA = 50µA , điện trở nội cấu đo r0 = 300Ω Tính giá trị điện trở shunt để có thang đo 100µA , 1mA 10mA Giải

Hệ số điều chỉnh dòng điện thang đo tương ứng Thang đo 100µA n1 = I I1

A = 100

50 = Thang ño 1mA n2 = I I2

A = 1000

50 = 20 Thang ño 10mA n3 = I I3

A =

10000

50 = 200 R1 = RA n n1

1 - ( n1 -

n2 )

R1 = 300 - ( - 20 ) = 270 Ω Tương tự ta có R2 = 27 Ω

R3 = Ω

3.4 ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Để đo dòng điện xoay chiều tần số âm tần sử dụng nhiều cấp thang đo khác , ta thường sử dụng ampe vòng từ điện chỉnh lưu Ampe nhiệt điện dùng để đo dịng điện xoay chiều có tần số cao siêu cao

3.4.1 Ampe kế điện từ

Ampe kiểu điện từ chế tạo dựa cấu đo thị điện từ Mỗi cấu đo chế tạo với số ampe vòng IW định

Đối với cấu đo có cuộn dây hình xuyến thường có ampe vịng IW = 200 A.vòng

Đối với cuộn dây dẹp có ampe vịng IW = 100 ÷ 150 A.vịng Đối với mạch từ khép kín có ampe vịng IW = 50 ÷ 1000 A.vịng

Kết luận

Muốn mở rộng thang đo ampe kế điện từ cần thay đổi cho

IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = = WnIn = const

Ví dụ

Một ampe kế điện từ có IW = 300 A.vịng có tầm đo ( thang đo ) I1 = 1A I2 = 5A I3 = 10A Xác định số vòng dây phân đoạn

Giải

Ta có IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = 300 A.vòng

Khi ta xác định số vòng phân đoạn cho thang đo Ở thang đo I1 = 1A W1 = 300 = 300 vòng

Ở thang đo I2 = 5A W2 = 300 = 60 vòng Ở thang đo I1 = 10A W3 = 300 10 = 30 vịng

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

Kết luận

Đo dòng điện điện áp Muốn đo dịng điện có có trị số khác , ta sử dụng biến dòng để cấu đo đơn giản ( sử dụng ampe kềm )

Ví dụ

Một ampe kế điện từ có thang đo , ta chia cuộn dây tĩnh thành hai phân đoạn

Nếu nối tiếp phân đoạn ta dòng điện I1

Nếu đấu song song hai phân đoạn ta dòng điện I2 = 2I1

Việc mở rộng tầm đo cho cấu điện động : mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động (tương tự mở rộng tầm đo cho cấu từ điện)

Như trình bày , cấu điện từ điện động hoạt động với dịng xoay chiều Do dùng cấu trực tiếp mở rộng tầm đo dòng đề cập phần Riêng cấu từ điện dùng ta phải biến đổi dòng AC thành DC cách dùng diode để chỉnh lưu dịng điện Số lượng diode ( nắn bán kỳ ) diode ( nắn tồn kỳ )

Dịng điện qua diode nối tiếp với cấu từ điện dòng điện xoay chiều chỉnh lưu thành dòng chiều

Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu

∫ ≤

=

T

0 cl max cltb T1 i dt I I

Nếu dòng điện xoay chiều có dạng i = Im sinωt

Khi dùng phương pháp chỉnh lưu bán kỳ ( dùng diode ) Icltb = 0.318 Ihd = 0.318 Imax

I1

I2 = 2I1 I2

A

IAC IDC

Chỉnh lưu duøng diode

A

Nếu dùng phương pháp chỉnh lưu toàn kỳ ( dùng cầu diode ) Icltb = 0.636 Ihd = 0.636 Imax

Trường hợp dịng điện AC có dạng Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng tần số tín hiệu

Để mở rộng tầm đo cho cấu đo từ điện ta sử dụng điện trở shunt Giá trị điện trở Shunt xác định

dòng điện xoay chiều có dạng sin

) RMS ( I

2 318 , I R V

R

S max m D

S

+ =

Ngoài việc sử dụng điện trở shunt , ta cịn mở rộng tầm đo

bằng cách dùng biến dịng TI ( CT ) TI có số vịng dây cuộn sơ cấp W1 ( thường vòng ) so với số vòng dây cuộn thứ cấp W2 Khi thay đổi số vòng dây thay đổi thang đo theo tỉ số W W1

2

Ta nhận thấy dòng điện tải ( dịng điện sơ cấp ) I1 có giá trị lớn dòng điện qua cấu đo ( dòng điện thứ cấp ) nhiều , thường từ 25 đến hàng trăm lần

A

RS +

Rtaûi

I

Rtaûi

A

RS

IS

I

Đo dòng điện điện áp

Ngun tắc hoạt động CT ( TI )

Dựa tượng cảm ứng điện từ , có dịng điện i1 qua cuộn sơ cấp , làm xuất từ thông biền thiên mạch , từ thơng móc vịng qua cuộn dây thứ cấp nên ûhai đầu cuộn dây thứ cấp có sức điện động cảm ứng Do cuộn dây thứ cấp TI kín mạch nên có dòng điện i2 , dòng điện phù hợp với cấu đo

Theo nguyên lý hoạt động biến dịng, ta có I1

I2 =

W2

W1

Do sơ cấp có W1 = vòng nên I2 =

I1

W2

CT thường có thơng số sau : 50/5A , 100 /5A hay 250/5A

Lưu ý

Khi đo dòng điện chạy qua động cần lưu ý đến dòng khởi động để chọn thang đo thích hợp ( Ikđ = - Iđm )

Khi sử dụng ampe kềm muốn chuyển tầm đo phải tách kềm khỏi mạch cần đo, ampe kềm đo dòng xoay chiều

Khi sử dụng CT , tuyệt đối không để hở mạch thứ cấp lúc điện áp 2 đầu mạch thứ cấp lớn gây nguy hiểm cho thiết bị người sử dụng

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

3.4.2 Ampe keàm

a Chức ampe kềm

Để thuận tiện cho việc đo cường độ dòng điện lớn hạn chế thao tác đo , người ta sử dụng ampe kềm Đây dạng kết hợp đặc biệt cấu đo với biến dòng CT

Ampe kềm thiết bị đo dòng điện tiện lợi cần đo dịng điện chạy qua dây dẫn đó, ta khơng cần ngắt mạch điện để mắc dụng cụ đo vào loại ampe kế khác

Chức ampe kềm dùng để đo dịng điện xoay chiều từ 1A đến 600A lớn tùy theo hãng chế tạo Ngồi cịn có thêm chức đo điện áp điện trở không xác hai chức phụ

b Cách sử dụng ampe kềm ( để đo dòng điện xoay chiều ) Bước Ước lượng dòng điện phụ tải thang

đo lớn ampe kềm

Bước Chọn thang đo thích hợp 6A – 15A – 60A – 150A hay 300A ( 600A ) cách chuyển gallet tầm đo thích hợp

Bước Tách riêng dây dẫn cần đo dòng điện chạy qua ( dây dẫn điện đến phụ tải )

Bước Đặt dây dẫn vào mạch từ ampe kềm

Bước Cấp điện cho phụ tải

Bước Gạt công tắc “ LOCK “ sang vị trí : “hold” để cố định kim thị ( Khi thành thục , ta không cần thực thao tác )

Bước Đọc giá trị dòng điện mặt đồng hồ ( mặt hiển thị )

Bước Lấy dây dẫn khỏi mạch từ ampe kềm

Bước Vặn gallet tầm đo dòng điện cao ( 600A ) để đảm bảo an toàn cho thiết bị

3.5 ĐO ĐIỆN ÁP

Thiết bị dùng để đo điện áp gọi volt kế Volt kế mắc song song với phụ tải

Khi điện áp cần đo tạo dòng điện nằm giới hạn dòng tối đa cấu , ta đo trực tiếp

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

Khi mắc volt kế vào mạch điện , volt kế tiêu thụ phần điện nên gây sai số trình ño

Khi chưa mắc volt kế vào mạch ( khoá K hở ) , điện áp rơi tải Utải = R E

taûi + R0 Rtải

Đo dòng điện điện aùp

U = IV RV = Itaûi Rtaûi I = IV + Itaûi = IT ( + R RT

V ) Neáu I = Itải phép đo xác

Từ biểu thức , ta thấy để phép đo đạt xác

RT

RV = hay RV >> Rtải Công suất tiêu hao volt kế

∆P = U RV

Để công suất tiêu hao volt kế nhỏ nội trở volt kế phải lớn ( lớn điện trở tải nhiều tốt , tốt 10 lần )

Ví dụ

Một vơn kế có tầm đo 5V mắc vào mạch sơ đồ a Tính giá trị điện áp điện trở R2 chưa mắc vôn kế vào mạch

b Tính giá trị điện áp điện trở R2 mắc vôn kế vào mạch (vôn kế có Rm = 100 kΩ )

Biết R1 = 70 kΩ R2 = 50kΩ Giải

Khi chưa mắc vôn kế , ta có VR2 = E R R2

1 + R2 = 12

50kΩ

70 kΩ + 50kΩ = vôn ( ) Khi mắc vôn kế vào mạch , ta có

RV // R2 = 100 kΩ // 50 kΩ = 33.3 kΩ Neân VR2 = E R R2 // RV

1 + R2//RV = 3.87 voân ( )

So sánh ( ) ( ) , ta nhận thấy giá trị đo nhỏ giá trị thực lúc có nội trở vơn kế tham gia vào mạch làm cho giá trị phép đo bị thay đổi

3.5.1 Đo điện áp chiều

Các cấu đo từ điện, điện từ, điện động hoạt động với dòng điện chiều nên dùng để chế tạo volt kế chiều

U

v

Rtaûi

K K

Itaûi

I

IV

12V

R2

R1

+

Trong cấu đo , cấu đo kiểu từ điện sử dụng nhiều có độ xác cao tiêu tốn lượng ( tổn hao thấp ) cấu có nhược điểm điện áp định mức khoảng từ 50 mV đến 75mV Cho nên đo điện áp lớn giá trị định mức , ta phải mắc thêm điện trở shunt nối tiếp với cấu đo

Sơ đồ hình bên sử dụng điện trở shunt mắc nối tiếp với cấu đo để giảm điện áp đặt lên cấu đo

Ta coù IV = U RV V =

US RS U = UV + US U = ( + R RS

V ) UV

Gọi KV hệ số mở rộng thang đo Khi ta có KV = UU V Suy U = KV UV hay KV = +

RP

RV

Để tăng tính linh hoạt cho cấu đo đo nhiều thang đo , ta sử dụng điện trở shunt gồm nhiều điện trở shunt có giá trị khác mắc nối tiếp với mắc độc lập với hình vẽ

Để hạn chế sai số trình đo , điện trở shunt thường chế tạo manganin vật liệu thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ

Ví dụ

Một cấu đo từ điện có dòng điện cực đại khung đo 60mA , điện trở cấu đo RV = 10Ω Tính giá trị điện trở shunnt gắn thêm vào để khung đo lệch hết kim đo nguồn điện áp 30V

Giải

Ta có IV = R U S + RV Suy RS = I U

V - RV

R1 R2 R3

U

V R 1

R R

U

Đo dòng điện điện áp

Thay giá trị vào , ta RS = 490 Ω

Như để kim lệch hết khung đo đo nguồn điện 30 V điện trở shunt cần mắc thêm vào phải có giá trị RS = 490 Ω

3.5.2 Đo điện áp xoay chiều

Để đo điện áp xoay chiều , ta sử dụng cấu đo kiểu từ điện , điện từ hay điện động kết hợp với chỉnh lưu

1 Volt kế điện từ

Cơ cấu đo điện từ độ xác khơng cao giá thành hạ nên sử dụng rộng rãi công nghiệp Do yêu cầu điện trở nội cấu đo phải lớn nên số lượng vòng dây quấn cuộn tĩnh lớn từ 1000 đến 6000 vòng với cỡ dây nhỏ ( dòng điện qua cuộn dây nhỏ )

Để mở rộng thang đo cho cấu đo , ta sử dụng điện trở shunt ( giống đo điện áp chiều )

Khi đo điện áp xoay chiều tần số cao xuất sai số tần số Để khắc phục tựong , ta gắn tụ điện song song với điện từ điện trở shunt hình vẽ

Riêng điện áp lớn 600 V ta sử dụng biến áp đo lường TU ( VT ) kết hợp với 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 đảm bảo an tồn q trình đo tạo điện áp phù hợp với điện áp cấu đo

Nguyên lý hoạt động biến áp đo lường TU ( VT ) giống biến dòng TI ( CT )

KU =

U1

U2 =

W1

W2 ≈≈≈≈

I2

I1 Hay U1 = KU U2

Khi biết giá trị U2 , ta xác định giá trị thực điện áp cần đo ( KU ghi biến áp đo lường )

Ví dụ

R1 R2 R3

U

V

R1 R2 R3

U

V

R1 R2 R3

U V

Xác định điện áp nguồn điện cấp cho phụ tải , biết điện áp hiển thị cấu đo 50V tỷ số biến áp đo lường KU = 100

Giải

Ta có U1 = KU U2 = 100 50 = 5000 V

Như điện áp nguồn cung cấp cho phụ tải có giá trị 5000V

2 Volt kế từ điện

Do cấu đo từ điện đo điện áp chiều , để đo điện áp xoay chiều cấu đo kiểu từ điện ta phải chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện chiều

Để hạn chế sai số , người ta gắn điện trở shunt vừa có tác dụng mở rộng thang đo vừa có tác dụng bù nhiệt nên điện trở R1 làm đồng R2 làm manganin tụ điện C dùng để bù sai số tần số , ta thay tụ điện C cuộn kháng L hình vẽ

Mạch chỉnh lưu sử dụng diode , hai diode hay bốn diode ( cầu diode )

Trong mạch chỉnh lưu dùng diode , diode D2 gắn ngược cực để tránh cho diode D1 chịu điện áp ngược bán kỳ âm hiệu điện xoay chiều ( có bán kỳ dương điện áp xoay chiều qua cấu đo )

3 Volt kế điện động

Volt kế điện động có cấu tạo tương tự ampe kế điện động , số vòng dây cuộn tĩnh nhiều cỡ dây nhỏ volt kế cần điện trở nội lớn để hạn chế sai số

R1

R2 C2

R1 R2

RS

L

D1

D1

D2

R2

Đo dòng điện điện áp

trong q trình đo Ở volt kế điện động , cuộn dây tĩnh cuộn dây động mắc nối tiếp

Nghóa I1 = I2 = I =

U ZV

Phương trình đặc tính thang đo cấu đo điện động cho volt kế viết sau α

α α

α = U

2

D.ZV2

dM1.2

dαααα Với ZV tổng trở toàn mạch volt kế

Người ta chế tạo volt kế điện động có nhiều thang đo cách thay đổi cách đấu hai phân đoạn cuộn dây tĩnh từ song song sang nối tiếp nối tiếp với điện trở phụ Ở volt kế , cuộn dây tĩnh cuộn dây động mắc nối tiếp nối tiếp điện trở phụ RP

Bộ đổi nối K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn đo

Khi khóa vị trí , hai phân đoạn A1 A2 cuộn dây tĩnh đấu song song với tương ứng với giới hạn đo 150V

Khi khóa vị trí , hai phân đoạn A1 A2 cuộn dây tĩnh đấu nối tiếp với tương ứng với giới hạn đo 300V

Các tụ điện C tạo mạch bù tần số cho volt kế 3.5.3 Đo điện áp phương pháp so sánh

1 Cơ sở phương pháp so sánh

Các dụng cụ đo trình bày sử dụng cấu đo điện để biểu diễn kết đo ( đo trực tiếp ) cấp xác dụng cụ khơng thể vượt q cấp xác thị Muốn đo điện áp có độ xác hơnm , ta sử dụng phương pháp so sánh với mẫu Tức so sánh điện áp cần đo với điện áp rơi điện trở mẫu Phương pháp cịn có tên gọi khác phương pháp bù Nguyên lý phương pháp mơ tả sơ đồ

Ta có UK = I RK

UK điện áp mẫu xác cao tạo dịng điện I ổn định chạy qua điện trở mẫu RK xác

CT thiết bị tự động phát chênh lệch điện áp ∆U = UX – UK

RK

I

UK

UX

CT

Khi thực phép đo , ta so sánh điện áp cần xác định UX với điện áp mẫu UK , ∆U ≠ ta chỉnh trượt D cho ∆U = , ta đọc kết đo khắc điện trở mẫu theo thứ nguyên điện áp

Có loại dụng cụ bù điện áp khác , nguyên lý chung giống , chúng khác cách chế tạo điện áp mẫu UK

2 Điện kế chiều điện trở lớn

Loại điện kế chế tạo dựa nguyên tắc giữ dòng điện ổn định I = const Khi thay đổi điện trở RK để thay đổi UK bù cho điện áp UX giá trị điện áp cần đo

Để đảm bảo độ xác cao cho điện kế , ta phải thỏa mãn yêu cầu sau

Điện trở mẫu có độ xác cao

( Phụ thuộc vào vật liệu chế tạo , quy trình cơng nghệ , thiết bị mẫu ) Dòng điện qua điện trở mẫu phải xác cao

( Mạch hợp lý nguồn điện ổn định )

Bộ thị cân đủ nhạy để phát chênh lệch tín hiệu đo mẫu

Mạch điện kế chiều cổ điển gồm hai phận

Bộ phận phận tạo dòng công tác IP

Bộ phận mạch đo

Bộ phận tạo dịng điện cơng tác gồm nguồn cung cấp U0 , điện trở điều chỉnh Rđc , ampe kế để đo dịng điện cơng tác IP điện trở mẫu RK

Bộ phận mạch đo gồm điện áp cần đo UX , điện cân UX UK , phần điện trở mẫu RK

RK

A UK

U0

Đo dòng điện điện áp

Điện kế hoạt động sau

Trước tiên , ta xác định giá trị dịng điện cơng tác IP nhờ nguồn điện U0 , điện trở dđiều chỉnh ampe kế

Giữ giá trị dòng điện IP cố định suốt trình đo

Điều chỉnh trượt điện trở mẫu RK điện kế zero ( cấu đo cân )

Đọc kết đo điện trở mẫu RK Khi UX = UK = IP RK

Ta nhận thấy , mạch ampe kế dùng để xác định dòng điện IP nên điện kế khơng thể xác cấp xác ampe kế

Để loại trừ ampe kế khỏi mạch điện kế , người ta sử dụng pin mẫu để xác định dòng điện IP

Pin mẫu thường chế tạo với giá trị định EN = 1.01863V có độ xác cao cỡ 0.01% - 0.001% Nhưng nguồn pin mẫu lại bị ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường , để khác phục nhược điểm , người ta chế tạo điện trở RN cho E RN

N laø số tròn

Để đạt độ xác cao cho điện kế , dịng điện cơng tác IP mạch đo giá trị điện trở RN , RK phải có độ xác cao thường đạt tới 0.02%

Trình tự vận hành

Lắp mạch theo sơ đồ

Gạt công tắc K sang vị trí ( – 1’) để xác định dịng điện cơng tác IP Điều chỉnh điện trở Rđc để điện kế G vị trí ( zero )

EN = URN = IP RN Hay IP = R EN

N =

1.0186

10186 = 1mA Cố định vị trí trượt điện trở Rđc

Gạt khóa K sang vị trí ( – 2’) để đo sức điện động EX

Điều chỉnh trược điện trở RK điện kế G zero Lúc giá trị EX xác định

EX = URK = UK = IP RK hay EX = E RN N RK

G

UK

RK

UCC

Rñc

RX

EX EN

1

1' 2'

2

K

Trên điện trở RK , người ta khắc độ sẵn tương ứng với giá trị điện áp Ta việc đọc giá trị điện trở RK

Sơ đồ điện kế kiểu đo điện áp có giá trị cỡ volt trở lên chịu ảnh hưởng điện trở tiếp xúc decac điện trở Rđc , RK có giá trị lớn Để đo điện áp có giá trị nhỏ ta dùng điện kế điện trở nhỏ Còn muốn đo đại lượng điện áp cao , ta sử dụng cầu phân áp để giảm điện áp cho phù hợp với điện kế

3 Điện kế xoay chieàu

Về nguyên tắc điện kế xoay chiều giống điện kế chiều , nghĩa so sánh điện áp cần đo với điện áp rơi điện trở mẫu có dịng điện cơng tác qua

Có nhiều loại điện kế xoay chiều điện kế xoay chiều tọa độ cực , điện kế xoay chiều tọa độ vng góc Sau ta nghiên cứu sơ đồ điện kế xoay chiều tọa độ cực

Trong điện kế , điện áp cần đo UX cân với điện áp điện trở R ( xác định điện trở D1 D2 ) dịng điện cơng

tác IP xác định nhờ ampe kế có độ xác cao điện trở điều chỉnh Rđc Bộ điều chỉnh pha dùng để cân pha đồng thời dùng để làm nguồn cung cấp cho mạch tạo dịng cơng tác IP

Tuy nhiên , nhuợc điểm điện kế cần phải có điều chỉnh pha cung cấp cho mạch , khó xác định xác vị trí ổn định phần quay ứng với góc pha quay rotor điều chỉnh pha , dòng IP tthay đổi làm cho việc điều chỉnh cân khó khăn

4 Cách sử dụng bảo quản cấu đo

Trước sử dụng thiết bị đo , ta cần lưu ý điểm sau

Đọc kỹ ký hiệu ghi volt kế ( thường phía góc trái góc phải mặt thị ) : cấp xác , cách đặt cấu đo , nội trở cấu đo

Chọn volt kế theo mục đích sử dụng : dùng để điện áp xoay chiều , điện áp chiều hay điện áp dạng xung

Chọn volt kế có dải tần số trùng với dải tần điện áp cần đo Chọn theo dải lượng trình đo volt kế

Chọn nội trở volt kế RV lớn điện trở R mạch đo từ 50 đến 100 lần ( Để giảm thiểu sai số ) CV nhỏ ( volt kế xoay chiều )

Khi đo điện áp chiều cần lưu ý đếncực tính nguồn cần đo

UX

D1 D2

G

A

Rñc

Đo dòng điện điện áp

Chọn thang đo có trị số lớn giá trị cần đo ( giá trị điện áp cần đo khoảng 2/3 thang đo Nếu chưa định giá trị điện áp cần đo , ta để chọn thang đo cao sau giảm dần xuống có thang đo phù hợp

Các tiếp xúc phải chắn không chạm tay vào phần tử dẫn điện đo

Baûo quaûn

Khơng để volt kế nơi có nhiệt độ cao , hay nơi có từ trường mạnh nơi ẩm ướt

ĐO ĐIỆN TRỞ

4.1 KHÁI NIỆM

Điện trở đại lượng điện quan trọng Người ta phân loại điện trở theo giá trị ohm chúng , điện trở phân thành cấp

Điện trở có giá trị lớn điện trở có giá trị từ 0.1MΩ ( 1MΩ = 1.000.000Ω )

trở lên

Điện trở có giá trị trung bình từ 1KΩ đến 0.1MΩ

Điện trở có giá trị nhỏ từ 1kΩ trở xuống 4.2 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VƠN KẾ VÀ AMPE KẾ

Theo định luật Ohm , ta coù R = I U

Như để xác định giá trị điện trở ta sử dụng ampe kế volt kế Ở phương pháp , ta xác định giá trị điện trở hoạt động ( đo nóng ) theo yêu cầu

Có hai đấu mạch

“ Mắc rẽ dài “ hay “Ampe kế mắc sau “ Nghóa mắc volt kế

trước – ampe kế mắc sau

“ Mắc rẽ ngắn “ hay “Ampe kế mắc trước “ Nghĩa mắc ampe

kế trước – volt kế mắc sau

4.2.1 Mắc rẽ ngắén ( Ampe kế mắc trước )

Do volt kế mắc song song với điện trở tải nên ta có IA = IV + IR

Mắc rẽ ngắn

A

RX

V

U

V

RX

A

U

Nếu IR >> IV sai số ảnh hưởng volt kế không đáng kể

Thật , nội trở volt kế điện trở tải điện trở tương đương xác định

RX’ =

RV RX

RV + RX =

RX

1+ R RX

V

Sai số tương đối phép đo ∆% ∆

∆∆

∆% = A∆∆∆∆

T 100% = (

+ R RX

V

- ) 100%

Để sai số ∆% nhỏ biểu thức ( + R RX

V )

Nghóa laø R RX

V hay RV >> RX

4.2.2 Mắc rẽ dài ( Ampe kế mắc sau )

Do ampe kế mắc nối tiếp với điện trở cần đo nên tổng trở xác định theo biểu thức RX’ = RA + RX hay U = UA + URX

Sai số tương đối phép đo

∆ ∆∆

∆% = RX - ( R RA + RX ) X =

RA

RX 100%

Để giảm thiểu sai số tương đối ∆% RX >> RA ( nghĩa URX >> UA )

4.3 PHƯƠNG PHÁP SO SAÙNH

Ở phương pháp , người ta thường dùng cầu đo Wheatstone để xác định giá trị điện trở xác thường dùng phịng thí nghiệm ưu điểm

Có hai phương pháp đo

Phương pháp cân

Phương pháp không cân

4.3.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân

Cầu Wheatstone mắc hình vẽ Trong

R1 , R2 , R3 điện trở mẫu

R1 R2

RX R3

A C

G

RX điện trở cần đo Vận hành

Ta chỉnh giá trị điện trở R1 , R2 , R3 điện kế G zero Khi cầu cân

bằng , dòng điện qua điện kế G không ( zero ) nghóa UC = UA

Hay UR1 = UR2 vaø URX = UR3

I1 R1 = I2 R2 vaø I1 RX = I2 R3

Suy R R1

X =

R2

R3 hay RX =

R1 R3

R2

Với phương pháp đo RX so sánh với điện trở mẫu

Ta nhận thấy , kết đo điện trở RX không phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho

mạch điện , ưu điểm cầu đo Wheatstone Tuy nhiên phương pháp thao tác phức tạp phải điều chỉnh điện trở mẫu nhiều lần giá trị điện trở cần đo RX lại phụ thuộc

vào độ nhạy điện kế G , độ nhạy điện kế G cao xác định cân đúngvà phụ thuộc vào dây nối điện trở tiếp xúc mối nối Ngoài sai số điện trở mẫu ảnh hưởng đến sai số RX , chẳng hạn , sai số điện trở lần

lượt ∆R1 = ∆R2 = ± 0.5% , ∆R3 = ± 10% sai số điện trở đo

∆R = ΣR1,2,3 = ∆R1 + ∆R2 + ∆R3 = 0.5% + 1% + 1% = ± 2.5%

Với điện trở RX , để cầu Wheatstone cân , ta thay đổi tỷ số R1/ R2

và thay đổi giá trị điện trở R3 , điện trở R3 có giá trị thay đổi cấp , cấp có giá trị

0.1Ω Ohm cầu Wheatstone phịng thí nghiệm

Ứng dụng phương pháp dùng cầu Wheatstone xác định chỗ chạm “ mass” dây cáp điện

Giả sử

UV đoạn dây tốt XY đoạn dây bị chạm vỏ

Các đoạn dây UV , XY có chiều dài L điện trở đoạn dây R

Khi cầu Wheatstone cân , ta coù R1

R2 =

2R - RX

RX

Suy

R1

R2

U

V

Y

X

G

RX =

2R R2

R1 + R2

Do chiều dài dây dẫn tỷ lệ với điện trở dây dẫn , nên ta có

LX = 2L

R2

R1 + R2

4.3.2 Đo điện trở cầu Wheatstone không cân

Trong công nghiệp , người ta thường dùng nguyên lý cầu Wheatstone không cân nghĩa vào điện áp hay dòng điện ngõ cầu Wheatstone để đo điện từ hay sai số ∆R

của phần tử đo phương pháp cần có nguồn cung cấp ổn định điện áp phụ thuộc vào nguồn cung cấp E , ngồi sai số cịn phụ thuộc vào điện trở mẫu thành phần cầu Wheatstone Còn độ nhạy cầu lại phụ vào nguồn cung cấp E nội trở thị

Khi tháo điện kế G khỏi mạch , ta có Tổng trở xác định

RΣ = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 )

Điện áp ngõ cầu UA – UC = E ( R RX

X + R1 -

R2

R2 + R3 )

Như mạch tương đương Thevenin cầu xác định Do dịng điện Ig qua điện kế cầu khơng cân

Ig =

UA – UC

r + rg rg nội trở điện kế G

Ví dụ

Xác định thay nhỏ giá trị điện trở RX mà điện kế G phát

khi độ nhạy điện kế G 1µA / diV ( diV vạch chia thang đo ) Biết R1 = 3.5 KΩ, R2 = KΩ R3 = KΩ , RX = KΩ nội trở

Theo biểu thức mạch tương đương Thevenin

UA – UC = Ig ( r + rg )

r = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 )

r = ( 3.5 x )/ ( 3.5 + ) + ( x ) / ( + ) = 3.82KΩ

Khi Ig thay đổi 1µA ( UA – UC ) thay đổi Sự thayu đổi xác định

∆( UA – UC ) = ∆Ig ( r + rg ) = 1µA x ( 3.82 + 2.5 ) = 6.32mA

Maø ∆( UA – UC ) = E (∆RX + RX )/ (∆RX + RX + R1 ) – R2 / ( R2 + R3 )

Như ∆Rmin có ∆( UA – UC ) lớn , độ nhạy tăng nguồn cung

cấp E phải lớn , việc tăng nguồn cung cấp tăng phạm vi Do để khắc phục tượng ta phải khuếch đại ∆( UA – UC ) tổng trở Zi mạch

khuếch đại phải lớn

4.4 MẠCH ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG OHM KẾ 4.4.1 Nguyên lý đo điện trở

Trong đồng hồ đo vạn cò tên gọi khác

là multimeter VOM , loại đồng hồ dùng để đo điện áp , dòng điện điện trở Trong trường hợp dùng Ohm kế để đo điện trở trạng thái đo phần tử điện trở đo RX

khơng có lượng ( đo nguội ) mạch đo sử dụng nguồn pin riêng Đây mạch Ohm kế mắc nối tiếp , dòng điện qua cấu thị Im

R1 điện trở chuẩn tầm đo

Rm điện trở nội cấu

Khi Rx 0Ω , Im Imax ( dòng cực đại cấu từ điện )

Khi Rx∞ , Im ( dòng qua cấu )

Ví duï

Cho mạch đo điện trở hình vẽ Biết rằng điện áp nguồn pin Eb = 1.5V

R1 + Rm = 15

m x

b m

R R R

E I

+ + =

1

RX

E

R1 Rm

kΩ - Imax = 100µA

Xác định độ lệch kim cấu đo a. RX nối tắt

b. Xác định giá trị điện trở RX kim cấu đo lệch ½ Dm

Giải

Từ sơ đồ , ta nhận thấy RX = ( nối tắt ) dịng điện qua cấu đo có

giá trị lớn ( Im = Imax )

Thaät , ta có Im = Imax = R Eb

1 + Rm =

1.5V

15 kΩ = 100 µA Im = Imax = 100µA

Khi kim cấu đo lệch ½ Dm , dòng điện qua cấu đo có giá trị

Im = I 1 max = 50 µA

Từ ta xác định giá trị điện trở RX

RX = E I b

m - ( R1 + Rm )

RX = 15 kΩ

4.4.2 Mạch đo điện trở thực tế

Trong thực tế nguồn pin Eb thay đổi Khi Rx 0Ω , dịng điện Im qua cấu

khơng Imax mạch đo mắc thêm R2 , biến trở dùng để chỉnh điểm “0Ω”

cho mạch đo Eb thay đổi Như vậy, trước đo ta phải ngắn mạch AB ( nối tắt điện trở

RX - động tác chặp que đo ) điều chỉnh R2 ( nút Adj đồ hồ VOM ) kim

thò Ohm kế “0Ω“

Theo mạch doøng Ib

Rx R1 Rm Im

E

R2

I2

m

1

x R R // R

R + +

Nếu R2 // Rm << R1 :

1 x

b

b R R

E I

+ =

Như vậy, điện áp Vm xác định

( m)

b

m I R //R

V =

Dòng điện Im qua cấu thị

( ) m m b m m m R R R I R V

I = = 2//

Do lần đo ta cho Rx → cách điều chỉnh R2

( ) max m m b

m R I

R // R R E

I = × =

Như , việc chỉnh giá trị điện trở R2 có tác dụng Eb có thay đổi ( nguồn

pin sử dụng ln ngày bị yếu ) thị giá trị điện trở Rx không thay đổi Ví dụ

Cho mạch điện đo điện trở sơ đồ bên Biết Eb = 1.5V - R1 = 15 kΩ -

Imax = 50 µA Rm = R2 = kΩ

Xác định giá trị điện trở RX dòng điện qua cấu đo Im = Imax

Xác định giá trị điện trở RX dòng điện qua cấu đo 25 µA

Giaûi

Khi Im = Imax = 50 µA Vm = Imax Rm = 50 µA kΩ = 50 mV

Do I2 = V Rm =

50 mV

kΩ = 50 µA

Vậy Ib = Im + I2 = Imax + I2 = 50 µA + 50 µA = 100 µA

RX + R1 # E Ib

b neáu ( RX + R1 ) >> ( R2 // Rm ) >> 500 Ω

# E Ib

b =

50 mV

100 µA = 15 kΩ RX + 15 kΩ = 15 kΩ

Khi Im = I max điện áp đặt lên cấu đo đo

Vm = Im Rm = 25 mV

Dòng điện qua điện trở R2

I2 = V Rm =

25 mV

1 kΩ = 25 µA

Dịng điện qua điện trở RX

Ib = Im + I2 = 50 µA

Do RX + R1≈ E Ib b

Suy RX = 15 kΩ

4.4.3 Nguyên lý đo Ohm kế tuyến tính

Thang đo Ohm kế theo nguyên lý dòng điện đề cập khơng tuyến tính theo điện trở đo Do mạch đo Ohm kế tuyến tính máy đo điện tử thị kim thị số, chuyển trị số đo điện trở Rx sang điện áp đo Vx cách

cung cấp nguồn dịng điện I khơng đổi (bất chấp trị số Rx) Vx = Rx.I Sau Rx đo

bởi mạch điện áp, Vx tuyến tính theo Rx

Như vậy, Rx→ 0, Vx→ 0V

Khi Rx→∞, Vx giá trị lớn mạch đo

Như vơn kế có điện trở chỉnh máy trước đo, phải chỉnh Rx→ ∞ cho

mạch đo Không chỉnh Rx→ mạch đo dùng nguyên lý dòng phần trước

4.5 ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT

Cọc đo điện trở đất dẫn điện kim loại (thường đồng) nhiều dẫn điện đóng xuống đất, vùng đất cần đo điện trở, có cọc đất Sau cọc đất nối vào mạch đo dây dẫn điện

Điện trở đất điện trở vùng đất cần đo tiếp xúc với cọc đất xác định điện áp rơi điện trở đất có dịng điện qua Trong thực tế điện trở đất phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm), thành phần đất

Khoảng cách cọc đất điện trở đất khảo sát cọc đất không ảnh hưởng với (nghĩa điện trở cọc A RA không bị ảnh hưởng vùng đất cọc

B có điện trở đất RB) hai cọc đất cách 20m có điện trở đất khơng ảnh hưởng lẫn

nhau

Nếu dùng điện lưới điện lực phải dùng biến áp cách ly tránh ảnh hưởng dịng trung tính cọc đất dây trung tính

4.5.1 Mạch đo điện trở đất dùng vôn kế ampe kế

Phương pháp trực tiếp

Mạch đo mắc sơ đồ

Cọc A : cọc đo điện trở đất Rx

Coc B : cọc phụ đo điện áp Cọc C : Cọc phụ đo dòng điện

Theo mạch tương đương điện trở đất cọc A, B, C : Ta :

VAB = RA.I’ + RB.IV

Ta coù : I = I’ + IV mà IV << I’ I ≈ I’

Nên VAB≈ RA.I’ ≈ RA.I

Suy RA =

I V

AB

Vậy điện trở đất cọc A xác định trị số đọc vơn kế ampe kế

Phương pháp đo gián tieáp

Trong trương hợp ta đo điện trở đất hai cọc : Vôn kế ampe kế cho giá trị điện trở hai cọc :

1 B

A R VI

R + =

V

A

Vs

A B C

20m 20m

RB RC

Rx

A V

I

I Iv

Sau đó, đo cho cọc A - C B – C ta :

2 C A R VI

R + =

3 C B R VI

R + =

Sau giải ba phương trình ta xác định RA, RB, RC

4.5.2 Mạch đo điện trở đất dùng cầu Kohlrausch

Đây dạng cầu Wheatstone để đo điện trở dung dịch có tính chất điện giải hai điện cực ứng dụng để đo điện trở đất

Điện trở RA + RB xác định cầu cân :

3 B

A R RR .R

R + =

A B

Vs

G

R2

R1

R3

Vs

A B C

20m 20m

RB RC

RA

V

4.5.3 Đo điện trở đất đồng hồ chuyên dùng

Hiện , để đơn giản trình đo điện trở đất , ta sử dụng phương pháp đo trực tiếp đồng hồ đo điện trở đất Đồng hồ có dạng sau

Loại đồng hồ có thơng số kỹ thuật

EARTH RESISTANCE TESTER

( Máy đo điện trở đất )

Thông số kỹ thuật

Điện trở đất : 0-20Ω/0-200Ω /0-2000Ω

Độ xác : ± 0.1Ω

Điện áp đất : 0-200V AC (40-500 Hz) Độ xác : ± (1%rdg+2dgt)

Độ phân giải : 0.01Ω/0.1Ω/1Ω Màn hình hiển thị LCD ½ digit Điện áp nguồn : pin 1.2V loại AA Kích thước : 163x 100x50mm Khối lượng : 480g

Cách đóng cọc đất cho máy đo điện trở đất

Với loại đồng hồ , có cọc cọc đất ( E ) cọc điện áp ( P ) cọc dịng điện( C ) , cọc E cọc cịn cọc P C hai cọc phụ ( cọc giả định )

Khoảng cách cọc từ đến 10 mét , vị trí cọc tạo góc lớn 1000

Nếu cọc đóng thẳng hàng khoảng cách cọc EC , EP cần phải lớn 10 mét ( thông thường 15 mét )

Cách đo điện áp rơi cọc E , P C

Như biết , điện áp hai cọc đất thấp 10 vơn tính an tồn chấp nhận , ta tiến hành đo điện trở đất Nếu điện áp ọc lớn 10V việc đo điện trở đất khả an toàn điện cần phải lưu ý có diện dịng điện rị diện dịng điện trung tính cân lưới điện Hiện thị trường , có máy đo điện trở đất cho phép ta đo điện áp rơi cọc đất với cọc đất , thị máy đo điện trở đất cho biết điện áp hai cọc

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu Khi cần đo điện trở theo phương pháp gián tiếp , ta cần thiết bị ?

Câu Có cách mắc thiết bị dó ? Nêu ưu khuyết điểm phương pháp ? Câu Khi đo điện trở theo phương pháp rẽ dài sai số kết đo phụ thuộc vào

thiết bị ? Chứng minh

Câu chứng minh nội trở vôn kế ảnh hưởng đến kết đo điện trở mắc theo phương pháp rẽ ngắn ?

Câu Trình bày cách đo điện trở theo phương pháp so sánh ?

Câu Mô tả cách đo điện trở cầu Wheatstone khơng cân ? Câu Trình bày ngun lý đo điện trở mạch điện đo Ohm kế ? Câu Trình bày cách đo điện trở đất dùng vôn kế ampe kế ?

Câu Để đo điện trở đất dùng vôn kế ampe kế , nguồn điện sử dụng cho mạch điện nguồn ? Tại ?

Caâu 10 Cho mạch đo Ohm hình vẽ Biết nguồn cung cấp cho mạch Eb = 3V

dòng điện cấu đo IFS = 50µA vaø Rm + R1 = 15 kΩ

a Xác định giá trị điện trở RX dòng điện qua cấu đo Im = 40 µA

b Tính giá trị điện trở RX kim lệch ¾ FSD ( FSD độ lệch tối đa thang đo )

c Xác định độ lệch kim thị điện trở RX có giá trị kΩ

Câu 11 Một ohm kế có mạch đo sơ đồ bên Biết Eb = 1.5V – R1 = 15 kΩ - Rm =

R2 = 50 Ω , cấu đo có IFS = 50 µA

a Tính giá trị điện trở RX kim thị có độ lệch ½ FSD

b Tính giá trị điện trở RX kim thị có độ lệch ¾ FSD

c Tính giá trị điện trở RX kim thị có độ lệch 3/5 FSD

Câu 12 xác định giá trị điện trở RX kim lệch ½ FSD , ¾ FSD 3/5 FSD

thông số câu 11 nguồn lúc bị suy giảm Eb = 1.3 V

Câu 13 tính dòng điện chạy qua cấu đo độ lệch kim thị ta sử dụng tầm đo Rx1 giá trị điện trở RX 0Ω 24Ω

Chương

ĐO ĐIỆN CẢM VÀ ĐIỆN DUNG

7.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN DUNG C

Một tụ điện xem lý tưởng không tiêu thụ cơng suất ( nghĩa khơng cho dịng điện chiều qua tụ điện ) thự tế có lớ điện mơi nên có dòng điện rò qua từ cực sang cực Vì tụ điện tiêu tốn lượng điện nghĩa có tổn hao công suất Để đánh giá tổn hao công suất , người ta thường đo góc tổn hao

Một tụ điện thực tế xem tương đương với tụ điện lý tưởng điện trở mắc nối tiếp mắc song song với

Căn vào đồ thị vector , ta xác định góc tổn hao δ

Đối với tụ có tổn hao nhỏ ( sơ đồ hình a ) , ta xác định góc tổn hao tgδ theo biểu thức sau :

UR = I R vaø UC =

I ω C tgδδδδ = U UR

C =

IR

I/ωωωωC hay tgδδδδ = ωωωω.R.C

Đối với tụ có tổn hao lớn ( sơ đồ hình b ) , ta xác định góc tổn hao tgδ theo biểu thức sau

IR =

U

R vaø IC = ωωωω U C

R C

UC UR

U

R

UC

C

U UC

I

UR

ϕ δ

I IC

U

IR

ϕ δ

Đo điện dung – Điện cảm

tgδδδδ = I IR

C =

U / R

ω ω ω

ω U C hay tgδδδδ =

ω ω ω ω.R.C 7.2 XÁC ĐỊNH ĐIỆN DUNG C

Có hai cách xác định điện dung tụ điện phương pháp đo gián tiếp phương pháp so sánh

7.2.1 Phương pháp đo gián tiếp

Ta xác định điện dung cách sử dụng đồng hồ vôn kế ampere kế để xác

định UC IC Từ ta xác định dung kháng tụ điện suy điện dung C

tụ điện

Mắc mạch theo sơ đồ hình bên

Ta coù ZC =

ω C =

2π f C

Căn vào đồng hồ đo , ta xác định

UC IC

Dung kháng tụ ñieän

ZC = U IC

C =

2π f C

Suy C = 2 IC

π ππ

π f UC

Phương pháp có sai số lớn điện áp nguồn khơng hồn tồn điện áp hình sin Vì , để giảm sai số , người ta sử dụng thêm Watt kế Mạch mắc hình

Điện trở xác định theo biểu thức R = P I2

Tổng trở điện dung xác định theo biểu thức

Z = U I = R2 + X

C2 hay C =

ω ωω

ω Z2 - R2

Kết hợp với biểu thức , ta có C = I

2

ω ωω

ω U2I2 - P2

7.2.2 Phương pháp so sánh

Cầu đo điện dung tụ điện có tổn hao nhỏ

Đối với tụ điện có tổn hao nhỏ , người ta sử dụng cầu đo

điện dung Cầu đo gồm có nhánh điện trở R1 R2

là điện trở nhánh lại gồm có thành phần

CX , Rx điện trở mẫu RM CM điều chỉnh Hai đỉnh

lại mắc điện kế G hình vẽ

U

A

V XC

Khi cầu cân , điện áp điện kế G Do ta có mối quan hệ

R2 ( RX + jω C

X ) = R1 ( RM +

jω CM )

R2 RX + jω C R2

X = R1RM +

R1

jω CM

Cân thành phần thực thành phần kháng , ta

R2 RX = R1RM

Suy RX = RM

R1

R2

R2

jω CX =

R1

jω CM

Suy CX = CM

R2

R1

tgδδδδ = ωωωω RX CX = ωωωω RM CM

Cầu đo điện dung tụ điện có tổn hao lớn

Lắp mạch theo hình vẽ , R1 R2 điện trở RM mắc song

song với CM điện trở điện dung mẫu , CX RX điện dung điện trở tụ

điện cần đo

Khi cầu đo cân Z1 ZX = Z2 ZM

Trong

Z1 =

1

RX + j ω CX

vaø Z2 = R1 vaø Z3 = R2

Z4 =

1

RM + j ω CM

Thay vào phương trình , ta R2 ( R

M + j ωωωω CM ) = R1 (

RX + j ωωωω CX )

Cân phần thực phần ảo , ta có

R2

RM =

R1

RX Suy RX = RM

R1

R2

R2

j ω CM =

R1

j ω CX Suy CX = CM

R1

R2

Đo điện dung – Điện cảm

tgδδδδ = ω ω ω

ω RM CM =

ω ω ω

ω RX CX

7.3 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN KHÁNG

Theo tượng cảm ứng điện từ , tác dụng dòng điện cảm ứng mạch điện xoay chiều có cuộn dây chống lại thay đổi dòng điện xoay chiều Sự cản

trở gọi cảm kháng XL

Một điện kháng xem lý tưởng không tiêu thụ công suất Nghĩa

có thành phần điện kháng XL = ω L = π f L Nhưng thực tế ngồi thành phần

điện kháng XL cịn tồn điện trở cuộn dây RL

Điện trở RL lớn độ phẩm chất cuộn dây Nếu gọi Q độ

phẩm chất cuộn dây Q đặt trưng tỷ số điện kháng XL điện trở

của cuộn dây Q = RXL

L

7.3.1 Phương pháp đo gián tiếp

Như ta biết cuộn dây gồm có hai thành phần thành phần trở RL

thành phần cảm kháng XL Để xác định thành phần trở RL , ta sử dụng nguồn điện

một chiều lắp mạch theo sơ đồ sau :

Ta xác định giá trị điện trở cuộn

daây RL =

UDC

IDC

Sau thay nguồn chiều nguồn điện

xoay chiều AC để xác định tổng trở cuộn dây ZL =

UAC

IAC

Thành phần cảm kháng XL xác định theo

biểu thức sau XL = ZL2 - RL2

Suy điện cảm cuộn dây L = XL

π π π π f 7.3.2 Các mạch cầu đo thông số cuộn cảm

Để đo thông số XL , RL Q người ta thường dùng mạch cầu xoay chiều bốn

nhánh

Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu

Mắc mạch sơ đồ bên Khi đo người ta

điều chỉnh điện trở RM , R1 R2 để đạt cân

bằng cầu

Ở chế độ cân ta có Z1 Z4 = Z2 Z3

A

V LX

LM RM L X R X

Trong

Z1 = RM + j ω LM

Z3 = R2

Z2 = RX + j ω LX

Z4 = R1

Thay vào biểu thức , ta có

R1 ( RM + j ωωωω LM ) = R2 (RX + j ωωωω LX )

Cân thành phần thực thành phần ảo ta : R1RM = R2 RX

Suy RX = RM

R1

R2

Hay j R1ω LM = j R2 ω LX

Suy LX = LM

R1

R2

Cầu đo điện cảm Maxwell

Do tụ điện chuẩn dễ chế tạo cuộn dây điện cảm Vì người ta thường dùng điện dung chuẩn để đo sử dụng điện cảm chuẩn Cầu đo có tụ điện chuẩn

được gọi cầu đo Maxwell , mạch đo tụ điện chuẩn C3 mắc song song

với điện trở R3 , nhánh lại điện trở R1 R4 Sơ đồ mạch điện hình vẽ

Khi mạch cầu cân , ta có biểu thức sau : Z1 Z4 = Z2 Z3

Trong

Z3 = 1

R3 +j ω C3

Z2 = RX + j ω LX

Z1 = R1 vaø Z4 = R4

Thay vào biều thức cân thành phần thực thành phần ảo , ta có

R1

R2 =

RX

R4 Suy RX =

R1 R4

R3

ω C3 R1 = ω L RX

4 Suy LX = C3 R1 R4

7.4 ĐO ĐIỆN CẢM VAØ ĐIỆN DUNG BẰNG ĐỒNG HỒ VOM

Có số đồng hồ đo VOM ngồi chức đo điện áp , dịng điện , điện trở , cịn có chức đo điện dung , điện cảm với khoảng thang đo hạn chế

L X R

X

R4 R3

C3

R1

Đo điện dung – Điện cảm Mạch đo dựa nguyên tắc “ đo tổng trở “ đại lượng chuyển sang đại lượgn xoay chiều thị thang đo đồng hồ VOM Đơn vị tính điện cảm mH đơn vị tính điện dung µF ( MF – micro fara )

Sơ đồ mạch đo điện dung điện cảm hình vẽ

VS nguồn điện áp biết biên độ tần số thường có sẵn đồng hồ đo

VOM

Bộ thị G bao gồm cấu đo điện từ chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Dòng điện I qua cấu đo phụ thuộc vào trị số CX LX Khi biết trị hiệu dụng

VS tần số nguồn ω = 2πf , ta xác định giá trị CX LX

CX = V I

S ωωωω LX =

VS

I ωωωω

7.5 ĐO HỆ SỐ HỖ CẢM M

Hệ số hỗ cảm M hai cuộn dây xác định biểu thức M = ω.I , giá trị U U

và I xác định volt kế ampere kế Ngoài , ta có biểu thức

M = W1 R .W2

Trong W1 W2 số vịng dây cuộn

dây cuộn dây

Trong trường hợp , hai cuộn dây mắc nối tiếp mạch từ chiều quấn dây ( cực tính ) hình , điện cảm tổng xác định

La = L1 + L2 + 2M

Với La xác định tổng trở Za cho volt kế

ampere kế (Za tổng trở 2cuộn dây )

La = ωωωω Za2 + ( R1 + R2 )2

Trong trường hợp , hai cuộn dây mắc nối tiếp

A

* *

V

M

A

*

* V

M

VOM

CX I

VS VOM

LX

I

cùng mạch từ ngược chiều ( ngược cực tính ) hình Khi tổng điện cảm cuộn dây

Lb = L1 + L2 – 2M

Lb xác định từ tổng trở cuộn dây

La = ωωωω Za2 - ( R1 + R2 )2

Như từ hai giá trị điện cảm La Lb , ta xác

định giá trị hỗ cảm M

La – Lb = 4M M =

La - Lb

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu Trình bày cách xác định giá trị điện dung tụ điện bị nhãn ? Câu Làm để xác định giá trị điện cảm cuộn dây ?

Câu Trình bày cách xác định giá trị điện dung tụ điện phương pháp so sánh ?

Câu Nêu cách xác định giá trị hỗ cảm ?

A

*

*

V

Dương Hữu Phước

Chương

ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Công suất lượng đại lượng hệ thống điện Các đại lượng liên quan nhiều đến kinh tế quốc dân Do việc xác định cơng suất lượng nhiệm vụ quan trọng

Trong thực tế , người ta phân thành loại công suất sau

Cơng suất thực hay cịn gọi cơng suất hữu ích P ( Watt ) Cơng suất phản kháng , cịn gọi cơng suất vơ cơng Q ( VAR ) Công suất biểu kiến hay công suất danh định S ( VA )

Tầm đo công suất từ 10-20 W đến 1010 W giải tần số từ đến 109 Hz Đối với mạch điện chiều , công suất thực xác định theo biểu thức

P = U I = I2 R = U2 R Với mạch điện xoay chiều pha

P = T ∫

T

pdt

0

= T ∫

T

uidt

0

Nếu dòng áp có dạng hình sin ,

Cơng suất thực xác định theo biểu thức

P = U I cos ϕϕϕϕ

Trong U , I giá trị điện áp hiệu dụng , cường độ dòng điện hiệu dụng cos

ϕ hệ số công suất

Biểu thức tính cơng suất phản kháng

Q = U I sin ϕϕϕϕ

Biểu thức tính cơng suất biểu kiến

S = P2 + Q2

Ngồi thơng số cơng suất điện , cịn có thơng số quan trọng lượng W Đó cơng suất tiêu thụ mạch điện khoảng thời gian t1÷ t2

S Q

P

W = ∫

1 t

t

Pdt = ∫

1

cos

t

t

dt

UI ϕ

6.2 ĐO CÔNG SUẤT ĐIỆN

6.2.1 Phương pháp đo gián tiếp

Ở mạch điện chiều mạch điện xoay chiều có tải trở ta sử dụng đồng hồ vôn đồng hồ ampere để xác định công suất

Phương pháp mắc ampere trong phương pháp sử dụng trường hợp điện trở cần đo có giá trị lớn nội trở ampere kế có giá trị nhỏ

Phương pháp mắc ampere ngồi phương pháp sử dụng trường hợp điện trở cần đo RX có giá trị nhỏ volt kế có giá trị lớn Phương pháp có sai số tương đối lớn tải thay đổi ta khơng thể lúc đọc xác trị số ampere vôn Mặt khác phải sử dụng công thức để tính tốn sau đo

Cơng suất điện xác định theo biểu thức sau

P = U I = I2 R = U2 R

Phương pháp có sai số lớn ( sai số volt kế ampe kế ) tải thay đổi , ta khơng thể quan sát thay đổi thông số hai đồng hồ đo lúc Mặc khác , phương pháp phức tạp phải sử dụng công thức để tính tốn sau đo gây sai số

Thật , ta thấy công suất tải PL xác định volt kế ampe kế Theo cách đấu dây sơ đồ , trị số công suất tải xác định giá trị điện áp dòng điện

Chẳng hạn sơ đồ ampe kế mắc , ta có biểu thức sau I = IV + IL

Suy IL = I - IV

A

RT

RA

RV

Ampere kế mắc

V A

V RT

RA

RV

Chương

PL = UV IL = UV ( I - IV )

PL = UV I + UV IV

Như , sai số cách mắc phụ thuộc vào dòng điện IV qua volt kế , IV nhỏ phép đo cành xác

6.2.2 Phương pháp đo trực tiếp Watt kế

Như trình bày , phương pháp đo gián tiếp có hạn chế định Để khắc phục nhược điểm , người ta sử dụng phương pháp đo trực tiếp dùng Watt kế

R RP

RU I

IU

Unguoàn

IU

U

I

Φ1

γ δ ϕ

θ

W * * *

chiều xoay chiều pha

Watt kế chế tạo theo kiểu điện động sắt điện động , gồm có cuộn dây : cuộn dây di động ( cuộn dây điện áp ) cuộn dây tĩnh ( cuộn dây dòng điện )

Cuộn dây tĩnh có tiết diện lớn vịng dây ( nên có điện trở nhỏ ) mắc nối tiếp với tải nên gọi cuộn dòng

Cuộn dây động có tiết diện nhỏ, nhiều vịng dây (nên có điện trở lớn) mắc song song với tải nên gọi cuộn áp

Như dòng điện I1 qua phụ tải qua cuộn dòng , điện áp đặt lên cuộn dây tĩnh tỷ lệ với dòng điện I2 qua cuộn dây áp

Khi có điện áp U đặt vào cuộn dây động có dịng điện chạy qua cuộn dòng ( dòng điện qua phụ tải ) tác động từ trường điện từ , kim watt kế lệch góc

α

Đối với nguồn điện chiều , giá trị góc lệch α xác định theo biểu

thức

α = α = α = α = D R UI U + RP

dM12 dαααα

Giảù sử dM d 12

α = const α = α = α = α = K U I = K P

Với K = D R U + RP

dM12

dα gọi hệ số watt kế với dòng điện chiều

Đối với mạch điện xoay chiều , giá trị góc lệch α xác định theo biểu

thức α = α = α = α = D I IU cos δδδδ dM12

dαααα

Với δ= ϕ − γ

Trong IU dịng điện mạch song song watt kế

IU =

U

RU + RP cos γ γ γ γ Với

dM12

da = const

Ta coù α = K U I cos (ϕ − γ ) cos γ

Khi ϕ = γ α = α = α = α = K U I cos ϕ ϕ ϕ ϕ = KP

Chương

6.3 CÁCH MẮC DÂY WATT KẾ

Do watt kế điện động có cực tính , đảo pha hai cuộn dây , kim watt kế quay ngược cuộn dây đánh dấu đầu đầu để tránh làm kim watt kế quay ngược Khi đấu mạch điện , ta phải nối đầu dây có dấu * với

Watt kế điện động thường có nhiều thang đo theo dịng áp Giới hạn đo theo cường độ dòng điện 5A 10A , theo điện áp 150V 300 V Giải tần từ đến hàng KHz , cấp xác đạt từ 0.1 đến 0.2% tần số thấp 200Hz

Do đo muốn đọc giá trị cho , ta cần phải xác định số Watt kế CW ( Watt kế có nhiều giới hạn đo ) đồng thời phải ý đến cực tính cuộn dây

CW =

Uñm Iñm

ααααđm ( W / vạch )

Uđm cỡ đo điện áp chọn Iđm cỡ đo dòng điện chọn

αđm số vạch chia giới hạn watt kế Giả sử đo , kim vạch thứ α cơng suất mạch

PW = CWα với α số vạch kim thực tế đồng hồ đo )

Theo sơ đồ đấu dây hình , thị cấu điện động xác định sau

α α α

α = K IL IA

Mà IA = R E S + R2 Trong

RS điện trở dùng để hạn chế dòng điện qua cuộn dây điện áp ( cuộn dây động )

R2 điện trở cuộn dây điện áp Suy αααα = K IL

E RS + R2

W

* *

RS RT

W*

*

RS RT

số giảm ( tổn hao cuộn dây giảm ) điện trở RS dùng để giảm bớt điện áp cuộn dây điện áp điện áp vào lớn điện trở RS phải lớn

Ở hình a : dòng điện tải dòng điện qua cuộn dây tĩnh

Ở hình b : dịng điện qua cuộn dây tĩnh tổng dòng điện qua tải dòng điện qua cuộn dây động

Ta xét sơ đồ mạch điện sau , điện trở RS mắc hình bên , hiệu điện đầu dây đầu dây gần điện nguồn Do có khả gây hư hỏng cho Watt kế cách điện cuộn dây Ngồi mắc sai số phụ tăng lên ảnh hưởng tĩnh điện lẫn cuộn dây Watt kế Vì ta phải mắc điện trở shunt đầu dây để giảm thiểu sai số tăng tuổi thọ cho Watt kế

Muốn mở rộng thang đo , ta

Phân đoạn cuộn dây dòng điện

Nối điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây áp 6.4 DÙNG WATT KẾ VỚI MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG

6.4.1 Dùng Watt kế với máy biến dòng TI

Khi dòng điện phụ tải lớn dòng điện định mức Watt kế , ta phải kết hợp Watt kế với biến dòng TI Sơ đồ đấu dây sau

Công suất cho Watt kế

PW = P2 = I2 U1 cos ϕϕϕϕ2 = I2 U1 cos ( ϕϕϕϕ1 - δδδδ )

Khi biết giá trị công suất Watt kế , ta xác định công suất thực W

*

*

RL

RS

1

3

4

Phụ tải

*

* W

A V

I2

I1

U

1

I1

- I2

I2

Giản đồ vector dòng áp Sơ đồ mắc Watt kế

Chương

Pthực = KI I2 U1 cos ( ϕϕϕϕ1 - δδδδ )

Trong PW cơng suất Watt kế

KI tỷ số danh định biến dòng

Do góc δ nhỏ nên ta xem ϕ1 = ϕ2( xem giản đồ vector dòng áp ) Vì ta viết Pthực = KI I2 U1 cosϕϕϕϕ2

Như , cơng suất tiêu thụ tải tích số trị số đọc Watt kế với tỷ số danh định biến dòng TI

6.4.2 Dùng Watt kế với máy biến dòng TI biến điện áp TU

Khi cần đo công suất phụ tải có dịng điện điện áp lớn dịng điện điện áp danh định Watt kế , ta phải sử dụng biến dòng TI biến điện áp TU để tương thích với dịng điện điện áp Watt kế

Sơ đồ đấu dây

Cuộn dây điện áp Watt kế mắc hai đầu

cuộn dây thứ cấp ax TU ,hai đầu dây sơ cấp TU nối với nguồn điện ( đấu song song với phụ tải )

Cuộn dây dòng điện Watt kế mắc nối tiếp với cuộn dây thứ cấp TI ( thực tương tự 6.4.1 ) để đảm bảo an toàn , vỏ TI TU nối đất

Công suất Watt kế PW = U2 I2 cosϕϕϕϕ2

Công suất thực phụ tải Ptải’ = KI i2 KV u2 cos ( ϕ1 + δV - δi ) Nếu góc lệch δV δ1 nhỏ , ta xem ϕ2 = ϕ1

Như công suất thực gần phụ tải xác định biểu thức Pthực = KI KU PW= U1 I1 cosϕϕϕϕ1

Phuï taûi

*

*

A V

I2

I1

Sơ đồ mắc Watt kế , biến dòng TI biến điện áp TU W

x

a

X

W

0 1A 5A 150 300

P = C

C

300V

2

150V

1 1A

10

5A U I

Chương

6.5 ĐO CƠNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA 6.5.1 Mạch ba pha đối xứng

Mạch ba pha dây

Đối với mạch điện ba pha có tải đối xứng , ta cần sử dụng watt kế để đo công suất pha , sau ta nhân với giá trị cơng suất cho tồn mạch điện

Phép đo thực sau Công suất pha

PW = Up Ip cosϕϕϕϕ

Công suất ba pha

P3p = PW = Up Ip cosϕϕϕϕ

Maïch ba pha dây

Để đo cơng suất điện , ta tạo trung tính “giả” cách sử dụng điện trở phụ có giá trị giá trị cuộn dây áp Sơ đồ đấu dây theo sơ đồ hình a

Cơng suất ba pha xác định theo biểu thức P3p = PW

Ngoài , ta sử dụng watt kế để xác định cơng suất điện cho tồn mạch Sơ đồ đấu dây hình b Cơng suất ba pha xác định theo biểu thức

P3p = PW1 + PW2

Trong trình đo , hai watt kế ngược ta đổi cực tính cuộn dây dịng điện hay cuộn dây điện áp Lúc kết nhận từ watt kế lấy giá trị âm

Ví dụ watt kế quay ngược , sau đổi cực tính cuộn dây cơng suất toàn mạch P3p = PW1 – PW2

6.5.2 Mạch điện ba pha không đối xứng ( tải không cân ) Mạch ba pha bốn dây

W*

* A

B C N

RT

Hình a

Hình b

W* * A

B

C RT

R R

A B C

RT W1

* *

W2

như đấu dây Watt kế pha đối xứng ( lưu ý đến dòng điện định mức Watt kế điện áp danh định cuộn áp Watt kế )

Công suất toàn mạch xác định theo biểu thức sau P3p = PW1 + PW2 + PW3

Maïch ba pha ba daây

Thực tương tự mạch ba pha đối xứng

6.5.3 Sử dụng watt kế ba pha để đo tải ba pha không cân

Watt kế ba pha hai phần tử

Được cấu tạo gồm hai cuộn dây điện áp ( hai cuộn dây di động ) có trục quay hai cuộn dây dòng điện cố định Phương pháp đo sử dụng Watt kế giống phương pháp đo dùng Watt kế pha để đo cơng suất tải ba pha ba dây Vì cách mắc giống cách mắc Watt kế pha để đo công suất tải ba pha ba dây

Watt kế ba pha hai phần tử rưỡi

Loại Watt kế thường sử dụng cơng nghiệp Watt kế hai phần tử rưỡi có cuộn dây áp có trục quay cuộn dây dòng điện gồm cuộn dây thứ , nửa cuộn dây áp (1) , nửa cuộn dây dây áp ( )

Phương pháp đo cách đấu dây giống Watt kế ba pha , hai phần tử cuộn dây áp loại ba phần tử phần cuộn dây dòng

6.5.4 Đo công suất ba pha tải sử dụng biến dòng biến áp Watt kế hai phần tử rưỡi

*

* W

1

*

* W

2

*

* W

3

PHỤ TẢI

TI1 TI2

Chương

Cũng giống Watt kế pha , dòng điện tải lớn dòng điện danh định Watt kế , để sử dụng Watt kế ta phải kết hợp với biến dòng TI Mạch đấu sơ đồ

Lý luận tương tự trình bày ( xem 6.4.1 ) , ta xác định công suất tiêu thụ phụ tải

Ppha A = KI1 PW1

Ppha B = KI2 PW2

Ppha C = KI3 PW3

Pphụ tải = Ppha A + Ppha B + Ppha C

Thường ta sử dụng TI có tỷ số biến dịng giống Do Pphụ tải = KI ( PW1 + PW2 + PW3 )

Khi phụ tải có dịng điện điện áp lớn dòng điện điện áp danh định Watt kế , ta phải sử dụng biến dòng biến điện áp

Sơ đồ đấu mạch hình vẽ

Lưu ý

Để đảm bảo an toàn cho người thiết bị , TI TU phải nối đất

6.6 ĐO CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

6.6.1 Đo trực tiếp watt kế phản kháng pha ( VAR kế )

Theo định nghóa , công suất phản kháng taûi Q = U I sin ϕ = U I cos ( 900 - ϕ )

*

* W2

TI1

TI2

PHUÏ TAÛI

V1 V2

*

* W1

TI2

A1 A2

A x

A’ X’

x’ a’

a

3

P

H

pha cuộn dây điện áp , người ta mắc nối tiếp cuộn dây cảm hay tụ điện hình vẽ

Tương tự watt kế, góc quay kim tỷ lệ với dòng điện qua cuộn dây dòng cuộn dây áp , đồng thời phụ thuộc sin góc lệch pha dịng điện điện áp Do góc quay tỷ lệ với cơng suất phản kháng

6.6.2 Cách đo công suất phản kháng

Việc đo công suất phản kháng tương tự đo cơng suất hữu ích trình bày

Ngồi cách đo cơng suất watt kế , ta

cũng đo gián tiếp vôn kế ampere kế Watt kế Nhưng phương pháp cho kết khơng xác sơ đồ đấu dây phức tạp nên sử dụng

6.6.3 Đo công suất phản kháng tải ba pha

Đo công suất phản kháng hệ thống điện ba pha bốn dây

Như ta biết điện áp dây UBC , UAC UAB trễ pha 900 so với điện áp pha UA , UB UC Vì ta sử dụng Watt kế pha để đo công suất phản kháng Q

Sơ đồ hình vẽ

Cơng suất pha A : PA = IA UBC cos ( 900 -

ϕ )

PA = IA UA sinϕ = QA

Nghóa laø QA =

PA

Giá trị PA đọc Watt kế

Tương tự pha B pha C , công suất phản kháng phụ tải ba pha tổng công suất phản kháng

pha

Qba pha = QA + QB + QC

Qba pha =

PW1 + PW2 + PW3

R L

RU I

Unguoàn

* *

W1

A

B

* *

W2

T

A

ÛI

B

A

P

H

Chương

Đo công suất phản kháng hệ thống điện ba pha ba dây

Nếu tải cân điện áp nguồn đối xứng

Trong trường hợp , ta sử dụng Watt kế pha Watt kế ba pha hai phần tử

Giả sử , ta sử dụng Watt kế pha mắc mạch hình vẽ Cơng suất đo Watt kế pha cho kết

PW = IA UBC cos ( 900 - ϕ ) + IA UBC cos ( 900 - ϕ ) Do tải cân điện áp đối xứng , nên UBC = UCA IB = IA Vì công suất tác dụng

PW = IA UBC sinϕ = IA UA sinϕ Mà Q = IA UA sinϕ

Do PW = Q Suy Q =

2 PW Kết luận

Muốn chuyển Watt kế thành VAR – kế kết đọc thang đo Watt kế nhân với hệ số tỷ lệ đơn vị VAR ( KVAR )

Nếu điện áp đối xứng phụ tải không cân

Trong trường hợp , ta phải sử dụng Watt kế đấu mạch hình bên Công suất phản kháng pha kết đọc công suất tác dụng chia cho

QA = P 3W1 , QB = P 3W2 vaø QC = P 3W3

Q = QA + QB + QC =

PW1 + PW2 + PW3

A

B

C

T

A

ÛI B

A

P

H

A

*

* W

*

Cũng với cách mắc , tải cân kết cơng suất phản kháng tích số kết đọc Watt kế với

Q = PW

Nếu sử dụng Watt kế hai phần tử hai Watt kế pha , mạch điện mắc hình vẽ Mạch sử dụng điện trở mắc nối tiếp tạo mạch cân , điện áp pha C áp vào mạch thứ điện áp pha A áp vào mạch thứ hai

Đối với pha B , ta có

PW = PW1 + PW2 = IAUC cos( 600 - ϕ ) + ICUA cos( 1200 - ϕ )

PW = Ipha Upha [ 0.5 cosϕ + ( / 2) sinϕ - 0.5cosϕ + ( / 2) sinϕ ] PW = Ipha Upha sinϕ = Qpha

Suy PW = Qpha Kết luận

Công suất phản kháng tải ba pha không cân trị số đọc hai Watt kế nhân với

6.7 CÔNG TƠ ĐIỆN MỘT PHA - ĐO NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

6.7.1 Khaùi niệm chung

Điện sản phẩm ngành điện việc đo điện có ý nghĩa lớn mặt kinh tế kỹ thuật

Năng lượng điện mạch điện xoay chiều pha xác định theo biểu thức

W = ∫

2

t

t

Pdt = ∫

2

cos

t

t

dt

UI ϕ = K P t

Trong

P công suất tiêu thụ phụ tải

t = t2 – t1 khoảng thời gian phụ tải tiêu thụ điện K hệ số

6.7.2 Cấu tạo công tơ điện

Cơng tơ điện chế tạo dựa cấu thị cảm ứng điện từ , gồm hai phần phần tĩnh phần động

Chương

Cuộn dây dịng điện mắc nối tiếp với phụ tải nên cuộn dây có cỡ dây lớn vịng dây

Cuộn dây điện áp mắc song song với phụ tải , nên có số vịng dây nhiều dây nhỏ

Một nam châm vĩnh cửu hình chữ U đặt vng góc với dĩa nhơm để tạo moment hãm

Phần động gồm

Mộât đĩa nhôm D mỏng có đường kính từ 80 đến 100 mm bề dày 0.5mm gắn với trục , dĩa nhôm D có mép dĩa nằm khe hở mạch từ cuộn dịng cuộn áp Để cho dĩa nhơm quay , người ta gắn thêm nam châm đệm M học E có bánh ăn khớp trục quay dĩa nhôm D

Bộ hiển thị nối liền với số khí (hệ thống bánh ) để hiển thị giá trị điện tiêu thụ

6.7.3 Nguyên tắc hoạt động cơng tơ điện

Khi có dịng điện chạy qua cuộn dòng qua cuộn áp , sinh từ thông Φ1 Φ2 Các từ thông xuyên qua dĩa nhôm cảm ứng dĩa nhôm sức điện động cảm ứng E1 E2 , sức điện động tạo dịng điện xốy dĩa nhơm Các dịng điện xốy lại nằm từ trường nam châm điện tạo cuộn dây dịng cuộn dây áp nên chịu lực tác dụng tạo thành moment quay

Vì cuộn dây áp có nhiều vịng dây nên hệ số tự cảm L đáng kể so với cuộn dòng nên xem điện áp lệch pha 900 so với dòng điện Tác động tương hỗ từ thơng

Φ1

Φ2 với dịng điện xốy tạo thành moment làm quay dĩa nhơm Moment quay Mq tổng moment thành phần

Mq = K1ΦΦΦΦ1 I22 sinψψψψ + K2ΦΦΦΦ2 I12 sinψψψψ

ψ góc lệch pha Φ1 Φ2 K1 , K2 hệ số

Nếu dòng điện tạo từ thơng Φ1 Φ2 hình sin dĩa nhơm cấu tạo đồng dịng điện xốy I12 I22 tỷ lệ với tần số f nguồn điện từ thông sinh chúng

I12 = C3 f I22 = C4 f Φ2 Như , ta có

Mq = C fΦΦΦΦ1ΦΦΦΦ2 sin ψψψψ

Với C = C1 + C2 + C3 + C4

B

A

+ + +

D

Φ2 = KU IU = KU Z U U

Trong U điện áp đặt lên cuộn áp ZU tổng trở cuộn áp

KI , KU hệ số tỷ lệ

Do cuộn dây áp có điện từ nhỏ so với điện kháng nên ta xem ZU = XU = 2π f LU

LU điện cảm cuộn dây f tần số nguồn Do ΦU = 2 KπU f L U

U = KU’ U

f với KU’ = 2 Kπ LU U Nếu ta xem Φ1 = ΦI Φ2 = ΦU Mq = C f ΦI ΦU sin ψ Do Mq = C KI KU’ U I sin ψ

Ngồi , ta có Mq = K1 U I sin ψ

Neáu ψ = 900 - ϕ sin ψ = sin( 900 - ϕ ) = cosϕ

Do biểu thức moment quay viết lại Mq = K1 U I cosϕϕϕϕ = K1 P

Dưới tác dụng moment quay , dĩa nhôm quay với tốc độ n0 ( vòng / phút ) Dòng điện xoáy kết hợp với từ trường nam châm vĩnh cửu tạo thành moment hãm dĩa nhôm MC = K2 n0

Khi dĩa nhôm quay (trạng thái cân ) , ta có

Mc = Mq hay K2 n0 = K1 P Suy P = K K2

1 n0

Trong khoảng thời gian t = t2 – t1 , dĩa nhôm quay N vịng Vì n0 = N t Như , điện tiêu thụ xác định

W = P t = K K2

1 n0 t = N

C Hay C = W N ( vòng /KWh ) Trong C = KK1

Chương

N = n0 t số vòng quay thực tế dĩa nhơm

Kết luận

Số vịng quay dĩa nhơm khoảng thời gian t tỷ lệ thuận với điện tiêu thụ

Từ số vịng quay dĩa nhơm , ta xác định điện tiêu thụ Mỗi công tơ điện đặt trưng thông số sau

Độ nhạy Sđm ( vòng / KWh ) Hằng số định mức cơng tơ Cđm = Sđm ( vịng / KWh ) Hằng số thực tế công tơ C = W N ( KWh / vòng )

Điện áp định mức công tơ Uđm ( điện áp định mức cuộn dây áp ) Dịng điện định mức cơng tơ điện Iđm

6.7.4 Kiểm tra số công tơ

Để kiểm tra số công tơ C , người ta điều chỉnh cho I = Iđm , U = Uđm hệ số công suất cosϕ = Khi P = Uđm Iđm

Trong khoảng thời gian t , cơng tơ quay N vịng Ta có C = U N

đm Iđm.t = N Pđm t

Hằng số khơng đổi loại công tơ ghi mặt công tơ điện Chẳng hạn cơng tơ điện có ghi thơng số 1KWh – 1500vịng , nghĩa dĩa nhơm quay 1500 vịng mặt hiển thị nhảy thêm đơn vị công suất

Nếu số C không giá trị định mức ghi mặt công tơ điện , người ta điều chỉnh vị trí nam châm vĩnh cửu để tăng giảm moment cản MC giá trị C đạt giá trị định mức dừng lại

Sai số công tơ ñieän

γγγγ% = Cñm C - Cño

Khi lắp đặt công tơ điện , ta phải đấu đầu dây theo sơ đồ hướng dẫn hãng sản xuất Mỗi loại công tơ điện có kiểu mắc dây riêng đảm bảo nguyên tắt “ Cuộn dòng mắc nối tiếp với phụ tải , cuộn dây áp song song với phụ tải “

6.8.1 Mắc công tơ điện pha

Tùy theo cách đấu đầu dây cuộn dịng cuộn áp mà ta có cách đấu dây khác

Sơ đồ đấu dây thường ghi nắp cơng tơ điện

6.8.2 Cách mắc công tơ điện ba pha

Cơng tơ điện ba pha có cấu tạo tương tự cơng tơ điện pha Thông thường công tơ điện ba pha có loại sau

Cơng tơ điện ba pha phần tử : loại cơng tơ điện có cuộn dây dòng điện cuộn dây điện áp , đầu dây cuộn dòng cuộn áp đấu lại với để đưa đầu dây Cách mắc công tơ điện loại tương tự cách mắc watt kế pha

Công tơ điện ba pha phần tử sử dụng để đo điện hệ thống điện ba pha dây Sơ đồ đấu dây hình vẽ

Cơng tơ điện ba pha phần tử loại cơng tơ điện có cuộn dây dòng điện cuộn

1

2

P N

1

2

P N

TA

Chương

dây điện áp , đầu dây cuộn dòng cuộn áp đấu lại với để đưa , 11 đầu dây ( có sử dụng máy biến dịng ) Cách mắc công tơ điện loại tương tự cách mắc watt kế pha phần tử

Công tơ điện ba pha phần tử sử dụng để đo điện hệ thống điện ba pha dây ( có dây trung tính ) Sơ đồ đấu dây hình vẽ

Khi dịng điện qua phụ tải có trị số lớn nhiều so với dòng điện định mức công tơ điện pha , ta phải kết hợp với máy biến dòng Giá trị thực tích số tỷ số máy biến dịng KI với giá trị đo công tơ điện

Lưu ý

Khi chọn máy biến dịng , ta phải vào công suất phụ tải để chọn dòng điện máy biến dòng cho phù hợp

Ví dụ

Nếu phụ tải có dịng điện định mức khoảng 100A > Ipt > 50A ta chọn TI có tỉ số KI 100/5 150/5

Nếu phụ tải có dòng điện định mức khoảng 150A > Ipt > 100A ta chọn TI có tỉ số KI 150/5 200/5

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu Nêu cấu tạo watt kế tác dụng ? Tại watt có cực tính ? Câu Nêu tác dụng cuộn dây watt kế tác dụng ? Câu Trình bày cách mắc watt kế ?

Câu Trình bày cách đo cơng suất tác dụng mạch điện ba pha có tải đối xứng ? ( mạng điện ba pha dây ba pha dây )

Câu Nêu cấu tạo watt kế phản kháng ? So sáng với watt kế điện động ?

Câu Có cách đo công suất phản kháng ? Trong cách , cách thơng dụng ?

Câu Trình bày cấu tạo công tơ điện pha ?

Câu Trình bày ngun lý làm việc công tơ điện pha ? Câu Vẽ sơ đồ đấu công tơ điện pha ?

TAÛI

UA UB UC

IA IB IC

phuïc ?

Câu 11 Vẽ sơ đồ đấu dây công tơ điện ba pha ? Nêu điểm khác loại công tơ điện ?

Câu 12 Làm để đo lượng điện dòng điện phụ tải lớn dịng điện định mức cơng tơ điện ?

Câu 13 Tính cơng suất điện tiêu thụ phụ tải gắn vào công tơ điện có ghi 600 vịng / kWh Biết phụ tải sử dụng thời gian 15 phút cơng tơ điện quay 50 vịng

Câu 14 Một bếp điện có công suất 1000W – 220V

a Tính dịng điện giá trị điện trở dây may xo dùng làm bếp điện

b Tính số vịng quay cơng tơ điện ta sử dụng bếp điện khoảng thời gian 20 phút Biết công tơ điện có ghi 450 vịng/kWh Câu 15 Mơ tả cách xác định công suất điện động bị nhãn ? ( ta sử

dụng vơn kế ampe kế , watt kế cosϕ kế để xác định )

Câu 16 Trong q trình đo cơng suất tác dụng , kim watt kế bị quay ngược ta xử lý ?

Câu 17 Nêu ý nghóa thông số ghi công tơ điện pha ba pha ?

Dương Hữu Phước

Chương

ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ TẦN SỐ

8.1 KHÁI NIỆM

Dòng điện điện áp hai tín hiệu điện qua tải lệch pha góc ϕ góc lệch tùy thuộc vào tính chất tải

Nếu tải trở ϕ = ( cosϕ = )

Nếu tải cảm điện áp nhanh pha so với dịng điện góc ϕ = π

Nếu tải dung điện áp chậm pha so với dịng điện góc ϕ = - π

Đại lượng thể lệch pha hai tín hiệu cosϕ , đại

lượng gọi hệ số công suất cosϕ Đại lượng dùng làm tiêu

để đánh giá chất lượng cung cấp điện Hệ số công suất cosϕ

lớn ( gần ) hiệu sử dụng điện cao trình truyền tải điện hiệu

Việc nâng cao hệ số công suất tận dụng tốt cơng suất nguồn Ví dụ máy phát điện có cơng suất định mức Sđm = 10000kVA

Nếu hệ số công suất phụ tải cosϕ = 0.5 công suất tác

dụng máy phát cung cấp cho phụ tải

P = Sđm cosϕ = 10000 x 0.5 = 5000 kW

Nếu hệ số công suất phụ tải 0.9 công suất tác dụng máy phát cung cấp cho phụ tải

P= Sñm cosϕ = 10000 x 0.9 = 9000 kW

cải thiện chất lượng lưới điện

8.2 ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSϕϕϕϕ

8.2.1 Đo cosϕϕϕϕ volt kế

Để kiểm tra lấy chuẩn cho cosϕ kế đo lệch pha ϕ

giữa hai tín hiệu

e1 = E1 cosωt e2 = E2 cos ( ωt + ϕ ) Ta sử dụng phương pháp sau

Dùng volt kế đo S tổng điện áp tín hiệu e1 e2

Đo D hiệu số hai tín hiệu S2 = E

12 + E22 + 2E1 E2 cosϕ D2 = E

12 + E22 - 2E1 E2 cosϕ Như cosϕϕϕϕ = S

2 - D2

4E1E2

Tương tự ta xác định hệ số công suất cosϕ tải

kháng cách sử dụng volt kế Sơ đồ đấu mạch hình vẽ

cosϕϕϕϕ = V3

2 - V

12 - V22

V1 V2

Trong

V1 điện áp tải

V2 điện áp điện trở

V3 điện điện trở

phuï tải

Phương pháp có sai số từ 50 đến 100 góc lệch pha khoảng 900 sai số phụ thuộc vào cấp xác volt kế V

1 ,

V2 vaø V3

8.2.2 Phương pháp đo gián tiếp

Đo hệ số công suất cosϕ ϕ ϕ ϕ mạch điện pha

D

E2

- E2

E1

S

V1 V2

Đo hệ số công suất tần số Dùng vôn kế , ampere kế watt kế Phương pháp đơn giản sơ đồ mắc dây phức tạp có sai số lớn Watt kế cho biết công suất hiệu dụng tải , vôn kế ampere kế cho biết giá trị điện áp cường độ dòng điện

Sơ đồ mắc mạch hình vẽ

Hệ số cơng suất xác định theo biểu thức

cosϕϕϕϕ = = = = U I P

Từ biểu thức , ta nhận thấy , biết giá trị cơng suất hữu ích P , điện áp U cường độ dòng điện I ta tính cosϕ

Đo hệ số cơng suất cosϕ ϕ ϕ ϕ mạch điện ba pha đối xứng

Trong trường hợp góc lệch pha đo dòng điện dây pha với điện áp dây pha tải ba pha

P = Ud Id cosϕ ϕ ϕ ϕ

Suy cosϕ = ϕ = ϕ = ϕ = U P

d Id

8.2.3 Phương pháp trực tiếp

Cosϕϕϕϕ kế điện động pha

Cơ cấu đo kiểu tỉ số kế điện động sắt 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

900 Do cuộn dây đặt vng góc với tạo hai moment

quay xác định theo biểu thức

M1 = M cosθθθθ

M2 = M sinθθθθ

Trong

M1 hệ số hỗ cảm

cuộn dây di động với cuộn

A W

V Taûi

L1'

L1

L T

A

ÛI

R

IL

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 ( cuộn dây cố định tạo

Giả sử tổng trở cuộn dây nhỏ so với giá trị điện trở R XL

của cuộn dây L

Ta có utải = U cos ωt điện áp tải itải = U cos ( ωt - ϕ ) dịng điện tải Khi dịng điện qua cuộn dây cuộn dây

ir = U

R cos ωt vaø iL = U

ωL cos ( ωt - ϕ )

Do moment quay của cuộn dây cuộn dây Mq1 =

UI R

dM1

dθ cosϕ vaø Mq2 =

UI

ωL

dM2

dθ sinϕ

Tại trị số θi cuộn dây di động Mq1 = Mq2 , hai cuộn dây di động

đứng yên ( cân ) lúc ta xác định góc lệch pha ϕ

hai tín hiệu áp dòng tgϕ = ω R tgL θi

Nếu cuộn dây mạch điện chế tạo sa cho R = ωL

vị trí thị cuộn dây ta có θi = ϕ

Trên cosϕ kế khắc độ theo trị số cos góc lệch pha ϕ có trị

số ( tương ứng với giá trị cosϕ = )

Nếu kim cosϕ kế lệch phía ( hay phía phải ) điện

áp nhanh pha dòng điện ( Lead )

Nếu kim cosϕ kế lệch phía ( hay phía trái ) điện

áp nhanh pha dòng điện ( Lag )

Việc lấy chuẩn cho cosϕ kế phụ thuộc vào tần số tín hiệu ño

Để hạn chế ảnh hưởng tần số ta sử dụng cuộn dây gồm phần tử , phần tử nối với L phần tử nối tụ điện hình giá trị L C chọn cho LCω2 = đo góc lệch pha

các tín hiệu (Cộng hưởng tần số tín hiệu đo)

Đo hệ số công suất tần số Khi đo hệ số công suất cosϕ ba pha nghóa ta đo góc lệch pha ϕ

giữa dòng điện dây pha với điện áp dây pha tải ba pha Theo hình vẽ , ta thấy 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 khơng đáng kể

Moment quay trung bình khung quay Mq1 = K1 UAB IA cos ( 1200 + ϕ )

Mq2 = K2 UAC IA cos ( 1200 - ϕ )

Tại vị trí cân , ta có Mq1 = Mq2

Hay K K1

2 =

cos ( 1200 + ϕ )

cos ( 1200 - ϕ )

Do cosϕ = G(α)

Ngược với pha , pha kế pha không ảnh hưởng tần số tần số tín hiệu khơng cao

Ngồi ta đo độ lệch pha dao động ký ( máy sóng hay máy Oscillocope cho tín hiệu có biên độ nhỏ )

8.3 ĐO TẦN SỐ

8.3.1 Khái niệm

Tần số góc pha đại lượng đặc trưng cho q trình dao động có chu kỳ Tần số xác định số chu kỳ lặp lại tín hiệu đơn vị thời gian

Với kỹ thuật tiên tiến ngày , phép đo xác qui tần số tần số chuẩn đạt độ xác cao với sai số từ 10-13 đến 10-12 mà đại lượng mẫu khác khó đạt Ngoài ,

việc so sánh tần số có biện pháp đạt độ phân ly cao truyền dễ dàng

Chu kỳ khoảng thời gian nhỏ mà giá trị tín hiệu lặp lại q trình biến thiên thỏa mãn phương trình u( t ) = u( t + T )

Nếu gọi T chu kỳ tín hiệu f tần số tín hiệu f = T ( Hz )

Tần số , chu kỳ góc pha có mối quan hệ chặt chẽ với theo bểu thức

ϕ = π T τ

ϕ góc lệch hai tín hiệu

τ khoảng thời gian lệch hai tín hiệu

Do việc đo tần số góc góc lệch pha qui đo tần số khoảng thời gian τ Thật , giả sử ta có hai tín hiệu x1(t) = X1m cos( ω1t + ϕ1 ) tín hiệu thứ hai x2(t) = X2m cos( ω2t + ϕ2 )

Góc lệch pha hai tín hiệu tính sau

ϕ = ϕ1 - ϕ2 ω1 = ω2 ϕ = ϕ1 - ω1

ω2 ϕ2 neáu ω1 = n ω2 ( n số nguyên )

Hoặc ϕ = - ϕ2 + ω2

ω1 ϕ1

Thơng thường , góc lệch pha tính gradian độ , khoảng thời gian tính giây ( s - second )

Để đo tần số , ta thực theo phương pháp : phương pháp biến đổi thẳng phương pháp so sánh Các dụng cụ dùng để đo tần số gọi tần số kế

Để đo góc lệch pha , ta thực theo phương pháp : phương pháp biến đổi thẳng phương pháp bù

8.3.2 Taàn số kế

Đo hệ số công suất tần số

Tần số kế điện động

Sau ta khảo sát cấu tạo tần số kế điện động ( hay sắt điện động ) sơ đồ

Tần số kế điện động gồm có cấu tỉ số kế điện động dựa cấu logommet điện động sắt điện động

Phần động cấu gồm cuộn dây B1 , B2 gắn chặc với

và lệch góc γ nối với tụ điện C1 Phần tĩnh cuộn dây cố

định A tách làm hai phần nối với điện cảm L tụ điện C2 Để

điều chỉnh dòng điện qua cuộn dây B2 cho thích hợp người ta cịn mắc

thêm cuộn dây RSh song song với với cuộn dây B2

Nguyên lý hoạt động tần số kế điện động

Điều chỉnh L C2 để đạt tần số cộng hưởng Lúc moment

quay M1 làm quay cuộn B1 Moment quay M2 tạo dòng

điện I2 cuộn dây A B2 làm di chuyển cuộn dây cho từ

thông tạo nên cuộn dây A B2 trùng Như dòng điện I2

sẽ thay đổi lệch tần số tín hiệu đo so với tần số cộng hưởng lệch pha dòng I2 điện áp theo chiều dương f tăng

và theo chiều âm f giảm Với tần số cộng hưởng M1 khác

sẽ tạo nên ngẫu lực phụ thuộc vào lệch pha gữa dòng I1 dòng I2

Hai moment quay ngược chiều phụ thuộc vào tần số tín hiệu

M1 = I I1 cos ( I , I1 ) cos α

dMAB1

dα

M2 = I I2 cos ( I , I2 ) cos (γ - α)

dMAB2

dMAB1

dα =

dMAB2

dα

I1 cos ( I , I1 )

I2 cos ( I , I2 ) =

cos (γ - α)

cos α

Do α = F ( I I1 cos ( I , I1 ) cos ( I , I2 ) )

Ta nhận thấy góc lệch α tỉ lệ với tỉ số hai dòng điện I1 , I2

cos ( I , I1 ) , cos ( I , I2 )

Nhược điểm logommet điện động độ nhạy thấp Để tăng độ nhạy cấu , ta gắn thêm lõi thép vào gọi cấu đo thị sắt điện động Moment quay cấu sắt điện động có dịng điện i1 chạy vào cuộn dây tĩnh dòng điện i2 chạy vào cuộn dây động

được xác định theo biểu thức Mt = B S2 W2 i2

Với B độ từ cảm khe hở khơng khí tạo dòng điện i1

S2 , W2 diện tích số vịng cuộn dây động

Moment trung xác định Mq =

T ∫

T Mdt

= BS2W2I2 cos( B , I2 )

Nếu ta sử dụng đoạn tuyến tính đường cong từ hố B = K1 I1 ( B , I1 ) = ( I1 , I2 )

Do Mq = K1 S2W2I1I2 cos ( I1 , I2 )

Tần số kế điện tử

Hiện thị trường , ngồi tần số kế cịn có tần số kế điện tử Tần số kế điện tử có ưu điểm đo tần số âm tần cao tần mà tần số kế đo Tần số kế điện tử dụng cụ đo tần số phối hợp cấu đo từ điện với biến đổi để

C K

fx

Itb

U

T

X

Ufx

U

R C D

2

Đo hệ số công suất tần số thực biến đổi tần số thành dòng điện chiều Sơ đồ nguyên lý tần số kế điện tử hình vẽ

Khi khóa K vị trí , tụ điện C tích điện đến điện áp U nguồn điện Điện tích nạp Q = C U Khi khóa K chuyển sang vị trí , tụ điện phóng điện qua cấu đo từ điện

Nếu khóa K thay đổi với tần số đo fx giá trị dịng điện trung

bình qua cấu đo Itb = Q fx = C U fx

Nếu C U đại lượng khơng đổi dịng điện trung bình tỉ lệ với tần số fx

Itb = K fx với K số

Do dòng điện tỉ lệ với tần số cần đo , nên ta khắc vạch trực tiếp tần số kế

Ta thay khóa K khóa điện tử transistor Lúc điện áp có tần số cần đo Ufx đưa qua tạo xung TX

Khi chưa có tín hiệu đặt vào cực B transistor, transistor trạng thái “khóa“ tụ điện nạp đến điện áp U với điện tích Q = C U

Khi có điện áp đặt vào cực B transistor , lúc transistor dẫn làm cho tụ điện C phóng điện qua transistor T , diode D2 cấu

đo từ điện CT làm cho kim thị lệch Thang đo cấu khắc độ giá trị tần số đo

Với loại cấu đo đo tần số từ 10Hz đến 500 kHz sai số ± 2% Nếu tín hiệu dạng xung đo với tần số 10Hz đến 20 kHz sai số ± 2%

Tần số kế digital ( tần số kế kế số )

Ngày công nghệ digital phát triển nên thiết bị số ngày sử dụng rộng rãi có tính vượt trội thiết bị đo gọn nhẹ , dải tần rộng từ vài hert ( Hz ) đến vài mê ga hert ( MHz ) , thị số nên dễ đọc hạn chế sai số , tiêu tốn lượng nên khơng làm ảnh hưởng đến mạch đo tự động hóa cách dễ dàng

Nguyên lý hoạt động

Nguyên tắc chung tín hiệu mang tần số cần đo fx chuyển

thành dạng xung vng có tần số với tần số fx Các xung vuông

ño

Khảo sát sơ đồ khối tần số kế digital sau

∆fx =

x x f f ∆ = N N ∆ + do do T T ∆

Để đo tần số thấp ta sử dụng thiết bị có sơ đồ khối Tín hiệu có tần số cần đo fx đưa vào khuếch đại suy giảm đưa vào

mạch Trigor Schmit để chuyển đổi thành dạng xung vng có tần số với tín hiệu cần đo tần số Các xung mạch Schmit đưa vào mạch Trigor tín hiệu ngõ Q mạch Trigor đưa vào cổng AND đồng thời tần số f0 chuẩn ( MHz ) từ máy phát xung

được đưa vào ngõ lại cổng AND

Các xung từ máy phát tần số chuẩn đếm thời gian N =

0 T T

x = x f f

0 hay f

x = N

f

Ví dụ

Để đo tần số có fx = 100Hz , cổng AND mở khoảng thời

gian 10ms

Các xung từ máy phát xung chuẩn có chu kỳ T0 = 1µs số xung

đếm khoảng thời gian 10ms N = 10ms/1µs = 10.000 số hiển thị tần số kế digital 100Hz

T ri go r S ch m it T ri go r &

MHz từ máy phát tần số

Khuếch đại suy giảm s Q Q T

Tín hiệu từ Schmit

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Đại lượng không điện

Đại lượng điện Chuyển đổi

sơ cấp

Mạch đo Cơ cấu thị

X Y

Chương : ĐO KHÔNG ĐIỆN

1.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA MỘT DỤNG CỤ ĐO KHÔNG ĐIỆN

Máy đo dù đơn giản hay phức tạp có cấu tạo gồm khâu (hình 1.1)

Chuyển đổi sơ cấp

Mạch đo

Cơ cấu thị

Hình 1.1 Cấu tạo dụng cụ đo không điện

Chuyển đổi phận thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng không điện đặc trưng cho đối tượng cần nghiên cứu thành thay đổi đại lượng điện đầu theo quan hệ hàm đơn trị Trong dụng cụ đo không điện chuyển đổi khâu quan trọng máy đo quy định độ nhạy độ xác máy đo, khâu chuyển đổi sơ cấp biến đại lượng không điện thành đại lượng điện

Mạch đo : gia cơng tín hiệu từ khâu chuyển đổi sơ cấp cho phù hợp với cấu thị gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

Cơ cấu thị : thị kết đo (số, điện tử, kim …)

1.2 ĐỊNH NGHĨA

Chuyển đổi phận thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng không điện đặc trưng cho đối tượng đặc trưng cần nghiên cứu thành thay đổi đại lượng điện đầu theo quan hệ hàm đơn trị

1.3 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHUYỂN ĐỔI 1.3.1 Phương trình chuyển đổi

Đại lượng điện (Y) ngõ chuyển đổi ln biểu diễn theo ngõ vào khơng điện (X) qua hàm f Tức Y = f (X ) (1.1)

Biểu thức (1.1) gọi phương trình chuyển đổi cảm biến Như vậy, phương trình chuyển đổi biểu thức tốn học biểu thị mối quan hệ đầu vào đầu chuyển đổi

Thực tế đại lượng cần đo tác động vào chuyển đổi có nhiều yếu tố tác động vào chuyển đổi Vì vậy, biểu diễn ngõ vào ngõ chuyển đổi hình 1.2

Y X

Chuyển đổi Đại lượng

khôngđiện

Theo hình 1.2 quan hệ vào chuyển đổi biểu diễn: Y = f(X, X1, X2 … ) (1.2)

Trong

X đại lượng khơng điện cần đo ( đại lượng chủ đạo )

X1 ,X2 … đại lượng phụ (nhiễu) Do mong muốn ảnh hưởng Xi tức đạt

được (1.1)

1.3.2 Độ nhạy 1.3.2.1 Định nghĩa:

Độ nhạy tỉ số biến thiên đầu biến thiên đầu vào

1.3.2.2 Độ nhạy chủ đạo :

X Y X Y X X S ∂ ∂ = ∆ ∆ = → ∆

lim (1.3)

SX lớn đo đại lượng có độ biến thiên nhỏ, tức chuyển đổi tốt

1.3.2.3 Độ nhạy phụ

Xi Y Xi Y Xi Xi S ∂ ∂ = ∆ ∆ = →

∆lim0 (1.4)

với Xi biến phụ thứ i

SXi bé tốt ( lí tưởng SXi =0 )

Ví dụ1 Để đo kích thước nên chọn cảm biến cảm biến sau :

Caûm bieán SX SX1

CB1 100Ω/mm 1Ω/0C

CB2 105Ω/mm 0,05Ω/0C

Theo định nghĩa độ nhạy thấy chọn cảm biến nên chọn cảm biến có độ nhạy chủ đạo lớn độ nhạy phụ nhỏ Như cảm biến chọn : SXCB2 > SXCB1 SX1CB2 <

SX1CB1

Độ nhạy giúp ích nhiều việc chọn lựa cảm biến có nhiều trường hợp dựa vào độ nhạy thơi khơng đủ sở để chọn lựa nên thông số đưa Đó độ chọn lựa

1.3.3 Độ chọn lựa

Định nghĩa : độ chọn lựa tỉ số độ nhạy chủ đạo độ nhạy phụ S

S K

XI X

i= (1.5)

X3 Đại lượng không điện X X2 Y CĐ Xn

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Khi chọn lựa cảm biến cảm biến có Ki lớn tốt

Ví dụ 2: nên chọn cảm biến cảm biến sau để phục vụ việc đo khối lượng

Theo định nghĩa độ chọn lựa nên chọn cảm biến có Ki lớn, từ (1.5) tính

S S S S CB X XCB CB X XCB 2 1

1 > Do nên chọn cảm biến

1.3.4 Ngưỡng độ nhạy giới hạn đo 1.3.4.1 Ngưỡng độ nhạy

Định nghĩa : ngưỡng độ nhạy trị số biến thiên lớn của ngõ vào mà ngõ chưa thay đổi

Y = f( X ±∆0 )

∆0 caøng bé tốt

1.3.4.2 Giới hạn đo

Định nghĩa : giới hạn đo phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cịn nghiệm

Khi chọn lựa chuyển đổi cần chọn chuyển đổi có giới hạn đo lớn khoảng muốn đo

Ví dụ 3: Hãy chọn chuyển đổi tốt để đo kích thước với khoảng cách cần đo từ 0÷800mm Vì u cầu chọn chuyển đổi để đo kích thước từ ÷800mm nên CB1 CB2 khơng đáp ứng khoảng đo nhỏ nên bỏ qua, cần xét CB3 CB4:

SXCB3 > SXCB4

SCB3 > SCB4

S S K S S K XCB XB CB XCB CB CB 4 3

3= = =

Có thể nhận thấy độ chọn lựa CB3 CB4 nhau, CB3 có độ nhạy chủ đạo lớn CB4, song độ nhạy phụ lớn CB4 khơng dựa vào độ nhạy độ chọn lựa để chọn cảm biến Tuy nhiên theo điều kiện giới hạn đo cảm biến chọn CB3 vì:

Khoảng đo CB3 từ ÷1000mm Khoảng đo CB4 từ ÷1500mm

Trong khoảng cần đo từ ÷800mm = khoảng 2/3 khoảng đo CB3 Kích thước cần đo xác

1.3.5 Độ phi tuyến

Đặc tính chuyển đổi đồ thị quan hệ đầu vào đầu

Định nghĩa : độ phi tuyến tỉ số hiệu giá trị lí tưởng với giá trị đo giá trị lý tưởng Giá trị lý tưởng giá trị tính dựa đặc tuyến lý tưởng

Cảm biến SX SX1

CB1 8.10-3mV/kg 4.10-6mV/0C

CB2 9.10-3mV/kg 8.10-6mV/0C

Cảm biến S SX Khoảng đo

CB1 120mV/mm 2.10-2mV/0C 0 ÷150mm

CB2 130mV/mm 2,5.10-2mV/0C 0 ÷80mm

CB3 160mV/mm 8.10-2mV/0C 0

÷1000mm

CB4 80mV/mm 4.10-2mV/0C 0

Độ phi tuyến = (YLT –YTT) / YLT

Độ phi tuyến bé tốt

1.3.6 Sai số chuyển đổi

Khi thực phép đo kết đo ln có sai số Căn vào ngun nhân gây sai số, thấy có loại sai số tac động vào kết đo chuyển đổi là:

Sai số phi tuyến Sai số phụ Sai số ngưỡng

1.3.6.1 Sai soá phi tuyeán

Sai số phi tuyến sai số xuất kết đo đặc tính chuyển đổi phi tuyến

Cách khắc phục:

Để giảm thiểu sai số phi tuyến phải tuyến tính hố đặc tuyến chuyển đổi Điều thực phần cứng phần mềm

1.3.6.2 Sai số phụ

Sai số phụ sai số xuất kết đo ảnh hưởng đại lượng phụ (nhiễu) Chính để giảm sai số phụ cần giảm ảnh hưởng đại lượng phụ

Cách khắc phục :

Đặt chuyển đổi môi trường làm việc yêu cầu nhà sản xuất Lọc nhiễu

Bù nhiễu

Phối hợp tổng trở …

1.3.6.3 Sai số ngưỡng

Sai số ngưỡng sai số ngưỡng độ nhạy cảm biến Sai số chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nên cách khắc phục

1.4 PHÂN LOẠI CHUYỂN ĐỔI

Chuyển đổi phân loại theo tiêu chuẩn sau :

Những yêu cầu nguồn cung cấp : − Tích cực thụ động

Trạng thái tín hiệu : − Tương tự số

Trạng thái đo lường

− Trạng thái lệch trạng thái cân

1.4.1 Chuyển đổi tích cực chuyển đổi thụ động 1.4.1.1 Chuyển đổi tích cực

Các chuyển đổi địi hỏi có cung cấp lượng từ bên ngồi hay tín hiệu kích thích để hoạt động

Nguồn tín hiệu có nhờ lượng cung cấp Ví dụ : Thermistors, Chemo-resistors

Về mặt nguyên lý chuyển đổi tích cực thường dựa hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Dưới mô tả cách tổng quát dạng ứng dụng hiệu ứng này:

1.4.1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện :

Giữa đầu hai dây dẫn có chất hóa học khác hàn lại với mạch điện có nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 xuất xuất điện động e ( T1, T2)

Hiệu ứng ứng dụng để đo nhiệt độ T1 biết trước nhiệt độ T2, thí dụ cho T2 = 00

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Hình 1.3-Hiệu ứng nhiệt điện

1.4.1.1.2 Hiệu ứng hỏa điện :

Một số tinh thể, gọi tinh thể hỏa điện (thí dụ tinh thể sulfate triglycine ) có tính phân cực tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên mặt đối diện chúng tồn điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện

Hiệu ứng hỏa điện ứng dụng để đo thông lượng xạ ánh sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ tăng lên làm thay đổi phân cực điện Sự thay đổi phân cực xác định cách đo biến thiên điện áp hai cực tụ điện

Hình 1.4-Hiệu ứng hoả điện

1.4.1.1.3 Hiệu ứng áp điện :

Khi tác dụng lực học lên vật làm vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, gây nên biến dạng vật làm xuất lượng điện tích trái dấu mặt đối diện vật Đó hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng ứng dụng để xác định lực đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc…) thông qua việc đo điện áp hai cực tụ điện

Hình 1.5- Hiệu ứng áp điện

1.4.1.1.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ :

Trong dây dẫn chuyển động từ trường không đổi xuất xuất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây đơn vị thời gian, nghĩa tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển dây dẫn

Cũng tương tự vậy, khung dây dẫn chịu tác động từ thông biến thiên xuất suất điện động ngược dấu với biến thiên từ thông

Hiệu ứng cảm ứng điện từ ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

(M1)

(M2)

(M1)

T1

0oC

eT1

Φ Φ Φ Φ

v ΦΦΦΦ

F

v F

Ω

Hình 1.6- Hiệu ứng cảm ứng điện từ

1.4.1.1.5 Hiệu ứng quang điện :

Hiệu ứng quang điện có nhiều biểu khác chung chất : tượng giải phóng hạt tự vật liệu tác dụng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện từ nói chung ) có bứoc sóng nhỏ giá trị ngưỡng đặc trưng cho vật liệu Hiệu ứng ứng dụng để chế tạo chuyển đổiquang ( thí dụ cơng tắc tự động đóng ngắt đèn chiếu sáng công cộng)

1.4.1.1.6 Hiệu ứng quang phát xạ điện tử :

Hiệu ứng quang phát xạ tượng điện tử giải phóng khỏi vật liệu tạo thành dịng thu lại tác dụng điện trường

Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn :

Khi chuyển tiếp P-N chiếu sáng phát sinh cặp điện tử – lỗ trống, chúng chuyển động tác dụng điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện hai dầu chuyển tiếp

Hiệu ứng quang – điện – từ :

Khi tác dụng từ trường B vng góc với xạ ánh sáng, vật liệu bán dẫn chiếu sáng xuất hiệu điện theo hướng vng góc với trường B với hướng xạ ánh sáng

Hiệu ứng quang điện từ cho phép nhận dòng phụ thuộc vào độ chiếu sáng Dựa nguyên tắc đo đại lượng quang biến đổi thông tin chứa đựng ánh sáng thành tín hiệu điện

Hình 1.7-Hiệu ứng quang điện từ

1.4.1.1.7 Hiệu ứng Hall :

Trong vật liệu (thường bán dẫn) dạng mỏng có dịng điện chạy qua đặt từ trường B có phương tạo thành góc θ với dịng điện I, xuất một hiệu điện VH

theo hướng vng góc với B I Biểu thức hiệu điện VH có dạng

VH = KH I B sin θ

Trong KH hệ số phụ thuộc vào vật liệu kích thước hình học mẫu

Hình 1.8-Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật ghép nối học với nam châm Ở thời điểm, vị trí nam châm xác định giá

v ΦΦΦΦ Φ

Φ Φ Φ i B

B I

θ

Giáo Trình Đo Lường Không Điện

trị từ trường B góc θ tương ứng với bán dẫn mỏng dùng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu

điện VH đo hai cạnh bán dẫn trường hợp này( cách gián tiếp)

hàm phụ thuộc vào vị trí vật không gian (h.1.8)

Các chuyển đổi dựa hiệu ứng Hall chuyển đổi tích cực thơng tin có liên quan đến suất điện động Đây khơng phải chuyển đổi lượng trường hợp nguồn dịng điện I (chứ khơng phải đại lượng cần đo) cung cấp lượng liên quan đến tín hiệu đo

1.4.1.2 Chuyển đổi thụ động

Lập tức phát tín hiệu đáp trả lại tác động bên ngồi mà khơng cần lượng cung cấp từ bên ngồi

Nguồn tín hiệu output có nhờ tác nhân kích thích Ví dụ : cặp nhiệt điện thermocouple

Chuyển đổiáp điện (Piezoelectric sensors)

Chuyển đổi thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Một mặt giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học mẫu, mặt khác cịn phụ thuộc vào tính chất điện vật liệu điện trở suất ρ, từ

thẩm µ ,hằng số điện mơi ε Vì giá trị trở kháng thay đổi tác dụng đại lượng đo

ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học tính chất điện vật liệu

Thơng số hình học kích thước trở kháng thay đổi chuyển đổi có phần tử chuyển động hay phần tử biến dạng Trong trường hợp thứ nhất, chuyển đổicó chứa phần tử động, vị trí phần tử chuyển động tương ứng với giá trị trở kháng đo giá trị trở kháng xác định vị trí đối tượng Đây nguyên lý nhiều loại chuyển đổi vị trí dịch chuyển (chuyển đổi điện thế, chuyển đổi cảm ứng có lõi động, tụ điện dùng cực di động …) Trong trường hợp thứ hai, chuyển đổi có phần tử biến dạng Sự biến dạng gây nên lực đại lượng dẫn đến lực ( áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp gián tiếp lên chuyển đổi(thí dụ cực di động tụ điện chịu tác dụng áp suất vi sai, chuyển đổiđo ứng lực liên quan chặt chẽ đến cấu trúc chịu tác dụng ứng suất Sự thay đổi trở kháng (do biến dạng ) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa tác động đại lượng cần đo biến đổi thành tín hiệu điện ( hiệu ứng áp trở)

Phụ thuộc vào chất vật liệu khác nhau, tính chất điện chúng, nhạy với nhiều đại lượng vật lý nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất,độ ẩm …Nếu chĩ có đị lượng nêu thay đổi tất đại lượng khác giữ không đổi, thiết lập tương ứng đơn trị giá trị đại lượng trở kháng cảm biến Đường cong chuẩn thể tương ứng cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo từ phép đo trở kháng

Bảng 1.1 Đặc trưng đại lượng cần đo

Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng

Nhiệt độ ρ Kim loại :Pt, Ni, Cu, Bán dẫn

Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn

Biến dạng ρ

Từ thẩm(µ)

Hợp kim Ni, Si, pha tạp Hợp kim sắt từ

Vị trí (nam châm) ρ Vật liệu từ điện trở : Bi ,InSb

Độ ẩm ρ, ε LiCl, Al2O3, polyme

Trở kháng chuyển đổithụ động sư ïthay đổi trở kháng tác dụng đại lượng cần đo xác định chuyển đổilà thành phần mạch điện Trên thực tế, tùy trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với chuyển đổi

1.4.2 Chuyển đổi tương tự chuyển đổisố 1.4.2.1 Chuyển đổi tương tự

Cung cấp tín hiệu liên tục cường độ,

thời gian không gian

Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang

chất tương tự

Ví dụ : nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ

saùng …

1.4.2.2 Chuyển đổi số :

Tín hiệu output chúng giữ trạng thái bước hay rời rạc Tín hiệu số dể dàng lập lại, đáng tin cậy dể truyền xa Ví dụ : Shaft encoder, contact switch

1.4.3 Trạng thái hoạt động 1.4.3.1 Chế độ lệch

Chuyển đổi hay dụng cụ đo làm việc chế độ lệch phát tín hiệu phản hồi lại thay đổi (lệch) so với điều kiện ban đầu dụng cụ đo Sự thay đổi (biến dạng) tương ứng với giá trị đo

1.4.3.2 Chế độ cân

Chuyển đổi hay dụng cụ đo đưa ảnh hưởng lên hệ thống đo lường để chống lại tác động đại lượng đo

Sự ảnh hưởng đại lượng đo cân (hồi tiếp đặc trưng) chúng cân trái ngược giá trị

Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết đo xác đáp ứng thường chậm chế độ lệch

1.5 CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG :

Các đơn vị đo lường sở hệ thống đơn vi quốc tế SI : Bảng 1.2 : Các đơn vị đo

Đại lượng Tên gọi Ký hiệu Được định nghĩa(từ năm)

Giáo Trình Đo Lường Không Điện

sáng chân không khoảng thời gian 1/299792458s (1983)

Khối lượng kilogam kg Mẫu cân platin-indi (1889)

Thời gian giây s Khoảng thời gian 9192613770

chu kỳ xạ ứng với chuyển đổi mức siêu mịn trạng thái nguyên tử Cesium 133(1967)

Dòng điện ampe A Lực 2.10-7 N mét dài

của dây dẫn mang điện chân không đặt cách mét (1946)

Nhiệt độ nhiệt động

kelvin K 1/273.16 nhiệt độ nhiệt động điểm bội ba nước (1967) Lượng vật chất mol mol Lượng vật chất chứa 0.012

kg Cacbon 12 (1971)

Cường độ sáng candela Cd Cường độ sáng theo phương cho nguồn xạ đơn sắc có tần số 5401012 Hz cường độ

năng lượng theo phương 1/683 w/ streradian

1.6 CÁC CHUẨN CHUYỂN ĐỔI: 1.6.1 Chuẩn đơn giản :

Chuẩn đơn giản phép đo có đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo xác định sử dụng chuyển đổikhông nhạy với đại lượng ảnh hưởng không chịu tác động đại lượng Đây trường hợp đặc biệt đại lượng đo tĩnh, nghĩa đại lượng có giá trị khơng đổi, thí dụ đo khoảng cách cố định chuyển đổimà thị khơng phụ thuộc vào nhiệt độ đại lượng ảnh hưởng, đo nhiệt độ không đổi cặp nhiệt …

Trong điều kiện vậy, chuẩn chuyển đổichính kết hợp giá trị hoàn toàn xác định đại lượng đo với giá trị tương ứng đại lượng điện đầu Việc chuẩn tiến hành cách sau :

Chuẩn trực tiếp: Các giá trị khác đại lượng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ xác cao

Chuẩn gián tiếp: Sử dụng kết hợp chuyển đổicần chuẩn với chuyển đổiso sánh có sẵn đường cong chuẩn, hai đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai chuyển đổibằng giá trị đại lượng đo, ta nhận kết tương ứng chuyển đổiso sánh chuyển đổicần chuẩn Lặp lại tương tự với giá trị khác đại lượng đo cho phép xây dựng đường cong chuẩn cho chuyển đổi cần chuẩn

1.6.2 Chuẩn nhiều lần :

Đặt điểm chuyển đổi: Đại lượng cần đo đại lượng đầu có giá trị tương đương với điểm gốc, m= s =

Dựng lại đại lượng đầu cách lúc đầu tăng giá trị đầu đại lượng cần đo đầu vào đến cực đại, sau giảm giá trị đo Các giá trị biết trước đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo hai hướng đo tăng dần giảm dần

Các tính chất vật lý vật liệu chịu tác động đại lượng cần đo thơng số định ảnh hưởng đến hồi đáp cảm biến Thí dụ điện dung chuyển đổitụ điện đo mức chất lỏng phụ thuộc vào chiều cao chất lỏng mà cịn phụ thuộc số điện mơi ε Điện trở đầu đo nhiệt độ bề mặt vật hàm

nhiệt độ bề mặt chất lớp vật liệu nằm bề mặt đó, giãn nở lớp vật liệu gây nên ứng lực cho cảm biến Trong trường hợp tương tự vậy, cần phải tiến hành chuẩn chuyển đổiriêng biệt với loại vật liệu

1.7 NHIỄU ĐO:

Nhiễu định nghĩa tín hiệu khơng mong muốn làm mờ hay làm biế dạng tín hiệu quan sát

Nhiễu chia làm hai lọai :

Nhiễõu nội

Nhiễu truyền dẫn

1.7.1 Nhiễõu nội

Nhiễu nội phát sinh khơng hồn thiện việc thiết kế, cơng nghệ chế tạo, tính chất vật liệu cảm biến…, đáp ứng bị méo so với dạng lý tưởng Sự méo tín hiệu có tính hệ thống ngẫu nhiên Dạng tín hiệu liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính đặc tính động cảm biến

Từ cảm biến, tín hiệu khuếch đại chuyển đổi thành dạng số khơng biểu thị độ lớn đặc tính phổ mà theo độ phân giải số Khi tăng độ phân giải số trị số bit có trọng số thấp giảm

Điện áp lệch đầu vào dịng điện phân cực bị trơi Tín hiệu nhiễu (điện áp dòng điện) chế vật lý xảy điện trở transistor sử dụng để chế tạo mạch Một nguyên nhân gây nhiễu tính chất rời rạc dịng điện, dịng điện dịng điện tích chuyển động, điện tích mang giá trị xác định Ở mức nguyên tử dòng điện linh động, chuyển động chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Giá trị qn phương điện áp nhiẽu tính theo công thức :

) / ( *

4

2 k TR f V Hz e = ∆

−

Trong k số Boltzmam :k = 1.3810-23(J/K)

T nhiệt độ tuyệt đối (oK)

R điện trở(Ω)

F độ rộng dải tần(Hz)

Ở nhiệt độ phịng nhiễu điện trở tạo nên tính e=0.13 R

Nguồn nhiễu dịng điện xoay chiều biểu diễn tạp xoay chiều tạo nên dòng điện chiều tạp chất bán dẫn Khi dịng điện phân cực tăng nhiễu tăng chất bán dẫn FET CMOS có dịng điện nhiễu nhỏ Nguồn nhiễu điện áp dòng điện có mật độ phổ thấp tỉ lệ với 1/ f, gọi tạp hồng giống phía màu đỏ phổ ánh sáng nhìn thấy có bước sóng thấp

Giáo Trình Đo Lường Không Điện

dẫn người ta giảm nhiễu 1/ f đáng kể chế tạo mạch phải sử dụng màng kim loại điện trở dây cuốn, vấn đề gây nhiễu đáng kể

Đây thuộc tính thiết bị tách sóng, dị hay khuếch đại điện tử Nhiễu nội khắc phục giảm xuống mức tối thiểu

1.7.2 Nhiễu truyền dẫn :

Hình1.9- Sơ đồ khối nguồn nhiễu mạch phối hợp với máy thu

Để chống nhiễu ta dùng kỹ thuật vi sai phối hợp chuyển đổitừng đơi, tín hiệu hiệu hai tín hiệu Một chuyển đổigọi chuyển đổichính chuyển đổichuẩn đặt chắn

Hình 1.10-Kỹ thuật vi sai

Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng biện pháp trình bày bảng sau:

Bảng 1.3 Các biện pháp giảm nhiễu

Nguồn nhiễu Độ lớn Biện pháp khắc phục

Nguoàn 50Hz Nguoàn 100Hz

150 Hz máy biến áp bị bão hoà Đài phát

Tia lửa chuyển mạch Dao động

Dao động cáp nối Bảng mạch

100pA 3µV

0.5µV

1mV 1mV 10pA 100pA 0.01-10pA

Cách ly nguồn ni, màn,nối đất Lọc nguồn

Bố trí linh kiện hợp lý Màn chắn

Lọc, nối đất,màn chắn

Ghép nối khí, khơng để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi

Sử dụng cáp nhiễu(điện mơi tẩm Cacbon)

Lau sạch, dùng cách điện Teflon

Nguồn nhiễu

Q độ nguồn ni Từ trường, tĩnh điện Trường điện từ tần số radio Mạch phối hợp Điện dung Từ trường Môi trường Máy thu

Phần tử cảm nhận Điện trở

Điện dung Bộ tiền khuếch

Bộ cảm biến

Bộ cảm biến chuẩn

Nhiễu

Y1

Y2

2.8 Cảm biến

Khái nieäm

Cảm biến linh kiện dùng để phát đánh giá đại lượng vật lý gởi đến phận điều khiển khai thác

Moïi cảm biến gồm có hai phần :

Phát thay đổi ( phần tử nhạy ) đại lượng vật lý cần phát Tạo truyền thơng tin xử lý tín hiệu điện

Người ta phân loại cảm biến việc theo đại lượng vật lý cần phát ( phần tử nhạy ) tín hiệu phát tiếp cận, vị trí, từ trường, nhiệt độ, ánh sáng, áp suất… , ngồi cịn theo loại tín hiệu mà cảm biến phát ( tín hiệu truyền ) :

Tín hiệu có khơng ( TOR ) :

Thường dùng loại tín hiệu phát tiếp cận, vị trí…

Tín hiệu tương tự :

Thường dùng loại tín hiệu phát nhiệt độ, ánh sáng, áp suất….dưới dạng tín hiệu nằm hai giới hạn

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Tín hiệu số :

Thường dùng loại tín hiệu phát góc quay, mã vạch…

Bộ cảm biến phát tiếp điểm vị trí

Các đặc điểm

Đối tượng cần phát tiếp xúc với thiết bị Chuyển động gây nên thay đổi tiếp điểm điện Tín hiệu kiểu TOR

Cơng tắc vị trí thường sử dụng cảm biến điện có chức cung cấp thơng tin điện ( ) tác động

Phân loại

Có nhiều loại cơng tắc vị trí, tuỳ theo vấn đề đặt sử dụng ( kích cỡ, nguồn gốc chuyển động cần quan tâm ) điều kiện sử dụng chúng ( khắc nghiệt môi trường, nơi bị ăn mịn dể nổ )

Các loại cơng tắc vị trí :

Loại có đầu di chuyển thẳng :

Loại có đầu chuyển động xoay :

Cách lắp đặt

Bộ cảm biến cơng tắc vị trí mắc nối tiếp nguồn cung cấp đầu vào điều khiển

Sự tác động cảm biến cơng tắc vị trí làm cực modul đầu vào tác động tín hiệu lưu giữ xử lý aptomat lập trình

Cơng tắc vị trí cơng tắc TOR (đóng mở ) chuyển mạch điện Bộ cảm biến nối với phần điều khiển hai dây

Nguồn cung cấp cho aptomat lập trình thường 24 VDC

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Bộ cảm biến phát tiếp cận

Các cảm biến phổ biến có nhiều ứng dụng, cần phát mà không tiếp xúc trực tiếp với diện phần tử Các phát cung cấp tín hiệu điện ( ) phát đối tượng

Các đặc điểm :

Khơng tiếp xúc trực tiếp với đối tượng cần phát

Khơng mịn, có khả phát đối tượng dể vỡ, sơn Bộ phát đặt cố định, khơng có chi tiết di động

Tuổi thọ phụ thuộc vào số lần tác động Sản phẩm hoàn tồn kín đặt hộp nhựa

Chịu đựng tốt mơi trường cơng nghiệp, khơng khí nhiễm

Đối với phát điện cảm dùng cho đối tượng kim loại: dựa vào biến thiên trường điện từ đối tượng kim loại đến gần

Phân loại :

Gồm loại sau :

Cách lắp đặt

Tuỳ thuộc loại cảm biến ta có cách lắp đặt khác nhau, sau số sơ đồ :

Với loại hai dây dùng nguồn trực tiếp, cảm biến tác động tải cấp nguồn điện áp trực tiếp qua dây truyền tín hiệu

Với loại hai dây dùng nguồn 24VDC qua optron để cách ly điện áp, cảm biến tác động làm led hồng ngoại cấp nguồn qua dây truyền tín hiệu, phát tín hiệu qua Transistor thu ( loại NPN, PNP Rơle ) cấp tín hiệu tác động mạch điều khiển cho aptomat lập trình…

Loại ba dây :

Tương tự loại hai dây nguyên lý, dây thứ ba dùng làm dây cấp nguồn mạch hoạt động ổn định hơn, chống nhiễu tốt

Loại dây : thực chất loại cảm biến dây có thêm dây phụ dùng để truyền tín hiệu bổ xung ( NOT dây truyền tín hiệu )

Nhận xét

Với loại dây ( dùng Optron ) đầu dây tín hiệu có kiểu :

o Mơ hình NPN : chuyển điện ( + ) đến tải ( hay thiết bị điều khiển ) o Mơ hình PNP : chuyển điện ( - ) đến tải ( hay thiết bị điều khiển )

o Mơ hình dùng Rơle : đóng cắt tiếp điểm rơle cho tải ( hay thiết bị điều khiển )

Do cần phải lựa chọn kiểu tín hiệu phù hợp theo logic đầu vào thiết bị điều

khiển

Bộ cảm biến phát Quang - Điện

Đặc điểm

Cịn gọi hàng rào ánh sáng, kỹ thuật điện tử cung cấp thông tin ( ) chùm tia phát tia bị vật cản tác động tới phần nhận Thường ứng dụng nhiều thiết bị báo động, chống trộm, điều khiển từ xa…

Phân loại

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Modul phát thu độc lập

Modul phát thu phần tử :

Ngoài người ta phân loại theo kiểu phát che chắn chùm tia phát :

Caûm biến phát chùm tia phản xạ đưa

Cảm biến phát chùm tia phản xạ chiếu mạnh đưa

Cảm biến phát có thay đổi chùm tia phản xạ so với chùm tia phát mơi trường phát tia

Cách lắp đặt

Tuỳ thuộc loại cảm biến ta có cách lắp đặt khác nhau, sau số sơ đồ :

Với loại modul phát thu phần tử : kết nối đơn giản hình vẽ :

Ứng dụng

Bộ cảm biến nhiệt độ ( thermocoupler )

Đặc điểm

Giáo Trình Đo Lường Khơng Điện

Phân loại

Gồm loại Hai đầu dây

Ba đầu dây

Ngo ài

ra phâ

n bieät theo

nguyên lý hoạt động

Nhiệt điện trở kim loại : thông thường ký hiệu Pt 100Ù, có giá trị địên trở 100Ù 00C nhiệt độ tăng giá trị điện trở tăng theo lượng tương ứng, ứng

dụng đo nhiệt độ khoảng -2000C đến 4500C

Cặp nhiệt điện ( thermocouples )

Tạo điện tiếp xúc hai kim loại từ đến 75µV/0K

Ví dụ cặp nhiệt điện NiCr - NiAl : Khi nhiệt độ khoảng 10000C điện áp sinh hai cực cặp khoảng 400mV Vậy trung bình 40µV/0K

Cảm biến nhiệt độ - điện áp :

Ứng dụng thay đổi điện áp Transistor theo nhiệt độ, người ta chế tạo số mạch IC có điện áp đầu tỷ lệ với nhiệt độ môi trường xung quanh mạch

Ví dụ LM35 : Khi nhiệt độ 00C đầu 0V

Nhiệt độ thay đổi 10C điện áp thay đổi 10mV

Phạm vi làm việc 550C đến 1500C

Nếu Tmin < phải có thêm nguồn –VS điện trở R

thoả mãn điều kiện :