K HÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
Khái niệm về đo lường
Đo lường là quá trình đánh giá định lượng một đại lượng, nhằm đưa ra kết quả dưới dạng số so với đơn vị đo Kết quả đo lường (Ax) được xác định bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo).
Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: A X 0
Trong đó: X - đại lượng đo
A - con số kết quả đo
Phương trình cơ bản của phép đo được biểu diễn bằng công thức X = Ax Xo, trong đó X là đại lượng cần đo và Xo là đại lượng tham chiếu Để thực hiện phép đo, đại lượng X phải có tính chất có thể so sánh được với Xo Nếu đại lượng cần đo không có tính chất so sánh, cần phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh để tiến hành đo lường chính xác.
Khái niệm về đo lường điện
Để thực hiện đo lường, các đại lượng cần phải có khả năng so sánh với mẫu hoặc chuẩn Nếu không thể so sánh trực tiếp, cần chuyển đổi chúng về đại lượng có thể so sánh được Đo lường điện là quá trình định lượng các đại lượng điện nhằm đưa ra kết quả số liệu theo đơn vị đo chuẩn.
Các phương pháp đo
Phương pháp đo là sự kết hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm xác định và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, và thể hiện kết quả Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào cách nhận thông tin đo và nhiều yếu tố như kích thước đại lượng đo, điều kiện đo, sai số, và yêu cầu cụ thể.
Tùy vào đối tượng, điều kiện và độ chính xác yêu cầu của phép đo, người quan sát cần lựa chọn phương pháp đo phù hợp Trong thực tế, các phương pháp đo thường được chia thành hai loại chính: phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo kiểu so sánh.
1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi
Đại lượng cần đo X trải qua các khâu biến đổi để trở thành con số NX, trong khi đơn vị của đại lượng đo XO cũng được chuyển đổi thành con số NO.
* Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia
* Thu được kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO
Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng
Quá trình biến đổi thẳng, được thực hiện bởi thiết bị đo biến đổi thẳng, chuyển đổi tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XO qua nhiều khâu nối tiếp Sau đó, tín hiệu này được chuyển đổi qua bộ biến đổi tương tự - số A/D để tạo ra NX và NO, tiếp theo là khâu so sánh với kết quả NX/NO.
Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn do tín hiệu qua các khâu biến đổi tích lũy sai số từ từng khâu Vì vậy, loại dụng cụ này thường được sử dụng trong các phép đo có yêu cầu độ chính xác không cao.
1.3.2.Phương pháp đo kiểu so sánh:
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi
+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh
Quá trình so sánh giữa X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra liên tục trong suốt quá trình đo Khi hai đại lượng này bằng nhau, kết quả đo XK sẽ được xác định.
Quá trình đo kiểu so sánh là phương pháp đo lường, trong đó thiết bị đo thực hiện các phép đo dựa trên việc so sánh với một tiêu chuẩn hoặc giá trị đã biết Thiết bị này được gọi là thiết bị đo kiểu so sánh hoặc thiết bị kiểu bù.
Hình 1.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh
Các phương pháp so sánh trong bộ so sánh SS cho phép thực hiện việc so sánh đại lượng đo X với đại lượng tỷ lệ mẫu XK, với công thức tính là ΔX = X - XK Tùy thuộc vào cách thức so sánh, sẽ có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng.
Trong quá trình thực hiện, đại lượng cần đo X được so sánh với đại lượng tỷ lệ XK = NK.XO, sao cho ΔX = 0 Từ đó, có thể suy ra rằng X = XK = NK.XO.
Khi thực hiện phép đo, kết quả đo được suy ra từ công thức AX = X/XO = NK Để đạt được kết quả so sánh ΔX = 0, giá trị XK cần phải thay đổi tương ứng với sự thay đổi của X.
* Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ΔX = 0)
Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng
- So sánh không cân bằng:
Quá trình thực hiện đo lường bao gồm việc xác định đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, mà giá trị này là không đổi và đã được biết trước Thông qua bộ so sánh, ta có thể tính toán ΔX = X - XK, từ đó đo ΔX để có được đại lượng đo X = ΔX + XK Kết quả đo cuối cùng được biểu diễn bằng công thức AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO.
Độ chính xác của phép đo chủ yếu được xác định bởi độ chính xác của XK, bên cạnh đó còn phụ thuộc vào độ chính xác của ΔX Đặc biệt, giá trị của ΔX so với X càng nhỏ thì độ chính xác của phép đo càng cao.
Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ…
- So sánh không đồng thời:
Quá trình thực hiện đo lường dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị khi chịu tác động của đại lượng đo X và đại lượng mẫu XK Khi hai trạng thái đáp ứng này bằng nhau, ta có thể suy ra rằng X = XK Đầu tiên, tác động của X sẽ tạo ra một trạng thái nhất định trong thiết bị đo Sau đó, khi thay X bằng mẫu XK phù hợp, trạng thái này cũng được duy trì, từ đó xác nhận rằng X = XK Điều này cho thấy rằng XK cần phải thay đổi tương ứng với sự thay đổi của X.
Độ chính xác của phương pháp đo phụ thuộc vào độ chính xác của giá trị XK Phương pháp này đảm bảo tính chính xác khi thay thế XK bằng X, giữ nguyên mọi trạng thái của thiết bị đo Thông thường, giá trị mẫu được khắc vào thiết bị trước, và qua các vạch khắc mẫu, giá trị đại lượng đo X sẽ được xác định Các thiết bị đo sử dụng phương pháp này bao gồm vônmét và ampemét chỉ thị kim.
Quá trình thực hiện bao gồm việc so sánh đồng thời nhiều giá trị của đại lượng đo X với đại lượng mẫu XK Dựa vào các giá trị bằng nhau, chúng ta có thể suy ra giá trị chính xác của đại lượng đo.
C ÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ
Khái niệm về sai số
Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số Nguyên nhân của những sai số này gồm:
- Phương pháp đo được chọn
- Mức độ cẩn thận khi đo
Kết quả đo lường thường không phản ánh chính xác giá trị của đại lượng đo do sự tồn tại của sai số Để đạt được kết quả chính xác, cần xem xét kỹ các điều kiện đo trước khi tiến hành và lựa chọn phương pháp đo phù hợp Sau khi đo, việc gia công các kết quả thu được là cần thiết để xác định giá trị chính xác hơn.
Các loại sai số
* Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống
- Sai số của phép đo: là sai số giữa kết quả đo lường so với giá trị chính xác của đại lượng đo
Giá trị thực Xth của đại lượng đo là giá trị xác định của đại lượng đó với một độ chính xác nhất định, thường được xác định thông qua các dụng cụ mẫu có độ chính xác cao hơn so với dụng cụ đo đang được sử dụng trong phép đo.
Giá trị chính xác của đại lượng đo thường không được biết trước, do đó để đánh giá sai số của phép đo, người ta thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đó.
Kết quả của phép đo thường chỉ mang tính chất gần đúng, do đó việc xác định sai số và độ tin cậy của kết quả là nhiệm vụ quan trọng trong đo lường học Sai số có thể được phân loại dựa trên cách thể hiện bằng số, nguồn gốc gây ra sai số, hoặc theo quy luật xuất hiện của chúng.
Tiêu chí phân loại Theo cách thể hiện bằng số
Theo nguồn gây ra sai số Theo qui luật xuất hiện của sai số Loại sai số
Theo cách thể hiện bằng số
Theo nguồn gây ra sai số
Theo qui luật xuất hiện của sai số
Loại sai số - Sai số tuyệt đối
Bảng 2.1 Phân loại sai số của phép đo
* Sai số tuyệt đối ΔX: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth : Δ X = X - X th
* Sai số tương đối γ X : là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng phần trăm: 100(%)
Vì X = X th nên có thể có: 100(%)
Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo Độ chính xác của phép đo ε : đại lượng nghịch đảo của sai số tương đối:
Sai số hệ thống (systematic error) là thành phần sai số trong phép đo mà luôn giữ nguyên hoặc biến đổi theo một quy luật nhất định khi thực hiện nhiều lần đo lường cùng một đại lượng.
Qui luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kỳ hoặc theo một qui luật phức tạp nào đó
Sai số hệ thống không đổi có thể bao gồm các yếu tố như sai số do khắc độ thang đo bị lệch hoặc sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác, chẳng hạn như chỉnh đường tâm ngang sai trong dao động ký.
Sai số hệ thống thay đổi có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân, bao gồm dao động của nguồn cung cấp như pin yếu hoặc ổn áp không ổn định Ngoài ra, sự ảnh hưởng của trường điện từ cũng góp phần làm gia tăng sai số trong hệ thống.
Hình 2.1 Sai số hệ thống do khắc vạch là 1 độ - khi đọc cần hiệu chỉnh thêm 1 độ.
Phương pháp tính sai số
Dựa vào số lượng lớn các giá trị đo được, có thể xác định qui luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên thông qua các phương pháp toán học thống kê và lý thuyết xác suất Nhiệm vụ của việc tính toán sai số ngẫu nhiên là xác định giới hạn thay đổi của sai số trong kết quả đo khi thực hiện nhiều lần, từ đó loại bỏ những phép đo có sai số ngẫu nhiên vượt quá giới hạn cho phép.
Việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa trên giả thiết rằng sai số của các phép đo các đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bố chuẩn (Gaus-Gauss) Khi sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nhất định, xác suất xuất hiện của nó gần như bằng không, dẫn đến việc loại bỏ các kết quả đo có sai số ngẫu nhiên như vậy.
- Các bước tính sai số ngẫu nhiên:
Xét n phép đo với các kết quả đo thu được là x1, x2, , xn
* Tính ước lượng kì vọng toán học m X của đại lượng đo:
1 , chính là giá trị trung bình đại số của n kết quả đo
* Tính độ lệch của kết quả mỗi lần đo so với giá trị trung bình vi :
= x X v i i vi (còn gọi là sai số dư)
* Tính khoảng giới hạn của sai số ngẫu nhiên: được tính trên cơ sở đường phân bố chuẩn: = 1 , 2 , thường chọn: = 1 , 2 với:
, với xác suất xuất hiện sai số ngẫu nhiên ngoài khoảng này là 34%
* Xử lý kết quả đo: những kết quả đo nào có sai số dư vi nằm ngoài khoảng 1 , 2 sẽ bị loại.
Các phương pháp hạn chế sai số
Một nhiệm vụ quan trọng trong việc đo lường chính xác là phân tích và loại trừ các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống Mặc dù việc phát hiện sai số hệ thống có thể phức tạp, nhưng một khi đã xác định được, việc khắc phục sai số này sẽ trở nên dễ dàng hơn.
* Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách:
- Chuẩn bị tốt trước khi đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng; chuẩn bị trước khi đo; chỉnh "0" trước khi đo…
- Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế…
Sau khi thực hiện việc đo lường, cần xử lý kết quả bằng cách áp dụng phương pháp bù sai số ngược dấu, tức là điều chỉnh với một lượng hiệu chỉnh có dấu ngược lại Nếu sai số hệ thống không thay đổi, có thể loại bỏ sai số này bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hoặc một hệ số hiệu chỉnh thích hợp.
+ Lượng hiệu chỉnh: là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống
+ Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại trừ sai số hệ thống
Trong thực tế, không thể hoàn toàn loại bỏ sai số hệ thống, nhưng có thể giảm thiểu ảnh hưởng của nó bằng cách chuyển đổi thành sai số ngẫu nhiên.
* Xử lý kết quả đo
Sai số của phép đo bao gồm hai thành phần chính: sai số hệ thống θ, có thể là không đổi hoặc thay đổi theo quy luật, và sai số ngẫu nhiên Δ, thay đổi một cách ngẫu nhiên không theo quy luật Trong quá trình đo, hai loại sai số này xuất hiện đồng thời, và sai số tổng ΔX được tính bằng tổng của hai thành phần này: ΔX = θ + Δ Để đạt được kết quả sai lệch ít nhất so với giá trị thực của đại lượng đo, cần thực hiện nhiều lần đo và tiến hành gia công (xử lý) kết quả đo.
Sau n lần đo sẽ có n kết quả đo x1, x2, , xn là số liệu chủ yếu để tiến hành gia công kết quả đo
* Loại trừ sai số hệ thống
Việc loại trừ sai số hệ thống sau khi đo được tiến hành bằng các phương pháp
- Sử dụng cách bù sai số ngược dấu
- Đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh
Hình 2.2 Lưu đồ thuật toán quá trình gia công kết quả đo.
CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG
K HÁI NIỆM VỀ CƠ CẤU ĐO
Cơ cấu đo là thành phần cơ bản để tạo nên các dụng cụ và thiết bị đo lường ở dạng tương tự (analog) và hiện số Digitans
Dụng cụ đo dạng tương tự (analog) chuyển đổi các đại lượng cần đo như điện áp, dòng điện, tần số và góc pha thành góc quay α của phần động so với phần tĩnh Quá trình này biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học.
Từ đó có biểu thức quan hệ:
= với X là đại lượng điện
Các cơ cấu chỉ thị thường được sử dụng trong các thiết bị đo lường các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha và điện trở Chúng có ứng dụng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều với tần số công nghiệp.
Số (Digitans) là hệ thống chỉ thị số sử dụng công nghệ điện tử và máy tính để chuyển đổi và hiển thị các đại lượng đo lường.
Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hỡnh tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng…
C ÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO
2.1 Cơ cấu đo từ điện
* lôgômét từ điện (Permanent Magnet Moving Coil) a) Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
Phần tĩnh của hệ thống bao gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ, cùng với lõi sắt tạo thành mạch từ kín Khe hở không khí giữa cực từ và lõi sắt được gọi là khe hở làm việc, trong đó khung quay được đặt để chuyển động.
Phần động của thiết bị bao gồm khung dây quay 5 được quấn bằng dây đồng, gắn chặt vào trục quay hoặc dây căng, dây treo Trên trục quay, có hai lò xo cản 7 được mắc ngược nhau, cùng với kim chỉ thị 2 và thang đo 8, tạo nên cơ chế hoạt động chính của hệ thống.
Cơ cấu chỉ thị từ điện hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), nó sẽ bị tác động bởi từ trường của nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh), tạo ra mômen quay Mq Mômen quay này làm cho khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α, và được tính theo công thức: Mq = dW / dα.
= B.S.W.I với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
W: số vòng dây của khung dây
Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:
Cơ cấu chỉ thị điện với các hằng số B, S, W, D cho thấy góc lệch α tỷ lệ thuận với dòng điện I chạy qua khung dây Từ biểu thức (5.1), có thể rút ra các đặc tính cơ bản của cơ cấu chỉ thị này.
- Chỉ đo được dòng điện một chiều
- Đặc tính của thang đo đều
Cảm biến có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm độ chính xác cao và khả năng chống lại ảnh hưởng của từ trường bên ngoài, nhờ vào việc sử dụng nam châm vĩnh cửu Ngoài ra, thiết bị tiêu thụ công suất nhỏ, giúp giảm thiểu tác động đến chế độ hoạt động của mạch đo Hơn nữa, cảm biến còn có độ cản dịu tốt và thang đo đều, nhờ vào góc quay tuyến tính theo dòng điện.
Nhược điểm của thiết bị này bao gồm quá trình chế tạo phức tạp, khả năng chịu quá tải kém do kích thước cuộn dây của khung quay nhỏ, và độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ Ngoài ra, thiết bị chỉ có khả năng đo dòng một chiều.
- Ứng dụng: cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo ampemét vônmét, ômmét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5)
+ Chế tạo các loại ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo, dải đo rộng
Chúng tôi chế tạo các điện kế có độ nhạy cao, có khả năng đo dòng điện lên đến 10^-12A và áp suất tới 10^-4V Ngoài ra, các thiết bị này còn có khả năng đo điện lượng và phát hiện sự lệch điểm không trong mạch đo hoặc trong điện thế kế.
Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng, thiết bị này cho phép quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng điện, áp suất và công suất với tần số lên đến 15kHz; đồng thời, nó cũng được ứng dụng trong việc chế tạo các đầu rung.
+ Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau
+ Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử…
Lôgômét từ điện là một thiết bị chỉ thị dùng để đo tỉ số hai dòng điện, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như cơ cấu chỉ thị điện từ, nhưng không sử dụng lò xo cản Thay vào đó, nó có một khung dây thứ hai tạo ra mômen chống lại mômen quay của khung dây đầu tiên Thiết bị này có thể được kết hợp với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu và cảm biến cặp nhiệt để đo dòng và áp xoay chiều.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa vào từ trường của nam châm vĩnh cửu, trong đó phần động bao gồm hai khung quay được đặt lệch nhau một góc δ từ 30° đến 90° Hai khung dây này được kết nối với một trục chung, và dòng điện I1 cùng I2 được cung cấp cho các khung dây thông qua các dây dẫn không tạo mô men.
- Dòng I1 sinh ra mômen quay Mq:
- Dòng I2 sinh ra mômen cản Mc:
M = 2.2 với Ф1, Ф2 là từ thông của nam châm đi qua các khung dây, thay đổi theo góc α Dấu của mômen Mq và Mc ngược nhau, trong khi các giá trị cực đại của các mômen lệch nhau một góc δ Tại trạng thái cân bằng, có mối quan hệ c q M.
I = = với f1(α), f2(α) là các đại lượng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc vòng
Từ biểu thức trên có: ( )
Góc lệch α tỷ lệ thuận với tỷ số của hai dòng điện chạy qua các khung dây, đây là đặc tính cơ bản của lôgômét từ điện Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi để đo điện trở, tần số và các đại lượng không điện.
2.2 Cơ cấu đo điện từ
* lôgômét điện từ a) Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:
- Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc)
Phần động của thiết bị bao gồm lõi thép 2 gắn lên trục quay 5, cho phép lõi thép quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây Trên trục quay còn có bộ phận cản dịu không khí 4, kim chỉ 6 và đối trọng 7, cùng với lò xo cản 3 và bảng khắc độ 8, tạo nên một hệ thống hoạt động hiệu quả.
Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ bao gồm cuộn dây tĩnh và lõi thép động Khi dòng điện I chạy vào cuộn dây 1, nó tạo ra một nam châm điện, hút lõi thép 2 vào khe hở không khí, tạo ra mômen quay.
W e với L là điện cảm của cuộn dây, suy ra:
M q Tại vị trí cân bằng có:
là phương trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ c) Các đặc tính chung:
Góc quay α tỷ lệ với bình phương của dòng điện, cho thấy rằng nó không phụ thuộc vào chiều của dòng điện Điều này cho phép việc đo góc quay α được thực hiện trong cả mạch xoay chiều và một chiều.
- Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dαlà một đại lượng phi tuyến
- Cản dịu thường bằng không khí hoặc cảm ứng
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn
ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN
Đ O CÁC ĐẠI LƯỢNG U,I
Dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet
Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có:
Hình 1.1: Đồng hồ số và kim
Nếu chia theo loại chỉ thị ta có:
+ Ampe kế chỉ thị số (Digital)
+ Ampe kế chỉ thị kim (kiểu tương tự /Analog)
Hình bên là hai loại đồng hồ vạn năng số và kim Nếu chia theo tính chất của đại lượng đo, ta có:
Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là:
- Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng là bằng 0
- Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo
- Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dưới)
Hình 1.2: Dùng đồng hồ số đo dòng điện a Ampe kế một chiều
Ampe kế một chiều hoạt động dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, trong đó độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng điện qua cuộn động Tuy nhiên, độ lệch này rất nhỏ do cuộn dây có tiết diện bé, dẫn đến khả năng chịu dòng kém, thường chỉ cho phép dòng từ 10^-4 đến 10^-2 A Điện trở của cuộn dây nằm trong khoảng từ 20Ω đến 2000Ω với các cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; và 0,05 Để cải thiện khả năng chịu dòng cho cơ cấu, người ta thường mắc thêm điện trở song song với cơ cấu chỉ thị.
I CT n= I gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe kế
Hình 3.3: Mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị
I là dòng cần đo và ICT là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng được (độ lệch cực đại của thang đo)
Khi đo dòng điện nhỏ hơn 30A, điện trở sun được tích hợp ngay trong vỏ ampe kế Ngược lại, khi đo dòng lớn hơn 30A, điện trở sun sẽ được sử dụng như một phụ kiện kèm theo Đối với ampe kế có nhiều thang đo, cách mắc sun sẽ được thực hiện theo hướng dẫn cụ thể.
Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo được xác định theo công thức như trên nhưng với n khác nhau ở hình a)
Điện trở sun được chế tạo bằng Manganin có độ chính xác cao hơn ít nhất một cấp so với cơ cấu đo Cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị quấn bằng dây đồng mảnh, dẫn đến sự thay đổi đáng kể điện trở khi nhiệt độ môi trường thay đổi và do nhiệt độ do dòng điện tạo ra Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, người ta lắp thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan.
Dưới đây là ví dụ thực tế về sơ đồ mắc điện trở sun cho dụng cụ đo dòng và áp b Ampemet xoay chiều thường được sử dụng để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp Các loại ampemet phổ biến bao gồm ampemet từ điện chỉnh lưu, ampemet điện từ và ampemet điện động.
Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode
Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng với số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là W1 và W2 Tỉ số dòng thứ cấp so với dòng sơ cấp được tính dựa trên tỷ lệ giữa số vòng dây của hai cuộn.
Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động RL được chọn để gánh phần dòng dư thừa giữa I2tb và Ict
Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình phương Irms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau: p tb I
Chú ý: Giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhưng thang khắc độ thường theo giá trị rms
Các ampe kế chỉnh lưu thường có độ chính xác không cao, dao động từ 1 đến 1,5, do hệ số chỉnh lưu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và tần số Để cải thiện độ chính xác, có thể áp dụng sơ đồ bù sai số đo nhiệt và đo tần số cho ampe kế chỉnh lưu.
Hình b: Ampe kế chỉnh lưu
Thường được sử dụng để đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 – 2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 – 0,2)
Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song như (hình sau)
Các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) được sử dụng để bù đắp sai số do nhiệt và sai số do tần số, thường được làm bằng manganin hoặc constantan Chúng đảm bảo rằng dòng điện qua hai cuộn tĩnh và cuộn động luôn trùng pha nhau.
Đo độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2, do đó máy đo chỉ hiển thị giá trị rms Giá trị rms của dòng xoay chiều tương đương với trị số dòng một chiều, cho phép người dùng đọc thang đo của dụng cụ như dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều rms.
Dụng cụ đo dòng điện hoạt động dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ, với mỗi cơ cấu được thiết kế để có số ampe vòng xác định, trong đó I.W là một hằng số.
Khi đo dòng có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn người ta mắc các cuộn dây song song
Cặp nhiệt điện là dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện, bao gồm hai thanh kim loại khác loại được hàn tại một đầu gọi là điểm làm việc (nhiệt độ t1) Hai đầu còn lại được kết nối với milivonkế, được gọi là đầu tự do (nhiệt độ t0).
Khi nhiệt độ đầu làm việc t1 khác nhiệt độ đầu tự do t0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra sức điện động
Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì:
Như vậy kết quả hiển thị trên milivon kế tỉ lệ với dòng cần đo
Vật liệu để chế tạo cặp nhiệt điện có thể lả sắt – constantan; đồng – constantan; crom – alumen và platin – rodi
Ampemet nhiệt điện gặp phải sai số lớn do tiêu hao công suất và khả năng chịu quá tải kém, tuy nhiên, nó có khả năng đo ở dải tần rất rộng, từ một chiều đến hàng MHz.
Thông thường để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, người ta sử dụng một bộ khuếch đại áp như sơ đồ dưới đây:
Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều, người ta sử dụng nguyên tắc tương tự như đo nhiệt độ, vì nhiệt độ đo được tỉ lệ với dòng điện qua điện trở nhiệt Dòng điện này lại tỉ lệ với điện áp trên hai đầu điện trở, do đó có thể xác định giá trị điện áp thông qua giá trị nhiệt độ Nguyên tắc này là cơ sở để chế tạo Vônkế nhiệt điện.
1.2 Đo điện áp a Mở đầu
Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter)
Ký hiệu là: V Khi đo điện áp bằng Vôn kế thì Vôn kế luôn được mắc song song với đoạn mạch cần đo như hình dưới đây:
Hình a: Mạch đo điện áp
- Khi chưa mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: t ng t t R
- Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: e ng e
Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là:
Để đạt được sai số nhỏ trong kết quả đo, yêu cầu giá trị Rv cần phải lớn nhất có thể, lý tưởng là Rv ≈ ∞ Để tính toán chính xác, cần áp dụng công thức phù hợp.
Uv = (1+ γ u ).Ut Để đo điện áp của một phần tử nào đó người ta mắc Vôn kế như hình dưới:
Hình b: Dùng đồng hồ số đo điện áp a.Vôn kế một chiều
Nguyên tắc hoạt động của dụng cụ đo TĐNCVC dựa trên mối quan hệ giữa độ lệch của dụng cụ và dòng điện qua cuộn dây động Dòng điện này tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây, cho phép thang đo của máy đo TĐNCVC được chia để chỉ điện áp Vôn kế hoạt động như một ampe kế với dòng rất nhỏ và điện trở lớn Điện áp định mức của chỉ thị khoảng 50 – 75mV, do đó cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (hay còn gọi là điện trở nhân) với chỉ thị để mở rộng khoảng đo của Vôn kế.
U m= U gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp
Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ được mắc như sau:
Sơ đồ mắc nối tiếp:
Hoặc sơ đồ mắc song song:
Nhận xét: Thang đo có vạch chia đều (tính chất của cơ cấu từ điện) b.Vôn kế xoay chiều
* Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều
Khi sử dụng cơ cấu từ điện, dụng cụ cần có tính phân cực và phải được mắc đúng cách để đảm bảo độ lệch dương trên thang đo Khi dòng xoay chiều với tần số rất thấp (khoảng 0,1Hz hoặc thấp hơn) chạy qua dụng cụ TĐNCVC, kim sẽ chỉ theo giá trị tức thời của dòng Điều này có nghĩa là khi giá trị dòng tăng theo chiều dương, kim sẽ tăng đến giá trị cực đại, sau đó giảm về 0 và tiếp tục xuống bán kỳ âm, dẫn đến kim bị lệch ra ngoài thang đo.
Đ O CÁC ĐẠI LƯỢNG R,L,C
A Đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp a) Đo điện trở bằng vôn mét và am phe mét
Đo điện trở R dựa trên định luật Ôm có thể sử dụng các dụng cụ đo chính xác, nhưng phương pháp này vẫn có thể mang lại sai số lớn Giá trị điện trở Rx đo được sẽ khác nhau tùy thuộc vào cách mắc ampe mét và vôn mét Một phương pháp phổ biến để đo điện trở là sử dụng Ômmét.
Ômmét là dụng cụ đo điện trở mắc song song với cơ cấu chỉ thị, cho phép đo điện trở nhỏ (kΩ trở lại) và có điện trở vào RΩ nhỏ khi dòng điện cung cấp không lớn Khi Rx = ∞, dòng điện qua chỉ thị đạt giá trị lớn nhất (ICT = ICTmax), còn khi Rx = 0, dòng điện gần như bằng 0 (ICT ≈ 0) Thang đo được khắc độ tương tự như vônmét, và để điều chỉnh thang đo khi nguồn cung cấp thay đổi, sử dụng biến trở RM với Rx = ∞ Việc xác định Rp và RM tương tự như sơ đồ ômmét mắc nối tiếp.
Ômmét là thiết bị đo điện trở, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi giữa các giới hạn đo khác nhau Việc thay đổi điện trở của ômmét cho phép người dùng thực hiện các phép đo chính xác trong nhiều phạm vi khác nhau.
Để đảm bảo kim chỉ thị không bị lệch khi Rx = 0, cần xác định số lần nhất định sao cho dòng qua cơ cấu đo đạt giá trị định mức đã chọn Để mở rộng giới hạn đo của ômmét, có thể sử dụng nhiều nguồn cung cấp và các điện trở phân dòng chất lượng tốt cho các thang cấp tương ứng.
Thiết bị cú dũng chỉ thị định mức ICT 7.5àA có điện trở chỉ RTC là 3,82kΩ Biến trở 5kΩ được sử dụng để điều chỉnh zêrô ở mức bình thường Pin 1,5 V được dùng cho các khoảng đo Rx1, Rx100 và Rx1kΩ, trong khi pin 15V phục vụ cho khoảng đo Rx10kΩ Rx được kết nối vào các đầu ra của mạch (+,-).
Công tắc đo có khả năng xoay từng nấc theo chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ, giúp điều chỉnh chính xác trong quá trình đo Hình 5-6b minh họa ômmét phổ biến và núm điều chỉnh ômmét Cầu đo điện trở là một phần quan trọng trong việc xác định giá trị điện trở của các linh kiện.
Cầu đo điện trở thường được chia thành hai loại: Cầu đơn và cầu kép(cầu wheatstone và cầu Kelvin)
Cầu đơn là thiết bị đo điện trở với độ chính xác cao, bao gồm mạch cầu hình 5-7 với hai điện trở cố định R2 và R3, cùng với điện trở điều chỉnh R1, điện trở cần đo Rx và điện kế chỉ không (CT) Thiết bị hoạt động nhờ nguồn điện một chiều Uo.
R2 và R3 được sản xuất từ điện trở Mangganin, nổi bật với độ ổn định và chính xác cao Để xác định điện trở chưa biết Rx, người dùng điều chỉnh biến trở R1 cho đến khi điện kế chỉ ở mức zêrô, lúc này cầu đang ở trạng thái cân bằng, có nghĩa là điện kế tại hai điểm có giá trị bằng nhau.
Va=Vb(Uab=0) do dòng điện không đi qua đện kế nên I1 sẽ chạy qua R1,R2 và I2 chạy qua R3, Rx, ta có:
Chia biểu thức (5-12) cho(5-13) ta được
Từ đó tính được điện trở chưa biết
Với R3 và R2 là các điện trở cố định do đó tỷ số 2
R k; klà hệ số nhân.Nếu thay đổi điện trở R3 bằng một số các điện trở có giá trị lớn hơn nhau 10 lần
Giữ nguyên điện trở R2 sẽ tạo ra các hệ số nhân khác nhau, cho phép mở rộng thang đo của cầu như trong hình 5-8 Điện trở R5 được sử dụng để điều chỉnh độ nhạy của chỉ thị Trước khi tiến hành đo, khóa K được mở để thực hiện điều chỉnh thô nhằm bảo vệ quá dòng cho chỉ thị Khi cầu đã tương đối cân bằng, khóa K sẽ được đóng lại để thực hiện điều chỉnh tinh cho đến khi cầu hoàn toàn cân bằng Độ chính xác của cầu cân bằng phụ thuộc vào độ nhạy của chỉ thị và điện áp cung cấp, do đó chỉ thị không cần có độ nhạy cao, miễn là nguồn cung cấp đảm bảo dòng qua chỉ thị không vượt quá mức cho phép Ngoài cầu hộp như trong hình 5-8, cầu biến trở cũng được sử dụng như trong hình 5-9.
Trong cầu biến trở, điện trở R2 và R3 là một biến trở có thể thay đổi được trị số,
R1 là một dãy điện trở với các trị số chênh lệch gấp 10 lần Khi điện trở Rx được kết nối vào mạch, cần điều chỉnh tỉ số R3/R2 cho đến khi đạt được chỉ thị Zêro, tức là cầu mạch đã được cân bằng.
Giá trị điện trở cần đo Rz được xác định theo công thức
Mở rộng giải đo của cầu bằng cách chia điện trở R1 thành nhiều điện trở có giá trị khác nhau và sử dụng chuyển mạch B để thay đổi các giá trị Cầu biến trở có ưu điểm là thiết kế gọn nhẹ, nhưng độ chính xác không cao do sai số từ biến trở và con chạy.
Cấp chính xác của cầu đơn đo điện trở thuần phụ thuộc vào giới hạn đo
Ví dụ: giải đo R = 50 ÷ 10 5 Ω cấp chính xác 0,05 % với giải đo R = 10 5 ÷ 10 6 Ω đạt cấp 0,5%
Cầu kép là thiết bị lý tưởng để đo điện trở nhỏ và rất nhỏ, khắc phục những hạn chế của cầu đơn, vốn có thể gây ra sai số lớn do ảnh hưởng của điện trở nối dây và điện trở tiếp xúc.
Các điện trở có trị số nhỏ, chẳng hạn như điện trở sun của ampemét, cần có đầu ra điện trở được xác định chính xác Để giảm thiểu sai số do tiếp xúc khi chịu dòng điện lớn, các điện trở này thường được thiết kế với bốn đầu, bao gồm hai đầu dòng và hai đầu áp.
Các đầu ra của điện trở lớn hơn và nằm ở các đầu mút ngoài, trong khi đầu ra áp nằm giữa hai đầu dũng Các đầu ra này thường được kết nối với các dũng điện nhỏ như àA hoặc mA, do đó không xảy ra hiện tượng sụt áp do tiếp xúc Điện trở được xác định chính xác bằng điện trở giữa các đầu điện áp Để đo các điện trở nhỏ, người ta thường sử dụng cầu kép, trong đó có thêm một số điện trở, với R0 là điện trở chuẩn có giá trị nhỏ và R1, R2, R3, R4 là các điện trở điều chỉnh được.
Nếu tỷ số R3/R4 tương tự như R1/R2, thì sai số do độ sụp áp trên R có thể được bỏ qua Giả sử chỉ thị ở mức zêrô (không có dòng điện qua chỉ thị), và điện áp đầu ra của chỉ thị là
UCT = 0 (hình 5-11) Với điều kiện trên ta có dòng I1 sẽ chạy qua R1 và R2, dòng I chạy qua RX, R0, dòng I2 qua R4 và R3 và I – I2 chạy qua R
Do cầu cân bằng (UCT=0) nên điện áp rơi trên R2 bằng tổng các điện áp rơi trên
Củng như vậy, điện áp rơi trên R1 bằng tổng điện áp rơi trên R3 và RX
Chia phương trình (5-17) cho ( 5-16) ta được
Trong quá trình đo người ta điều chỉnh R1, R2, R3, R4 sao cho luôn giữ được tỉ số
R Khi đó giá trị của điện trở RX được xác định qua biểu thức 5-18