Các khái niệm cơ bản
Định nghĩa
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo
Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng :
X ta có X = A.X0 (1.1) Trong đó : X : là đại lượng đo
Đo lường học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các phương pháp đo lường các đại lượng khác nhau, cũng như nghiên cứu về mẫu và các đơn vị đo Con số A đại diện cho kết quả đo trong lĩnh vực này.
Kỹ thuật đo lường là ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản suất và đời sống.
Phân loại phương pháp đo
Có bốn phương pháp đo lường chính bao gồm đo trực tiếp, đo gián tiếp, đo tổ hợp và đo thống kê Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm và thiết bị có sẵn.
Ta có thể phân loại thành 2 phương pháp đo :
Phương pháp đo biến đổi thẳng
Phương pháp đo kiểu so sánh
1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng
Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi như sơ đồ sau:
Phương pháp đo biến đổi thẳng bao gồm việc đưa đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để chuyển đổi thành con số Nx Đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành N0, và sau đó, đại lượng cần đo được so sánh với đơn vị thông qua bộ so sánh (ss) Quá trình này thực hiện thông qua phép chia.
N Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng :
N X (1.2) Quá trình đo như vậy là quá trình biến đổi thẳng Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị biến đổi thẳng
1.2.2 Phương pháp đo kiểu so sánh
Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi như hình sau:
Hình 2: Sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng
Tín hiệu đo X được so sánh với một tín hiệu X k tỷ lệ với đại lượng mẫu X 0 Qua bộ so sánh ta có : X – X k = X (1.3)
Tuỳ thuộc cách so sánh ta có các phương pháp sau: a So sánh cân bằng và không cân bằng
* So sánh cân bằng là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu X k được so sánh với nhau sao cho X = 0, và X – X k = 0;
Như vậy Xk là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn được kết quả như (1.4) Nghĩa là phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng
Khái niệm Công suất
Khái niệm công suất biểu kiến
Công suất biểu kiến, hay còn gọi là công suất phức S, là một khái niệm quan trọng trong kỹ thuật điện Nó thể hiện tổng lượng điện năng được cung cấp từ nguồn, bao gồm cả phần công suất thực hiệu dụng và phần công suất ảo hư kháng trong hệ thống điện xoay chiều.
S = P + iQ hay : Đơn vị của công suất biểu kiến là VA (vôn-ampe), 1 kVA = 1000 VA.
Khái niệm công suất tác dụng…
Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha được xác định như là giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T
Trong bài viết này, p, u, i đại diện cho các giá trị tức thời của công suất, điện áp và dòng điện Khi dòng và điện áp có hình dạng sóng sin, công suất tác dụng sẽ được tính toán dựa trên các giá trị này.
Hệ số công suất Cosφ là tỷ lệ giữa công suất thực và công suất biểu kiến trong mạch điện Khi dòng xoay chiều có dạng sóng sin lý tưởng, hệ số công suất được xác định là côsin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế Vì lý do này, hệ số công suất thường được ghi là "cos φ" trong thực tế.
Hệ số công suất đạt giá trị 1 khi hiệu điện thế và cường độ dòng điện cùng pha, và bằng 0 khi dòng điện lệch pha 90 độ so với hiệu điện thế Việc xác định hệ số công suất cần chỉ rõ là nhanh hay chậm pha Trong hai hệ thống truyền tải điện có cùng công suất tác dụng, hệ thống có hệ số công suất thấp hơn sẽ có dòng điện xoay chiều lớn hơn, dẫn đến năng lượng quay trả lại nguồn cao hơn Dòng điện lớn hơn có thể gây ra nhiều thất thoát và giảm hiệu quả truyền tải điện năng Đối với đoạn mạch có hệ số công suất thấp, công suất biểu kiến cũng sẽ cao hơn, gây ra nhiều thất thoát năng lượng hơn với cùng một công suất thực Đoạn mạch có dung kháng sinh ra công suất phản kháng với dòng điện nhanh pha hơn hiệu điện thế 90 độ, trong khi đoạn mạch có cảm kháng lại sinh ra công suất phản kháng với dòng điện chậm pha hơn Điều này dẫn đến hiện tượng triệt tiêu giữa các thành phần cảm kháng và dung kháng Theo quy ước, dung kháng được xem là sinh ra công suất phản kháng, trong khi cảm kháng tiêu thụ công suất này, do phần lớn các phụ tải thực tế có cảm kháng và cần được cấp công suất phản kháng từ tụ bù để cải thiện hệ số công suất.
Trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng, việc kiểm soát công suất phản kháng là rất quan trọng Điều này thường được thực hiện thông qua việc tự động điều chỉnh các cuộn cảm và tụ điện Các nhà phân phối điện sử dụng đồng hồ đo điện để theo dõi công suất phản kháng, từ đó giúp khách hàng cải thiện hệ số công suất hoặc áp dụng hình phạt đối với những khách hàng có hệ số công suất thấp, đặc biệt là các khách hàng lớn.
Công suất biểu kiến là khái niệm quan trọng trong việc mô tả cung ứng điện năng từ nguồn, bao gồm tổng vectơ của công suất thực và công suất phản kháng Công suất thực là năng lượng thực tế được truyền từ nguồn tới phụ tải, trong khi công suất phản kháng liên quan đến năng lượng lưu thông giữa nguồn và các thành phần lưu trữ như cảm kháng và dung kháng Đây là yếu tố thường được chú ý nhiều nhất trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng.
Công thức S^2 = P^2 + Q^2 thể hiện mối quan hệ giữa công suất thực tế, công suất phản kháng và công suất biểu kiến Đơn vị công suất thực tế được tính bằng watt (W), trong khi công suất phản kháng được đo bằng vôn-ampe phản kháng (VAr) Công suất biểu kiến, hay công suất phức hợp, được đo bằng vôn-ampe (VA) hoặc các bội số của nó, chẳng hạn như kVA.
Khái niệm công suất phản kháng
Công suất phản kháng, hay còn gọi là công suất hư kháng và công suất ảo Q, là khái niệm quan trọng trong ngành kỹ thuật điện Nó biểu thị phần công suất điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ Sự chuyển giao này xảy ra do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, gây ra bởi hiện tượng lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t).
Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thị hàm sin thì , với U, I: giá trị hiệu dụng u(t), i(t); φ là pha lệch giữa u(t), i(t)
Công suất hư kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S, S = P + iQ Đơn vị đo Q là var (volt amperes reactive), 1 kvar = 1000 var.
Một số cơ cấu dung trong các dụng cụ đo công suất…
Cơ cấu chỉ thị điện động
Trong oắt kế điện động được sử dụng để đo công suất của mạch điện một chiều và xoay chiều, bao gồm cả một pha và ba pha Bài viết này sẽ xem xét cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị này.
Sơ đồ cấu tạo của nó được biểu diễn như hình sau:
Hình 3: Cơ cấu chỉ thị điện động
Cơ cấu chỉ thị điện động gồm
Cuộn dây phần tĩnh 1 (được chia làm hai phần nối tiếp nhau)để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua
Phần động là khung dây 2 đặt trong cuộn tĩnh và gắn với trục quay
Cả phần động và tĩnh được bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh hưởng của từ trường ngoài đến sự làm việc của cơ cấu chỉ thị
Khi dòng điện chảy qua cuộn dây tĩnh, nó tạo ra một từ trường Từ trường này tác động lên dòng điện trong khung dây, sinh ra mômen quay khiến phần động quay một góc .
(1.6) (We là năng lượng điện từ tích lũy trong cuộn dây)
Ta có hai trường hợp:
Nếu dòng điện đi vào các cuộn dây là dòng một chiều I1, I2 thì
2 L I 2 L I M I I (1.7) Trong đó: L 1 ,L2 là điện cảm của cuộn dây tĩnh
M12 là hỗ cảm giữa hai cuộn dây
I1,I2 là dòng điện một chiều chạy trong cuộn dây tĩnh và động
Do L1,L2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc bằng không và ta có:
= dM 12 d I 1 I2 (1.8) Khi ở vị trí cân bằng M q = Mc dM 12 d I 1 I 2 = D = 1
Khi dòng xoay chiều i1 và i2 đi vào các cuộn dây, mômen quay tức thời được tính bằng công thức mqt = dM12/dα i1 i2 Do quán tính, phần động không kịp thay đổi theo giá trị tức thời, vì vậy trong thực tế, chúng ta thường lấy trị số trung bình trong một chu kỳ để phân tích.
Nếu i1 = I1msin t và i2 = I2msin ( t - ) thay vào (1.10) và (1.11) ta có:
Lấy tích phân ta được:
Mq = dM 12 d I2I1 cos (1.12) ( là góc lệch pha giữa I1 và I2) Ở điều kiện cân bằng ta có: M q = Mc dM 12 d I2I1 cos = D = 1
Cơ cấu chỉ thị điện động có khả năng hoạt động hiệu quả trong cả mạch một chiều và xoay chiều, cũng như trong các thang đo không đều Thiết bị này có thể được sử dụng để chế tạo vônmet, oắt kế và ampemet với độ chính xác cao, đạt cấp chính xác từ 0,1 đến 0,2 Tuy nhiên, nhược điểm lớn của nó là tiêu thụ công suất cao.
ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH ĐIỆN
Đo công suất trong mạch một chiều
1.1 Phương pháp đo gián tiếp
Phương pháp đo gián tiếp trong mạch một chiều cho phép chúng ta xác định công suất tiêu thụ thông qua hai phép đo chính: điện áp U đặt vào phụ tải và dòng điện I đi qua phụ tải Kết quả thu được từ phép đo này là tích của điện áp và dòng điện.
P = U.I (2.1) Ưu điểm : Phương pháp này đơn giản dễ đo
Nhược điểm : Phép đo này là sai số nhiều
1.2 Phương pháp đo trực tiếp
Phương pháp đo trực tiếp công suất của mạch thường sử dụng Oắt kế điện động và sắt điện động, với Oắt kế điện động được ưa chuộng hơn nhờ độ chính xác cao, đạt từ 0,01% đến 0,1% ở tần số dưới 200Hz và trong mạch một chiều Khi tần số tăng lên từ 200Hz đến 400Hz, sai số có thể đạt 0,1% và có thể cao hơn Đối với Oắt kế điện động ở tần số dưới 200Hz, sai số dao động từ 0,1% đến 0,5%, trong khi ở tần số từ 200Hz đến 400Hz, sai số có thể lên tới 0,4% và hơn nữa.
Khi sử dụng Oắt kế điện động ta phải lưu ý những vấn đề sau:
Khi sử dụng Oắt kế, cần chú ý đến các ký hiệu ngôi sao (*) ở đầu các cuộn dây, được gọi là đầu phát Việc kết nối các đầu có dấu * với nhau là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của thiết bị.
Oắt kế điện động thường có nhiều thang đo cho dòng và áp suất, với hai giới hạn đo dòng là 5A và 10A, cùng ba giới hạn đo áp là 30V, 150V và 300V Các giá trị này tương ứng với dòng và áp định mức I N và U N Để đọc số chỉ của Oắt kế, trước tiên cần tính hằng số Oắt kế C.
Trong mạch này, Oắt kế điện động được sử dụng để đo công suất, với giá trị cực đại của độ chia trên thang đo là m Thiết bị này chủ yếu bao gồm cơ cấu chỉ thị điện động, như đã được trình bày ở phần đầu.
Sơ đồ của Oắt kế điện động được biểu diễn như hình
Hình 6a: Oắt kế điện động
Khi điện áp U được áp dụng lên cuộn dây phần động và dòng điện I đi qua phụ tải, trường điện từ sẽ làm kim của Oát kế lệch một góc nhất định.
Từ biểu thức(1.9) đối với mạch điện một chiều ta có:
R L Để cho thang đo của Oắt kế đều, nhất thiết dM 12 d phải không đổi
Nếu dM 12 d = const thì KUI KP (2.5)
D R R d là độ nhạy của Oắt kế theo dòng một chiều.
Đo công suất trong mạch xoay chiều một pha
2.1 Đo công suất tác dụng Đối với Oắt kế đặc biệt có tính đến giá trị cos N thì
Trong đó cos N được ghi ở trên mặt Oắt kế
Sau khi tính được C ta chỉ việc nhân với số chỉ của Oắt kế thì biết được giá trị của công suất cần đo
Mạch để đo giống mạch một chiều chỉ khác là nguồn điện vào là nguồn xoay chiều một pha
Từ biểu thức (1.13) ta có
Ta có biểu đồ véc tơ :
Hình 6b: Biểu đồ véctơ Oắt kế điện động
Biểu đồ véc tơ cho thấy góc lệch pha giữa dòng điện I trong mạch nối tiếp và dòng IU trong mạch song song được xác định bởi công thức: δ = φ - γ, trong đó γ là góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện IU.
Dòng điện trong mạch song song sẽ là :
Nếu dM 12 d = const thì KUIc os( ) os c
Từ biểu thức trên đây ta thấy số chỉ của Oắt kế tỉ lệ với công suất, khi mà 0 hay
Điều kiện 0có thể đạt được bằng cách tạo ra cộng hưởng điện áp trong mạch song song Ví dụ như mắc tụ C song song với điện trở R P
Điều kiện không thực hiện được vì dòng trong cuộn áp IU không bao giờ trùng pha với dòng I trong cuộn dòng
2.2 Đo công suất phản kháng
Công suất phản kháng là loại công suất không thực hiện công và không truyền năng lượng trong một đơn vị thời gian Nó được tính toán theo một biểu thức cụ thể.
2.2.1 Dụng cụ để đo công suất phản kháng
Người ta có thể sử dụng cơ cấu điện động và sắt điện động để chế tạo dụng cụ đo công suất phản kháng, hoặc áp dụng Oắt kế điện động và Oắt kế sắt điện động để đo công suất Oắt kế điện động đã được trình bày ở mục I, tuy nhiên, công suất phản kháng khác với công suất tác dụng ở chỗ nó tỉ lệ với sin Do đó, để tạo ra góc sin, cần thiết phải tạo ra một góc lệch phù hợp.
Trong Oát kế, để kết nối giữa vectơ dòng và áp của cuộn dây điện áp, ta cần mắc thêm một điện trở R1 song song với cuộn áp tại hai điểm a và b Tiếp theo, cuộn dây điện cảm L2 và điện trở R2 sẽ được mắc nối tiếp, tạo thành một mạch hoàn chỉnh như hình minh họa.
Hình 7: Sơ đồ Oắt kế để đo công suất phản kháng
Khi áp dụng điện áp U vào phụ tải ZT, dụng cụ Oắt kế điện động sẽ tạo ra một góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện I U trong cuộn động của Oắt kế.
được biểu diễn bằng biểu đồ vectơ sau
Bằng cách chọn các thông số của mạch thích hợp Khi đó góc lệch của Oắt kế sẽ là : os iIs
Z là độ nhạy của Oắt kế khi đo công suất phản kháng Q
ĐO CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN TỬ
Phương pháp đo dòng điện trên mạch điện có trở kháng đã biết
Phương pháp này thường dùng để đo công suất ra của một máy phát (ví dụ như angten)
Để đo tải của một máy phát, người ta sử dụng một điện trở tương đương đặc biệt Điện trở này có tiêu chuẩn cao, ít thành phần điện kháng và khả năng hấp thụ năng lượng tốt.
Khi đó công suất của máy phát cần đo chính bằng công suất của điện trở thay thế P = I 2 R
Vậy ta chỉ cần đo mỗi dòng điện trên điện trở thay thế là tìm được công suất cần đo
Phương pháp so sánh
Phương pháp so sánh là kỹ thuật đo công suất của nguồn điện cao tần bằng cách đối chiếu với nguồn công suất dòng điện một chiều hoặc nguồn dòng điện có tần số thấp, vốn dễ dàng đo đạc hơn.
1.2.1 Sơ đồ mắc mạch để đo
Khi khoá K ở vị trí (1), nguồn xoay chiều cung cấp điện cho đèn, khiến điốt phát quang nhạy cảm với ánh sáng từ đèn, tạo ra dòng điện mA 1 trong mạch Để tránh ảnh hưởng từ ánh sáng bên ngoài, đèn và điốt phát quang được đặt trong một hộp kín.
Chuyển khoá K đến vị trí (2) sẽ kích hoạt nguồn một chiều, làm cho đèn sáng lên Tiến hành điều chỉnh điện trở R để dòng quang điện mA1 đạt giá trị mong muốn Từ đó, suy ra P~ = P - = UI.
Phương pháp đo nhờ cường độ ánh sáng
ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH ĐIỆN TỬ
Trong chương II, bài viết đã trình bày các phương pháp đo công suất trong mạch điện, chủ yếu sử dụng oắt kế cơ cấu chỉ thị điện động Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, oắt kế này không còn đáp ứng được độ nhạy và khả năng đo lường Do đó, chương III sẽ giới thiệu những phương pháp mới để đo công suất trong mạch điện tử.
I Đo công suất trong mạch cao tần và siêu cao tần
1.1 Phương pháp đo dòng điện trên mạch điện có trở kháng đã biết
Phương pháp này thường dùng để đo công suất ra của một máy phát (ví dụ như angten)
Để đo tải của máy phát, người ta sử dụng một điện trở tương đương đặc biệt, có tiêu chuẩn cao, ít thành phần điện kháng và khả năng hấp thụ năng lượng tốt.
Khi đó công suất của máy phát cần đo chính bằng công suất của điện trở thay thế P = I 2 R
Vậy ta chỉ cần đo mỗi dòng điện trên điện trở thay thế là tìm được công suất cần đo
Phương pháp so sánh là kỹ thuật đo công suất của nguồn điện cao tần bằng cách đối chiếu với nguồn công suất dòng điện một chiều hoặc nguồn dòng điện tần số thấp, giúp việc đo lường trở nên dễ dàng hơn.
1.2.1 Sơ đồ mắc mạch để đo
Khi khoá K ở vị trí (1), nguồn xoay chiều cung cấp điện cho đèn, khiến điốt phát quang nhạy cảm với ánh sáng của đèn và tạo ra dòng điện mA 1 trong mạch Để tránh ảnh hưởng từ ánh sáng bên ngoài, đèn và điốt phát quang được đặt trong một hộp kín.
Khi chuyển khóa K sang vị trí (2), nguồn một chiều sẽ kích hoạt đèn sáng Tiếp theo, cần điều chỉnh điện trở R để dòng quang điện đi qua mA1 đạt giá trị mong muốn Từ đó, suy ra công suất P~ = P - = UI.
1.3 Phương pháp đo công suất bằng hiệu ứng “Hall”
Ta có sơ đồ oắt kế với chuyển đổi Hall như hình vẽ sau :
Hình 23a Oắt kế sử dụng chuyển đổi Hall
I Đèn sợi đốt Điôt quang
Cấu tạo của Watnet với chuyển đổi Hall gồm :
Chuyển đổi Hall là mạng 4 cửa được chế tạo dưới dạng một tấm mỏng bằng bán dẫn như hình trên
Có hai cực dòng kí hiệu là T – T của chuyển đổi được mắc vào một nguồn điện một chiều hay xoay chiều
Có hai cực áp kí hiệu là X – X
Có một cuộn hút L, phụ tải ZL và điện trở phụ RP để hạn chế dòng điện
Đồng hồ để đo sức điện động Hall là loại đồng hồ từ điện
Khi một từ trường được đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi, sẽ xuất hiện ở hai đầu X – X một thế điện động gọi là thế điện động Hall Thế điện động Hall được tính theo công thức: ex = kxBix (3.1).
Hệ số kx phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình dáng của chuyển đổi, cũng như nhiệt độ môi trường xung quanh và giá trị của từ trường.
B là độ từ cảm của từ trường Để thực hiện một phép đo bằng cảm biến Hall, ta đặt cảm biến vào khe hở của một nam châm điện Khi dòng điện được đưa qua mạch, từ trường sẽ xuất hiện, được biểu diễn bằng các đường chấm chấm trong hình vẽ.
Điện động Hall được tính theo công thức ex = kui = Kp, trong đó ex được đo bằng minivôn mét và k là hệ số tỷ lệ Oát kế với chuyển đổi Hall cho phép đo công suất xoay chiều với tần số lên đến hàng trăm MHz Ưu điểm của hệ thống này bao gồm không có quán tính, cấu tạo đơn giản, độ bền cao và độ tin cậy tốt.
Nhược điểm : Sai số do nhiệt độ lớn
II Đo công suất hấp thụ Để đo công suất hấp thụ ta có ba phương pháp đo
Phương pháp vôn-mét và ampe-mét
Phương pháp đo cường độ ánh sáng
Phương pháp nhiệt lượng mét
2.1 Phương pháp vôn-mét và ampe-mét Để đo được tần số cao tới 1.000 MHz người ta đã sử dụng phương pháp vôn-mét và ampe-mét làm cơ sở để chế tạo oắt kế kiểu tách sóng để trực tiếp đo công suất của tải hấp thụ
2.1.1 cấu tạo và sơ đồ khối
Sơ đồ khối loại oắt kế trên được biểu diễn bởi hình sau :
Hình20: Sơ đồ khối Oắt kế dùng phương pháp Vôn mét (ampe met)
Trong sơ đồ, Rt là tải hấp thụ được thiết kế dưới dạng điện trở bề mặt, hình trụ gốm phủ lớp than chì với đường kính biến thiên theo hàm số mũ Thiết kế này nhằm đảm bảo không làm méo trường điện từ trên đường truyền, giúp tải có tính chất điện trở và tương thích với trở kháng sóng của dây truyền tải.
Phép đo ở đây được thực hiện bằng cách đo điện áp trên một tải đã biết Khi có phối hợp trở kháng thì :
P= U 2R (3.3) Với Rt là trở kháng tải
Um là trị số đỉnh của điện áp trên tải
Trong mạch ta mắc vônmét chỉ đo điện áp trên một phần của tải Giả sử đoạn tải vônmét đo là R d thì điện áp đó là :
R (3.4) Thay biểu thức (2.48) vào (2.47) ta có :
Vì Rd là giá trị điện trở cố định và đã biết, nên thang độ của đồng hồ chỉ thị có thể được khắc độ trực tiếp theo đơn vị công suất (W).
Sai số của phép đo này là do các điện trở Rt, Rd có sai số(do quá trìng sử dụng và chưa đạt chuẩn)
Sai số của vônmét(do nguồn cung cấp thay đổi, sự thay đổi của nhiệt độ xung quanh trong quá trình đo lường )
Sai số do sự phối hợp trở kháng chưa tốt
2.2 Phương pháp đo cường độ ánh sáng
2.2.1 Cấu tạo của oắt kế dùng cách biến đổi điện năng thành quang năng để đo công suất
Mạch được mắc theo sơ đồ sau:
Hình 21: Cấu tạo của oắt kế dùng cách biến đổi điện năng thành quang năng
Đèn điốt Đ là một thiết bị hấp thụ công suất cao tần với cấu tạo đặc biệt, trong đó điện trở của đèn gần bằng trở kháng sóng của dây đồng trục, giúp đảm bảo sự phối hợp tối ưu Sợi đốt của đèn được thiết kế dưới dạng dây thẳng, mảnh để giảm thiểu hiệu ứng bề mặt khi đo ở các tần số khác nhau.
Một ống BĐ có thể thay đổi được chiều dài ống
Tấm kính chắn nhiệt CN
Một đồng hồ từ điện (thang khắc độ của đồng hồ được chuẩn theo đơn vị công suất)
2.2.2 Nguyên lý làm việc a Một số thông số cần chú ý :
Để đảm bảo sự phân bố dòng điện dọc trên sợi dây đốt được đồng đều, chiều dài sợi đốt của đèn điốt cần được chọn ngắn hơn từ 8 đến 10 lần so với chiều dài tối thiểu của đoạn sóng công tác quy định của oắt kế.
Trong ống thủy tinh của đèn Đốt có chứa khí hydrô, giúp nâng cao công suất cực đại cần đo Nguyên lý hoạt động của đèn Đ là ánh sáng phát ra sẽ đi qua lỗ O và tấm kính chắn nhiệt.
Phương pháp nhiệt lượng kế
2.3.1 Một vài nét về phương pháp nhiệt lượng mét
Phương pháp đo công suất bằng cách biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng nhiệt có độ chính xác cao, đặc biệt hiệu quả trong việc đo công suất lớn Phương pháp này phù hợp cho nhiều tần số, nhưng thường được sử dụng nhất trong phạm vi sóng cực ngắn (cm, dm và một phần sóng m), với khả năng đo công suất từ 5 – 1000 W Trong phương pháp nhiệt lượng mét, có hai loại oắt kế được áp dụng.
Loại oắt kế dùng để đo trực tiếp
Loại oắt kế dùng để so sánh
Cả hai loại thiết bị đều sử dụng tải hấp thụ là "tải nước", trong đó nước đóng vai trò là chất hấp thụ năng lượng điện từ Nước sẽ chảy qua một bộ phận phát nhiệt, được nung nóng nhờ công suất của nguồn điện cần đo.
Khi nguồn cung cấp cần đo đun nóng một thể tích nước từ t 1 → t 2 Khi đó nhiệt lượng cung cấp cho nước
Qn = KV( T2 – T1) = KV T (3.6) Nhiệt lượng lấy từ điện năng tuân theo Định luật Jun_Lenxơ
Từ (3.6),(3.7) ta có KV T = 0,24 I 2 Rt
(3.8) Công suất được hấp thụ trên tải như vậy được xác định bằng công thức : ΔT t
v : là tốc độ chảy của nước (có thứ nguyên là cm 3 /s)
T : là độ chênh lệch nhiệt độ của nước ở đầu ra và đầu vào của bình chứa tải, nó được tính bằng độ bách phân
2.3.2 Các loại oắt kế dùng để đo a Oắt kế dùng để đo trực tiếp a1 Sơ đồ khối của oắt kế
Hình 22: Sơ đồ khối của oắt kế Ở đây năng lượng điện từ được đưa vào đốt nóng bộ phận phát nhiệt
PN và được hấp thụ gây nóng nước a2 nguyên lý hoạt động
Nước từ nguồn nước chảy qua bộ phận phát nhiệt PN và được đun nóng bởi bộ phận này
Sau khi nước được đun nóng thì ta phải đo được hai đại lượng sau :
Một là độ chênh lệch nhiệt độ của nước ở đầu ra và đầu vào của bình chứa tải t 0
Tốc độ chảy của nước có thể được xác định bằng cách sử dụng một bình chứa có dung tích được đánh dấu rõ ràng và một vòi có van điều chỉnh.
Nguồn nước Đo Δto Đo v
Khi thực hiện đo lường, cần điều chỉnh để nước chảy đều, sau đó ghi nhận mức nước sụt trong bình đã được khắc độ dung lượng trong một khoảng thời gian nhất định Qua đó, ta sẽ xác định được giá trị cần thiết.
Bộ phận đo tốc độ cần được điều chỉnh van hãm để đảm bảo dòng nước chảy vừa phải, giúp phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ dễ dàng hơn và giảm thiểu quán tính khi chuyển đổi giữa các phép đo khác nhau Tốc độ trung bình thường được thiết lập ở mức v = 1,5 lít/phút Để đo độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu ra và đầu vào của bình chứa, chúng ta sử dụng bộ phận đo t 0, chẳng hạn như bộ phận đo t 0 bằng nhiệt ngẫu.
Hình 24: Cấu tạo bộ phận đo nhiệt độ
Và đồng hồ từ điện A ở đây có thể trực tiếp khắc độ theo đơn vị công suất b Oắt kế dùng để so sánh b1 Sơ đồ khối
Hình 25: Sơ đồ khối của Oắt kế dùng để so sánh
Sơ đồ gồm các bộ :
Bộ đo t 1 0 và bộ đo t 2 0
Bộ phát nhiệt PN và nguồn năng lượng điện từ
Bộ đốt nóng ĐN (là điện trở được nung nóng bằng nguồn điện áp có tần số 50Hz)
Một Oắt kế W và bộ ĐC dùng để điều chỉnh mức điện áp xoay chiều 50 Hz
Bộ đo tốc độ v của nước (có tác dụng giữ cho tốc độ chảy của nước không thay đổi trong quá trình đo ) b2 Nguyên lý hoạt động
Bộ phận phát nhiệt PN hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt, sử dụng nước từ nguồn nước chảy qua để làm nóng Ở đầu ống nước vào, có sự chênh lệch nhiệt độ được đo bằng thiết bị đo t 10.
Nước sau đó chảy qua bộ phận đốt nóng ĐN, với độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra được đo bằng bộ đo Δt20 Công suất tiêu thụ của hệ thống được xác định từ thông số này.
Khi điều chỉnh công suất nguồn 50Hz để có t 1 0 = t 2 0 lúc đó công suất cao tần cần đo có trị số bằng công suất được hiển thị trên oắt kế W
III Đo công suất truyền thông
Khi đo công suất, có trường hợp cần xác định công suất của tải hấp thụ bất kỳ, tức là nguồn công suất hoạt động ở chế độ tải thực Trong tình huống này, mối quan hệ giữa tải thực và dây truyền sóng, cũng như giữa dây truyền sóng và trở kháng ra của nguồn công suất có thể không hoàn toàn tương thích Việc đo công suất trong trường hợp này được thực hiện theo sơ đồ cụ thể.
Hình 26: Sơ đồ đo công suất bằng kiểu so sánh Đo công suất như trên là đo công suất truyền thông
Trong kỹ thuật đo lường điện tử, có nhiều phương pháp đo công suất truyền thông hiệu quả, bao gồm phương pháp phân mạch định hướng, phương pháp sử dụng hiệu ứng Hall và phương pháp dựa trên hiệu ứng áp suất của sóng điện từ Những phương pháp này giúp xác định chính xác công suất truyền tải trong các hệ thống điện tử.
Phương pháp đo áp suất song điện từ
ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH ĐIỆN TỬ
Trong chương II, đề tài đã trình bày các phương pháp đo công suất trong mạch điện, chủ yếu sử dụng oắt kế cơ cấu chỉ thị điện động Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, oắt kế này không còn đáp ứng được độ nhạy và khả năng đo lường Do đó, chương III sẽ giới thiệu các phương pháp mới nhằm đo công suất trong mạch điện tử.
I Đo công suất trong mạch cao tần và siêu cao tần
1.1 Phương pháp đo dòng điện trên mạch điện có trở kháng đã biết
Phương pháp này thường dùng để đo công suất ra của một máy phát (ví dụ như angten)
Để đo tải của một máy phát, người ta sử dụng một điện trở tương đương đặc biệt, có tiêu chuẩn cao, ít thành phần điện kháng và khả năng hấp thụ năng lượng lớn.
Khi đó công suất của máy phát cần đo chính bằng công suất của điện trở thay thế P = I 2 R
Vậy ta chỉ cần đo mỗi dòng điện trên điện trở thay thế là tìm được công suất cần đo
Phương pháp so sánh là kỹ thuật đo công suất của nguồn điện cao tần bằng cách đối chiếu với nguồn công suất dòng điện một chiều hoặc nguồn dòng điện tần số thấp, điều này giúp dễ dàng thực hiện việc đo lường.
THỰC HÀNH ĐO CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU
Đo công suất phản kháng của mạch R – L – C
Do không có Oát kế để đo trực tiếp công suất phản kháng của mạch xoay chiều một pha với tải R-L-C mắc nối tiếp, chúng tôi đã tiến hành đo gián tiếp thông qua công suất thực của mạch.
2.1.1 Sơ đồ mạch R – L – C cần đo được vẽ như sau :
Ta tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo
Trên Oắt kế ta đọc được công suất thực của mạch
Trên Ampekế ta đọc được dòng điện của toàn mạch
Trên Vônkế ta đọc được hiệu điện thế cung cấp cho toàn mạch
2.1.3 Ghi kết quả vào bảng : Đại lượng
Công suất, hiệu điện thế và cường độ dòng điện trung bình đo được là:
Công suất phản kháng là: Q = UI Sin = 101.0,47 0,2 = 9,49 W
Đo công suất phản kháng của mạch R – L
2.2.1 Sơ đồ mạch R – L cần đo được vẽ như sau :
Ta tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo
Trên Oắt kế ta đọc được công suất thực của mạch
Trên Ampekế ta đọc được dòng điện của toàn mạch
Trên Vônkế ta đọc được hiệu điện thế cung cấp cho toàn mạch
2.2.3 Ghi kết quả vào bảng : Đại lượng
Công suất, hiệu điện thế và cường độ dòng điện trung bình đo được là:
Công suất phản kháng là: Q = UI Sin = 90.33.0,44 0,37 = 14,71 W
Đo công suất phản kháng của mạch R – C
2.3.1 Sơ đồ mạch R– C cần đo được vẽ như sau :
Ta tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo
Trên Oắt kế ta đọc được công suất thực của mạch
Trên Ampekế ta đọc được dòng điện của toàn mạch
Trên Vônkế ta đọc được hiệu điện thế cung cấp cho toàn mạch
2.3.3 Ghi kết quả vào bảng : Đại lượng
Công suất, hiệu điện thế và cường độ dòng điện trung bình đo được là:
Công suất phản kháng là: Q = UI Sin = 79.0,38 0,34 = 10,21 W
Đo công suất phản kháng của mạch xoay chiều ba pha
2.4.1 cách đo trực tiếp a Cách mắc mạch Để mắc được mạch việc đầu tiên ta phải xác định được các đầu vào và đầu ra của hai cuộn dòng và hai cuộn áp Khi xác định được đầu vào và đầu ra của các cuộn dòng và áp rồi ta tiến hành mắc mạch điện như sau :
Cuộn dòng 1 : mắc nối tiếp vào một trong ba pha(giả sử ở đây ta mắc vào pha A)
Cuộn dòng 2 : mắc nối tiếp vào một trong hai pha còn lại (giả sử ở đây ta mắc vào pha B)
Cuộn áp 1 : Ta mắc hai đầu dây vào hai pha còn lại (một đầu vào pha
Cuộn áp 2 : ta cũng mắc tương tự như cuộn 1(một đầu vào pha A, một đầu vào pha C)
Ta mắc theo sơ đồ sau :
Nguồn 3 pha 220V b Đọc kết quả đo
Ta tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo
Trên Oắt kế ta đọc được công suất phản kháng của mạch
Trên Ampekế ta đọc được dòng điện của một pha
Trên Vônkế ta đọc được hiệu điện thế pha c Ghi kết quả vào bảng : Đại lượng
Công suất phản kháng trung bình của mạch xoay chiều ba pha tải đối xứng là:
Ta tiến hành đo công suất tác dụng của mạch sau đó dựa vào công thức P= UI cos
Suy ra sinϕ dựa vào công thức sinϕ = 1 - cos²ϕ, từ đó tính công suất phản kháng theo công thức Q = UI sinϕ Sơ đồ mắc mạch được trình bày rõ ràng, và kết quả đo được ghi nhận chính xác.
Ta tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo
Trên Oắt kế ta đọc được công suất thực của mạch
Trên Ampekế ta đọc được dòng điện của một pha
Trên Vônkế ta đọc được hiệu điện thế của một pha c Ghi kết quả vào bảng : Đại lượng
Công suất, hiệu điện thế pha và cường độ dòng điện pha trung bình đo được là:
Công suất phản kháng là: Q = 3UP IP Sin = 3.158,67.0,64 0,2 = 60,93 W
Vậy từ hai cách đo trên ta nhận thấy giữa hai cách đo cho hai kết quả khác nhau nhưng chúng trênh nhau không nhiều
Có thể sử dụng Oắt kế để đo trực tiếp công suất phản kháng của mạch mà không cần phải thực hiện nhiều tính toán phức tạp như trong phương pháp đo gián tiếp.