Giáo trình Đo lường điện - Trần Đại Nghĩa

121 trang ngocly 3100

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Đo lường điện - Trần Đại Nghĩa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_do_luong_dien_tran_dai_nghia.pdf

Nội dung text: Giáo trình Đo lường điện - Trần Đại Nghĩa

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ QUỐC GIA VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ DẦU KHÍ - - - - - - - - - - - - GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN -Năm 2009-
Giáo trình được biên soạn bởi Trần Đại Nghĩa
Lời giới thiệu: Đo lường điện là mơn học khơng thể thiếu trong nhiều ngành học như Điện cơng nghiệp, Điện tử, Tự động hĩa Mơn học này giúp người học biết cách đo đạc chính xác giá trị các đại lượng điện và sử dụng đúng kĩ thuật các thiết bị đo lường. Ngồi ra trong bất kì quy trình điều khiển tự động nào cũng bao gồm thiết bị đo lường nhằm đo đạc và truyền tín hiệu đến các khối tiếp theo để xử lí và điều khiển. Giáo trình này được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho học viên cũng như để thống nhất nội dung giảng dạy mơn Đo lường điện của trường Cao Đẳng Nghề Dầu Khí. Về nội dung, giáo trình được biên soạn gồm 7 chương dựa theo tài liệu của các trường nghề trong nước và một số tài liệu nước ngồi. Giáo trình đề cập đến các vấn đề chính của đo lường như sai số, cơ cấu đo, nguyên lí đo các đại lượng điện, mạch đo, thiết bị đo Giáo trình được biên soạn với sự cộng tác của các giáo viên giảng dạy mơn Đo Lường Điện của trường Cao Đẳng Nghề Dầu Khí. Tuy đã cố gắng nhiều trong việc trình bày nội dung nhưng chắc rằng giáo trình khĩ tránh khỏi sai sĩt vậy nên chúng tơi rất mong những ý kiến đĩng gĩp của quý đồng nghiệp, các em học viên để lần tái bản sau càng hồn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp, các tác giả những tài liệu mà chúng tơi đã tham khảo cũng như những điều kiện thuận lợi mà Phịng Đào tạo trường Cao Đẳng Nghề Dầu Khí đã dành cho chúng tơi để giáo trình này sớm ra mắt cùng bạn đọc. Thay mặt các đồng nghiệp Trần Đại Nghĩa
(Trang trắng)
Đo lường điện Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 Khái niệm và ý nghĩa của đo lường 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Ý nghĩa của đo lường 1.2 Phân loại các đại lượng đo lường 1.2.1 Đại lượng điện 1.2.2 Đại lượng khơng điện 1.3 Chức năng và đặc tính thiết bị đo lường 1.3.1 Chức năng thiết bị đo lường 1.3.2 Đặc tính thiết bị đo lường 1.4 Phân loại các phương pháp đo lường 1.5 Sơ đồ tổng quát hệ thống đo lường 1.6 Sự chuẩn hĩa trong đo lường 1.6.1 Ý nghĩa của sự chuẩn hĩa 1.6.2 Các cấp chuẩn hĩa 1.7 Sai số trong đo lường 1.7.1 Nguyên nhân gây ra sai số 1.7.2 Phân loại sai số 1.7.3 Cách tính và biểu diễn sai số 1
Đo lường điện (Trang trắng) 2
Đo lường điện Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 Khái niệm và ý nghĩa của đo lường 1.1.1 Khái niệm: Đo lường là khái niệm mang ý nghĩa rất rộng trong thực tế vì mọi phương cách nhằm nắm bắt đặc tính của đối tượng đều cĩ thể được xem là đo lường. Đo lường điện là một phần nhỏ trong khái niệm chung đĩ, nĩ là một quá trình thu nhận, biến đổi đại lượng cần đo thành tín hiệu điện và xử lí để phù hợp với sự quan sát hoặc điều khiển. Vì đo lường là khâu đầu tiên trong quá trình điều khiển nên kết quả đo cĩ chính xác thì điều khiển mới chính xác. Do vậy, đo lường khơng những phải nắm bắt đủ mà cịn phải đúng các đặc tính của đối tượng. Đo lường điện được ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển, lĩnh vực này mang những đặc trưng riêng so với các lĩnh vực khác cho nên đo lường điện cũng mang những đặc điểm riêng của nĩ. Để cĩ được thơng số của một đối tượng ta cĩ thể tiến hành đo và đọc trực tiếp giá trị thơng số đĩ trên trên thiết bị đo, cách đo này được gọi là đo trực tiếp nhưng cũng cĩ khi ta khơng thể đo trực tiếp đối tượng cần đo mà phải đo gián tiếp thơng qua các thơng số trung gian sau đĩ dùng cơng thức hoặc biểu thức tốn học để tính ra đại lượng cần tìm. 1.1.2 Ý nghĩa của đo lường: Đo lường nĩi chung và đo lường điện nĩi riêng cĩ một ý nghĩa vơ cùng quan trọng trong đời sống con người. Trước khi khống chế và điều khiển bất kỳ đối tượng nào thì con người cần phải nắm bắt được đầy đủ và chính xác những thơng số về đối tượng đĩ, và điều này chỉ thực hiện được nhờ vào quá trình đo lường. 1.2 Phân loại các đại lượng đo lường Trong lĩnh vực đo lường điện, dựa vào tính chất của đại lượng đo chúng ta phân ra làm hai loại cơ bản là đại lượng điện và đại lượng khơng điện. 1.2.1 Đại lượng điện: Gồm hai loại: Đại lượng điện tác động (active): Là những đại lượng mang năng lượng điện như điện áp, dịng điện, cơng suất. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ cung cấp cho mạch đo. Do vậy ta khơng cần cung cấp thêm năng lượng từ phía ngồi. Trong trường hợp năng lượng từ đối tượng cần đo quá lớn cĩ thể gây hư hỏng cho mạch đo thì ta phải giảm nhỏ cho phù hợp. Ngược lại, khi năng lượng này quá nhỏ thì cần phải khuyếch đại cho đủ lớn trước khi đưa vào mạch đo. Đại lượng điện thụ động (passive): Là những đại lượng khơng mang năng lượng điện như đại lượng điện trở, điện dung, điện cảm, hỗ cảm Khi tiến hành đo các đại lượng này chúng ta phải cung cấp năng lượng cho mạch đo bằng cách dùng pin hoặc nguồn điện ngồi. Chú ý trong suốt quá trình đo ta phải đảm bảo năng lượng cung cấp ổn định và liên tục. 1.2.2 Đại lượng khơng điện: Con người luơn cĩ ham muốn khống chế các đối tượng xung quanh theo ý mình trong khi hầu hết các đối tượng này đều ở dạng khơng điện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, độ pH, nồng độ, áp suất Việc điều khiển cĩ thể thực hiện đơn giản bằng tay, nhưng trong xu hướng cơng nghiệp hĩa như hiện nay thì việc điều khiển đều cĩ liên 3
Đo lường điện quan đến máy mĩc và tín hiệu điện. Do vậy muốn điều khiển chúng, ta phải thực hiện việc chuyển đổi các đại lượng từ khơng điện thành các đại lượng điện sau đĩ mới đưa vào mạch điện để xử lí tiếp. Việc chuyển đổi này được thực hiện nhờ vào các cảm biến (sensor) hoặc các bộ chuyển đổi (transducer), và nguyên tắc cơ bản phải đảm bảo là phản ánh trung thực sự thay đổi của đại lượng khơng điện tại ngõ vào. 1.3 Chức năng và đặc tính thiết bị đo lường 1.3.1 Chức năng thiết bị đo lường: Hầu hết các thiết bị đo đều cĩ chức năng chỉ thị kết quả đo đại lượng đang khảo sát. Ngồi ra, kết quả cĩ thể được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng làm tín hiệu điều khiển các đại lượng khác theo ý muốn (Giám sát quá trình _ Process Measurement). 1.3.2 Đặc tính thiết bị đo lường: Mỗi loại thiết bị đo cĩ các đặc tính riêng nhằm phân biệt với thiết bị đo khác. Một số đặc tính của thiết bị đo như: Nguyên lí đo, cách chỉ thị kết quả, tính chất mạch giao tiếp ngõ vào, khả năng xử lí kết quả 1.4 Phân loại các phương pháp đo lường Phương pháp đo lường được hiểu là cách thức nhằm lấy được giá trị của đại lượng cần đo. Một cách tổng quát cĩ thể chia phương pháp đo thành 2 loại: Phương pháp đo gián tiếp: Phải thơng qua những đại lượng liên quan đến đại lượng cần đo. Giá trị của đại lượng cần đo được tính bằng cơng thức liên hệ với các đại lượng cĩ liên quan. Phương pháp đo trực tiếp: Khơng cần thơng qua những đại lượng khác mà trực tiếp đo đối tượng đĩ. Chẳng hạn ta dùng Volt kế và Ampe kế để đo điện áp rơi và dịng điện chạy qua U linh kiện điện trở, sau đĩ sử dụng cơng thức R = I để tính giá trị R, đây là cách đo gián tiếp, hoặc cũng cĩ thể dùng Ohm kế đo giá trị R, gọi là cách đo trực tiếp. Một điều cần lưu ý là việc phân biệt phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp chỉ mang ý nghĩa tương đối. Tức là, nếu xét về khía cạnh nào đĩ thì cĩ thể xem phương pháp đo đang thực hiện là trực tiếp nhưng nếu xét về mặt khác thì cĩ thể nĩ khơng cịn là trực tiếp nữa. Chẳng hạn khi dùng đồng hồ điện tử (DMM) đo dịng điện chạy qua điện trở thì việc dùng chức năng đo dịng điện của đồng hồ được xem là cách đo trực tiếp, nhưng nếu xét kĩ hơn về mặt cấu tạo của nĩ: mọi đại lượng điện ngõ vào đều được chuyển thành tín hiệu điện áp trước khi đưa vào mạch đo của đồng hồ thì dịng điện này rõ ràng đã được đo gián tiếp thơng qua đại lượng trung gian là điện áp. 1.5 Sơ đồ tổng quát hệ thống đo lường HIỂN THỊ, ĐẠ I LƯỢNG CẢM BIẾN MẠCH ĐO LƯU TRỮ, CẦN ĐO ĐIỀU KHIỂN 4
Đo lường điện Đại lượng cần đo: Là các thơng số, tính chất của đối tượng cần đo, chúng cĩ thể tồn tại dưới dạng điện hoặc khơng điện. Cảm biến: Là linh kiện, thiết bị cĩ nhiệm vụ chuyển đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện trước khi truyền đến các khối xử lí tiếp theo. Mạch đo: Tập hợp các bộ phận giao tiếp, khuyếch đại, chuyển đổi để biến tín hiệu điện ngõ vào cho phù hợp với khối hiển thị, lưu trữ, điều khiển. Hiển thị, lưu trữ, điều khiển: Là phần sau cùng trong hệ thống đo lường giúp người vận hành quan sát và nhận biết giá trị của đại lượng đang đo, hoặc lưu trữ lại để xử lí sau, hoặc điều khiển tự động các thiết bị khác. 1.6 Sự chuẩn hĩa trong đo lường 1.6.1 Ý nghĩa của sự chuẩn hĩa: Mục đích cơng việc đo lường nhằm lấy được các thơng số thực sự của đối tượng cần đo. Muốn vậy, con người khơng thể chỉ sử dụng các giác quan của mình mà cần phải dùng đến các thiết bị đo. Thiết bị đo được cung cấp bởi nhà chế tạo, trước khi xuất xưởng chúng được kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt. Nhưng khi đến tay người sử dụng thì thiết bị đo đã phải trải qua quá trình vận chuyển, chính những tác động trong quá trình này cĩ thể ảnh hưởng đến chất lượng thậm chí làm giảm cấp chính xác của thiết bị. Về phía người sử dụng luơn mong muốn thiết bị cĩ cấp chính xác thật cao. Nhưng thiết bị càng chính xác thì cấu tạo càng phức tạp và giá thành càng đắt. Như vậy người sử dụng phải biết được mức độ cơng việc địi hỏi một thiết bị đo với cấp chính xác như thế nào là vừa đủ. Khi phân tích và hiểu rõ yêu cầu của mình, người sử dụng sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí, thời gian cũng như tăng hiệu quả sử dụng thiết bị. Để đánh giá chất lượng thiết bị một cách khách quan và chính xác, các Trung tâm kiểm định được thành lập nhằm cấp giấy chứng nhận chất lượng cho thiết bị. Việc kiểm định chất lượng được thực hiện bằng sự chuẩn hĩa (Calibration) là một cơng việc hết sức cần thiết trước khi đưa thiết bị vào sử dụng. Như đã trình bày ở trên, tùy theo cơng việc cụ thể của người sử dụng mà thiết bị phục vụ cần một cấp chính xác tương ứng. Do vậy cần cĩ nhiều cấp chuẩn hĩa khác nhau để kiểm định chất lượng của thiết bị ở những mức độ khác nhau. Việc phân cấp như vậy là cần thiết đảm bảo tiết kiệm về kinh tế và thời gian cho các bên liên quan. 1.6.2 Các cấp chuẩn hĩa: Việc chuẩn hĩa một thiết bị được xác định theo 1 trong 4 cấp sau: Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) Các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris (Pháp). Các thiết bị đo lường chuẩn hĩa cấp 1 này theo định kỳ được đánh giá và kiểm tra lại theo trị số đo tuyệt đối của các đơn vị cơ bản vật lý được hội nghị quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận. Cấp 2: Chuẩn quốc gia (National standard) Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới được chuẩn hĩa theo chuẩn quốc tế. Các thiết bị được định chuẩn tại Viện định chuẩn quốc gia thì mang chuẩn quốc gia. Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone standard) Trong một quốc gia cĩ thể cĩ nhiều Trung tâm định chuẩn cho từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị đo lường tại trung tâm này đương nhiên phải mang 5
Đo lường điện chuẩn quốc gia. Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các Trung tâm định chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực. Cấp 4: Chuẩn phịng thí nghiệm (Lab standard) Trong từng khu vực chuẩn hĩa sẽ cĩ những phịng thí nghiệm được cơng nhận để chuẩn hĩa các thiết bị được dùng trong sản xuất cơng nghiệp. Như vậy các thiết bị được chuẩn hĩa tại các phịng thí nghiệm này sẽ cĩ chuẩn phịng thí nghiệm. Do đĩ các thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được định chuẩn tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường cấp đĩ. Một thiết bị sau khi đã được định chuẩn và đem sử dụng thì sau một khoảng thời gian nhất định phải được kiểm định và cấp giấy chứng nhận chất lượng lại. Nĩi một cách khác giấy chứng nhận chất lượng chỉ cĩ giá trị trong một thời hạn nhất định. 1.7 Sai số trong đo lường Khi một phép đo khơng lấy được giá trị thực của đại lượng cần đo, ta nĩi phép đo đĩ đã mắc sai số. Cĩ thể khẳng định rằng tất cả các phép đo đều mắc sai số. Thiết bị đo dù cĩ chất lượng cao đến thế nào cũng vẫn mắc sai số, chỉ khác là sai số đĩ lớn hay bé mà thơi. 1.7.1 Nguyên nhân gây ra sai số: Nguyên nhân chủ quan: Là nguyên nhân do người thực hiện phép đo gây ra vì khơng nắm vững nguyên lí đo, khơng đảm bảo các điều kiện khi đo, hoặc ghi sai kết quả đo Nguyên nhân khách quan: Là các nguyên nhân cịn lại (khơng phải do nguyên nhân chủ quan). Sai số do nguyên nhân khách quan gây ra thường rất phức tạp, cĩ thể do chính thiết bị đo hoặc do sự tác động từ phía mơi trường ngồi ảnh hưởng lên quá trình đo. 1.7.2 Phân loại sai số: Sai số thơ: Khi phép đo cho kết quả cĩ sự chênh lệch một cách rõ rệt và vơ lí so với giá trị cĩ thể cĩ của đại lượng cần đo thì sai số đĩ được gọi là sai số thơ. Sai số thơ xuất hiện do điều kiện cơ bản của phép đo bị vi phạm, do sự sơ xuất của của người làm thí nghiệm, hoặc do sự chấn động từ phía ngồi. Ví dụ khi đọc số liệu bị nhầm vị trí dấu phẩy hoặc đọc sai số liệu đã đo được. Sai số thơ dễ dàng nhận biết khi ta thực hiện phép đo một đại lượng nhiều lần, lần đo nào cĩ giá trị khác biệt rõ rệt với các lần đo khác thì chắc chắn phép đo này đã mắc sai số thơ. Khi gặp sai số thơ ta mạnh dạn loại bỏ chúng ra khỏi bảng số liệu. Do vậy, trong phần tính tốn sai số ta luơn đảm bảo rằng các kết quả đo khơng chứa sai số thơ. Sai số hệ thống: Sai số hệ thống là loại sai số do chính bản thân dụng cụ đo gây ra. Sai số này ảnh hưởng thường xuyên và cĩ quy luật lên kết quả đo. Do vậy ta cĩ thể loại trừ hoặc giảm nhỏ sai số hệ thống. Người ta thường chia sai số hệ thống thành hai loại: • Loại sai số hệ thống mà ta biết được nguyên nhân và độ lớn của nĩ. Sai số này xuất hiện khi dụng cụ đo đã bị sai lệch. Chẳng hạn, khi chưa cĩ dịng điện chạy qua mà kim của đồng hồ Ampe kế đã chỉ 0,1A, hoặc khi chưa kẹp vật cần đo chiều dài vào thước kẹp mà thước đã cho chiều dài là 0,1mm .v.v. Sai số này cĩ thể khử được bằng cách hiệu chỉnh kết quả (cộng thêm hoặc trừ bớt kết quả với lượng sai số). 6
Đo lường điện • Loại sai số hệ thống mà ta biết được nguyên nhân nhưng khơng biết được chính xác độ lớn của nĩ. Sai số này phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo. Mỗi dụng cụ đo cĩ cấp chính xác nhất định của nĩ. Ví dụ trên nhiệt kế cĩ ghi 0,5oC, như vậy khi đo nhiệt độ của một vật nào đĩ mà giả sử nhiệt kế chỉ 20oC thì nhiệt độ chính xác của vật đĩ sẽ là một giá trị nào đĩ nằm trong khoảng 19,5oC ÷ 20,5oC. Cách tính sai số hệ thống: Trên một số dụng cụ đo cĩ ghi rõ sai số hệ thống tối đa cĩ thể mắc phải, ví dụ trên thước kẹp cĩ ghi 0,05mm thì đĩ là sai số hệ thống của thước kẹp. Đối với những dụng cụ mà sai số hệ thống khơng ghi rõ (trừ các dụng cụ điện), khi đĩ chúng ta cĩ thể đánh giá sai số hệ thống bằng 1/2 độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ đo. Nếu độ chia cĩ giá trị quá nhỏ thì ta lấy 1 độ chia làm sai số hệ thống của thiết bị đo. Đối với các dụng cụ đo điện (Ampe kế, Volt kế ) thì sai số hệ thống ∆Xh mắc phải khi đo được tính theo cơng thức: ∆Xh = k.Xm k: Cấp chính xác của dụng cụ đo Xm: Giá trị cực đại trên thang đo của dụng cụ cịn gọi là giá trị định mức Xđm Sai số này được áp dụng cho tồn bộ thang đo. Nghĩa là khi dùng thang đo đĩ để đo một đại lượng điện cĩ giá trị lớn hay nhỏ thì đều bị sai số này tác động lên. Do vậy khi sử dụng các dụng cụ đo điện, chúng ta cần thiết chọn tầm đo thích hợp sao cho kim của dụng cụ càng gần với giá trị cực đại của thang đo thì độ chính xác của phép đo càng cao, nếu thấy kim lệch ít ta nên chuyển tầm đo để kim nằm trong khoảng 1/3 thang đo tính từ phải sang. Sai số ngẫu nhiên: Sai số của phép đo mắc phải khi ta đã loại trừ nguyên nhân do sai số thơ và sai số hệ thống thì được gọi là sai số ngẫu nhiên. Sai số ngẫu nhiên do nhiều yếu tố gây ra mà ta khơng thể tách riêng và tính riêng chúng được. Các yếu tố này thường cùng ảnh hưởng đến kết quả, chúng biến đổi bất thường và khơng theo quy luật. Chẳng hạn do giác quan của người làm thí nghiệm khơng tinh, khơng nhạy dẫn đến khơng phân biệt đúng chỗ trùng nhau của hai vạch chia trên thước kẹp, hoặc khi tính thời gian đã khơng bấm đồng hồ đúng lúc thời điểm xảy ra hiện tượng, hoặc do điều kiện thí nghiệm thay đổi một cách ngẫu nhiên ta khơng thể biết được mà dẫn đến kết quả đo mắc sai số. Ví dụ đo cường độ dịng điện trong mạch điện cĩ điện áp luơn thăng giáng hoặc nhiệt độ, áp suất trong phịng luơn thay đổi mà ta khơng phát hiện được làm cho kết quả đo bị thăng giáng Sai số ngẫu nhiên cĩ độ lớn và chiều thay đổi hỗn loạn, do vậy chúng ta khơng thể khử chúng khỏi kết quả vì khơng biết chúng một cách chắc chắn. Muốn loại trừ chúng ta phải sử dụng phương pháp của lý thuyết xác suất thống kê, chỉ cĩ xác suất mới cĩ thể tính được ảnh hưởng của chúng đến kết quả phép đo từ đĩ cĩ biện pháp giảm nhỏ sai số. 1.7.3 Cách tính và biểu diễn sai số: Sau khi đã loại trừ sai số thơ, trong phép đo một đại lượng nào đĩ chỉ cịn mắc phải sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số tổng hợp của phép đo bằng tổng của hai loại sai số trên: ∆X = ∆Xh + ∆Xn Qua nghiên cứu về sai số trong phép đo, người ta nhận thấy rằng: • Số lần xuất hiện sai số ngẫu nhiên cĩ cùng độ lớn và trái dấu nhau là bằng nhau. 7
Đo lường điện • Số liệu chứa sai số càng lớn thì cĩ số lần xuất hiện càng ít. • Trị số tuyệt đối của các sai số ngẫu nhiên khơng vượt quá một giới hạn xác định. • Giả sử một đại lượng vật lí cĩ giá trị thực là x. Ta thực hiện phép đo đại lượng đĩ n lần, và tính tốn để lấy giá trị trung bình của n lần đo, ta nhận thấy giá trị này gần đúng với giá trị thực x. Bằng chứng minh tốn học, người ta cũng khẳng định rằng nếu số lần đo n đủ lớn thì giá trị thực x sẽ gần đúng giá trị trung bình cộng của tất cả các lần đo đĩ. Ngồi các sai số trên, để đánh giá sai số của dụng cụ khi đo một đại lượng nào đĩ người ta cịn phân loại như sau: Sai số tuyệt đối (∆X): là độ sai lệch giữa trị số đo được (X) và trị số thực (x) của đại lượng cần đo. ∆X = X − x Khi đĩ khoảng [X - ∆X, X + ∆X] sẽ bao quanh giá trị chân thực x, nghĩa là: (X - ∆X) ≤ x ≤ (X + ∆X) Lúc đĩ kết quả đo sẽ được viết: x = X ± ∆X Sai số tuyệt đối cho biết độ chính xác của từng phép đo. Sai số tương đối (ε): là sai số tính theo phần trăm tỷ số giữa sai số tuyệt đối (∆X) và trị số đo được của đại lượng cần đo (X). ∆X ε = .100% X Sai số tương đối dùng để đánh giá độ chính xác giữa các phép đo cùng loại. Mỗi trị số sai số tương đối cũng chỉ đặc trưng cho mức độ chính xác của đồng hồ đo ở một điểm đã biết trên thang đo, khi cần đặc trưng cho mức độ chính xác trên tồn thang đo người ta dùng khái niệm sai số quy dẫn. Sai số quy dẫn (γ): là sai số tính theo phần trăm tỷ số giữa sai số tuyệt đối với giới hạn lớn nhất của thang đo: ∆X γ = .100% X max Mỗi dụng cụ đo cĩ một giá trị sai số tuyệt đối cho phép lớn nhất, khi đĩ sai số quy dẫn cho phép lớn nhất là: ∆X γ = max .100% X max Đây cũng chính là cấp chính xác k được dùng để đánh giá tính chính xác của dụng cụ đo. Cấp chính xác k thường gặp là: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 5 Như vậy một dụng cụ đo sẽ cho ra kết quả cĩ sai số nhỏ hơn hoặc bằng sai số quy dẫn, nếu vượt quá sai số này thì dụng cụ đo khơng cịn đảm bảo tiêu chuẩn và cần phải được hạ cấp chính xác xuống. Chẳng hạn khi xác định khối lượng của một quả cầu nhỏ người ta dùng cân và được kết quả sau: m1 = (15,5 ± 0,3)g Nghĩa là khối lượng thực của quả cầu nhỏ được xác định trong giới hạn: 15,2g ≤ m1 ≤ 15,8g Khi xác định khối lượng của quả cầu lớn, người ta được: 8
Đo lường điện m2 = (1620 ± 3)g Nghĩa là khối lượng thực của quả cầu lớn được xác định trong giới hạn: 167g ≤ m2 ≤ 1623g Tuy nhiên sai số tuyệt đối chưa đánh giá được mức độ chính xác của dụng cụ đo. Nếu ta lập tỉ lệ giữa sai số tuyệt đối với giá trị đo được của nĩ và so sánh trong hai trường hợp trên ta thấy: ∆m1 0,3 ∆m2 3 = = 2% = = 0,2% m1 15,5 m2 1620 Như vậy khối lượng của quả cầu lớn được cân chính xác gấp 10 lần khối lượng của quả cầu nhỏ. Do vậy để đánh giá được độ chính xác của phép đo, ta cần phải dựa vào cả sai số tuyệt đối và sai số tương đối. Các bước biểu diễn kết quả tính tốn: x = X ± ∆X • Làm trịn giá trị sai số tuyệt đối ∆X, ta giữ lại một chữ số khác 0 và làm trịn số này lên một đơn vị. Nếu sai số sau khi làm trịn vượt quá 25% sai số ban đầu thì ta giữ lại hai chữ số khác 0. • Làm trịn giá trị trung bình để sau khi làm trịn thì chữ số nhỏ nhất của nĩ cĩ bậc lớn hơn hoặc bằng bậc của sai số. Nếu chữ số cần làm trịn nhỏ hơn 5 thì ta cĩ quyền bỏ luơn chữ số đĩ. • Ta viết giá trị trung bình dưới dạng chuẩn hĩa (chỉ cĩ một chữ số trước dấu phẩy, nhân với cơ số 10 lũy thừa). Cũng làm tương tự cho sai số. • Biểu diễn kết quả thơng qua giá trị trung bình và giá trị sai số. 9
Đo lường điện Ví dụ: Người ta cần kiểm tra cấp chính xác của một Volt kế, cho biết Volt kế này cĩ giới hạn đo là Uđm = 150 [V]. Dùng một Volt kế mẫu cĩ cấp chính xác k = 0,1 và cĩ Uđm = 200 [V] để kiểm tra. Khi đo điện áp, Volt kế mẫu chỉ 128 [V] và Volt kế cần kiểm tra chỉ 124,5 [V]. a. Tính sai số tuyệt đối, sai số tương đối của Volt kế kiểm tra tại trị số đã cho? b. Tìm cấp chính xác của Volt kế cần kiểm tra, cho biết sai số tuyệt đối đã tìm được là sai số tuyệt đối lớn nhất? Đáp số: a. ∆ Ukt = 3 , 5 ± 0 , 2 [] V ε 1 = 2,7% ε 2 = 3,0% b. k = 2,46% Ví dụ 2: Một Ampe kế cĩ giới hạn đo là Iđm = 30 [A] và cấp chính xác k =1,5 a. Tìm sai số tuyệt đối lớn nhất ∆Imax? b. Tìm sai số tương đối khi đồng hồ đo được các giá trị 5 [A], 15 [A]? c. Hãy xác định giá trị thực của dịng điện cần đo ID nằm trong giới hạn nào? Đáp số: a. ∆Imax = ± 0,45 (A) b. ε1 = 9% ; ε1 = 3% c. 4,55 ≤ ID1 ≤ 5,45 14,55 ≤ ID2 ≤ 15,45 10
Đo lường điện Câu hỏi ơn tập: 1. Đo lường điện đĩng vai trị như thế nào trong hệ thống điều khiển tự động? 2. Hãy phân biệt giữa đại lượng điện và đại lượng khơng điện? Việc đo lường những đại lượng này cĩ điểm gì khác nhau? 3. Hãy phân biệt giữa phương pháp đo gián tiếp và phương pháp đo trực tiếp? 4. Trình bày ý nghĩa của các thành phần trong sơ đồ tổng quát của hệ thống đo lường? 5. Tại sao các thiết bị đo lường cần được chuẩn hĩa trước khi đưa vào sử dụng? Trình bày các cấp chuẩn hĩa? 6. Trình bày những nguyên nhân chính gây ra sai số trong phép đo? 7. Sai số thơ là gì? Làm thế nào để hạn chế sai số thơ trong phép đo? 8. Trình bày sai số hệ thống và cách tính sai số hệ thống? 9. So sánh giữa sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống? 10. Thế nào là sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số quy dẫn? Cấp chính xác k của dụng cụ đo là gì? 11
Đo lường điện (Trang trắng) 12
Đo lường điện Chương 2: CƠ CẤU CHỈ THỊ 2.1 Cơ cấu từ điện 2.1.1 Kí hiệu 2.1.2 Cấu tạo 2.1.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo 2.1.4 Đặc điểm của cơ cấu từ điện 2.2 Cơ cấu điện từ 2.2.1 Kí hiệu 2.2.2 Cấu tạo 2.2.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo 2.2.4 Đặc điểm của cơ cấu điện từ 2.3 Cơ cấu điện động 2.3.1 Kí hiệu 2.3.2 Cấu tạo 2.3.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo 2.3.4 Đặc điểm của cơ cấu điện động 2.4 Cơ cấu cảm ứng 2.4.1 Kí hiệu 2.4.2 Cấu tạo 2.4.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo 2.4.4 Đặc điểm của cơ cấu cảm ứng 2.5 Cơ cấu tĩnh điện 2.5.1 Kí hiệu 2.5.2 Cấu tạo 2.5.3 Nguyên lí hoạt động 2.5.4 Đặc điểm của cơ cấu tĩnh điện 2.6 Cơ cấu điện tử 2.6.1 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng diode phát quang (LED) 2.6.2 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng tinh thể lỏng (LCD) 2.6.3 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng ống tia âm cực (CRT) 13
Đo lường điện (Trang trắng) 14
Đo lường điện Chương 2: CƠ CẤU CHỈ THỊ Dụng cụ đo điện là một hệ thống hồn chỉnh được tạo thành bởi sự kết hợp các bộ phận khác nhau nhằm thực hiện quá trình đo một hoặc nhiều đại lượng điện trong đĩ cơ cấu chỉ thị là bộ phận chính cĩ nhiệm vụ chuyển đổi đại lượng điện cần đo thành tín hiệu để quan sát. 2.1 Cơ cấu từ điện 2.1.1 Kí hiệu: Cơ cấu đo kiểu từ điện, khung dây ở phần động Cơ cấu đo kiểu từ điện, khung dây ở phần động, dùng chỉnh lưu bán dẫn Cơ cấu đo kiểu từ điện, nam châm ở phần động 2.1.2 Cấu tạo: Cơ cấu đo kiểu từ điện cĩ hai phần chính là phần động và phần tĩnh Phần động: a. Khung dây b. Lõi sắt non c. Lị xo xoắn ốc d. Kim chỉ thị Phần tĩnh: e. Mạch từ f. Nam châm vĩnh cửu g. Thang đo h. Nút điều chỉnh zero • Khung dây: Gồm nhiều vịng dây làm bằng đồng cùng quấn trên một khuơn nhơm hình chữ nhật. Dây đồng cĩ tiết diện nhỏ khoảng (0,02 ÷ 0,05)mm cĩ phủ cách điện bên ngồi. Khung dây gắn với hai bán trục, đầu bán trục được chế tạo từ vật liệu rất cứng (thép vonfram). Đầu trục được đặt trên ổ đỡ cĩ dạng cơn lõm (gĩc đỉnh ≈ 80o), bề mặt ổ đỡ được phủ một lớp màng đá cứng thường gọi là chân kính làm từ vật liệu SiO2. Khung dây chuyển động trong khe hở khơng khí nhờ lực tương tác giữa từ trường của khung dây (khi cĩ dịng điện chạy qua) và từ trường của nam châm vĩnh cửu. Tồn bộ khối 15
Đo lường điện lượng khung càng nhỏ càng tốt để moment quán tính khơng ảnh hưởng nhiều đến chuyển động quay của khung quanh hai bán trục Loại cơ cấu từ điện cĩ phần quay là khung dây được dùng nhiều trong đồng hồ đo vạn năng. Loại cơ cấu từ điện cĩ phần quay là nam châm vĩnh cửu được dùng nhiều trong các đồng hồ chỉ thị loại nhỏ trong ơ tơ, máy bay, máy kéo Trong các đồng hồ đo thật nhạy, người ta dùng dây căng hoặc dây treo thay cho bán trục và lị xo xoắn ốc. Khi sử dụng dây treo, ma sát giữa bán trục và chân kính bị loại bỏ từ đĩ độ chính xác của dụng cụ đo được cải thiện đáng kể. Dây treo cĩ nhiệm vụ treo lơ lửng khung dây thay cho ổ đỡ đồng thời đưa điện vào hai đầu khung. Dây treo được kết hợp với lị xo xoắn để tạo moment cản. Khung dây loại trục quay Khung dây loại dây treo • Lõi sắt non: Cĩ hình trụ trịn được đặt giữa hai cực của nam châm vĩnh cửu sao cho khe hở khơng khí giữa chúng đủ nhỏ và cách đều các cực từ. Nhờ lõi sắt non mà từ trở giữa các cực từ được giảm nhỏ và do đĩ làm tăng mật độ từ thơng qua khe hở khơng khí. Với lõi sắt non hình trụ trịn, từ trường qua khe hở khơng khí là từ trường hướng tâm đều (khoảng 0,2 đến 0,5T). Từ trường cĩ dạng hướng tâm giúp cho lực tác dụng luơn vuơng gĩc với cạnh của khung dây. • Lị xo xoắn ốc: Hai đầu khung dây cĩ hai lị xo xoắn với chiều ngược nhau, một đầu lị xo gắn vào bán trục của khung dây, đầu kia gắn cố định. Lị xo xoắn ốc cĩ nhiệm vụ chủ yếu là tạo ra moment cản Mc cân bằng với lực điện từ, ngồi ra nĩ được dùng để dẫn dịng điện vào và ra khung dây. • Kim chỉ thị: Được gắn liền với khung quay để cĩ thể dịch chuyển theo khung, vị trí kim sẽ chỉ giá trị tương ứng trên mặt thang đo. Kim thường làm bằng nhơm mỏng uốn hình ống, đuơi kim cĩ gắn đối trọng để trọng tâm của kim nằm trên trục quay, điều này giúp giữ thăng bằng cho phần động. Đầu kim dẹt và cĩ chiều dày ≤ chiều dày nét vạch trên thang chia độ. Những dụng cụ đo cĩ cấp chính xác thấp (1,5 ÷ 2,5) cĩ kim chỉ thị làm bằng nhơm mỏng cĩ đường gân ở giữa, cịn trong những dụng cụ cĩ cấp chính xác cao hơn cĩ kim hình lưỡi dao rất mảnh, đơi khi kim được làm bằng thủy tinh mà đầu kim là sợi kim loại nhỏ. Các loại dụng cụ đo cĩ cấp chính xác cực cao thì thường dùng chỉ thị bằng quang học vì điều kiện sản xuất cơ khí khơng cho phép chế tạo kim thật nhẹ, thẳng và dài như yêu cầu đặt ra. Trong chỉ thị quang học, trục quay của bộ phận động cĩ gắn một gương nhỏ, một nguồn sáng mạnh luơn rọi vào gương và phản chiếu trên thang chia độ. Do khoảng cách từ gương quay đến thang chia độ khá lớn nên khi gương quay một gĩc nhỏ cũng làm vệt sáng trên thang chia độ di chuyển một khoảng cách lớn. 1 6
Đo lường điện • Bộ phận cản dịu: Người ta muốn kim khơng bị dao động quanh vị trí đo mà phải nhanh chĩng ổn định để người thực hiện phép đo cĩ thể quan sát được kết quả. Muốn vậy phải cĩ bộ phận cản dịu dao động của kim. Thay vì chế tạo bộ cản dịu riêng, người ta đã lợi dụng ngay hiện tượng tự cảm của khung dây để ngăn cản dao động. Khung dây được làm bằng nhơm nên cĩ thể xem như một vịng ngắn mạch. Khi khung dây chuyển động, từ thơng gửi qua khung dây biến thiên làm phát sinh dịng điện cảm ứng. Dịng điện cảm ứng này sẽ cĩ chiều sao cho từ thơng mà nĩ sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thơng đã sinh ra nĩ, do vậy nĩ cĩ tác dụng ngăn cản dao động của khung dây. Phương pháp cản dịu dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ tạo ra lực cản khá mạnh nên được ứng dụng phổ biến. Ngồi ra người ta cũng cĩ thể dùng phương pháp cản dịu bằng khơng khí nhờ cánh quạt hoặc piston chuyển động trong hộp khơng khí sinh ra, lực cản tạo ra bằng phương pháp này nhỏ hơn lực cản tạo ra bằng phương pháp cảm ứng. • Nam châm vĩnh cửu: Gồm hai cực N và S gắn liền với bộ phận dẫn từ bằng thép non tạo ra từ trường cố định. Nam châm vĩnh cửu ơm lấy phần động là một lõi thép hình trụ. Khe hở giữa phần tĩnh và phần động đủ nhỏ nhằm tạo ra từ trường đều. 2.1.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo: Khi cĩ dịng điện chạy qua khung dây thì từ trường cảm ứng của khung dây sẽ tác dụng với từ trường của nam châm vĩnh cửu. Lực tương tác này sẽ tác động lên các cạnh của khung tạo ra moment quay dịch chuyển phần động. Chiều của lực tương tác được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi dịng điện của đại lượng cần đo càng lớn thì khung dây quay càng nhiều, gĩc quay càng lớn và khoảng cách di chuyển của kim càng nhiều. Lực F tác dụng lên các cạnh khung dây cĩ trị số bằng nhau nhưng ngược chiều. Các lực này đặt cách trục một khoảng bằng nửa chiều rộng khung dây b: F = N.B.I.l F: Lực điện từ tác dụng lên một cạnh khung dây [N] B: Độ cảm ứng từ trong khe hở khơng khí [T] l: Chiều dài tác dụng của khung dây [m] b: Bề rộng khung dây [m] N: Số vịng dây [vịng] I: Cường độ dịng điện chạy qua khung dây [A] b Mq = 2.F.2 = F.b = N.B.I.l.b Mq = N.B.I.S (S = l.b: Diện tích khung dây) Khi khung dây dịch chuyển, lị xo xoắn ốc tạo ra moment cản Mc. Mc = Kc.α Kc: Hệ số cản của lị xo, phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo lị xo cũng như kích thước hình dạng của nĩ. α: Gĩc lệch của kim chỉ thị, hay gĩc xoắn của lị xo. Khi Mq = Mc thì khung dây đứng yên ở vị trí tương ứng với dịng điện cần đo, ta cĩ: N.B.I.S = Kc.α N.B.S α = .I Kc 1 7
Đo lường điện N.B.S Đặt = KI là hệ số tỉ lệ dịng điện Kc α = KI.I Nhận xét: • Gĩc lệch α tỉ lệ bậc nhất với dịng điện I. Dịng điện chạy qua khung dây càng lớn thì gĩc lệch α càng tăng. • Muốn tăng độ nhạy của cơ cấu đo ta cĩ thể tăng độ lớn cảm ứng từ B trong khe hở khơng khí, hoặc tăng số vịng dây quấn của khung dây. 2.1.4 Đặc điểm của cơ cấu từ điện: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu từ điện: • Từ trường của nam châm vĩnh cửu tạo ra mạnh do vậy cơ cấu cĩ độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng bởi từ trường nhiễu bên ngồi. • Cơng suất tiêu hao nhỏ tùy theo dịng điện Imax, thường từ 25 ÷ 200µW. • Cấp chính xác cao (k = 0,05) nên thường dùng làm dụng cụ chuẩn trong PTN. • Vì gĩc quay tuyến tính theo dịng điện nên thang đo cĩ khoảng chia đều đặn và đây cũng chính là ưu điểm quan trọng trong cơ cấu đo kiểu từ điện. Khuyết điểm: • Dây quấn cĩ tiết diện bé nên khả năng chịu quá tải kém dễ bị đứt khi dịng điện quá mức chạy qua. • Cơ cấu khơng đo trực tiếp được dịng điện xoay chiều (AC) vì kim sẽ bị đảo chiều quay liên tục. Khi tần số của tín hiệu xoay chiều trên khoảng 10 Hz thì do quán tính kim sẽ đứng yên tại một vị trí. Muốn đo dịng điện xoay chiều, cơ cấu phải kết hợp với mạch đo cĩ bộ chỉnh lưu để biến dịng điện xoay chiều thành dịng một chiều (DC) trước khi đo. • Đối với khung dây cĩ dây xoắn dễ bị hư hỏng khi bị chấn động mạnh hoặc di chuyển quá mức cho phép, do vậy cần cĩ biện pháp phịng tránh. 2.2 Cơ cấu điện từ 2.2.1 Kí hiệu: hoặc 2.2.2 Cấu tạo: Phần động: a. Lá sắt từ mềm b. Trục quay c. Lị xo xoắn ốc d. Kim chỉ thị Phần tĩnh: a. Cuộn dây điện từ b. Thang đo Cơ cấu điện từ loại dẹt 18
Đo lường điện Cơ cấu điện từ loại trịn Dụng cụ đo kiểu điện từ gồm hai loại chính là loại cuộn dây dẹt và loại cuộn dây trịn. Loại dẹt cĩ phần tĩnh là một cuộn dây dẹt khơng cĩ lõi thép. Phần động gồm trục quay cĩ gắn lá thép non hình bán nguyệt nằm trong khe hở hẹp của cuộn dây. Trên trục cịn gắn thêm một lá đệm làm bằng nhơm để giúp ổn định kim tại vị trí cân bằng nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ. Loại cuộn dây trịn cĩ phần tĩnh là cuộn dây trịn, trong ruột cuộn dây cĩ gắn một lá thép tĩnh, giữa cuộn dây là phần động cĩ gắn một lá thép non (lá thép động) làm bằng vật liệu sắt từ mềm. Giữa phần động là trục quay, trên trục quay cĩ gắn kim chỉ thị và lị xo xoắn. 2.2.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo: Một cách đơn giản ta cĩ thể hiểu cơ cấu điện từ như một nam châm điện hút một lõi sắt từ cĩ gắn kim chỉ thị. Khi cho dịng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC) đi vào cuộn dây cố định, trong lịng cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trường này sẽ từ hĩa lá thép non và hút nĩ vào trong lịng khiến cho trục quay và kim chỉ thị quay theo. Khi từ trường càng lớn thì gĩc quay cũng càng lớn. Như vậy dịng điện của đại lượng cần đo sẽ khơng đi vào phần quay như trong cơ cấu từ điện mà vào phần đứng yên. Trong cơ cấu điện từ kiểu cuộn dây trịn, từ trường do dịng điện sinh ra sẽ từ hĩa hai lá thép tĩnh và động. Do hai lá thép này từ hĩa cùng cực tính nên chúng sẽ đẩy nhau, nhưng vì lá thép tĩnh đứng yên nên lá thép động di chuyển và tạo moment làm quay kim chỉ thị. Cơ cấu đo kiểu điện từ chịu ảnh hưởng nhiều bởi từ trường ngồi khiến cho kết quả đo kém chính xác, để hạn chế điều này, người ta dùng một màn chắn từ bằng thép permalloy dày khoảng 0,2mm để bao bọc cơ cấu. Ngồi ra người ta cịn dùng phương pháp chế tạo cơ cấu đo cĩ phần tĩnh gồm hai cuộn dây giống nhau được bố trí sao cho từ trường của chúng tạo ra moment quay cùng chiều tác dụng lên trục, nhưng đồng thời từ trường ngồi cũng tạo nên hai moment khác cĩ chiều ngược nhau để khử mất nhau. Đây chính là cơ cấu atslatich cịn gọi là kiểu vơ hướng. Người ta sử dụng lá sắt từ mềm nhằm lợi dụng tính chất dễ nhiễm từ và cũng dễ mất từ của nĩ. Khi khơng cĩ dịng điện đi vào thì lá sắt phải mất từ tính ngay, lúc đĩ lị xo sẽ đưa kim chỉ thị về vị trí ban đầu. Lực từ động F tạo ra lực hút hoặc lực đẩy cho miếng sắt di động: 19
Đo lường điện F = N.I N: số vịng dây [vịng] I: cường độ dịng điện [A] Ta cĩ năng lượng từ trường trong lịng cuộn dây: 1 2 W = 2 .L.I L: điện cảm, phụ thuộc vào vị trí của lá sắt từ tức là giá trị gĩc quay α Đối với dịng điện một chiều: dw 1 dL M = = I2 q dα 2 dα Đối với dịng điện xoay chiều, moment quay trung bình: T T 1 1 ⌠ 1 2dL Mqtb = ⌡⌠Mqdt = ⎮ i .dt T T ⌡ 2 dα 0 0 T 1 dL 1 M = ⌠ i2.dt qtb 2 dα T ⌡ 0 1 dL M = I2 q 2 dα Khi khung dây dịch chuyển, lị xo xoắn ốc tạo ra moment cản Mc. Mc = Kc.α Kc: Hệ số cản của lị xo, phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo lị xo cũng như kích thước hình dạng của nĩ. α: Gĩc lệch của kim chỉ thị, hay gĩc xoắn của lị xo. Khi Mc = Mq thì kim chỉ thị đứng yên: 1 dL α = I2 2 Kc dα 1 dL Đặt = KI là hệ số tỉ lệ dịng điện 2 Kc dα 2 α = KI. I 2.2.4 Đặc điểm của cơ cấu điện từ: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu điện từ: • Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, cơng nghệ chế tạo khơng phức tạp. Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật của cơ cấu này. • Khả năng chịu quá tải cao hơn cơ cấu từ điện do cuộn dây nằm ở phần tĩnh nên cĩ thể quấn các cỡ dây lớn. • Đo được cả dịng điện một chiều và xoay chiều mà khơng cần đến bộ chỉnh lưu như cơ cấu từ điện. Khuyết điểm: • Gĩc quay của kim chỉ thị phụ thuộc phi tuyến vào dịng điện, nên thang đo cĩ vạch chia khơng đều. • Từ trường của cuộn dây do chính dịng điện cần đo tạo ra nên thường yếu khiến độ nhạy của chỉ thị kém dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường ngồi. 20
Đo lường điện • Năng lượng tiêu hao của cơ cấu điện từ lớn hơn cơ cấu từ điện, cơng suất này khoảng 0,5 ÷ 20W. • Do cĩ tổn hao sắt từ và hiện tượng từ trễ nên cơ cấu điện từ mắc sai số lớn hơn khiến cho cấp chính xác khơng cao. • Điện kháng cuộn dây tăng theo tần số f nên cơ cấu khơng được dùng để đo dịng điện cĩ tần số thay đổi lớn thường chỉ dưới vài chục Hz. Ngồi ra ảnh hưởng của dịng điện xốy trên miếng sắt di động tăng khi tần số tín hiệu tăng. • Được dùng chủ yếu trong lĩnh vực điện cơng nghiệp với cấp chính xác thấp. 2.3 Cơ cấu điện động Là sự kết hợp giữa cơ cấu từ điện (khung quay mang kim chỉ thị) và cơ cấu điện từ (cuộn dây cố định tạo từ trường cho khung quay). 2.3.1 Kí hiệu: Cơ cấu điện động Cơ cấu sắt điện động 2.3.2 Cấu tạo: Cơ cấu điện động gồm cuộn dây cố định và cuộn dây di động (khung quay). Phần động: a. Cuộn dây di động b. Trục quay c. Lị xo xoắn ốc d. Kim chỉ thị Phần tĩnh: a. Cuộn dây cố định b. Thang đo Cơ cấu điện động Cơ cấu sắt điện động Thơng thường cuộn dây di động khơng cĩ lõi sắt non nên tránh được hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy. Cuộn dây cố định được chia thành hai phần bằng nhau và đặt cách nhau khơng xa để tạo ra từ trường tương đối đều. Hai nửa cuộn dây này được mắc nối tiếp với nhau. Cuộn dây di động được đặt trong lịng cuộn dây tĩnh nên chịu ảnh hưởng từ trường của cuộn dây cố định. Trên trục phần quay cĩ gắn kim chỉ thị và hai lị xo xoắn để tạo moment cản. Trục quay làm nhiệm vụ đỡ và dẫn điện từ ngồi vào phần quay. Đơi khi người ta dùng dây treo thay cho trục và ổ đỡ để tăng độ nhạy cho cơ cấu. Cuộn dây phần tĩnh cĩ thể được quấn với kích cỡ lớn, cịn cuộn dây ở phần động cĩ cỡ dây nhỏ. Nếu cuộn dây cố định được quấn trên lõi sắt từ thì ta cĩ cơ cấu sắt điện động. Cấu tạo của cơ cơ cấu sắt điện động gồm các cuộn dây phần tĩnh quấn trên lõi thép. Lõi thép cĩ tác dụng tăng từ trường ở phần tĩnh và tạo nên từ trường đều ở khu vực cuộn dây động, đồng thời cĩ tác dụng như một màn chắn từ làm giảm ảnh hưởng của từ trường ngồi. Trong lịng cuộn dây phần động cũng cĩ lõi thép hình trụ. Nguyên lí làm 21
Đo lường điện việc của cơ cấu sắt điện động tương tự như cơ cấu điện động. Nhờ cĩ lõi thép mà cơ cấu sắt điện động nhạy hơn, ít ảnh hưởng bởi từ trường ngồi, khơng cần chế tạo bằng vật liệu quý giá nên giá thành cũng rẻ hơn loại cơ cấu điện động. Nhưng cũng vì cĩ lõi thép mà tổn hao sắt từ và hiện tượng từ trễ xuất hiện khiến cho độ chính xác thấp hơn. 2.3.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo: Điểm khác biệt cơ bản so với các dụng cụ đo khác là dịng điện của đại lượng cần đo được đưa vào cả phần động và phần tĩnh của cơ cấu điện động để tạo nên hai từ trường đẩy nhau sinh ra moment quay. Khi cĩ dịng điện i1, i2 (một chiều hoặc xoay chiều) đi vào cuộn dây di động và cố định thì trong lịng cuộn dây cố định xuất hiện từ trường (thay thế cho từ trường nam châm vĩnh cửu) từ trường này tác động lực điện từ lên cuộn dây động. dM Moment quay: M = i .i . 12 q 1 2 dα Nếu i1, i2 là dịng điện một chiều thì: dM M = I .I . 12 q 1 2 dα Nếu i1, i2 là dịng điện xoay chiều: i1 = I1max.sinwt, i2 = I2max.sin(wt - ϕ) thì: T T T 1 1 ⌠ dM12 1 ⌠ dM12 Mqtb = ⌡⌠Mq.dt = ⎮ i1.i2 .dt = ⎮ I1max.sinwt. I2max.sin(wt - ϕ) .dt T T ⌡ dα T ⌡ dα 0 0 0 I . I dM M = 1max 2max .cosϕ. 12 qtb 2 dα I . I dM M = 1 2 .cosϕ. 12 qtb 2 dα I1, I2: Giá trị hiệu dụng của dịng điện xoay chiều [A] Mc = Kc.α Mc: Moment cản của lị xo Khi Mc = Mq thì kim chỉ thị đứng yên. Phương trình đặc tính thang đo cho dịng điện một chiều: dM K .α = I .I . 12 c 1 2 dα I1.I2 dM12 α = . = KI.I1.I2 Kc dα Phương trình đặc tính thang đo cho dịng điện xoay chiều: I . I dM K .α = 1 2 .cosϕ. 12 c 2 dα I1.I2 dM12 α = .cosϕ. = KI.I1.I2.cosϕ Kc dα Tĩm lại, khi cho dịng điện i1 đi vào hai nửa cuộn dây tĩnh và i2 đi vào cuộn dây động thì moment quay sẽ tỉ lệ với dịng điện của cả cuộn dây tĩnh và cuộn dây động. Nếu cho cùng một dịng điện i đi vào cả hai cuộn dây thì moment quay sẽ tỉ lệ với bình phương cường độ dịng điện. Khi dịng điện là một chiều thì gĩc quay tỉ lệ với bình 22
Đo lường điện phương cường độ dịng điện cần đo (α = KI.I1.I2), đối với dịng điện xoay chiều thì cần thêm gĩc lệch pha giữa hai dịng điện đi vào hai cuộn dây (α = KI.I1.I2.cosϕ). 2.3.4 Đặc điểm của cơ cấu điện động: Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu điện động: • Cấp chính xác khá cao (k = 0,05 ÷ 0,1) vì khơng sử dụng lõi sắt từ gây tổn hao sắt từ và hiện tượng từ trễ. Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật của cơ cấu này. • Khả năng quá tải về dịng lớn hơn cơ cấu từ điện vì cĩ tiết diện dây lớn. • Đo được cả dịng điện một chiều và xoay chiều mà khơng cần đến bộ chỉnh lưu như cơ cấu từ điện. • Được sử dụng để chế tạo dụng cụ đo dịng điện, điện áp, đặc biệt là dụng cụ đo cơng suất. Khuyết điểm: • Gĩc quay của kim chỉ thị phụ thuộc phi tuyến vào dịng điện nên vạch chia của thang đo khơng đều. • Từ trường cuộn dây tĩnh yếu nên độ nhạy của cơ cấu kém dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường ngồi. • Cơ cấu điện động tiêu hao năng lượng lớn hơn cơ cấu từ điện, cơng suất này khoảng 18 ÷ 20W. • Chỉ được dùng trong lĩnh vực điện cơng nghiệp, dụng cụ tự ghi. 2.4 Cơ cấu cảm ứng Cơ cấu cảm ứng được ứng dụng chủ yếu trong chế tạo đồng hồ đo điện năng. 2.4.1 Kí hiệu: 2.4.2 Cấu tạo: Cơ cấu đo kiểu cảm ứng gồm hai phần chính: Phần tĩnh: Gồm cuộn dịng điện và cuộn điện áp quấn trên lõi thép tương tự như nam châm điện. Cuộn dịng điện cĩ tiết diện lớn, số vịng ít mắc nối tiếp với mạch điện cần đo. Cuộn điện áp cĩ số vịng nhiều và tiết diện bé nối song song với mạch cần đo. Nam châm vĩnh cửu tạo moment phản kháng khi đĩa nhơm quay. Phần động: Là đĩa nhơm trịn và mỏng, tâm đĩa được gắn một trục, trục này cĩ liên kết với hệ thống bánh Cơ cấu cảm ứng răng để thay đổi trị số hiển thị điện năng đã tiêu thụ. 2.4.3 Nguyên lí hoạt động và phương trình đặc tính thang đo: Khi dịng điện i chạy vào cuộn dịng điện sẽ tạo nên từ thơng φi trùng pha với i. Từ thơng này xuyên qua đĩa nhơm ở hai vị trí. Nếu đặt điện áp vào cuộn điện áp sẽ làm xuất hiện dịng điện iu chạy trong cuộn điện áp. Dịng điện iu tỉ lệ thuận với điện áp u và sinh ra từ thơng φu. Vì điện cảm của π cuộn dây điện áp lớn nên gĩc lệch pha giữa iu và u gần bằng 2 . Từ thơng φu của cuộn điện áp chia làm hai phần: φL khép mạch qua lõi thép, khơng xuyên qua đĩa nhơm và φu xuyên qua đĩa nhơm, khép mạch qua gơng từ. 23
Đo lường điện Moment quay tác dụng lên đĩa nhơm do lực tác dụng tương hỗ giữa các dịng điện cảm ứng trong đĩa và các từ thơng φu, φi. Moment quay cũng tỉ lệ với cơng suất P của tải tiêu thụ. Khi đĩa nhơm quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra moment cản tỉ lệ với tốc độ quay. Khi hai moment cản và moment quay cân bằng nhau thì đĩa nhơm quay đều, ta cĩ: Mq = Mc kP.P = kc.n 2.4.4 Đặc điểm của cơ cấu cảm ứng: • Moment quay lớn làm đĩa quay nhanh và đủ lực làm chuyển động cơ cấu bánh răng. • Số vịng quay của phần động tỉ lệ với điện năng tiêu thụ trên tải. • Khi làm việc dịng điện xốy trong đĩa nhơm gây tổn hao cơng suất, ngồi ra điện trở của đĩa thay đổi làm ảnh hưởng moment quay khiến độ chính xác thấp. • Hoạt động của cơ cấu phụ thuộc vào tần số f. 2.5 Cơ cấu tĩnh điện Cơ cấu này dựa trên nguyên lí lực đẩy tĩnh điện tạo moment làm quay kim chỉ thị. 2.5.1 Kí hiệu: 2.5.2 Cấu tạo: Phần tĩnh là các lá nhơm cố định, mỗi lá gồm hai nửa vịng trịn đặt cách nhau một khoảng cách hẹp. Phần động là lá nhơm mỏng hình chữ Z cĩ thể chuyển động trong khe hở phần tĩnh. Giữa phần tĩnh và phần động là điện mơi khơng khí hình thành tụ điện cĩ điện dung C. Điện áp đặt vào các lá nhơm tĩnh và động (thơng qua lị xo phản kháng), lực tĩnh điện sinh ra sẽ tác dụng tạo moment quay. Khi phần động quay, lị xo bị xoắn lại tạo moment cản. Cơ cấu tĩnh điện Khi hai moment này cân bằng nhau thì phần động dừng lại và do đĩ kim chỉ thị cũng đứng yên để chỉ giá trị tương ứng. Người ta cho phần động chuyển động trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu, điều này giúp kim nhanh chĩng ổn định ở vị trí cân bằng. 2.5.3 Nguyên lí hoạt động: Khi đặt điện áp lên các bản cực của phần tĩnh và phần động thì tụ điện C sẽ tích lũy năng lượng điện trường WE = ½ CU2. Lực tác dụng giữa hai bản cực khi đặt điện áp U gây ra moment quay làm phần động quay. Khi moment quay cân bằng với moment cản của lị xo thì cơ cấu dừng lại, kim chỉ thị giá trị trên thang đo. 2.5.4 Đặc điểm của cơ cấu tĩnh điện: Gĩc quay tỉ lệ với bình phương điện áp đặt vào, nên cĩ thể đo điện áp một chiều và xoay chiều. Giới hạn đo từ 10 [V] đến hàng chục kV, tần số từ 10 [Hz] đến 10 [MHz]. Cơ cấu cĩ độ nhạy cao và tiêu thụ cơng suất thấp. Cấp chính xác cao (k = 0,05). Khơng chịu ảnh hưởng của từ trường ngồi và dạng điện áp. 24
Đo lường điện 2.6 Cơ cấu điện tử Những thành tựu của điện tử được ứng dụng mạnh mẽ trong kĩ thuật đo lường hiện đại tạo ra nhiều thuận lợi cho người sử dụng. Nguyên lí đo điện tử dựa trên cơ sở đo đại lượng điện áp và mạch xử lí cho ra tín hiệu phù hợp cho việc hiển thị. Trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến sự hiển thị kết quả đo dưới dạng các con số và hình ảnh. 2.6.1 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng diode phát quang (LED): Kí hiệu: LED_Light Emitting Diode là diode phát quang nghĩa là khi cĩ dịng điện chạy qua Led sẽ phát ra ánh sáng. Led là linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quang báo, hiển thị, thơng tin quang Ánh sáng do Led phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo mà khơng cần đến kính lọc. Led chỉ cĩ thể ở một trong hai trạng thái sáng hoặc tắt. Trong thực tế Led cĩ vỏ bọc bên ngồi mang màu sắc giống với màu sắc do Led phát ra, điều này chỉ nhằm giúp cho người sử dụng dễ dàng nhận biết các loại Led phát màu sắc khác nhau mà khơng cần đến nguồn điện để thử. Led cĩ ưu điểm nổi bật là tuổi thọ cao, cơng suất tiêu tán nhỏ, thích hợp với các mạch logic Khi sử dụng Led cần chú ý đến yếu tố nhiệt độ mơi trường xung quanh ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng, khi nhiệt độ mơi trường tăng lên cường độ sáng của Led sẽ giảm đi. Ngồi ra khi Led bị hư hỏng nĩ thường khơng tắt ngay mà giảm dần cường độ sáng, hoặc lúc sáng lúc tắt. Thực chất Led cũng là diode bán dẫn nên nĩ mang các đặc tính và giới hạn của diode tiếp xúc P-N thơng thường. Tuy nhiên điện áp phân cực thuận cho Led khá lớn khoảng 1,2 đến 2,5 [V] tùy vào vật liệu bán dẫn. Điện trở động khoảng từ vài Ohm đến vào chục Ohm. Điện áp đánh thủng khi phân cực ngược khá nhỏ khoảng 5 [V]. Led được chế tạo với nhiều loại mang màu khác nhau như đỏ, xanh, vàng, cam Khi sử dụng phải chú ý đến điện áp phân cực thuận cho từng loại Led để lựa chọn điện trở mắc nối tiếp với Led. Điện Áp Phân Cực Thuận LED Led màu đỏ 1,6 [V] ÷ 2 [V] Led màu cam 2,2 [V] ÷ 3 [V] Led màu xanh lá cây 2,7 [V] ÷ 3,2 [V] Led màu vàng 2,4 [V] ÷ 3,2 [V] Led màu xanh da trời 3 [V] ÷ 5 [V] Thơng thường khi tính tốn phân cực cho Led, người ta chọn điện trở mắc nối tiếp với Led sao cho dịng điện chạy qua Led khoảng 10 [mA] và điện áp rơi trên Led khoảng 2 [V]. Led cĩ hai chân Anode và Cathode, chân Cathode thường ngắn hơn, nằm ở phía vỏ bị vát phẳng gĩc, điện cực Cathode lớn hơn. Chú ý cách nhận biết này chỉ mang tính chất tương đối, muốn đảm bảo chính xác ta phải dùng đồng hồ VOM ở thang đo điện trở hoặc dùng nguồn điện ngồi để xác định cực tính của Led. 25
Đo lường điện Một số mạch phân cực Led: (a) (b) (c) Loại Led trên được gọi là Led đơn, trong thực tế người ta cĩ thể ghép chung hai Led trong cùng một vỏ bọc lúc đĩ ta cĩ loại Led đơi với 3 chân ra. Trong 3 chân này cĩ một chân chung là A hoặc K, hai chân cịn lại để điều khiển cho từng Led, người ta cũng thường ghép các Led đơn thành hình số 8 gọi là Led 7 đoạn, mỗi đoạn thẳng được tạo thành từ một hoặc nhiều Led đơn mắc song song. Khi cần hiển thị con số từ 0 đến 9, người ta điều khiển các đoạn tương ứng phát sáng để tạo thành hình con số mong muốn. Led 7 đoạn được sử dụng nhiều trong việc hiển thị, đặc biệt trong lĩnh vực đo lường điện tử. Đại lượng cần đo sau khi được mạch xử lí chuyển đổi thành tín hiệu số sẽ qua mạch giải mã kích các Led 7 đoạn phát sáng thành hình những con số để thể hiện kết quả đo được. 2.6.2 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng tinh thể lỏng (LCD): LCD_Liquid Crystal Display là màn hiển thị tinh thể lỏng. LCD được sử dụng nhiều để chế tạo mặt chỉ thị đồng hồ điện tử, máy tính con, máy đo kĩ thuật số thậm chí màn hình máy vi tính, màn hình TV. Thuật ngữ tinh thể lỏng được đề nghị sử dụng lần đầu tiên vào năm 1889 bởi nhà vật lí Lehman để chỉ trạng thái đặc biệt của vật chất mà các tính chất của nĩ là trung gian giữa tinh thể chất rắn và chất lỏng đẳng hướng. Trạng thái vật chất này kết hợp nhiều tính chất cơ học của chất lỏng thơng thường (cĩ hình dạng vật chứa, tạo thành giọt ) và các tính chất dị hướng điện từ và quang của tinh thể. Về phương diện quang học người ta chia thành vật liệu trong suốt, mờ đục hoặc tất cả các cấp độ giữa hai thái cực này. Sự phân loại phụ thuộc vào vật liệu làm giảm cường độ sáng hoặc biên độ dao động điện từ đi qua nĩ. Các vật liệu trong suốt cho phép ánh sáng đi qua chúng khơng làm giảm biên độ, trong khi đĩ các vật liệu mờ đục thì ngăn ánh sáng lại. Cĩ một lớp vật liệu khác cũng tạo ra kết quả như vật liệu mờ đục nhưng làm việc theo nguyên tắc khác. Chúng được gọi là các bộ phân cực ánh sáng. Khi sĩng ánh sáng cĩ phân cực trịn hay ngẫu nhiên đi qua bộ phân cực ánh sáng thì năng lượng của nĩ khơng những giảm về biên độ mà cịn bị hấp thu các sĩng cĩ sự phân cực nhất định. Kĩ thuật sử dụng hai bộ phân cực dọc và ngang và định hướng chúng để xây dựng một cơng tắc ánh sáng là nguyên tắc cơ bản chế tạo LCD. Cấu tạo cơ bản của LCD bao gồm một miếng vật liệu tinh thể lỏng cĩ bề dày khoảng 10µm được kẹp giữa hai miếng thủy tinh, mặt trong miếng thủy tinh là các điện cực được tạo bởi một lớp mỏng kim loại oxid thiếc trong suốt cho ánh sáng xuyên qua được. Lớp điện cực này gồm cĩ những hình ảnh, dấu hiệu cần được thể hiện. Xung quanh bên hơng hai tấm kiếng được hàn kín lại tạo thành một hộp kín, sau đĩ tinh thể lỏng được đổ vào bên trong và bịt kín lại. Bằng cách sử dụng tính chất của tinh 2 6
Đo lường điện thể lỏng, sự phân cực ánh sáng đi qua cĩ thể bị thay đổi và khả năng truyền ánh sáng bị điều khiển bởi điện trường. Tinh thể lỏng cĩ thể cĩ một trong hai trạng thái. Khi khơng cĩ điện áp đặt vào hai điện cực, chúng ở trạng thái cho phép ánh sáng xuyên qua. Khi cĩ điện áp đưa vào điện cực, điện trường giữa các điện cực làm thay đổi định hướng của các phân tử tinh thể. Với các phân tử được đồng chỉnh theo điện trường, trong khi ánh sáng đi qua khơng thay đổi phân cực sẽ khiến ánh sáng đi qua điện cực bị ngăn lại. Ảnh tối theo hình dạng của các điện cực được tạo ra. Ưu điểm của màn hiển thị LCD: • Tiêu thụ cơng suất rất thấp với dịng điện khoảng 20 [nA/mm2]. Điều này giúp cho LCD ứng dụng được với các dụng cụ/thiết bị dùng pin nhằm tiết kiệm năng lượng • Yêu cầu điện áp thấp, tiêu biểu 1,5 đến 5 [V] • Tương thích với CMOS • Cĩ thể đọc được dưới ánh sáng mặt trời • Khả năng linh động cao giúp cho LCD thích hợp với các ứng dụng hiển thị theo đoạn, ma trận chấm, đồ thị, đồ họa và các ứng dụng khác LCD cĩ các bất lợi sau: • Trong nhiều ứng dụng, thời gian đáp ứng của tế bào LCD rất chậm so với LED. Thời gian để cho LCD khởi động vào khoảng ms và thời gian đạt trạng thái tắt vào khoảng vài chục ms • Phải dùng đến nguồn sáng ngồi để quan sát (LCD khơng tự phát sáng được) • Gĩc nhìn của bộ hiển thị bị hạn chế • Đời sống tương đối ngắn so với LED • Các dụng cụ hay thiết bị này nhạy với nhiệt độ 2.6.3 Cơ cấu điện tử chỉ thị bằng ống tia âm cực (CRT): Ống tia điện tử (ống tia âm cực CRT_Cathode Rays Tube): cấu tạo gồm súng phĩng điện tử và màn phát quang, tất cả đặt trong một bầu thủy tinh đã được rút chân khơng. Súng phĩng điện tử: Anode Lưới khiển G1 Lưới hội tụ G3 Màn phát quang X Y P Tim đèn Đường thẳng X Y trung tâm Cathode Lưới gia tốc G2 Hệ thống làm lệch chùm tia Điện áp xoay chiều khoảng 6,3V cấp cho tim đèn để nung nĩng cathode phát xạ ra điện tử (electron). Chùm tia điện tử xuất phát từ súng được gia tốc bởi cao áp dương đặt ở anode, điện tử sẽ bay đến đập vào màn phát quang của đèn và tạo ra điểm sáng 2 7
Đo lường điện Cĩ hai phương pháp lái chùm tia điện tử: Phương pháp điện trường: Điện trường quét được tạo ra bằng cách đặt điện áp răng cưa lên hai bản cực X, tín hiệu cần biểu diễn trên màn hình sẽ đặt vào hai bản cực Y bằng kim loại ở bên trong đèn để lái chùm tia theo chiều dọc. Điện trường này sẽ tạo ra lực tác dụng tổng hợp lên chùm tia điện tử đi ngang qua nĩ quét lên màn phát quang tạo ra các điểm sáng trên màn hình. Phương pháp này được sử dụng trong hệ thống quét của máy hiện sĩng (Oscilloscope). Phương pháp từ trường: Từ trường quét được tạo ra bởi hai cuộn quét ngang và cuộn quét dọc đặt ở cổ đèn hình. Từ trường này tạo ra lực tác dụng tổng hợp lên chùm tia điện tử đi ngang qua nĩ để lái chùm tia đập vào một điểm bất kỳ trên màn hình. Điện áp tín hiệu hình cần thể hiện trên màn hình sẽ điều khiển mật độ chùm tia để tạo nên hình ảnh với độ sáng tối tương ứng. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong máy thu hình. Kích thước chùm tia điện tử khi đập lên màn phát quang phải đủ nhỏ thì mới thể hiện lại được những chi tiết cĩ độ nét cao. Độ hội tụ chùm tia tốt nhất thường đạt tại tâm của màn ảnh. Cĩ thể dùng điện trường hoặc từ trường để chỉnh độ hội tụ chùm tia. Mặt bên trong màn hình được phủ một lớp phát quang (ZnS) cĩ khả năng phát ra ánh sáng khi bị va đập bởi chùm tia điện tử, lớp này chế tạo từ hợp chất phosphorus. Anode của đèn hình là một lớp dẫn điện phủ ở mặt trong của bầu thủy tinh đèn hình, vì điện áp anode rất cao nên cực nối dây ra khơng được đặt chúng gần với các cực khác mà cĩ một vị trí riêng trên thân đèn. Bên ngồi lớp thủy tinh của thân đèn cĩ phủ một lớp dẫn điện và được nối xuống sườn máy, nếu điểm tiếp xúc khơng tốt cĩ thể phát sinh ra nhiễu trên màn ảnh. Súng phĩng điện tử gồm cĩ cathode cĩ khả năng bức xạ điện tử khi được nung nĩng, lưới khiển G1 và lưới gia tốc G2. Cấu tạo các lưới cĩ dạng ống trịn cĩ khoét lỗ nhỏ ở tâm, vật liệu thường dùng là niken. Điện áp tại lưới khiển cĩ giá trị âm để điều khiển vùng điện tích khơng gian gần cathode. Hầu hết các điện tử xuất phát từ cathode đều chui qua lỗ nhỏ khoét trên các lưới và tiến đến anode cĩ điện áp khoảng 15 kV. Điện tử xuất phát từ cathode cĩ khuynh hướng phân kỳ vì mang cùng điện tích âm nên chúng xơ đẩy nhau. Do đĩ cần phải thu nhỏ kích thước chùm tia điện tử lại, việc này gọi là hội tụ chùm tia. Lực tác động tạo bởi điện trường giữa cathode và G1 cĩ khuynh hướng đẩy các điện tử trở về cathode vì điện áp lưới G1 cĩ giá trị âm. Vì khoảng cách từ G1 đến cathode khơng đều nhau ở mọi vị trí nên dưới ảnh hưởng của lực điện trường các điện tích cĩ khuynh hướng đi chuyển về đường thẳng trung tâm và cuối cùng tập trung tại điểm P ngồi lưới G1. Do đĩ cĩ thể xem P là điểm xuất phát điện tử đối với màn hình. 28
Đo lường điện Câu hỏi ơn tập: 1. Vẽ hình và trình bày cấu tạo cơ cấu từ điện? 2. Trình bày nguyên lí hoạt động của cơ cấu từ điện? Phương trình đặc tính thang đo như thế nào, cĩ nhận xét gì? 3. Trình bày những đặc điểm của cơ cấu từ điện? 4. Vẽ hình và trình bày cấu tạo cơ cấu điện từ? 5. Trình bày nguyên lí hoạt động của cơ cấu điện từ? Phương trình đặc tính thang đo như thế nào, cĩ nhận xét gì? 6. Trình bày những đặc điểm của cơ cấu điện từ? 7. Vẽ hình và trình bày cấu tạo cơ cấu điện động? 8. Trình bày nguyên lí hoạt động của cơ cấu điện động? Phương trình đặc tính thang đo như thế nào, cĩ nhận xét gì? 9. Trình bày những đặc điểm của cơ cấu điện động? 10. Vẽ hình và trình bày cấu tạo cơ cấu cảm ứng? 11. Trình bày nguyên lí hoạt động của cơ cấu cảm ứng? Phương trình đặc tính thang đo như thế nào, cĩ nhận xét gì? 12. Trình bày những đặc điểm của cơ cấu cảm ứng? 13. Vẽ hình và trình bày cấu tạo cơ cấu tĩnh điện? 14. Trình bày nguyên lí hoạt động của cơ cấu tĩnh điện? 15. Trình bày những đặc điểm của cơ cấu tĩnh điện? 16. Hãy so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa cơ cấu từ điện và cơ cấu điện từ? 17. Hãy so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa cơ cấu từ điện và cơ cấu điện động? 18. Hãy so sánh ưu điểm, khuyết điểm giữa cơ cấu điện động và cơ cấu điện từ? 19. Trình bày ngắn gọn kết cấu bộ hiển thị trong cơ cấu điện tử chỉ thị bằng diode phát quang? 20. Trình bày và tính tốn các mạch phân cực cho diode phát quang? 21. Trình bày ngắn gọn về nguyên tắc hoạt động của cơ cấu điện tử chỉ thị bằng tinh thể lỏng? 22. Trình bày ưu điểm và khuyết điểm của cơ cấu điện tử chỉ thị bằng tinh thể lỏng? 23. Trình bày ngắn gọn về cấu tạo cơ cấu điện tử chỉ thị bằng ống phĩng tia điện tử? 24. Trình bày ngắn gọn nguyên tắc hoạt động của cơ cấu điện tử chỉ thị bằng ống phĩng tia điện tử? 25. Trình bày kí hiệu các loại cơ cấu đo? 29
Đo lường điện (Trang trắng) 30
Đo lường điện Chương 3: ĐO DỊNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 3.1 Đo dịng điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 3.1.1 Đo dịng điện một chiều (DC) 3.1.2 Đo dịng điện xoay chiều (AC) 3.1.3 Ảnh hưởng của Ampe kế đối với mạch đo 3.2 Đo điện áp một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 3.2.1 Đo điện áp một chiều (DC) 3.2.2 Đo điện áp xoay chiều (AC) 3.2.3 Ảnh hưởng của Volt kế đối với mạch đo 3.3 Đo điện áp một chiều bằng phương pháp biến trở 3.3.1 Nguyên lí đo 3.3.2 Ứng dụng của phương pháp đo điện áp bằng biến trở 3.4 Volt kế điện tử, Ampe kế điện tử 3.4.1 Sơ đồ khối 3.4.2 Nguyên lí đo của Volt kế điện tử, Ampe kế điện tử 31
Đo lường điện (Trang trắng) 32
Đo lường điện Chương 3: ĐO DỊNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 3.1 Đo dịng điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 3.1.1 Đo dịng điện một chiều (DC): Cơ cấu đo từ điện thường chỉ được dùng đo dịng điện từ vài chục đến vài trăm µA (50 ÷ 500µA). Nhưng trong thực tế ta cần đo những dịng điện cĩ các trị số lớn hơn nhiều, muốn vậy cần phải mở rộng thang đo dịng điện bằng cách dùng các điện trở shunt. Điện trở shunt là điện trở mắc song song với cơ cấu đo được dùng để bảo vệ cơ cấu khi mở rộng phạm vi đo. Nhờ cĩ điện trở shunt mà dịng điện cần đo chạy qua cơ cấu đo một phần nhỏ, cịn hầu hết sẽ rẽ mạch qua điện trở shunt. Do vậy, mặc dù dịng điện cho phép qua cơ cấu là nhỏ nhưng ta vẫn cĩ thể dùng cơ cấu đo cĩ mắc thêm điện trở shunt để đo dịng điện lớn tới vài chục Ampe. I: Dịng điện cần đo [A] Im: Dịng điện chạy qua cơ cấu [A] IS: Dịng điện chạy qua điện trở shunt [A] Chú ý: Ta thường gọi dịng điện chạy qua cơ cấu là Im, giá trị lớn nhất của dịng điện này là dịng điện cực đại Imax cũng là dịng điện làm kim lệch hết thang đo IFS (FS: Full Scale) Ta cĩ: I = IS + Im Rm.RS Im.Rm = IS.RS = I. Rm + RS Gọi n là hệ số hiệu chỉnh dịng điện: I R .(R + R ) R n = = m m S = 1 + m Imax Rm.RS RS Rm RS = n - 1 Do vậy để mở rộng các thang đo dịng điện ra n lần thì điện trở shunt cần cĩ trị số nhỏ hơn điện trở mạch cơ cấu đo (n – 1) lần. Mạch đo dịng điện trong đồng hồ đo điện vạn năng: Để đo các dịng điện cĩ trị số khác nhau, trong đồng hồ đo điện vạn năng người ta sử dụng hai loại điện trở shunt chủ yếu là điện trở shunt riêng biệt và điện trở shunt vạn năng. Mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt riêng biệt: Ứng với mỗi thang đo dịng đều cĩ một điện trở shunt riêng biệt khơng liên quan với nhau. Rm RS = n - 1 I n = là hệ số điều chỉnh dịng điện Imax 33
Đo lường điện Do các điện trở shunt tách biệt nhau nên kiểu mạch này thuận lợi cho việc sửa chữa, hiệu chỉnh giá trị các điện trở shunt. Nhưng số điện trở dây quấn sẽ tăng lên, khơng cĩ lợi về kinh tế. Mặt khác khi chuyển mạch tiếp xúc xấu hoặc khơng tiếp xúc thì coi như điện trở shunt bị loại khỏi mạch điện. Lúc đĩ dịng điện cần đo chạy thẳng qua cơ cấu đo gây sự quá tải và đứt khung dây. Vì những khuyết điểm trên mà kiểu mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt riêng biệt ít được sử dụng trong đồng hồ đo điện vạn năng. Mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt vạn năng (shunt Ayrton): Shunt vạn năng cĩ đặc điểm là bao gồm tất cả các shunt riêng rẽ của của các thang đo khác nhau, nghĩa là shunt của thang đo trước là một phần của shunt trong thang đo sau, nhờ vậy tiết kiệm điện trở dây hơn. Đặc biệt khi chuyển mạch thay đổi tầm đo thì dù cho tiếp xúc xấu hoặc khơng tiếp xúc thì cơ cấu đo cũng khơng bị quá tải vì hai đầu shunt vạn năng đã được hàn cố định với hai đầu cơ cấu đo. Do đĩ các đồng hồ đo điện vạn năng hiện nay phổ biến dùng shunt vạn năng để đo dịng điện. Tuy nhiên việc sửa chữa, hiệu chỉnh mạch đo dùng shunt vạn năng gặp phức tạp hơn và phải theo đúng thứ tự các thang đo. Các đặc tính của điện trở shunt: Điện trở shunt được chia làm hai loại: điện trở shunt trong và điện trở shunt ngồi Đặc điểm chung: • Phân dịng để mở rộng thang đo dịng điện cho cơ cấu khi dịng cần đo lớn hơn dịng giới hạn của cơ cấu. • Được mắc song song với cơ cấu đo. • Được chế tạo bằng vật liệu ổn định với nhiệt độ, cĩ hệ số nhiệt điện trở thấp như: Manganin (Cu 85%, Mn 12%, Ni 3%) hoặc Conxtan để đảm bảo độ chính xác cao. Ví dụ: Manganin cĩ hệ số nhiệt điện trở α = (1 ÷ 3) .10-5 [Ω/oC] Cu cĩ hệ số nhiệt điện trở α = 4.10-3 [Ω/oC] gấp ≈ 100 lần α của Manganin. • Điện trở shunt được chế tạo với độ chính xác cao cĩ thể từ 1% đến 0,1%. • Điện trở shunt phải chính xác, nên khi tính tốn thường phải lấy 3 ÷ 4 số lẻ. Đặc điểm riêng: • Điện trở shunt cĩ hình dạng giống như điện trở thường, hoặc cĩ dạng lị xo. Nĩ cĩ hai cực và thường được nối sẵn bên trong cơ cấu đo. • Điện trở shunt ngồi cĩ bốn cực, trong đĩ cĩ hai cực để nối với cơ cấu đo, hai cực để nối với mạch đo. • Điện trở shunt ngồi thường cĩ giá trị nhỏ hơn điện trở shunt trong để cĩ khả năng phân dịng lớn hơn. Các shunt trong cho dịng qua lớn nhất khơng quá vài chục Ampe, cịn shunt ngồi cĩ thể cho qua dịng hàng trăm thậm chí đến hàng nghìn Ampe. 34
Đo lường điện Phương pháp giải bài tập thiết kế mạch đo dịng điện sử dụng điện trở shunt vạn năng gồm các bước sau: a. Đổi tất cả các đơn vị trong bài tập về đơn vị chuẩn b. Đối với từng tầm đo, ta viết phương trình cân bằng điện áp trên hai nhánh mắc song song. Điện áp trên mỗi nhánh bằng dịng điện chạy trên nhánh nhân với điện trở của nhánh. c. Giải phương trình chứa điện trở shunt lớn nhất. d. Thay kết quả vừa tìm được vào các phương trình cịn lại, khi cần cĩ thể kết hợp thêm một phương trình nữa để tìm ra giá trị các điện trở shunt thành phần. Ví dụ 1: Cho cơ cấu đo cĩ Rm = 3 [kΩ], Imax = 50 [µA]. Tầm đo 3: đo dịng 100 [µA] Tầm đo 2: đo dịng 1 [mA] Tầm đo 1: đo dịng 10 [mA] a. Tính giá trị điện trở R1, R2, R3? b. Tính giá trị điện trở shunt của ba tầm đo? Đáp số: 3 a. R1 = 30 [Ω]; R2 = 270 [Ω]; R3 = 2,7.10 [Ω] 3 b. RS1 = 30[Ω]; RS2 = 300[Ω]; RS3 = 3.10 [Ω] 3.1.2 Đo dịng điện xoay chiều (AC): Các cơ cấu điện từ và điện động đều cĩ thể đo trực tiếp dịng điện xoay chiều, trong khi cơ cấu từ điện khơng làm được việc này. Muốn sử dụng cơ cấu từ điện để đo dịng điện xoay chiều ta phải kết hợp với mạch chỉnh lưu để biến đổi dịng điện xoay chiều thành dịng điện một chiều trước khi đưa vào mạch đo, cĩ thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu sau để kết hợp với cơ cấu từ điện: Sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kì: i t Dịng điện xoay chiều trước khi vào bộ chỉnh lưu i CL iTBiHD iTB t Dịng điện xoay chiều sau khi ra bộ chỉnh lưu Điện trở R và diode D2 cĩ tác dụng bảo vệ D1 trong bán kì D1 bị phân cực ngược. Dịng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: I cltb = 0.318⋅ 2 ⋅ I hd Icltb = Imax là dịng điện tối đa chạy qua cơ cấu 35
Đo lường điện Sơ đồ chỉnh lưu tồn chu kì kiểu cầu (sử dụng 4 diode): i t Dịng điện xoay chiều trước khi vào bộ chỉnh lưu iCL iTBiHD iTB Dịng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: t I cltb = 0.636 ⋅ 2 ⋅ I hd Dịng điện xoay chiều sau Icltb = Imax là dịng điện tối đa chạy qua cơ cấu khi ra bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu tồn chu kì cho phép dịng điện trong cả hai bán kì đều chạy qua cơ cấu nên trị số dịng điện chỉnh lưu trong sơ đồ hai nửa chu kì lớn gấp đơi dịng điện chỉnh lưu trong sơ đồ nửa chu kì. Sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì sử dụng 2 diode và 2 điện trở: Sơ đồ trên đã thay thế hai diode trong mạch chỉnh lưu cầu bằng hai điện trở mà vẫn đảm bảo chỉnh lưu được dịng điện xoay chiều. Nhờ giảm được số diode trong mạch mà sai số do ảnh hưởng của nhiệt đã được giảm nhỏ. Sơ đồ này phải đảm bảo các điều kiện sau: • Khi đo dịng điện tải, cơ cấu phải đảm bảo dịng điện chạy qua vẫn là dịng điện xoay chiều để khơng ảnh hưởng đến mạch tải bên ngồi. • Trong hai nửa chu kì đều cĩ dịng điện chạy qua cơ cấu theo một chiều nhất định. Hoạt động: Trong mỗi nửa chu kì, dịng điện chỉnh lưu sẽ cĩ một phần (khoảng 30% ÷ 40%) chạy qua cơ cấu, phần cịn lại rẽ nhánh qua một trong hai điện trở. Như vậy một trong hai điện trở sẽ đĩng vai trị là điện trở shunt chia dịng điện cần đo. Điều này là hữu ích nếu dịng điện cần đo cĩ trị số lớn, nhưng sẽ làm giảm độ nhạy của cơ cấu khi dịng điện cần đo cĩ giá trị nhỏ. Trong các sơ đồ chỉnh lưu, độ lệch của phần lớn các cơ cấu đo tỉ lệ với trị số trung bình của dịng điện xoay chiều. Nhưng đối với điện xoay chiều, người ta chỉ cần biết giá trị hiệu dụng. Do vậy, các đồng hồ đo điện thường chia độ thang đo của dụng cụ chỉnh lưu ra trị số hiệu dụng. Mối quan hệ giữa trị số hiệu dụng I và trị số trung bình Itb gọi là hệ số hình dạng của dịng điện xoay chiều. I = kH Itb 36
Đo lường điện Với dịng điện xoay chiều cĩ dạng hình sin, hệ số hình dạng cĩ giá trị kH = 1,11. Nếu dịng điện xoay chiều cĩ dạng khác hình sin thì hệ số kH sẽ thay đổi. Như vậy đối với các đồng hồ đo khi sản xuất đã được hiệu chuẩn với các tín hiệu sin thì các trị số chia độ trên thang đo sẽ khơng cĩ ý nghĩa khi đo dịng điện cĩ dạng khơng sin. Gọi Im là dịng điện chạy qua cơ cấu đo Với sơ đồ chỉnh lưu tồn chu kì sử dụng 4 diode, ta cĩ dịng điện chỉnh lưu chạy I qua cơ cấu Im cũng chính là dịng điện trung bình cĩ giá trị: Im = Itb = kH Với sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì vì dịng điện giảm đi một nửa nên ta cĩ: I Im = Itb = 2.kH Với sơ đồ chỉnh lưu tồn chu kì sử dụng 2 diode kết hợp 2 điện trở, ta cĩ dịng điện R I R trung bình được tính theo sơ đồ phân tích: Im = Itb . = . 2R + Rm kH 2R + Rm Trong một số trường hợp để đo dịng điện xoay chiều tần số cao người ta khơng dùng chỉnh lưu mà dùng cặp nhiệt ngẫu. Dịng điện xoay chiều đi qua cặp nhiệt ngẫu sẽ đốt nĩng đầu nối của nĩ và tạo ra sức điện động một chiều tỉ lệ với bình phương cường độ dịng điện. Sức điện động một chiều này được đặt vào hai đầu khung dây của cơ cấu đo kiểu từ điện khiến cho kim chỉ thị quay một gĩc tương ứng. Ưu, khuyết điểm của bộ chỉnh lưu bán dẫn: Cĩ độ nhạy cao vì chỉ cần điện áp nhỏ để mở thơng linh kiện bán dẫn, cơng suất tiêu thụ thấp nên ảnh hưởng ít đến mạch đo. Nhưng khuyết điểm lớn nhất của chỉnh lưu bán dẫn là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ mơi trường, độ chính xác khơng cao, đặc tuyến hoạt động khơng hồn tồn tuyến tính, khi tần số tính hiệu tăng thì ảnh hưởng của các điện dung kí sinh trở nên đáng kể, điều này cũng lí giải tại sao thang đo xoay chiều khơng trùng với thang đo một chiều. 3.1.3 Ảnh hưởng của Ampe kế đối với mạch đo: Ampe kế dùng để đo dịng điện, nĩ được mắc nối tiếp với mạch cần đo. Sơ đồ mắc Ampe kế vào mạch: Khi Ampe kế mắc vào trong mạch khiến cho I’ < I do vậy cĩ ảnh hưởng đến mạch đo. Người ta mong muốn sự ảnh hưởng này càng nhỏ càng tốt. Muốn vậy nội trở RA phải càng nhỏ so với điện trở tải để giảm sai số. Trong mạch đo dịng điện trong Ampe kế ta cĩ: RShunt.Rm RA = RShunt + Rm RA: Nội trở của Ampe kế [Ω] Khi thang đo thay đổi thì điện trở RShunt thay đổi, do vậy nội trở RA cũng thay đổi. Đối với thang đo dịng điện lớn thì nội trở càng nhỏ và ngược lại khi thang đo càng nhỏ thì nội trở càng lớn. 37
Đo lường điện Ví dụ 2: Cho một cơ cấu từ điện cĩ Rm = 1 [kΩ], IFS = 50 [µA]. Hãy so sánh nội trở của Ampe kế tại các tầm đo 1 [mA] và 30 [mA]? Đáp số: RA1 = 50 [Ω], RA2 = 0,167 [Ω] Ví dụ 3: Cho Ampe kế 1 cĩ RA1 = 50 [Ω] mắc nối tiếp với tải cĩ R tải = 100 [Ω] Ampe kế 2 cĩ RA2 = 10 [Ω] mắc nối tiếp với tải cĩ R tải = 100 [Ω] Hãy tính sai số mắc phải khi sử dụng Ampe kế 1 và Ampe kế 2? Đáp số: ∆I1 = 0,01; ε1 = 30% ∆I2 = 0,003; ε2 = 10% 3.2 Đo điện áp một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 3.2.1 Đo điện áp một chiều (DC): Nguyên lí đo: Điện áp cần đo được chuyển thành dịng điện đi qua cơ cấu chỉ thị. Nghĩa là, đo điện áp thơng qua dịng điện chạy qua cơ cấu. Các cơ cấu từ điện, điện từ, điện động đều được dùng làm Volt kế đo điện áp một chiều. Nếu dùng các cơ cấu chỉ thị trên trực tiếp đo điện áp một chiều thì trị số điện áp đo được sẽ khơng đáng kể, thường khơng quá 1 [V] do giới hạn đo của chúng bị hạn chế bởi dịng lệch tồn phần. Để đo được các điện áp lớn hơn, ta phải mở rộng thang đo bằng cách dùng thêm các điện trở phụ Rp mắc nối tiếp với cơ cấu đo. Trị số điện áp cần đo: U = Im.(Rm + Rp) Im: Dịng điện chạy qua cơ cấu [A] Rm: Điện trở nội của cơ cấu [Ω] Rp: Điện trở phụ mắc nối tiếp với cơ cấu [Ω] U Do đĩ: Rp = - Rm Im Tổng trở vào của Volt kế: ZV = Rm + Rp Tổng trở vào Volt kế khơng phải là một giá trị cố định mà sẽ thay đổi theo tầm đo. Tầm đo điện áp càng lớn thì điện trở phụ mắc nối tiếp sẽ càng lớn do vậy tổng trở vào sẽ càng lớn. Việc mở rộng thang đo điện áp ta cĩ thể sử dụng điện trở phụ mắc riêng biệt hoặc điện trở phụ vạn năng. Mạch đo điện áp dùng điện trở phụ riêng biệt: 38
Đo lường điện Mỗi tầm đo điện áp cĩ một điện trở phụ tương ứng, điện áp càng lớn thì điện trở phụ mắc nối tiếp cĩ giá trị càng lớn. Dạng mạch này thuận tiện cho việc sửa chữa, điều chỉnh song cũng cĩ nhược điểm như mạch dùng điện trở shunt riêng biệt. Ví dụ 4: Volt kế dùng cơ cấu từ điện cĩ Rm = 0,5 [kΩ], Imax = 100 [µA]. Giả sử mạch đo điện áp của Volt kế sử dụng điện trở phụ riêng biệt. Hãy tính giá trị điện trở phụ cho ba tầm đo V1 = 2,5 [V], V2 = 10 [V], V3 = 50 [V]. Đáp số: Rp1 = 24,5 [KΩ]; Rp2 = 99,5 [KΩ]; Rp3 = 499,5 [KΩ] Mạch đo điện áp dùng điện trở phụ vạn năng: Trong mạch đo điện áp dùng điện trở phụ vạn năng, ta thấy điện trở phụ của thang đo điện áp nhỏ là một phần trong điện trở phụ của thang đo điện áp lớn hơn. Việc sử dụng điện trở phụ vạn năng sẽ tiết kiệm hơn về kinh tế và được sử dụng nhiều hơn trong các đồng hồ đo điện vạn năng, nhưng việc sửa chữa, điều chỉnh sẽ phức tạp hơn vì điện trở phụ của các thang đo cĩ liên quan với nhau. Khi hư hỏng điện trở phụ của thang đo điện áp nhỏ thì thang đo lớn cũng bị ảnh hưởng vì khơng đo chính xác điện áp được nữa. Ví dụ 5: Volt kế dùng cơ cấu từ điện cĩ Rm = 300 [Ω], IFS = 0,3 [mA]. Giả sử mạch đo điện áp của Volt kế sử dụng điện trở phụ vạn năng. Hãy tính giá trị điện trở phụ để thang đo điện áp của đồng hồ vạn năng đo được điện áp: 6 [V], 30 [V], 150 [V]. Đáp số: Rp1 = 19,7 [KΩ]; Rp2 = 99,7 [KΩ]; Rp3 = 499,7 [KΩ] 3.2.2 Đo điện áp xoay chiều (AC): Các cơ cấu đo kiểu điện từ, điện động đều cĩ thể đo trực tiếp điện áp hiệu dụng AC. Phương pháp để mở rộng thang đo điện áp một chiều đã nghiên cứu cũng được áp dụng cho các cơ cấu này khi cần mở rộng thang đo điện áp xoay chiều. Riêng với cơ cấu từ điện khi cần đo điện áp AC thì phải sử dụng thêm bộ chỉnh lưu. 39
Đo lường điện Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng một diode(Mạch chỉnh lưu bán kỳ): Sơ đồ: D1: Diode nắn dịng điện bán kì dương D2: Diode bảo vệ D1 trong bán kì âm tránh điện áp phân cực ngược gây hư hỏng khi đo điện áp xoay chiều cĩ giá trị lớn Dịng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: I cltb = 0.318 ⋅ 2 ⋅ I hd Icltb = Imax là dịng điện tối đa chạy qua cơ cấu VAC = (R + Rm).Ihd + VD (tính theo trị hiệu dụng) VAC −VD (R + Rm ) = I hd Ví dụ 6: Cho một cơ cấu cĩ Rm = 1 [kΩ], IFS = 50 [µA] được mắc thành mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng một diode. Hãy xác định giá trị điện trở RP khi cần đo VAC = 10 [V], cho biết VD = 0,6 [V]. Đáp số: R P= 83,68 [kΩ] Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 4 diode (Mạch chỉnh lưu tồn kỳ): Sơ đồ mạch: Dịng chỉnh lưu trung bình qua mạch đo: I cltb = 0.636 ⋅ 2 ⋅ I hd Icltb = Imax là dịng điện tối đa chạy qua cơ cấu VAC = (R + Rm).Ihd + 2.VD (tính theo trị hiệu dụng) VAC − 2 ⋅VD (R + Rm ) = I hd Ví dụ 7: Cho một cơ cấu cĩ Rm = 1 [kΩ], IFS = 50 [µA] được mắc thành mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng mạch chình lưu tồn kỳ. Hãy xác định giá trị điện trở RP khi cần đo VAC = 10 [V], cho biết VD = 0,6 [V]. 40
Đo lường điện Mạch đo điện áp xoay chiều sử dụng 2 diode kết hợp 2 điện trở: Sơ đồ mạch Chọn điện trở R1 = R2 = R 3.2.3 Ảnh hưởng của Volt kế đối với mạch đo: Volt kế dùng đo điện áp, được mắc song song với phần tử cần đo điện áp. Vì vậy tổng trở của Volt kế sẽ mắc song song với phần tử cần đo. Sơ đồ mắc Volt kế vào mạch: V Khi chưa mắc Volt kế vào mạch thì I = R1 + R2 V V2 = I.R2 = .R2 R1 + R2 V Sau khi mắc Volt kế vào mạch thì I’ = R2.RV R1 + R2 + RV R .R R .R V Volt kế chỉ giá trị: V’ = 2 V .I’= 2 V . R2 + RV R2 + RV R2.RV R1 + R2 + RV V Nếu R2 << RV thì V’ = .R2 ≈ V, cĩ thể coi ảnh hưởng của Volt kế khơng R1 + R2 đáng kể đối với mạch đo. Ví dụ 7: Cho mạch điện cĩ R1 = 6 [Ω], R2 = 4 [Ω]. Điện áp đặt vào hai đầu mạch: 10 [V]. Volt kế cĩ RV = 200 [kΩ]. Hãy xác định ảnh hưởng của Volt kế. Đáp số: Khi cĩ Volt kế thì V’2 = 3,92 [V] 3.3 Đo điện áp một chiều bằng phương pháp biến trở 3.3.1 Nguyên lí đo: Thực hiện phép so sánh giữa điện áp cần đo (chưa biết giá trị) với một điện áp chuẩn (đã biết giá trị). Nếu hai điện áp bằng nhau thì giá trị điện áp cần đo sẽ được suy ra từ giá trị điện áp chuẩn. 41
Đo lường điện Sử dụng một điện kế G (Galvanometer) để phát hiện sự cân bằng của hai điện áp này. Khi hai điện áp bằng nhau thì kim của điện kế G chỉ vị trí 0, lúc này giá trị điện áp cần đo đúng bằng giá trị điện áp chuẩn. Sơ đồ mạch: B1: Nguồn điện áp một chiều cấp cho mạch đo [V] B2: Nguồn điện áp chuẩn [V] VR1: Biến trở điều chỉnh dịng điện chuẩn I [Ω] VR2: Biến trở đo lường để đưa ra áp chuẩn [Ω] G: Điện kế (cơ cấu từ điện) R: Nội trở của nguồn áp chuẩn ban đầu [Ω] S: Khĩa chuyển hai vị trí A, B Vị trí A: Dùng để chuẩn đồng hồ đo trước khi thực hiện đo Vị trí B: Để thực hiện đo điện áp cần đo Vx Gọi phần điện trở tính từ vị trí 1 đến con trượt K của VR1 là: R1 Gọi phần điện trở tính từ vị trí 1 đến con trượt K của VR2 là: R2 Ta cĩ: B I = 1 R1 + VR2 Hoạt động: Trong quá trình sử dụng, nguồn điện áp B1 cĩ thay đổi giá trị (pin bị yếu hoặc mạnh quá mức cần thiết) gây ảnh hưởng đến kết quả đo nên người ta phải sử dụng biến trở VR1 để điều chỉnh dịng điện I trong mạch khơng đổi khi nguồn B1 thay đổi trong phạm vi cho phép. Muốn vậy, trước khi thực hiện đo điện áp Vx, người ta di chuyển con chạy K của VR2 đến vị trí định trước ứng với điện áp ghi trên thang đo bằng điện áp của nguồn chuẩn B2 sau đĩ chuyển khĩa S sang vị trí A để dùng nguồn chuẩn B2 chuẩn hĩa cho đồng hồ đo. Nếu kim của G khơng nằm tại vị trí 0 thì cĩ nghĩa là điện áp chuẩn B2 đã cĩ sự sai lệch với điện áp từ VR2 đưa ra. Người ta điều chỉnh biến trở VR1 để dịng điện I chạy trong mạch đo mang giá trị như ban đầu, lúc đĩ kim của điện kế G sẽ chỉ về vị trí 0. Kết thúc quá trình kiểm tra đồng hồ đo (định chuẩn đồng hồ đo). Sau đĩ khĩa S được chuyển sang vị trí B để thực hiện so sánh điện áp trên R2 với điện áp Vx. Điều chỉnh con chạy K của biến trở đo lường VR2 sao cho kim điện kế chỉ về 0. 42
Đo lường điện Thơng thường người ta ghi trị số điện áp trên VR2 để khi con chạy K dịch chuyển đến vị trí nào ta sẽ biết được điện áp chuẩn đang cĩ giá trị bao nhiêu. Tại vị trí dừng của con chạy K ta xem thang đo ghi giá trị điện áp cần đo. Ta cĩ: V(R2) = R2.I = Vx Dịng điện chạy qua điện kế G = 0 nên khơng cĩ điện áp rơi trên điện trở nội của nguồn điện áp Vx cần đo, do vậy phương pháp này cĩ ưu điểm rất chính xác. 3.3.2 Ứng dụng của phương pháp đo điện áp bằng biến trở: Định chuẩn cho Volt kế, Ampe kế một chiều: Sơ đồ mạch định chuẩn cho Volt kế một chiều: R1: Biến trở được kết hợp với R2 tạo thành mạch phân áp [Ω] V: Volt kế cần định chuẩn mắc song song với biến trở R1 [V] Khi ta thay đổi giá trị R1 thì điện áp rơi trên nĩ cũng thay đổi theo, điện áp V1 này được đo bằng phương pháp đo điện áp bằng biến trở như đã nghiên cứu trong phần trên. Giá trị của Volt kế V sẽ được so sánh với V1 để xác định độ chính xác của Volt kế cần định chuẩn. Sơ đồ mạch định chuẩn cho Ampe kế một chiều: RS: Biến trở chính xác mắc nối tiếp với Ampe kế cần định chuẩn và điện trở R [Ω] Khi ta thay đổi giá trị RS thì dịng điện chạy qua nĩ cũng thay đổi theo, dịng điện này chạy qua Ampe kế. Điện áp rơi trên biến trở RS được đo bằng phương pháp đo điện áp bằng biến trở như đã nghiên cứu trong phần trên. Ta tính ra dịng điện chạy qua Ampe kế theo cơng thức: V I = 1 sau đĩ so sánh dịng điện này với giá trị do Ampe kế chỉ để cĩ kết luận về độ RS chính xác của Ampe kế cần định chuẩn. Định chuẩn cho Volt kế, Ampe kế xoay chiều: Sơ đồ mạch định chuẩn cho Volt kế xoay chiều: 43
Đo lường điện Sơ đồ mạch định chuẩn cho Ampe kế xoay chiều: Phương pháp đo điện áp bằng biến trở khơng thể đo điện áp xoay chiều được nên ta khơng định chuẩn trực tiếp các Volt kế và Ampe kế xoay chiều mà phải nhờ đến các thiết bị trung gian. Những thiết bị này đã được định chuẩn bằng phương pháp đo điện áp bằng biến trở. V1, A1 là Volt kế và Ampe kế cần định chuẩn. V2, A2 là các Volt kế, Ampe kế đã được định chuẩn bằng phương pháp đo điện áp bằng biến trở. 3.4 Volt kế điện tử, Ampe kế điện tử 3.4.1 Sơ đồ khối: Phối hợp Đại lượng Chỉnh lưu So sánh, trở kháng, xoay chiều ra điện áp xử lí Hiển thị khuyếch đại U, I cần đo một chiều dữ liệu tín hiệu Trong sơ đồ trên, các đại lượng xoay chiều ngõ vào qua mạch phối hợp trở kháng và khuyếch đại tín hiệu nhằm giảm nhỏ ảnh hưởng của thiết bị đến mạch đo đồng thời điều chỉnh biên độ tín hiệu phù hợp với các khối kế tiếp. Tín hiệu sau đĩ được chỉnh lưu để cho ra mức điện áp một chiều, mức điện áp này thể hiện biên độ của tín hiệu ngõ vào sẽ được so sánh với các chuẩn điện áp bên trong thiết bị đo để tạo dữ liệu cho khối xử lí phía sau nhận dạng, giải mã đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đến bộ hiển thị. 3.4.2 Nguyên lí đo của Volt kế điện tử, Ampe kế điện tử: Nguyên lí đo: Tất cả các đại lượng cần đo đều được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp trước khi đưa vào mạch xử lí. Các thiết bị đo lường điện tử đều dựa trên cơ sở của Volt kế điện tử. So sánh Volt kế thường và Volt kế điện tử: Volt kế thường: • Hoạt động dựa trên cơ sở dịng điện chạy qua cơ cấu. 44
Đo lường điện • Tổng trở vào Zin thay đổi theo các tầm đo. • Độ nhạy S hồn tồn phụ thuộc vào giá trị IFS. Do vậy độ nhạy thường là cố định đối với từng Volt kế. • Khi thực hiện đo cĩ thể đo giữa hai điểm bất kì trên mạch. Volt kế điện tử: • Hoạt động dựa trên cơ sở điện áp của tín hiệu cần đo. • Tổng trở vào Zin khơng thay đổi đối với mọi tầm đo và tối thiểu là 1 [MΩ] • Độ nhạy S do mạch khuyếch đại của Volt kế quyết định. Do vậy độ nhạy cĩ thể thay đổi được tùy vào tín hiệu cần khuyếch đại lên bao nhiêu lần. • Khi thực hiện đo, điểm mass của Volt kế điện tử phải được nối với mass của mạch cần đo, dùng que đo cịn lại để đo giá trị điện áp tại những điểm trên mạch. Ampe kế điện tử: Khi đo dịng điện DC, ta phải chuyển đổi dịng điện cần đo thành tín hiệu điện áp. Khi đo dịng điện AC, ta chuyển đổi thành điện áp AC sau đĩ chuyển điện áp AC thành điện áp DC bằng các phương pháp chỉnh lưu, phương pháp trị đỉnh hoặc phương pháp trị hiệu dụng thực. Sau cùng mới thực hiện đo điện áp DC này. 45
Đo lường điện Câu hỏi ơn tập: 1. Trình bày nhiệm vụ của điện trở shunt trong mạch đo dịng điện? Tìm biểu thức liên hệ giữa điện trở shunt và giá trị dịng điện cần đo? 2. Một Ampe kế dùng cơ cấu đo kiểu từ điện cĩ điện trở nội Rm = 99 [Ω], dịng lệch tối đa IFS = 0,1 [mA], điện trở RShunt = 1 [Ω]. Tính dịng điện tổng cộng đi qua Ampe kế trong những trường hợp sau: a. Kim lệch tối đa thang đo b. Kim lệch ½ thang đo c. Kim lệch ¼ thang đo 3. Vẽ hình và trình bày nguyên lí làm việc của mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt riêng biệt? 4. Vẽ hình và trình bày nguyên lí làm việc của mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt vạn năng? 5. Cĩ bao nhiêu loại điện trở shunt, đặc điểm của từng loại? 6. Trình bày các bước thực hiện để giải bài tốn tìm giá trị điện trở shunt trong mạch đo dịng điện? 7. Một cơ cấu đo kiểu từ điện cĩ 3 điện trở Shunt được mắc tạo thành Ampe kế. Cho R1 = 0,05 [Ω], R12 = 0,45 [Ω], R3 = 4,5 [Ω], Rm = 1 [kΩ], IFS = 50 [µA]. Hãy tính giá trị dịng điện đo được ở các tầm đo A, B, C. 8. Trình bày các sơ đồ mạch chỉnh lưu kết hợp với cơ cấu từ điện để thực hiện đo dịng điện xoay chiều? 9. Trình bày ảnh hưởng của Ampe kế đối với mạch đo dịng điện? 10. Trình bày nhiệm vụ của điện trở phụ trong mạch đo điện áp? Tìm biểu thức liên hệ giữa điện trở phụ và giá trị điện áp cần đo? 11. Vẽ hình và trình bày nguyên lí làm việc của mạch đo điện áp dùng điện trở phụ riêng biệt? 12. Vẽ hình và trình bày nguyên lí làm việc của mạch đo điện áp dùng điện trở phụ vạn năng? 13. Hãy tính Ra, Rb, Rc và giá trị điện trở phụ vạn năng trong Volt kế tương ứng ba tầm đo: 3 [V], 10 [V], 30 [V]. Cho biết cơ cấu từ điện cĩ Rm = 1 [kΩ], IFS = 50 [µA], độ nhạy S = 20 [kΩ/V]. 4 6
Đo lường điện 14. Trình bày các sơ đồ mạch chỉnh lưu kết hợp với cơ cấu từ điện để thực hiện đo điện áp xoay chiều? 15. Trình bày ảnh hưởng của Volt kế đối với mạch đo điện áp? 16. So sánh cấu tạo, nhiệm vụ và đặc điểm giữa điện trở shunt và điện trở phụ? 17. Trình bày phương pháp đo điện áp bằng biến trở? 18. Trình bày các ứng dụng của phương pháp đo điện áp bằng biến trở? 19. Trình bày sơ đồ khối của Volt kế, Ampe kế điện tử? 20. Trình bày nguyên lí đo của Volt kế, Ampe kế điện tử? 21. So sánh giữa Volt kế thường và Volt kế điện tử? 4 7
Đo lường điện (Trang trắng) 48
Đo lường điện Chương 4: ĐO ĐIỆN TRỞ 4.1 Đo điện trở dùng Volt kế và Ampe kế 4.2 Đo điện trở dùng phương pháp đo điện áp bằng biến trở 4.3 Mạch đo điện trở trong Ohm kế 4.3.1 Nguyên lí mạch đo điện trở 4.3.2 Mạch đo điện trở thực tế 4.3.3 Ohm kế cĩ nhiều tầm đo 4.3.4 Nguyên lí đo của Ohm kế tuyến tính 4.4 Cầu Wheatstone đo điện trở 4.4.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng 4.4.2 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone khơng cân bằng 4.5 Megohm kế và ứng dụng đo điện trở cách điện 4.6 Đo điện trở đất 4.6.1 Giới thiệu chung về nối đất 4.6.2 Đo điện trở đất dùng Volt kế và Ampe kế 49
Đo lường điện (Trang trắng) 50
Đo lường điện Chương 4: ĐO ĐIỆN TRỞ 4.1 Đo điện trở dùng Volt kế và Ampe kế Điện trở là linh kiện cĩ tác dụng hạn chế dịng điện trong mạch ở một giá trị thích hợp, hoặc tiêu hao năng lượng điện để chuyển thành nhiệt năng. Điện trở cĩ thể được đo bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp. Khi ta dùng Volt kế và Ampe kế để đo điện áp và dịng điện chạy qua điện trở sau đĩ dùng cơng thức để tính ra điện trở được gọi là phép đo gián tiếp, cách đo này thực hiện khi điện trở đang cĩ điện áp và dịng điện chạy qua nên cịn gọi là cách đo nĩng. Sơ đồ mạch: Cách mắc Volt kế trước Ampe kế: Điện trở cần đo Rx, được tính theo cơng thức: V Rx = I (1) V: Số chỉ Volt kế [V] I: Số chỉ Ampe kế [A] Tuy nhiên, giá trị thực sự của điện trở được tính như sau: VX Rx = I VX: Điện áp rơi trên điện trở [V] VA: Điện áp rơi trên Ampe kế [V] Ta cĩ: V = VA + VX ⇒ VX = V - VA V - VA V VA ⇒ Rx = I = I - I Nhận xét: Giá trị điện trở tính theo cơng thức (1) khác với giá trị thực sự của điện trở . Sai số mắc phải do nội trở của Ampe kế gây ra. Ta nhận thấy khi nội trở RA của Ampe kế càng nhỏ so với Rx (để VA càng nhỏ) thì điện trở tính theo cơng thức (1) càng gần với điện trở thực. Cách mắc Ampe kế trước Volt kế: 51
Đo lường điện Điện trở cần đo Rx được tính theo cơng thức: V Rx = I (2) V: Số chỉ Volt kế [V] I: Số chỉ Ampe kế [A] Tuy nhiên, giá trị thực sự của điện trở được tính như sau: V Rx = IX IX: Dịng điện chạy qua điện trở [A] IV: Dịng điện chạy qua Volt kế [A] Ta cĩ: I = IV + IX ⇒ IX = I - IV V ⇒ Rx = I - IV Nhận xét: Giá trị điện trở tính theo cơng thức (2) khác với giá trị điện trở thực. Sai số mắc phải do nội trở của Volt kế gây ra. Ta nhận thấy khi nội trở Rv của Volt kế càng lớn so với Rx (để IV càng nhỏ) thì điện trở tính theo cơng thức (1) càng gần với điện trở thực. 4.2 Đo điện trở dùng phương pháp đo điện áp bằng biến trở Sơ đồ mạch: V I.R R Ta cĩ: RX = x = x VRS I.Rs Rs VRX Do đĩ: Rx = Rs. (1) VRS Sử dụng phương pháp đo điện áp dùng biến trở để đo VRX, VRS. Sau đĩ sử dụng cơng thức (1) để tính ra giá trị Rx. Đo điện trở dùng phương pháp này khơng phụ thuộc vào dịng điện I cấp cho mạch đo. 4.3 Mạch đo điện trở trong Ohm kế 4.3.1 Nguyên lí mạch đo điện trở: Như vậy điện trở cĩ thể đo bằng cách sử dụng hai phương pháp trên, các phương pháp này đo điện trở thơng qua các đại lượng trung gian cho nên được gọi là phương pháp đo gián tiếp. Đồng thời những phương pháp đo điện trở khi thành phần điện trở cĩ dịng điện chạy qua và áp của mạch đo cung cấp nên cũng được gọi là cách đo nĩng. 52
Đo lường điện Trong đồng hồ đo vạn năng (Multimeter VOM) cĩ phần đo điện trở (Ohm kế). Khi cần đo điện trở thì do phần tử điện trở khơng mang năng lượng nên mạch đo sẽ cĩ nguồn năng lượng riêng (pin). Cách đo trực tiếp giá trị điện trở khi nĩ được loại khỏi mạch điện nên được gọi là cách đo nguội. Sơ đồ mạch: Điện trở cần đo Rx được mắc nối tiếp với cơ cấu chỉ thị nên cách đo này gọi là đo nối tiếp. Eb Im = (1) Rx + R + Rm Rx: Điện trở cần đo [Ω] R: Điện trở cân bằng thang đo [Ω] Rm: Điện trở nội của cơ cấu [Ω] Nhận xét: Cơ cấu cĩ nội trở Rm, được mắc vào mạch cĩ nguồn Eb. Khi đo điện trở Rx, dịng điện đi qua cơ cấu sẽ đạt giá trị cực đại khi Rx = 0, nếu dịng điện này vượt quá giới hạn cơ cấu sẽ gây hư hỏng. Để tránh sự cố này người ta dùng thêm điện trở cân bằng thang đo để giới hạn dịng điện chạy qua cơ cấu chỉ bằng IFS khi Rx = 0 như vậy R cĩ tác dụng bảo vệ cơ cấu. Kim chỉ thị sẽ nằm tận cùng bên phải khi Rx = 0 vì dịng điện lúc này là lớn nhất (Im = IFS). Ngược lại kim chỉ thị sẽ nằm tận cùng bên trái khi Rx = ∞ vì dịng điện là nhỏ nhất (Im = 0). Khi đo điện trở càng nhỏ thì gĩc quay của kim càng lớn. Như vậy thang đo điện trở được sắp giá trị ngược với thang đo điện áp, dịng điện. Trong cơng thức (1) ta thấy dịng điện chạy qua cơ cấu khơng tỉ lệ bậc nhất với điện trở cho nên thang đo điện trở cĩ độ chia khơng đều. Ví dụ 1: Cho một cơ cấu đo kiểu từ điện cĩ Rm = 1 [kΩ], IFS = 100 [µA], được mắc thành mạch đo điện trở kiểu nối tiếp, nguồn Eb = 1,5 [V]. a. Hãy vẽ sơ đồ mạch và tìm giá trị điện trở cân bằng thang đo. b. Với giá trị nào của Rx thì dịng điện chạy qua cơ cấu là lớn nhất, nhỏ nhất. Lúc này kim chỉ thị nằm ở vị trí nào. Rút ra nhận xét gì. c. Hãy tính Rx khi kim nằm ở ¼, ½, ¾ thang đo d. Biểu diễn giá trị Rx vừa tính được lên thang đo và rút ra nhận xét. 53
Đo lường điện Đáp số: a. R = 14 [kΩ] b. Rx = 0 kim nằm tận cùng bên phải, Rx = ∞ kim nằm tận cùng bên trái c. Rx = 45 [kΩ], Rx = 15 [kΩ], Rx = 5 [kΩ] 4.3.2 Mạch đo điện trở thực tế: Thực tế nguồn Eb sẽ giảm dần theo thời gian. Do vậy khi Rx = 0 thì dịng điện chạy qua cơ cấu sẽ khơng đạt giá trị IFS. Để cĩ thể điều chỉnh dịng điện chạy qua cơ cấu trở lại giá trị IFS, người ta sử dụng một biến trở VR mắc song song với cơ cấu. Sơ đồ mạch: VR: Phần điện trở tham gia vào mạch đo Trước khi thực hiện đo điện trở, người ta chập hai que đo lại (tương tự khi Rx = 0), sau đĩ điều chỉnh VR sao cho kim của Ohm kế chỉ 0 [Ω]. Ta cĩ: E I = b VR.Rm Rx + R + VR + Rm VR.Rm Vm = Im.Rm = IVR.VR = I. VR + Rm Vm VR.Rm 1 VR Eb VR Im = = I. . = I. = . Rm VR + Rm Rm VR + Rm VR.Rm VR + Rm Rx + R + VR + Rm Eb VR Im = . (2) VR.Rm VR + Rm Rx + R + VR + Rm Theo cơng thức (2), khi Eb thay đổi ta vẫn cĩ thể giữa Im = IFS bằng cách điều chỉnh biến trở VR đến một giá trị thích hợp. Ví dụ 3: Cho một cơ cấu đo kiểu từ điện cĩ Rm = 1 [kΩ], R = 14,5 [kΩ], IFS = 50 [µA]. Được mắc thành mạch đo điện trở kiểu nối tiếp cĩ biến trở cân chỉnh dịng Im. Nguồn Eb = 1,5 [V]. a. Hãy vẽ sơ đồ mạch và xác định giá trị Rx khi dịng điện chạy qua cơ cấu Im = IFS, Im = ½.IFS, Im = ¾.IFS. b. Giả sự sau một thời gian hoạt động, nguồn Eb giảm xuống cịn 1,3 [V]. Hãy tính giá trị VR lúc này bằng bao nhiêu để khi Rx = 0 ta vẫn cĩ Im = IFS. c. Sau khi chỉnh VR, hãy tính trị số của Rx khi dịng điện chạy qua cơ cấu Im = IFS, Im = ½.IFS, Im = ¾.IFS. d. Nhận xét trị số Rx đo được khác biệt như thế nào so với lúc nguồn Eb = 1,5 [V]. 54
Đo lường điện Đáp số: a. RX = 0 [Ω], RX = 15 [kΩ], RX = 5 [kΩ] b. VR = 1,381 [kΩ] c. RX = 0 [kΩ], RX =14,5 [kΩ], RX = 5,03 [kΩ] 4.3.3 Ohm kế cĩ nhiều tầm đo: Do thang đo của Ohm kế khơng tuyến tính và giá trị của độ chia càng tăng khi kim dịch về bên trái thang đo nên sai số sẽ tăng lên. Vì sai số lớn nên mạch nguyên lí đo điện trở khơng đo được trong phạm vi rộng. Người ta giảm sai số bằng cách mở rộng phạm vi đo điện trở. Việc mở rộng phạm vi đo điện trở thực hiện bằng cách dùng thêm các điện trở mắc kết hợp với cơ cấu theo dạng thích hợp để tạo ra nhiều phạm vi đo chính xác và dùng chuyển mạch để chuyển đổi qua lại. Tất cả các cách mở rộng phạm vi đo chính xác đều cĩ chung mục đích là làm sao cĩ thể đo được điện trở lớn mà kim vẫn nằm trong vùng ít sai số. Sơ đồ mạch mở rộng phạm vi đo chính xác sử dụng điện trở riêng biệt mắc song song với cơ cấu: Khi chuyển mạch nằm ở vị trí a (thang đo X1) thì R = 10 [Ω] mắc song song với nội trở của Ohm kế Rin = 30 [kΩ] 10.30.103 Do đĩ nội trở Ohm kế lúc này là: R’in = 10 + 30.103 ≈ 10 [Ω] Như vậy khi ta đo một điện trở cĩ giá trị 10 [Ω] thì kim sẽ lệch ½ thang đo. Khi chuyển mạch nằm ở vị trí b (thang đo X10) thì R = 100 [Ω] mắc song song với nội trở của Ohm kế Rin = 30 [kΩ], do đĩ nội trở Ohm kế lúc này là: 100.30.103 R’in = 100 + 30.103 ≈ 100 [Ω] Như vậy khi ta đo một điện trở cĩ giá trị 100 [Ω] thì kim sẽ lệch ½ thang đo. Khi chuyển mạch nằm ở vị trí c (thang đo X1k) thì R = 1 [kΩ] mắc song song với nội trở của Ohm kế Rin = 30 [kΩ], do đĩ nội trở Ohm kế lúc này là: 103.30.103 R’in = 103 + 30.103 ≈ 1 [kΩ] Như vậy khi ta đo một điện trở cĩ giá trị 1 [kΩ] thì kim sẽ lệch ½ thang đo. Ohm kế chỉ cĩ một thang đo duy nhất (0 ÷ ∞). Khi đo điện trở ta sẽ dùng chuyển mạch để thay đổi phạm vi đo sao cho kim nằm ở khoảng 2/3 thang đo tính từ phải qua. 55
Đo lường điện Sau đĩ đọc giá trị trên thang đo và nhân với hệ số ghi trên chuyển mạch để cĩ được giá trị thực của điện trở. Sử dụng mạch mở rộng phạm vi đo chính xác trên để tính dịng điện chạy qua cơ cấu khi đo Rx = 20 [Ω] (chuyển mạch đang nằm tại a). Nếu thay Rx = 20 [Ω] bằng Rx = 200 [Ω] (cho chuyển mạch nằm tại b) hoặc thay Rx = 20 [Ω] bằng Rx = 2000 [Ω] (cho chuyển mạch nằm tại c) thì dịng điện qua cơ cấu cĩ thay đổi khơng? 4.3.4 Nguyên lí đo của Ohm kế tuyến tính: Ta đã biết thang đo của Ohm kế theo nguyên lí dịng điện như đã đề cập ở trên là khơng tuyến tính theo điện trở đo. Trong các mạch điện tử đo điện trở, người ta sẽ chuyển đổi giá trị điện trở cần đo Rx thành tín hiệu điện áp Vx bằng cách cung cấp một nguồn dịng hằng (khơng đổi bất chấp giá trị Rx). Vx = I. Rx Do I khơng đổi nên Vx tuyến tính theo Rx. Như vậy người ta đã thực hiện đo điện trở thơng qua điện áp: Rx → 0, Vx → 0 Rx → ∞, Vx → giá trị điện áp lớn nhất của mạch đo Chẳng hạn mạch đo cĩ điện áp lớn nhất = 1,5 [V], thì khi Rx → ∞, Vx → 1,5 [V] Như vậy nếu Volt kế cĩ điện trở chỉnh máy trước khi đo thì phải chỉnh Rx → ∞ cho mạch đo. Khơng chỉnh Rx → 0 như ở mạch đo dựa trên cơ sở dịng điện. 4.4 Cầu Wheatstone đo điện trở Giới thiệu chung: Cầu đo lần đầu được phát minh bởi SH. Christie năm 1833. Tuy nhiên nĩ ít được sử dụng, mãi đến năm 1847 khi ơng Charles Wheatstone phát hiện ra khả năng của nĩ cĩ thể đo được điện trở rất chính xác và tên ơng đã được đặt cho mạch cầu đo này. Cầu đo Wheatstone đã được sử dụng lâu hơn bất kì thiết bị đo nào khác. Nĩ vẫn luơn là thiết bị chính xác và đáng tin cậy được dùng nhiều trong cơng nghiệp. Cấp chính xác khoảng 0,1 % là phổ biến đối với cầu Wheatstone khác với 3% ÷ 5% sai số của Ohmeter đo trở kháng. Mạch cầu đo thường dùng trong thiết bị đo lường loại so sánh, được sử dụng rộng rãi để đo trở kháng, điện kháng, dung kháng. Nĩ hoạt động dựa trên nguyên tắc chỉ thị null. Nghĩa là sự chỉ thị khơng phụ thuộc vào việc hiệu chuẩn thiết bị hay bất kì đặc tính nào của nĩ. Vì lí do này, cấp chính xác cĩ thể đạt được rất cao nhờ việc sử dụng cầu đo. Cầu đo cũng được sử dụng trong mạch điều khiển tự động chủ yếu là lĩnh vực đo lường như hệ thống cân (Loadcell), đĩng gĩi bao bì Khi sử dụng trong các ứng dụng như vậy, một nhánh của cầu đo chứa phần tử cĩ tính trở kháng mà tính chất này lại thay đổi theo các thơng số vật lí (nhiệt độ, áp suất ) Chúng ta sẽ tìm hiểu các mạch cầu cơ bản và những ứng dụng của nĩ trong đo lường và điều khiển. Một số khái niệm liên quan cũng được giới thiệu như việc sử dụng nguyên lí kĩ thuật số trong cầu đo. 4.4.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng: Cầu đo Wheatstone gồm hai nhánh điện trở mắc song song, mỗi nhánh chứa hai phần tử nối tiếp nhau thường là điện trở. Nguồn điện áp một chiều được kết nối ngang qua mạng điện trở để cấp nguồn dịng cho mạng điện trở. Bộ dị điểm 0, thường dùng là điện kế G (Galvanometer) được kết nối giữa hai nhánh song song để dị trạng thái cân bằng của cầu. 56
Đo lường điện Sơ đồ mạch nguyên lí: Sử dụng cầu để xác định giá trị của điện trở chưa biết là R4. Ta thay đổi giá trị của một trong những điện trở cịn lại cho đến khi dịng điện đi ngang qua bộ dị điểm 0 giảm về zero. Cầu đo lúc đĩ ở trạng thái cân bằng, điều này cĩ nghĩa là điện áp rơi trên R3 bằng với điện áp rơi trên R4. Vì vậy chúng ta cĩ thể nĩi rằng: I3.R3 = I4.R4 (1) Tương tự ta cũng cĩ: I1.R1 = I2.R2 (2) Vì khi cầu cân bằng dịng điện chạy qua G bằng 0 nên ta cĩ: I1 = I3 I2 = I4 (1) I .R I .R Ta lập tỉ số = 3 3 = 4 4 (2) I1.R1 I2.R2 R R 3 = 4 R1 R2 hay R1.R4 = R2.R3 (3) Nhận xét: • Cơng thức (3) miêu tả trạng thái cân bằng của cầu Wheatstone và rất thuận tiện để tính tốn giá trị điện trở chưa biết khi cầu đạt trạng thái cân bằng. • Kết quả đo khơng phụ thuộc vào nguồn cung cấp • Độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào các điện trở thành phần trong mạch cầu và độ nhạy của điện kế G. • Kết quả đo cĩ độ chính xác cao hơn các phương pháp đo khác. • Tầm đo điện trở của cầu Wheatstone: cầu đo Wheatstone chỉ đo chính xác được những điện trở cĩ giá trị lớn hơn nhiều giá trị điện trở tiếp xúc và điện trở dây nối. Trong thực tế trị số của điện trở cần đo phải ≥ 5 [Ω] Ví dụ 4: Hãy tính giá trị điện trở Rx trong mạch sau. Giả sử dịng điện chạy qua G = 0 Đáp số: Rx = 40 [kΩ] Độ nhạy của cầu Wheatstone: Khi cầu đo chưa vào trạng thái cân bằng, dịng điện chạy qua G làm kim lệch khỏi vị trí zero. Ta cĩ thể xem độ nhạy như là độ lệch trên một đơn vị dịng điện. Điều này 57
Đo lường điện nghĩa là khi độ nhạy cao sẽ cho một gĩc lệch lớn đối với cùng một dịng điện. Độ lệch cĩ thể được biểu diễn theo độ dài hoặc gĩc quay của số đo. Độ nhạy S được biểu diễn theo đơn vị: millimet độ radian S = = = µA µA µA Do vậy độ lệch tổng cộng: D = S x I S: Độ nhạy đã biết trước I: Dịng điện chạy qua cơ cấu [µA] Nhưng làm thế nào để xác định độ chênh lệch của bộ dị điểm 0, ta cĩ thể sử dụng lí thuyết Thevenil để phân tích vấn đề này. Dịng điện chạy qua G sẽ được xác định nhờ mạch tương đương Thevenil của cầu. Điện áp tương đương Thevenil được tìm ra bằng cách loại bỏ điện kế G trong mạch cầu và tính điện áp “hở mạch” giữa hai điểm a và b. Áp dụng cơng thức phân áp cho phép biểu diễn điện áp tại điểm a: R3 Va = E R1 + R3 R4 Vb = E R2 + R4 R3 R4 R3 R4 VTh = Va – Vb = E - E = E ( - ) R1 + R3 R2 + R4 R1 + R3 R2 + R4 Điện trở tương đương Thevenil được tìm bằng cách thay thế nguồn áp với điện trở nội của nĩ và tính tốn trở kháng nhìn ngược lại cầu tại các điểm nối của G. Từ điện trở nội của nguồn điện áp E được giả sử là rất bé (≈ 0) và vẽ lại cầu để dễ tính tốn điện trở tương đương. Trở kháng tương đương của mạch RTh: R1.R3 R2.R4 RTh = + R1 + R3 R2 + R4 Mạch tương đương Thevenil của cầu, khi nhìn ngược về từ hai đầu nối a, b Ta cĩ: VTh IG = RTh + RG 4.4.2 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone khơng cân bằng: Sơ đồ mạch: Trong cơng nghiệp người ta sử dụng cầu Wheatstone khơng cân bằng. Nghĩa là sử dụng điện áp ra (hoặc dịng điện ra) ở ngõ ra của cầu để đo điện trở Rx hoặc đo sự thay đổi ∆R của Rx 58
Đo lường điện Phương pháp này cần nguồn E cung cấp ổn định vì điện áp ra phụ thuộc vào điện áp cung cấp E. Độ nhạy của cầu phụ thuộc vào nguồn E và nội trở của bộ chỉ thị (hoặc tổng trở vào của mạch khuyếch đại nếu điện áp ngõ ra của cầu được đưa vào mạch khuyếch đại). Eb.R3 Eb.R4 V3 – V4 = - R1 + R3 R1 + R4 R .R R .R Tổng trở vào của cầu: R = 1 3 + 2 4 R1 + R3 R2 + R4 Dịng điện IG chạy qua điện kế khi cầu khơng cân bằng V3 - V4 IG = R + RG RG: nội trở của điện kế G 4.5 Megohm kế và ứng dụng đo điện trở cách điện Phương pháp sử dụng Megohm kế: Megohm kế là loại dụng cụ chuyên dùng để đo điện trở lớn như điện trở cách điện của máy điện, khí cụ điện và đường dây mà Ohm kế bình thường khơng đo được. Bộ phận chủ yếu của Megohm kế là một tỉ số kế từ điện và một manhêtơ (máy phát điện một chiều quay tay) dùng làm nguồn điện để đo. Tỉ số kế là một dụng cụ đo kiểu từ điện đặc biệt, cơ cấu đo của nĩ là nam châm vĩnh cửu và hai cuộn dây: • Cuộn dây lệch (deflecting coil) • Cuộn dây kiểm sốt (control coil) Hai cuộn dây xếp vuơng gĩc với nhau và được lắp trên cùng một trục quay cĩ gắn kim chỉ thị và cĩ thể quay được cùng với trục. Dịng điện cấp cho hai cuộn dây nhờ dây dẫn mềm mà khơng dùng lị xo xoắn vì vậy trên trục khơng cĩ lị xo tạo moment cản, do đĩ khi khơng dùng thì kim cĩ thể dừng lại ở một vị trí bất kì. Nguyên lí đo điện trở cách điện của Megohm kế được trình bày như sau: Hai cuộn dây của tỉ số kế gồm một cuộn đấu nối tiếp với điện trở phụ R1 trong đồng hồ, cuộn cịn lại đấu nối tiếp với điện trở phụ R2 (cũng ở trong đồng hồ) và điện trở cần đo Rx, cả hai cuộn dây đều đấu vào manhêtơ_máy phát điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Khi quay đều manhêtơ, hai cuộn dây cĩ dịng điện đi qua, sự tác dụng lẫn nhau giữa dịng điện và từ trường khiến hai cuộn dây sản sinh ra moment quay ngược chiều nhau, kim đồng hồ quay theo một gĩc nhất định tùy theo độ lớn của moment tổng hợp của hai moment ngược chiều nhau đĩ. Vì từ trường trong khe hở được chế tạo khơng đều 59
Đo lường điện nên khi phần động quay thì hai moment sẽ thay đổi trị số. Nếu chúng bằng nhau thì phần động sẽ cân bằng và lúc đĩ ta đọc được gĩc quay α của kim. Gĩc quay của kim phụ thuộc vào tỉ số của hai dịng điện, vì các điện trở phụ R1, và R2 khơng đổi, nên tỉ số giữa hai dịng điện phụ thuộc vào Rx, tức là phụ thuộc vào độ lớn của điện trở cần đo. Như vậy khi biết được gĩc quay α ta biết được giá trị điện trở cần đo và rõ ràng điện áp của máy phát khơng ảnh hưởng đến kết quả đo. Việc sử dụng manhêtơ cĩ thể tạo ra điện áp lên đến 1000 [V]. Tốc độ quay của máy phát khoảng 80 đến 120 [v/p], khi quay càng nhanh điện áp phát ra càng mạnh. Sự khơng đều của điện áp sẽ ảnh hưởng đến sai số kết quả đo. Để hạn chế điều này, người ta chế thêm bộ phận điều tốc gắn trong máy phát. Vị trí của phần ứng so với phần cảm sẽ được điều chỉnh dựa theo độ lớn lực li tâm tạo ra bởi chuyển động quay. Khi tốc độ thấp, phần ứng được đưa lại gần phần cảm giúp tăng từ thơng gửi qua phần cảm khiến cho điện áp khơng giảm, khi vận tốc tăng lên quá trình sẽ xảy ra ngược lại. Các Megohm kế thường dùng tuy cĩ nhiều kiểu khác nhau, nhưng quy cách và tính năng chủ yếu của chúng thường như sau: Điện áp định mức: 100, 500, 1000 và 2500 [V]. Phạm vi đo: gồm hai cỡ KΩ (0 ÷ 500 ÷1000 KΩ) và MΩ (0 ÷ 500 ÷1000 MΩ). Trên Megohm kế thường cĩ ba cọc đấu dây là cọc “đường dây”, cọc “nối đất”, và cọc “bảo vệ”. Tác dụng của cọc bảo vệ là trừ bỏ hiện tượng rị điện giữa cọc đường dây và cọc nối đất và mặt ngồi của vật cách điện được đo. Khi đấu dây phải hiểu rõ cơng dụng của các cọc này, khơng được đấu nhầm. Sử dụng Megohm kế cần chú ý các điểm sau: Khi chọn Megohm kế cần căn cứ theo cấp điện áp của thiết bị điện (thường dùng là loại 500 [V], trường hợp cá biệt cũng dùng loại 1000 [V]. Nếu dùng Megohm kế cĩ điện áp định mức cao để đo thiết bị cĩ điện áp thấp, thì nĩ cĩ thể đánh thủng cách điện của thiết bị. Trước khi đo điện trở cách điện, cần phải cắt nguồn điện của thiết bị được đo, cho phĩng điện ngắn mạch đối với đất nhằm đảm bảo an tồn và đo chính xác. Sau đĩ phải thử hở mạch và ngắn mạch. Thử hở mạch: cho hai dây đo hở mạch, quay manhêtơ, kim phải chỉ ở trị số ∞. Thử ngắn mạch: cho ngắn mạch hai dây, quay manhêtơ, kim phải chỉ ở trị số 0. Nếu khi thử mà kim khơng chỉ đúng như vậy thì chứng tỏ Megohm kế đã bị hỏng, cần phải kiểm tra và sửa chữa. Khi đo phải đặt Megohm kế thật bằng phẳng, ổn định, để tránh cho khi quay manhêtơ kim bị dao động, số đọc khơng chính xác. Các dây đấu với Megohm kế phải dùng loại một sợi và cách điện tốt, khơng được dùng loại dây cách điện hai ruột. Hai dây dẫn khơng được quấn vào nhau , cũng khơng được để dây tiếp xúc với thiết bị điện hoặc mặt đất, làm cho kết quả đo khơng chính xác. Khi đấu dây cần phân biệt rõ cọc “nối đất” phải đấu vào vỏ thiết bị cần đo hoặc đấu vào dây đất. Khi đo điện trở cách điện của cáp cần phải đấu lớp cách điện của cáp vào vịng bảo vệ của Megohm kế. Khi quay manhêtơ phải quay từ chậm tăng nhanh dần, rồi giữ ở tốc độ xác định, thường là 120 vịng/phút, cho phép cĩ sự biến động trong khoảng 20%, chờ cho kim chỉ ở trị số ổn định thì đọc kết quả đo. Khi đo điện trở cách điện của thiết bị điện cĩ điện dung lớn (như tụ điện, cáp điện ) thì sau khi đo xong cắt dây đấu ở cọc “đường dây” ra, giảm tốc độ và giảm tay 60