BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN (CÓ BÀI TẬP MINH HỌA)

BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN (CÓ BÀI TẬP MINH HỌA) Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO 3 §1: KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG LÀ GÌ? 3 §2: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 4 § 3: ĐẶC TÍNH CỦA DỤNG CỤ ĐO 5 §4. PHƯƠNG PHÁP ĐO 7 5. THIẾT BỊ ĐO 11 Chương II: THIẾT BỊ ĐO CƠ ĐIỆN 12 §1: CƠ CẤU ĐO 12 §2: ĐO DÒNG ĐIỆN AM CƠ ĐIỆN 19 §3: ĐO ĐIỆN ÁP Vm CƠ ĐIỆN 23 §.4: ĐO CÔNG SUẤT 27 §5: ĐO ĐIỆN NĂNG 31 §7: ĐO ĐIỆN TRỞ ĐIỆN CẢM – ĐIỆN DUNG 37 Chương III: THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ ANALOG 44 §1: VM ĐIỆN TỬ 1 CHIỀU DÙNG TRANSISTOR 44 §2: VM 1 CHIỀU DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OA) 47 §3. VM ĐIỆN TỬ XOAY CHIỀU DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OA) % 48 Chương IV : THIẾT BỊ ĐO SỐ 57 §1: KHÁI NIỆM CHUNG 57 §2: KHÁI NIỆM VỀ GIÁN ĐOẠN HÓA VÀ LƯỢNG TỬ HÓA 57 §3: ĐO TẦN SỐ % 59 §4: ĐO CHU KỲ 62 §5: BỘ BIẾN ĐỔI DA ( Digital – Analog) 63 §7: PHƯƠNG PHÁP SỐ ĐO R, C % 72 §7. HỆ THỐNG THU NHẬP SỐ LIỆU 73

BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN Trang Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO §1: KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG LÀ GÌ? §2: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG § 3: ĐẶC TÍNH CỦA DỤNG CỤ ĐO §4 PHƯƠNG PHÁP ĐO THIẾT BỊ ĐO 11 Chương II: THIẾT BỊ ĐO CƠ - ĐIỆN 12 §1: CƠ CẤU ĐO 12 §2: ĐO DÒNG ĐIỆN A-M CƠ ĐIỆN 19 §3: ĐO ĐIỆN ÁP V-m CƠ ĐIỆN 23 §.4: ĐO CƠNG SUẤT 27 §5: ĐO ĐIỆN NĂNG 31 §7: ĐO ĐIỆN TRỞ - ĐIỆN CẢM – ĐIỆN DUNG 37 Chương III: THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ ANALOG 44 §1: V-M ĐIỆN TỬ CHIỀU DÙNG TRANSISTOR 44 §2: V-M CHIỀU DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN (OA) 47 §3 V-M ĐIỆN TỬ XOAY CHIỀU DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OA) % 48 Chương IV : THIẾT BỊ ĐO SỐ 57 §1: KHÁI NIỆM CHUNG 57 §2: KHÁI NIỆM VỀ GIÁN ĐOẠN HÓA VÀ LƯỢNG TỬ HÓA 57 §3: ĐO TẦN SỐ % 59 §4: ĐO CHU KỲ 62 §5: BỘ BIẾN ĐỔI D/A ( Digital – Analog) 63 §7: PHƯƠNG PHÁP SỐ ĐO R, C % 72 §7 HỆ THỐNG THU NHẬP SỐ LIỆU 73 Trang Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO §1: KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG LÀ GÌ? * Đo lường : trình thực nghiệm dùng để đánh giá định lượng đại lượng cần đo kết đo thực phương pháp đo sau đây: X = N.Xo Với: X : đại lượng cần đo N : kết đo Xo : đơn vị đo Ví dụ: Đo đáp U = 210 (V) * Tín hiệu đo: Là tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo Sơ đồ khối tổng quát: X(t) Nhận biết Y(t) Xử lí N(t) Biến đổi Quan hệ đơn vị * Phương pháp đo: bao gồm biện pháp dùng để biến đổi, gia công xử lí tín hiệu đo * Dụng cụ đo: phương tiện vật chất dùng để biến đổi,gia công xử lí tiến hiệu đo Thiết bị đo : Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thông tin đothành dạng tiện lợi cho người quan sát Thiiết bị đo thể phương pháp đobằng khâu chức cụ thể Thiết bị đo chia thành nhiều loại tùy theo chức nó, thơng thường gồm có : mẫu, dụng cụ đo, cảm biến đo lường, hệ thống thông tin đo lường * Đối tượng đo: Đo lường đại lượng điện: - Đo đại lượng tích cực: U, I, f, P… Trang - Đo thông số mạch điện: R, L, C - Đo lường đại lượng không điện phương pháp điện ( ứng suất, lưu lượng, nhiệt độ…) §2: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Mọi q trình đo lường có sai số Chúng ta cần tiến sát tới giá trị cần đo mà khơng biết giá trị gần Phân loại sai số: a Theo cách thể sai số: + Sai số tuyệt đối: X = X − X đ Với: X: giá trị đo đại lượng cần đo Xđ: giá trị đại lượng cần đo Chú ý: thực tế, giá trị Xđ xác định cách dùng dụng cụ đo xác dụng cụ đo X + Sai số tương đối: đánh giá chất lượng phép đo X = Phần trăm: X%= Phần triệu (ppm) = X X X 100 X X 10 X b Theo xuất sai số: + Sai số hệ thống: sai số mà xuất khơng thay dổi lặp lặp lại nhiều lần phép đo + Sai số ngẫu nhiên: sai số mà xuất khơng theo quy luật xác định Để khắc phục sai số ta thường lặp lặp lại phép đo nhiều lần điều kiện đo Sau lấy giá trị trung bình Cách tính sai số quan hệ hàm: Đại lượng X đo thông qua X1,X2,…,Xn Giữa X quan hệ cịn lại có quan hệ uyến tính theo hàm : X = f(X1, X2 , …Xn) Trang Lúc đó: ∆X= 𝜕𝑓 𝜕𝑋1 ∆𝑋1 + 𝜕𝑓 𝜕𝑋2 ∆𝑋2 +… 𝜕𝑓 𝜕𝑋𝑛 ∆𝑋𝑛 Chú ý: Một số trường hợp riêng: X = X1 +X2 X =X1 + X2 Thì : X = X1.X2 X=X1/X2  γX % = ± (γX1 % +γ X2%) X = A.X1  γX % = ± A.γx1% § 3: ĐẶC TÍNH CỦA DỤNG CỤ ĐO Cấp xác: * Cấp xác dụng cụ đo sai số tương đối tính theo phần trăm dụng cụ đo gây nên tính theo thang đo lớn dụng cụ Ví Dụ: + đồng hồ đo Volt-met cấp chinh xác 5,thang đo 10V + Khi dùng V-m đo 10V số sai số tương đối 5% + Khi dùng V-m đo 1V sai số tương đói γ% = ( 5%.)/ (1/10) =50% * Cấp xác dụng cụ đo phải theo tiêu chuẩn Độ nhạy: * ĐN: Với Z: X: S = Z / X độ biến thiên đầu dụng cụ đo độ biền thiên đầu vào dụng cụ đo * Ngưỡng độ nhạy :k/h : ξ Là giá trị nhỏ đầu vào mà dụng cụ đo đo * Độ phân giải : Xm / ξ Xm : giá trị lớn thang đo Đặc tính động: * KN: Đặc tính động dụng cụ đo tỉ số đại lượng đầu đại lượng đầu vào viết dạng toán tử Laplace δ(p) = Z(p) / X(p) Trang Nếu X(t) có dạng hàm sin đặc tính động dụng cụ đo đặc tính biên độ đặc tính tần số đặc tính biên độ hàm truyền dụng cụ đo Thời gian đo: thời gian độ Công suất tiêu thụ dụng cụ đo: Công suất tiêu thụ dụng cụ đo nhỏ dụng cụ đo xác BÀI TẬP Bài 1: Để đo điện trở, người ta đặt vào hai đầu hiệu điện U=10V đo dịng điện 56mA chạy qua Hiệu điện đo Vm , có thang đo 15V, cấp chinh xác 2,5 Dòng điện đo A-m để thang đo 100mA, cấp xác 1,5 a Tính R b Tính sai số phép đo Bài giải a R = U 10 = = 178.57 (  ) I 0.056 b Tính sai số:  R% =  (  U% +  I%) Ta có +  U% = 2,5%.15 = 3,75% 10 +  I%= 1,5%.100 = 2,68% 56   R%=  (3,75% + 2,68%) =  6,43% Vậy R=178,6 (  )  6,43% Trang Bài 2: Cho mạch hình vẽ có R=470 (  )  8% Đặt vào hai đầu điện trở R hiệu điện U=15V Hiệu điện đo V-m có thang đo 20V, cấp xác a Tính cơng suất tiêu thụ P R b Tính sai số phép đo P Bài giải a P = RI2 = b U2 152 = = 0,478 (W) R 470 𝛾𝑃 % = 𝛾𝑈2 % + 𝛾𝑅 % γ U % = ±(γ U %+γ U %) = ±2γ U % =  4%.20 =  10,667% 15 γ P % = ±(2γ U %+γ R %) = (10,667% + 8%) =  18,667% Vậy P = 0,478(W)  18,667% §4 PHƯƠNG PHÁP ĐO Nếu dựa vào việc đọc trực tiếp giá trị cần đo – dụng cụ đo phải qua phép tính trung gian ta có: Phép đo trực tiếp Phép đo gián tiếp Nếu dựa vào thị đo ta có: Trang a Phương pháp so sánh: Ví dụ: 2 Rx: điện trở cần đo R0: điện trở mẫu Ở chốt 1: Đo hiệu điện đầu Rx : Ux Ux = I.Rx Ở chốt 2: Đo hiệu điện đầu R0 : U0 U0 = I R0 → Lấy 𝑈𝑥 𝑈0 = 𝑅𝑥 𝑅0 → Rx 𝑈𝑥 𝑈0 R0 Điều chỉnh R0 cho Ux = U0 Trang Vậy: So sánh đại lượng cần đo với mẫu Độ nhạy dụng cụ ảnh hưởng đến phép đo b Phương pháp thế: Ví dụ: Rx: đại lượng cần đo R1, R2, R3, R0 : điện trở mẫu Điều chỉnh R2 để cầu cân => Rx R2 = R1R3 => Rx= 𝑅1𝑅3 𝑅2 Thay Rx R0 ,điều chỉnh R0 để cầu cân → R0 R2 = R1.R3 → R0 = (R1R3)/R2 Vậy : Rx = R0 * Nhận xét: - Thay phần tử cần đo phần tử mẫu phép đo - Phương pháp đo xác phương pháp đo c Phương pháp sai phân Ví dụ: kiểm tra máy biến dòng Trang I2m : mẫu I2 : đại lượng cần đo Dòng điện qua R: ∆I =│I2m -I2│ Đo ∆I: đo độ sai lệch đại lượng cần đo đại lượng mẫu 3.Nếu dựa vào tín hiệu lan truyền, gia cơng xử lý mạch đo ta có: a.Phương pháp đo analog: phương pháp đo mà tín hiệu lan truyền xử lý mạch đo tín hiệu liên tục theo thời gian b.Phương pháp đo digital: phương pháp đo mà tín hiệu lan truyền xử lý mạch đo tín hiệu gián đoạn Chú ý: nay, phương pháp đo số đươc dùng rộng rãi bởi: + Thời gian đo nhanh + Độ xác cao + Khơng có sai số người đọc + Vì tín hiệu số nên: lan truyền xa mà không bị nhiễu dễ thực q trình tự động hóa Trang 10 Rphóng = ∞ Chẳng hạn: Lượng tử hố: Giá trị thành tín hiệu gián đoạn theo giá trị Nói cách khác :tạo bước lượng tử q so sánh đại lượng cần đo q,v định kết số Cách định kết số :Nq < X < (N+1)q −Nếu X = Nq ∶ lấy non } sai số ∆Xmax =q −Nếu X = (N + 1)q ∶ lấy già − Nếu X=(N+0,5)q :lấy trung bình : sai số →∆Xmax = 0,5q *Lượng tử hóa thời gian − Việc tạo bước lượng tử q dể xác dao động thạch anh + chia tần số f0=(1Mhz→4Mhz) Ví dụ: fo = 4Mhz → To = = 0.25 (μs) f0 Việc lượng tử hóa thời gian: cần cho xung mẫu T0 ( T0 = q) (q nhỏ dễ phục hồi tín hiệu ) lấp đầy khoảng thời gian t, sau đếm số xung N → định kết §3: ĐO TẦN SỐ % 1.Sơ đồ nguyên lí: Trang 59 Trigơsmit: biến tín hiệu lien tục có tần số fx→ dãy xung có tần số Cổng AND: Gọi x1= đầu điều khiển (control) x2= đầu liệu (data) x1= → y = 0: cổng đóng x2= → y = x2: cổng mở Trang 60 Phát xung lượng tử thạch anh + chưa tần số tạo thời gian chuẩn cho mạch đo theo yêu cầu: Txđ = nTo ( n: bội số chia tần số ) Trigơ T: Đếm BCD: đếm 10 Giải mã digit Nguyên lý hoạt động: - Txđ: thời gian chuẩn mạch đo xác định từ thời điểm t1 → t2 Tại thời điểm t1: Q = → x1 = → AND mở: dãy xung có tần số cần đo fx qua cổng AND → tới đếm BCD, đếm BCD bắt đầu đếm số xung Tx xung thời điểm t1 (nào đó) Tại thời điểm t2: Trang 61 - Q = → x1 = → cổng AND đóng: q trình đo kết thúc - Q = 1: + xóa nội dung đếm ( chuẩn bị cho lần đo tiếp theo) Nạp nội dung vào ghi Có: Txđ = NTx ( dùng Tx lượng tử hóa Txđ) Txđ = nTo → NTx = nTo  N Chọn n = 1 N = n → f x = fo fo n fx → f x = N fo Một số nhận xét: - Bước lượng tử : q = Tx - Để giảm sai số phép đo: Tx phải nhỏ → fx lớn → nói cách khác: phương pháp thích hợp cho việc đo tần số lớn (fx lớn → phép đo xác) §4: ĐO CHU KỲ 1.Sơ đồ Nguyên lý Trang 62 Tại thời điểm t = t1 : Q = → AND mở → dãy xung f o qua AND → đếm → đếm ban đầu đếm số xung f o từ xung Tại thời điểm t2 : t = t2 : Q = → AND đóng → q trình đo kết thúc Ta có: Tx = NTo (dùng To lượng tử hóa Tx ) Tx = N → qua nhân (ALO) → hiển thị Tx fo q = To : để phép đo xác → Tx To → thích hợp cho việc đo f x nhỏ ( nhỏ xác ( phép đo) §5: BỘ BIẾN ĐỔI D/A ( Digital – Analog) Khái niệm: dùng để biến đổi mã nhị phân n bit đầu vài thành điện áp chiều nhảy cấp đầu Số nhị phân bit Điện áp chiều N2 = bn−1bn−2 b2b1b0 U = q.N2 ( q : bước lượng tử - q = U max ) 2n −  N2 max Xét mạch cụ thể : Trang 63 Điện trở Rv : điện trở mắc song song tạo thành : khoá ki (i=0n-1) tương ứng đóng lại Các khố ki: Là khố điện tử Sự đóng, mở khố ki điều khiển bit bioF số nhị phân n bit N2=bn-1bn-2bn-3…b2b1b0 Bi=1→ki đóng Bi=0→ki mở → 1 1 = + bn −2 + + n −1 b0 R v R0 R0 R0 → b  1  bn −1 bn − + + + n0+1  =  2  Rv R0  → n −1 n−2 1  bn −1.2 + bn −2 + + b0  =   2n −1 Rv R0   → 1 N =  n −21 Rv R0 U : điện áp mẫu → R0 : điện trở mẫu R ph U =− U0 Rv → U = − R ph  U  ( R ph = R phản hồi) U Rv Trang 64 → U = − R ph  U  → q= R ph  U R0  n −1 1   N2 R0 2n −1 → U = −q  N §6: BỘ BIẾN ĐỔI A/D ( Analog/ Digital ) Khái niệm: -1 Với U = q  N q= U N max Phân loại : Có loại − A/D trực tiếp: U → N2 − A/D gián tiếp: U→ thời gian/trị số → N2 1.A/D trực tiếp: a Sơ đồ Trang 65 U0 –> Điện áp chiều mẫu chọn Uo=Uxmax Ví dụ: Uxmax=14mV Ux b0 b1 b2 q = 2(mV) S7 Ux b0 b1 b2 N S1 S2 S3 S4 S5 S6 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 10 1 1 1 0 12 1 1 1 1 14 1 1 1 1 Lưới R - > tạo bước lượng tử q (i=1/(2n − 1)) Trang 66 Các S2 : S2 đồng thời Ux v Ui( i= 1÷7) Theo ngun tắc : Ux­≥ Ui Si=1 Ux­< Ui Si=0 Bộ biến đổi mã biến Si( i=1-2­n-1) biến Si ­ đầu vào thành mã n bit đầu : b0 b1 bn Ví dụ: b2 = S1S2S3S4S5S6S7 + S1S2S3S4S5S6S7 + S1S2S3S4S5S6S7 + S1S2S3S4S5S6S7 Ux bo b1 b2 N2 0 0 0 1 1 0 10 1 12 1 14 1 q= 𝑢𝑥 𝑚𝑥 2𝑛 −1 Trang 67 Trigơ RS: R S Qn+1 Q 0 Qn -> nhớ 1 -> lặp bit 0 -> xóa 1 cấm Nguyên lý: - Bộ so sánh: Ux>Ua -> R=0 Ux=Ua -> R=1 Ban đầu: Cho xung khởi động xóa nội dung đếm để đếm từ xung đặc vào đầu vào S=1 Lúc : R=0 → Q=1 → cổng AND mở S=1 Các xung qua cổng AND tới đếm Bộ đếm bắt đầu đếm từ xung Qua D/A → Ua tăng dần theo xung đếm Đếm Ua=Ux → người ta phát xung STOP,xung làm cho S=0 Lúc đó: R=1 → Q=0 → cổng AND đóng S=0 ➔ Qúa trình kết thúc Trang 68 2.Áp dụng gián tiếp Ux → T gian → N2 a Sơ đồ: phương pháp sườn dốc Mạch tích phân: Uo: điện áp chiều chuẩn Uq = − 𝑡 𝑈𝑜 ∫ 𝑈0dt= − 𝑅𝐶 t 𝑅𝐶 Nguyên tắc so sánh: Ux>Uq=>R=0 Ux=Uq=>R=1 Hoạt động Tại thời điểm t1: phát xung không động → Đóng khố K →Mạch tfân bắt đầu hoạt động (bắt đầu tích phân U0) →điện áp tăng tuyến tính Xố nội dung nhớ Làm cho S = R=0 → Q = 1→AND mở → dãy xung chuẩn T0 qua cổng AND tới đếm → đếm bắt đầu đếm số xung T0 từ thời điểm T1 từ xung Trang 69 Tại thời điểm T2: Uq= Ux lúc R=1 → Ta phát xung dừng: phát vào đầu S cho S = → Q= → AND đóng → Q trình đo kết thúc Ux = U q = Uo Uo T0.N2 Tx = − RC RC → Ux= q.N2 Với: q = Uo.To RC b Sơ đồ 2: Phương pháp sườn dốc Mạch tích phân K1 đóng, K2 mở → Tích phân Ux Uc= - Ux t Ux.dt =  RC RC Trang 70 K1 mở, K2 đóng → tích phân Uo ( Chọn Uo Ux trái dấu) Uc = - Uo t RC Hoạt động: Tại thời điểm t1: phát xung khởi động START Tác động mạch logic: nhiệm vụ đóng K1, mở K2 Bộ đếm dung lượng No → Tích phân Ux Bắt đầu hoạt động (Ví dụ: bit → No=7 → Đếm tới dừng ) + Tại thời điểm t2 : (khi dung lượng đạt N0 –đã đầy) Bộ so sánh: UC > →R=0 UC n= →R = S = 1, R=0→ Q = 1→AND mở → xung t0 qua AND tới đếm xung t0 từ thời điểm t2 (đếm từ xung trở đi) Tại thời điểm t3: phát xung STOP để S = Lúc Uc= →R = 1, S = → Q=0 →AND đóng →q trình kết thúc Ux = Uo N2 No Với q = Uo No Sơ đồ 1: q= 𝑈o.To R.C Ux = q.N2 Sơ đồ 2: q= Uo No Sai số thấp: q phụ thuộc U0 ( N0 :chuẩn) → Sơ đồ xác nhiều so với sơ đồ Trang 71 §7: PHƯƠNG PHÁP SỐ ĐO R, C % Sơ Đồ: Phương pháp đo RC: Nếu K 1: C nạp đến U0 Hoạt động: - Tại thời điểm T1 : phát xung k’đ + Chuyển K từ → 2: tụ C xung điện qua R → Uc giảm theo quy luật hàm mũ Uc = U0 e-t/τ, τ = RC + Xoá nội dung đếm + S=1 Bộ so sánh: Uc >Uo/e → R= Uc =Uo/e → R=1 R = → Q=1 → AND mở S =1→ xung để qua AND tới đếm ban đầu đếm số xung T0 từ xung thời điểm t1 Tại thời điểm t2: phát xung dừng Stop → S=0, R=0 → AND đóng → q trình đo kết thúc Trang 72 Quá trình đo t1 → t2 Uc = U0e-(NT0)/(RC) = 𝑁𝑇0 𝑅𝐶 𝑈0 𝑒 = U0e-1 = → T0N = RC Vậy: - Đo C, R mẫu : C = 𝑁𝑇0 - Đo R, C mẫu : R = 𝑁𝑇0 𝑅 𝐶 §7 HỆ THỐNG THU NHẬP SỐ LIỆU Trong hệ thống tự động hóa nay, người ta cần thu thập số liệu nhiều kênh khác thu thập đồng thời số liệu tín hiệu biến thiên nhanh Khi đó, người ta dùng hệ thống thu thập số liệu Giới thiệu hệ thống thu thập số liệu nhiều đường (kênh): Trang 73 ... đo Thời gian đo: thời gian độ Công suất tiêu thụ dụng cụ đo: Công suất tiêu thụ dụng cụ đo nhỏ dụng cụ đo xác BÀI TẬP Bài 1: Để đo điện trở, người ta đặt vào hai đầu hiệu điện U=10V đo dòng điện. .. THIẾT BỊ ĐO CƠ - ĐIỆN 12 §1: CƠ CẤU ĐO 12 §2: ĐO DỊNG ĐIỆN A-M CƠ ĐIỆN 19 §3: ĐO ĐIỆN ÁP V-m CƠ ĐIỆN 23 §.4: ĐO CÔNG SUẤT 27 §5: ĐO ĐIỆN NĂNG... đo lường * Đối tượng đo: Đo lường đại lượng điện: - Đo đại lượng tích cực: U, I, f, P… Trang - Đo thông số mạch điện: R, L, C - Đo lường đại lượng không điện phương pháp điện ( ứng suất, lưu