🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện Ebooks Nhóm Zalo v ụ TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP - DẠY NGHỀ GIAO TRINH Đ I E N V A K H O N G Đ I E N SÁCH DÙNG CHO CAC TRƯƠNG ĐAO TẠO HỆ TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP NGUYỄN VẶN HOÀ GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG ■ ■ ĐIỆN VÀ KHÔNG ĐIỆN ■ ■ SÁCH DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐÀO TẠO HỆ TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP (Tái bản lần thứ hai) ĐẠI HỌC THẢI NGUYÊN TRUNG TÂM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC 1750/166-03 Mã sô' : 7K562T4-KHO Lời giới thiệu Việc tổ chức biên soạn và xuất bản một sô'giáo trình phục vụ cho đào tạo các chuyên ngành Điện - Điện tử, Cơ khí - Động lực ở các trường THCN - DN là một sự cố gắng lớn của Vụ Trung học chuyên nghiệp -D ạy nghề và Nhà xuất bản Giáo dục nhằm từng bước thống nhất nội dung dạy và học ở các trường THCN trên toàn quốc. Nội dung của giáo trình đã được xăy dưng trên cơ sở kế thừa những nội dung được giảng dạy ờ các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu năng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Đề cương của giáo trình đã được Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề tham khảo ý kiến của một số trường như : Trường Cao đẳng công nghiệp Hà Nội, Trường TH Việt - Hung, Trường TH Công nghiệp II, Trường TH Công nghiệp III v.v... và đã nhận được nhiều ý kiến thiết thực, giúp cho tác giả biên soạn phù hợp hơn. Giáo trình do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm giảng dạy ờ các trường Đại học, Cao đẳng, THCN biên soạn. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo THCN. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc không tránh khỏi những khiếm khuyết. Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề đề nghị các trường sử dụng những giáo trình xuất bản lần này để bổ sung cho nguồn giáo trình đang rất thiếu hiện nay, nhằm phục vụ cho việc dạy và học của các trường đạt chất lượng cao hơn. Giáo trình này củng rất bô ích đôĩ với đội ngủ kỹ thuật viên, công nhăn kỹ thuật đê năng cao kiến thức và tay nghề cho mình. Hy vọng nhận được sự góp ý của các trường và bạn đọc để những giáo trinh được biên soạn tiếp hoặc lần tái bản sau có chất lượng tốt hơn. Mọi góp ý xin gửi vềN XB Giáo dục -8 1 Trần Hưng Đạo -H à Nội. VỤTHCN-DN 3 Mở đầu Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện được biên soạn theo đề cương do vụ THCN - DN, Bộ Giáo dục & Đào tạo xây dựng và thông qua. Nội dung được biên soạn theo tinh thần ngắn gọn, dễ hiểu. Các kiên thức trong toàn bộ giáo trình có mối liên hệ lôgíc chặt chẽ. Tuy vậy, giáo trình củng chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham khảo thêm các giáo trinh có liên quan đốì với ngành học đ ể việc sử dụng giáo trình có hiệu quả hơn. Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cô'gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và phù hợp với đối tượng sử dụng củng như cô' gắng gắn những nội dung lí thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao. Nội dung của giáo trình được biên soạn với dung lượng 60 tiết, gồm : Mỏ đầu Chương 1. Các khái niệm cở bản về kỹ thuật đo lưòng \Chương 2. Đo dòng điện và điện áp ; Chương 3. Đo công suất và năng lượng ; Chương 4. Đo tần sô” góc pha và khoảng thời gian ; Chương 5. Đo thông số của mạch điện; Chương 6. Dao động kí (Oscụosscope) ; Chương 7. Đo đại lượng không điện ; Chương 8. ứ ng dụng quang'học trong kỹ thuật đo lường ; ' Trong quá trình sử dụng, tùy theo yêu cầu cụ thể có thể điều chỉnh sô' tiết trong mỗi chương. Trong giáo trình, chúng tôi không đề ra nội dung thực tập của từng chương, vì trong thiết bị phục vụ cho thực tập của các trường khộng đồng nhất. Vì vậy, căn cứ vào trang thiết bị đã có của từng trường và khả năng tô chức cho học sinh thực tập ở các xí nghiệp bên ngoài mà trường xây dựng thời lượng và nội dung thực tập cụ thể - Thời lượng thực tập tôĩ thiểu nói chung củng không ít hơn thời lượng học lí thuyết của mỗi môn. Giáo trình được biên soạn cho đối tượng là học sinh THCN, Công nhân lành nghề bậc 3 /7 và nó củng là tài liêu tham khảo bổ ích cho sinh viên Cao đắng kỹ thuật củng như Kỹ thuật viên đang làm việc ở các cơ sở kinh tê với nhiều lĩnh vực khác nhau. Mặc dù đã cô gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khiếm khuyết. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng đ ể lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn. Mọi góp ý xin được gửi về Nhà XBGD - 81 Trần Hưng Đạo, Hà Nội. TÁC GIẢ 4 Chương Ị CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN VỂ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ■ ■ l . l ẻ C Á C ĐỊNH N G H ĨA VÀ K H Á I NIỆM CHUNG V Ề ĐO LƯỜNG 1ẳ1.1. Định nghĩa về đo lường, đo lường học và kỹ thuật đo lường a) Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng A = và ta có x= A .x 0 (1 -1) Xo X - đại lượng đo ; x 0 - đơn vị đo; A - Con số kết quả đo Ví dụ : I = 5A ; I- dòng điện; 5 - con số đo; A - đơn vị đo b) Đo lường học: là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo. c) Kỹ thuật đo lường: là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. 1.1.2ẻ Khái niệm vể tín hiệu đo và đại lượng đo a) Tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo lường được gọi là tín hiệu đo lường. b) Đại lượng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể người ta chỉ quan tâm đến một thông số nhất định, đó là đại lượng vật lí. 5 c) Đại lượng đo được phân thành hai loại : Đại lượng đo tiền định là đại lượng đo đã biết irước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng. Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nhất định. 1.1.3ễ Thiết bị đo và phương pháp đo a) Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thiết bị đo gồm nhiều loại : thiết bị mẫu, các chuyên đổi đo lường, các dụng cụ đo, các tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường. b) Phương pháp đo Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản như sau: + Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu + Thao tác so sánh + Thao tác biến đổi + Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị 9 Thủ tục phối hợp các thao tác cơ bản trên là phương pháp đo. Phương pháp đo có thể có nhiều nhưng thực tế người ta chia thành hai loại: phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh. 1.2. PHÂN L O Ạ I PHƯƠNG PH ÁP ĐO 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 (hình 1- 1). Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi và biến thành con số Nx. Đơn vị của đại lượng đo Xq cũng được biến đổi thành N0, sau đó được so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị qua bộ so sánh (SS). Quá trình được thực hiện bằng một phép chia Nx/N0. Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng X = TT" 'X 0 ( 1 - 2 ) No 6 BĐ X A/D Nxss N*/NXMN0BĐ - bộ biến đổi Xo *0 Nn Hình 1 -1 A/D - bộ biến đổi tương tự - số Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị biến đổi thẳng. 1ế2.2. Phương pháp đo kiểu so sánh Là sơ đồ có cấu trúc mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi hình 1-2 BĐ - bộ biến đổi A/D - bộ biến đổi tương tự - số s s - Bộ so sánh D/A - bộ biến đổi số - tương tự CT - chỉ thị kết quả Hình 1 - 2 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 = AX. Tùy thuộc vào cách so sánh ta có các phương pháp sau : a) So sánh cân bằng ậễ là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu xk được so sánh với nhau sao cho AX = 0 và X - xk = 0, X = xk = Nkx 0 (1 - 3) (X0 - đơn vị đo). Như vậy x k là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn được kết quả như (1 -3 ). Phép so-sánh luôn ở trạng thái cân bằng. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của x k và độ nhạy của thiết bị chí thị cân bằng. Các dụng cụ đo theo phương pháp so sánh cân bằng như cầu đo, điện thế kế V . V . .# b) So sánh không cân bằng Nếu xk là đại lượng không đổi, lúc đó ta có : X - x k = AX X = xk + AX. (1 -4 ) 7 Kết quả cùa phép đo được đánh giá qua AX, Với x k là đại lượng biết trước. Phương pháp này được sừ dụng đo các đại lượng không điện như đo nhiệt độ (dùng mạch cầu không cân bằng). c) So sánh không đổng thời: là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng mẫu x k. Các giá trị đo X và giá trị mẫu được đưa vào thiết bị khòng cùng một thời gian, thông thường giá trị mẫu x k được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ để xác định giá trị của đại lượng đo. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp như vônmét, ampemét kim chỉ. d) So sánh đồng thời: là phương pháp so sánh cùng một lúc đại lượng đo X và đại lượng mảu x k. Khi X và x k trùng nhau, qua x k xác định được giá trị đại lượng X. 1.3. PHÂN L O Ạ I C Á C T H I Ế T B Ị ĐO Thiết bị đo là sự thể hiện phương pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể. Thiết bị đo được chia thành nhiều loại tùy theo chức năng của nó, thường gồm có : Mảu, dụng cụ đo. chuyển đổi đo lường, hệ thống thông tin đo lường. a) Mấu: là thiết bị đo dể khôi phục một đại lượng vật lí nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ chính xác cao từ 0 ,0 0 1 % -ỉ- 0 ,1% tuỳ theo từng cấp, từng loại. b) D ụng cụ đo: là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện kết quả đó dưới dạng con số, đồ thị hoặc bàng số. Tùy theo cách biến đổi tín hiệu và chi thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự (Analog) và dụng cụ đo chi thị sô' (Digital). *Dụng cụ đo tuơng tự là dụng cụ mà kết quả đo là một hàm liên tục của quá trình thay đổi của đại lượng đo. Các loại dụng Cụ này gồm dụng cụ đo kim chi và tự ghi. *Dụng cụ đo sô' là loại kết quả đo được thể hiện bằng số. c) Chuyên đói đo lường: là thiết bị dùng để biến đổi tín hiệu đo ờ đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi hơn để biến đổi tiếp theo, hoặc truyền đạt. gia công, lưu giữ nhưng không quan sát được. Có hai loại chuyển đổi : - Chuyển đổi các đại lượng điện thành các đại lượng điện khác như các bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D) hoặc số - tương tự (D/A) v.v... 8 - Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện. Đó là các bộ biến đổi sơ cấp và là bộ phận chính của đầu đo hay cảm biến. d) Hệ thống thông tin đo lường: là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển. Hệ thống thông tin đo lường được phân thành nhiều nhóm: hệ thống đo lường, hệ thống kiểm tra tự động, hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật và hệ tổ hợp đo lường tính toán. 1.4ề ĐƠN V Ị ĐO, CH UẨ N VÀ M AU 1.4.1. Khái niệm chung Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn vể một đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ. Trên thế giới người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn. Ví dụ : Chuẩn “ Ôm quốc tế” là điện trở của cột thủy ngân thiết diện lmm2 dài 106,300 cm ở 0°c có khối lượng 14,4521 gam. Chuẩn “Ampe” là dòng điện có thể giải phóng 0,00111800 gam bạc khỏi dung dịch nitrat trong thời gian 1 giây. Cấp chính xác của các chuẩn này cỡ 0,001%. 1.4.2. Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm a) Đơn vị cơ tả n : được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được. b) Đơn vị kéo theo: là đơn vị có liên quan đến các đơn vị đo cơ bản thể hiện qua các biểu thức. Ngày nay các nước thường sử dụng hệ thống đơn vị thống nhất đó là hệ thống đơn vị quốc tế SI là hệ thống đã được thông qua ở hội nghị quốc tế năm 1960. Trong đó có bảy đơn vị cơ bản là : mét (m) (chiều dài), kilôgam (kg) (khối lượng), thời gian tính bằng giây (s), ampe (A) (cường độ dòng điện), K (nhiệt độ), mol (đơn vị sô' lượng vật chất), Cd (cường độ ánh sáng). Ngoài bảy đơn vị cơ bản trên còn có các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực cơ, điện, từ và quang học. Bảng 1.1 giới thiệu các đơn vị đo cơ bản và kéo theo trong các lĩnh vực cơ, điện, từ và quang học. 9 Bảng / ẳ/ Các đai lượng Tên đan vị Kí hiệu 1. Các đại lượng cơ bản Độ dài mét m Khối lượng kilôgam kg Thời gian giây s Dòng điên ampe A Nhiệt độ Kelvin K Số lượng vật chất môn mol Cường độ ánh sáng Candela Cd 2. Các đại lượng cơ học Tốc dộ mét trên giây m/s Gia tốc mét trên giây bình phương m/s2 Nãng lượng và công Jun J Lực Niutơn N Công suất Watt w Năng lượng Watt giây Ws 3. Các đại lượng điện Lượng điện Culông c Điện áp, thế điện động Vôn V Cường độ điện trường Vôn trên mét v/m Điện dung Fara F Điện trờ Ôm n Điện trờ riêng ôm mét Q.m Hệ sô' điện môi tuyệt đối Fara trên mét F/m 4. Các đại lượng từ Từ thông Vebe Wb Cảm ứng từ Tesla T Cường độ từ trường Ampe trên mét A/m Điện cảm Henri H Hệ số từ thẩm Henri trên mét H/m 5. Các đại lượng quang Luồng ánh sáng Lumen lm Cường độ sáng riêng candela trên mét vuông Cd/m: Độ chiếu sán2 lux lx 10 1.4.3. Các chuẩn câ'p 1 quốc gia của các đơn vị cơ bản hệ thống SI Chuẩn cấp 1 là chuẩn đảm bảo tạo ra những đại lượng có đơn vị chính xác nhất của một quốc gia. a) C huẩn đơn VỊễ độ dài Đơn vị độ dài (m). Mét là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/299792458 giây( CGPM * lần thứ 17, 1983. *CGPM tên viết tắt tiếng Pháp của đại hội cân đo quốc tế). b) C huẩn đơn vị khối lượng Kilogam(kg) - là đơn vị khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilogam quốc tế đặt tại trung tâm mẫu và cân quốc tế ở Pari. c) C huẩn đơn vị thời gian Đơn vị thời gian - giây (s) là khoảng thời gian của 9192631770 chu kì phát xạ, tương ứng với thời gian chuyển giữa hai mức gần nhất ở trạng thái cơ bản của nguyên tử xê-si 133- d) C huẩn đơn vị dòng điện Ampe(A) là dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng, song song, dài vô hạn, tiết diện tròn nhỏ không đáng kể, đặt cách nhau 1 mét trong 7 - 7 chân không, sẽ gây ra trên môi mét dài của dây một lực 2.10 niutơn (CGPM lần thứ 9, 1948)7 e) Chuẩn đơn vị nhiệt độ Đơn vị nhiệt độ là Kelvin (K) - đó là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần nhiệt độ đông của điểm thứ ba của nước (là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng và hơi) f ) C huẩn đơn vị cường độ ánh sáng Đơn vị cường độ ánh sáng là Candela (Cd) là cường độ ánh sáng theo một 12 phương xác định của một nguồn phát ra bức xạ đơn săc có tần số 540x10 hec và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 oat trên steradian (CGPM lần thứ 16, 1979). g) Đơn vị sô' lượng vật chất Đơn vị số lượng vật chất (mol) - là số lượng vật chất có số phân tử (hay 12 nguyên tử, các hạt) bằng số nguyên tử chứa ở trong c với khối lượng là 0 ,0 1 2 kg. 11 1.5. C Ấ U T R Ú C C ơ BẢN CỦ A DỤNG c ụ ĐO 1.5.1. Phân loại dụng cụ đo Dụng cụ đo được phân loại như sau: a) Theo cách biến đổi có th ể phân thành *Dụng cụ đo biến đổi thẳng, là dụng cụ đo mà đại lượng cần đo X được biến đổi thành lượng ra Y theo một đường thẳng không có khâu phản hồi. *Dụng cụ đo kiểu biến đổi bù là loại dụng cụ có mạch phản hồi với các chuyển đổi ngược biến đổi đại lượng ra Y thành đại lượng bù x k để bù với tín hiệu đo X. Mạch đo là mạch khép kín. Phép so sánh được diễn ra sau các chuyển đổi sơ cấp. b) Theo phương pháp so sánh, đại lượng đo được phán thành• *Dụng cụ đo đánh giá trực tiếp: là dụng cụ được khắc độ theo đơn vị của đại lượng đo từ trước, khi đo, đại lượng đo so sánh với nó để cho ra kết quậ đo. *Dụng cụ đo kiểu so sánh : là dụng cụ đo thực hiện việc so sánh qua mỗi lần đo. Sơ đồ đo là sơ đồ kiểu biến đổi bù. c) Theo phương pháp đưa ra thông tin đo'được chia thành *Dụng cụ đo tương tự, đó là dụng cụ có số chỉ là một hàm liên tục của đại lượng đo. Dụng cụ đo tương tự gồm: Dụng cụ đo có kim chỉ, dụng cụ đo kiểu tự ghi. (Kết quả đo được ghi lại dưới dạng đường cong phụ thuộc thời gian). *Dụng cụ đo chỉ thị số: Là dụng cụ trong đó đại lượng đo liên tục được biến đổi thành rời rạc và kết quả đo thể hiện dưới dạng số. d) Theo đại lượng đo: các dụng cụ được mang tên đại lượng đo như Vonmét, Ampemét, Ômmét V.V.... 1.5.2ể Sơ đồ khôi của dụng cụ đo a) Sơ đổ cấu trúc của dụng cụ đo Mỗi dụng cụ đo thường có ba khâu chính đó là : Chuyển đổi sơ cấp, mạch đo và cơ cấu chi thị (hình 1-3 ). C Đ SC ■ MĐ CTCtíSC - Chuyên đõi S d cáp MĐ - Mạch đo CT - Cơ cẫu chỉ thị Hình 1-3. Cấu trúc chung cúa dụng cu đo 12 -Trong đó chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện. Đó là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo. - Mạch đo là khâu gia cổng thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện trên sơ đồ mạch. Mạch đo thường là mạch điện tử vi xừ lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo. - Cơ cấu chỉ thị là khâu cuối cùng của dụng cụ thể hiện kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị : Có ba cách thể hiện kết quả đo : + Chỉ thị bằng kim chỉ. + Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi. + Chỉ thị dưới dạng con số. b) Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng Dụng cụ đo biến đổi thẳng có sơ đồ cấu trúc như hình 1-4. Việc biến đổi thông tin đo chỉ xảy ra trên một đường thẳng, tức là không có khâụ phản hồi. CĐ, CĐo CĐn CT Hình 1-4. Sơ đồ cấu trúc cúa dụng cụ biến dổi thẳng Theo sơ đồ này, đại lượng đo X được đưa qua các khâu chuyển đổi. ƠĐj(sơ cấp), CĐ2 .....CĐn để biến thành đại lượng Yn tiện cho việc quan sát và chỉ thị. Các đại lượng Yj, Y2 ...Yn là các đại lượng trung gian. c) Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh Dụng cụ đo kiểu so sánh có sơ đồ cấu trúc như hình 1-5. Đó là dụng cụ có mạch phản hồi với các bộ chuyển đổi ngược (CĐN) để tạo ra tín hiệu x k so sánh với tín hiệu đo X. Mạch đo là một vòng khép kín. Sau bộ so sánh ta có tín hiệu AX = X -Xk . CĐ - Chuyển đổi thuận CĐN - Chuyển đổi ngược s s - Bộ so sánh CT - chỉ thị kết quả Hình I - 5 13 Khi AX - 0 ta có dụng cụ so sánh cân bằng, với AX * 0 là dụng cụ so sánh không cân bằng. 1Ễ6. CÁC ĐẶC TÍNH C ơ BẢN CỦA DỤNG c ụ ĐO Dụng cụ đo có nhiều loại tuỳ theo chức năng của chúng, nhưng đéu có những đặc tính cơ bản sau : 1.6.1. Sai số của dụng cụ đo Nguyên nhàn gây ra sai số của dụng cụ đo có nhiều loại khác nhau nhưng có thể phân thành 2 loại : a) Sai sỏ' hệ thống: Đó là sai sô' cơ bản mà giá trị của nó luôn không đổi hoặc thay đổi có quy luật. Sai sô' này vé nguyẽn tắc có thể loại trừ được. b) Sai số ngấu nhiên: là sai số mà giá trị cùa nó thay đổi rất ngẫu nhiên do sự thay đổi của môi trường bên ngoài (áp suất, nhiệt độ, độ ẩm v.v...) sai sô' này gọi là sai sô' phụ. c) Ngoài các sai sô' trên, đ ể đánh giá sai số của dụng cụ khi đo một đại lượng nào đó người ta còn phán loại : * Sai số tuyệt đối: là hiệu giữa giá trị đại lượng đo X và giá trị thực x th ( là giá trị đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó nhờ các dụng cụ mẫu). AX = X - X th ( 1 - 5 ) * Sai số tương đối cùa phép đo yx , được đánh giá bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực : Yx% = — 100% = — 100% (vì x t * X) (1-6) X X *Cấp chính xác cùa dụng cụ đo: là giá trị sai sô cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Người ta qui định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bang sai sô' tương đối qui đổi cùa dụng cụ đó và được nhà nước qui định cụ thể : Yqdx% = ^ nL 1 0 0% ( 1 - 7 ) AXm - sai số tuyệt đối cực đại x m - giá trị lớn nhất cùa thang đo 14 1.6.2. Độ nhạy Độ nhạy của dụng cụ đo tính bằng S = = F(X) Y - đai lương ra; X - đai lương vào. (1 - 8 ) dX Đai lương c = — là hằng số của dung cu đo. s Nếu một dụng cụ gồm nhiều khâu biến đổi, mỗi khâu có độ nhạy riêng n thì độ nhạy của toàn dụng cụ : s = S].S2 ......Sn - n * ( | - 9) 1=1 1.6.3..Điện trỏ của dụng cụ đo và công suât tiêu thụ a) Điện trở vào: là điộn trở ở đầu vào của dụng cụ. Điện trở vào của dụng cụ đo phải phù hợp với điện trở đầu ra của khâu trước đó của chuyển đổi sơ cấp. Khi đo điện áp của một nguồn điện hoặc điện áp rơi trên phụ tải điện trở của Vonmét càng lớn càng tốt. Ngược lại khi đo dòng điện qua phụ tải yêu cầu điện trở của Ampemét càng nhỏ càng tốt để giảm sai số của phép đo. b) Điện trở ra của dụng cụ = BSWa (2-6) B - Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu s - Tiết diện khung dây w - Sô' vòng của khung a - Góc lệch của khung khỏi vị trí ban đầu Thay (2-5) vào (2-4) ta có : M d W , dÇBSWttj) = Bswl q d a d a Ở vị trí cân bằng, mòmen quay bằng mômen cản Mq = Mc , từ (2 - 2) và (2 - 7) ta có: BSWI = D a và a = 4 BSWI = Sj.I (2-8) D 1 Do B,S,W,D là hằng số nên góc lệch a tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I. Từ biểu thức (2-8) ta thấy cơ cấu từ điện chỉ có thể đo được dòng điện một chiều, thang đo đều nhau, độ nhạy S] = — BWS là một hằng số không đổi. Cơ cấu từ điện dùng để chế tạo ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0 , 1-h0 ,5). 2.1.5ế Cơ câu chỉ thị điện từ a) Cấu tạo Cơ cấu chi thị điện từ được phân thành 2 loại : cuộn dây dẹt và cuộn dây tròn. * Cuộn dây dẹt: phần tĩnh là một cuộn dây phẳng 1, bên trong có khe hở không khí (hình 2-9a). Phần động là: lõi thép 2 được gắn trên trục 5, lõi thép có thể quay tự do trong khe hở không khí. 21 * Cuộn dây tròn : phần tĩnh là cuộn dây có mạch từ khép kín 1 (hình 2- 9b), bên trong bố trí tấm kim loại cố định 2, tấm động 3 gắn với trục quay. Hình 2 - 9a. Cơ cấu chỉ thị từ điện cuôn dây dẹt Hình 2 - 9b. Cơ cấu chi thị từ điện cuôn dây tròn 1-Cuộn dãy dẹt. 2-Lõi thép. 3-Lòxocán. 4-Cándịu. 1-Cuộn dây. 2-Tâim kim loại tình. 5-Trục quay. 6-Kim chỉ. 7-Đô'i ưọng. 8-Thang đo. 3-Tấm kim loại động. b) Nguyên lý làm việc * Đối với cuộn dây dẹt: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ tạo thành một nam châm điện hút lõi 2 vào khe hở không khí tạo thành mômen quay (Mq). * Đối với cuộn dây tròn: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ xuất hiện từ trường và từ hóa các tấm kim loại tĩnh và động để tạo thành nam châm. Giữa các tấm kim loại hình thành lực đẩy lẫn nhau và xuất hiện mốmen quay (Mq). T ' A/r - dWe Ta có Mn =—— q da LI2 trong đó w e = —— (2 -9 ) L - điện cảm cuộn dây; I - là dòng điện chạy trong cuộn dây. Dođ n J _ 2 _ l T2 dL 6 M, = ^ i - = Ì I ^ (2. 10) Khi ở vị trí cân bằng : Mq = Mc 22 Ta có: - ì 2 ~ = D a 2 da và 1 ĩ 2 dL cx=—3— I — 2D da(2 - 11) Từ biểu thức (2-11) ta thấy góc quay a của cơ cấu không phụ thuộc vào chiều dòng điện nên có thể đo được dòng điện một chiều và xoay chiều, thang đo không đểu, tiêu thụ công suất lớn, độ chính xác không cao. Cơ cấu chỉ thị điện từ được dùng chế tạo vônmét, ampemét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1 -r 2 . 2.1.6. Cơ cấu chỉ thị điện động a) Cấu tạo Cơ cấu chỉ thị điện động gồm có cuộn dây phần tĩnh 1 (hình 2 - 1 0 ) được chia thành hai phần nối tiếp nhau để tạo ra từ trường đều khi có dòng điện chạy qua. Phần động là khung dây 2 đặt trong cuộn dây tĩnh và gắn trên trục quay. Hình dáng cuộn dây có thể tròn hoặc vuông. 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 chi thị. Hình 2 -10. Cơ cấu chí thị điện động b) N guyên lý làm việc: khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây tĩnh, trong cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trường tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo nên mômen quay làm phần động quay đi một góc a : M1 da Nếu dòng điện đi vào các cuộn dây là dòng một chiều I| và I2 thì w e = ^ L1I?+-L2l2+M12Iil2 (2 - 12) Lị, L2 - điện cảm của cuộn dây tĩnh và động M |2 - Hỗ cảm giữa hai cuộn dây 11, I2 - dòng điện một chiểu chạy trong cuộn dây tĩnh và động. Do L] và L2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc a bằng không và ta có : 23 ç m ^ d M ^ (2. 13) q da da Khi ở vị trí cân bằng Mq = Mc n Í M l l = D a . o = ì l , I 2^ í l i <2-l4a) da D da Khi cuộn dây tĩnh và cuộn dây động mắc nối tiếp nhau ta có Iị= I 2=I. Từ (2-14a) ta có : a = —I2 (2-14b) D da * Với i| và i2 là dòng xoay chiều ta có mômen quay tức thời mql = iI i2 (2-15) da và mômen quay trung bình trong một chu kì được tính theo biểu thức : 1 T M qtb = J m qtdt ( 2 ' 16) 0 Nếu i I = I lm sincot, i2 = I->m sin(cot-(p). Từ (2-15) và (2-16) ta có : 1 Tf dMiT Iqtb =Ý J hm hm sincot.sin(cot-cp)-^dt Mr 0 dM n T T Ma = —Í-Ü2- Ij I2 cos cp (2-17) H da ọ - Góc lệch giữa lị và I2. Ở điều kiện cân bằng Mq = M C Da = 11 2 ■(^ 12 coscp da a _ _LẾMuLị I C0S(p (2-18) D da Từ (2 - 14a), (2-14b) và (2 - 18) ta thấy rằng cơ cấu điện động có thể dùng trong mạch một chiều và xoay chiều, thang đo không đéu, có thể dùng để chế tạo vonmét. ampemét và oátmét có độ chính xác cao, với cấp chính xác 0,1 -ỉ- 0,2. Nhược điểm là tiêu thụ công suất lớn. 2.1.7. Ampemét một chiều Ampemét một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chi thị từ điên. Dòng cho phép qua cơ cấu đo từ 1 0 1 -ỉ- 10':A. Điện trò của cơ cấu từ 20Q -H 2000Q. Vì vậy. 24 khi sử dụng cơ cấu này để đo dòng điện lớn hơn dòng cho phép qua cơ cấu chỉ thị người ta phải mắc thêm một điện trở sun nối song song với cơ cấu chỉ thị. Sơ đồ cấu tạo như hình 2 - 11 . Điện trở sun được tính theo công thức Điện trở cuộn dãy Điện trở sun Rr R s =>'Ct n - 1(2-19) Rct - điện trở của cơ cấu chỉ thị I Hình 2 -11. Sơ đồ cấu tạo ampemét một chiéu n = — - Hê số mở rông thang đo; I - dòng cần đo ; Ict - dòng cực Ict đại mà cơ cấu đo chịu được. Khi ampemét có nhiều thang đo (hình 2-12), người ta mắc các điện trở Rj,R2 ,R3 như hình 2-12a hoặc hình 2-12b. Việc tính R],R2 ,R3 ứng với các dòng điện cần đo theo công thức (2-19). Các điện trờ sun được chế tạo bằng Manganin có độ ổn định cao và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu đo ít nhất là 1 cấpẳ (Ví dụ cơ cấu đo có độ chính xác cấp 0,5 thì sun phải có độ chính xác cấp 0 ,2 ). Rct ñCT ° ± -í Hình 2 ■ 12a Hình 2 - I2b Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trường thay đổi, mặt khác do dòng điện chạy qua cuộn dây làm nung nóng cũng gây nên sự thay đổi điện trở. Để giảm ảnh hưởng cùa sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi người ta mắc thêm các điện trờ bù bằng manganin hoặc constantan với cuộn dày cơ cấu đo như hình 2-13. 25 0 —►“ 2.1.8. Vônmét một chiểu R, ------0 Hình 2 ■ 13 R , - điện trớ làm bằng dóng (Cu) R: - diện trớ manganin (Mn) R, - điện trớ manganin rCT - điện trớ của chi thị Rs - điện trớ sun Vônmét một chiều được chế tạo cũng dựa trên cơ cấu chi thị từ điện. Điện áp định mức của chi thị vào khoảng 50 -e- 75mV. Muốn tạo thành vônmét có giới hạn đo lớn hơn người ta mắc nối tiếp với cơ cấu chì thị những điện trở phụ bằng manganin (hình 2-14a). Rct p3 ^CT u(CT 0 u, b) 0u,0u, Hình 2-14. Vônmét nhiều thang đo 0 u a) Giá trị cùa điện trờ phụ được tính theo công thức Rp = Rct (m-1) u m =uhệ số mờ rộng thang đo. ct (2-20) Để tạo thành vônmét có nhiều thang đo người ta mắc nối tiếp với cơ cấu chi thị các điện trờ phụ Rpi .Rp2,Rp3 (hình 2 - 14b). 2.1.9. Các ampemét xoay chiểu Để đo dòng điện xoay chiều tần sô công nghiệp, người ta thường dùng ampemét điện từ. điện động, sắt điện động và từ điện chinh lưu. a) Am pem ét điện từ .Ẽ là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ tấ u chi thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với sô' ampe vòng nhất định ( ví dụ cuộn dày tròn có IW = 200A vòng, cuộn dẹt có IW = 100 -ỉ- 150A vòng) do đó khi mờ rộng thang đo chì cần thay đổi sao cho IW là hằng sô bằng cách chia cuộn dày thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách nối ghép các đoạn đó như hình 2-15a - đo dòng điện nhò, hình 2-15b - đo dòng điện trung bình, hình 2- 15c đo dòng điện lớn. 26 b c Hình 2 - 15. Mớ rộng thang đo cúa ampemél điện từ b) Am pem ét điện động: thường sử dụng đo dòng điện ở tần số 50 Hz hoặc cao hơn (400 H- 2000Hz) với độ chính xác cao (cấp 0,5 ■¥ 0,2). Tùy theo dòng điện đo mà cuộn dây tĩnh và động được mắc nối tiếp hoặc song song hình 2-16. a) b) Hình 2 -16 Với dòng điện nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn dây động và cuộn dây tĩnh (hình 2 - lóa), khi dòng lớn hơn 0,5A cuộn dây tĩnh và cuộn dây động được ghép song song như hình 2 - 16b. Ampemét điện động có độ chính xác cao nên được sử dụng làm dụng cụ mẫu. Các phần tử R,L trong sơ đồ dùng để bù sai số tần số và tạo cho dòng điện ở hai cuộn dây trùng pha nhau. c) A m pem ét chỉnh lưu: là dựng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diốt. Hình 2-17a là mạch chinh lưu nửa chu kì và 2-17b là mạch chỉnh lưu hai nửa chu k ì. D2 R a) b) Hình 2 - 17. a) Chính lưu nứa chu kì; b) Chinh lưu hai nứa chu kì 27 Nói chung các ampemét chinh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chinh lưu thay đổi theo nhiệt độ, và thay đổi theo tần sô vì vậy cần phải bù nhiệt độ và bù tần số. Hình 2-18 là các sơ đồ bù tần sô' cùa các ampemét chỉnh lưu bằng cuộn cảm L và tụ c. 0L a) b) Hình 2 - 18. Các phương pháp bù tần số cùa ampemét chinh lưu Mặt khác các ampemét từ điện chinh lưu được tính toán với dòng điện có dạng hình sin, hệ số hình dáng khd = 1,1 BSW a = - I D k hd Khi đo với các dòng điện không phải hình sin sẽ gây sai số. Ưu điểm cùa dụng cụ này là độ nhạy cao, tiêu thụ công suất nhỏ, có thể làm việc được với tần số từ 500 Hz -ỉ- 1 kHz. Nhược điểm là độ chính xác thấp (cấp chính xác 1 -ỉ- 1,5). d) Am pem ét nhiệt điện: là dụng cụ kết hợp giữa chi thị từ điện và cặp nhiệt điện như hình 2-19a. Cặp nhiệt điện gồm 2 thanh kim loại khác nhau được hàn với nhau tại một đầu gọi là đầu làm việc (t|), 2 đầu kia được nối với milivônmét gọi là đầu tự do (t0). Một số vật liệu được sừ dụng làm cặp nhiệt điện là sắt - constantan, đồng - constantan, crom - alumen và platin - platin/ rôdi. Khi nhiệt độ đầu làm việc (t|) khác nhiệt độ đầu tự do (t0), cặp nhiệt điện sinh ra một sức điện động: Et = k 10° với 9° = tị - 10 là hiệu nhiệt độ giữa 2 đầu tị và tứ. (2 - 21) Nếu ta đốt nóng đầu làm việc tj bằng một dòng điện Ix thì quan hệ giữa nhiệt độ 9° và dòng điện Ix được biểu diễn bằng biểu thức 0 ° = k2Ix2 (2 - 2 2 ) Từ (2-22) thay vào (2-21) ta được Eị = k J k -, I x ~ = klx2 (2-23) 28 Sức điện động Eị được đo bằng milivônmét từ điện khi đó góc quay a được biểu diễn bằng biểu thức : a = klx2 Hình 2-19b,c là cấu tạo của hai cặp nhiệt điện khác nhau. Hình 2-19b là cặp nhiệt được đặt trong một ống chân không để bảo vệ chỗ nối khỏi bị tốn hao nhiệt. Hình 2-19c là cập nhiệt với vật dẫn nung phẳng, nhờ tấm đồng đệm và cách điện làm cho cặp nhiệt ít bị ảnh hưởng do nhiệt độ của môi trường. Mill von ké Đến milivon kế Cặp nhiệt 1^ a) S / c Dây nung Tấm đóng đêm Cách điên Cảp nhiệt / / Cách điên /11 Tấm đóng đèm w \ \ Dây dấn \ Băng nung / Đấu ra bằng đóng c) Hình 2 -19. a) Ampemét nhiệt điện. b,c) Cấu tạo cặp nhiệt điện Ampemét nhiệt điện có sai số lớn do tiêu hao công suất, khả năng quá tải kém nhưng có thể đo được ở dải tần rộng (từ một chiều đến tần sô' MHz) mà các ampemét cơ điện khác không đo được. 2.1.10. Các vônmét xoay chiều a) Vônmét từ điện chỉnh lưu đo điện áp xoay chiểu: là dụng cụ được phối hợp mạch chỉnh lưu với cơ cấu từ điện (hình 2 -2 0 a,b). Trong đó: Rị - điện trở bù nhiệt độ làm bằng dây đồng. R2 - điện trở manganin. L và c - điện cảm và điện dung bù tần số. Rp - điện trở phụ. 29 Ri Hình 2 - 20 Mờ rộng thang đo ở vônmét từ điện chỉnh lưu cũng tương tự như vônmét từ điện một chiềuễ b) Vónmét điện từ: là dụng cụ dùng để đo điện áp c xoav chiều tần sô' công nghiệp. Cuộn dây phần tĩnh có số vòng lớn từ 1000 -í- 6000 vòng. Để mờ rộng thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ hình 2-21. Tụ c dùng để bù tần số khi đo ờ tần số cao hơn tần số còng nghiệp. c) Vònmét điện động Rct Rpi 0 u, Hình 2 - 21 Rp3 0u,0u3 Cấu tạo của vônmét điện động giống ampemét điện động nhưng số vòng cuộn dâv tĩnh lớn hơn, tiết diện dây nhỏ hơn. 4 l ị 150 V M r cHI 1 2 ^ -----9 300 V <>-----6 --------o ] b < >< u ¿r K K Hinh2-22 Võnmét điện động 30 Trong vônmét điện động cuộn dây tĩnh và cuộn dây động được mắc nối tiếp nhau. Cuộn dây tĩnh được chia thành 2 phần A| và A2 (hình 2-22). Khi đo điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 150V (U < 150V) 2 đoạn A| và A2 được mắc song song với nhau. Nếu điện áp u > 150V, các đoạn Aị và A2 được mắc nối tiếp nhau. 2.1.11ễ Vônmét và ampemét điện tử tương tự Ngày nay nhờ sự phát triển của các mạch điện tử như khuếch đại tranzito, các bộ khuếch đại IC - opamp. CáQ dụng cụ đo được kết hợp giữa các bộ khuếch đại trên với các chỉ thị cơ điộn đã khắc phục được các nhược điểm như tăng độ nhạy, tăng điện trở đầu vào, cấu tạo nhỏ gọn. Các thiết bị như vậy gọi là các dụng cụ điện tử. Về cấu trúc vônmét và ampemét điện tử gồm có bộ chỉnh lưu, khuếch đại và cơ cấu chỉ thị từ điện. a) b) Hình 2 - 23 . Sơ đổ khối cúa các vônmét và ampemét điện tứ Hình 2-23a là sơ đồ vônmét một chiều và xoay chiều. Ưu điểm của sơ đồ này là dải tần rộng (20Hz -ỉ- MHz), nhược điểm là độ ổn định kém Hình 2 - 23b có ưu điểm độ ổn định cao nhưng dải tần làm việc bị hạn chế. a) Hoạt động của tram ito Tranzito là một linh kiện điện tử có ba đầu ra, có thể khuếch đại những điện áp nhỏ và có cấu tạo như hình 2-24 loại npn. Các đầu ra của tranzito là emitơ (E), bazơ (B) và colectơ (C), các dòng tương ứng với 3 đầu ra là dòng emitơ (IE), dòng bazơ (IB) và dòng colecta (Ic ); chiều của các dòng điện được qui ước như hình vẽ. Thông thường điện áp bazơ-emitơ (UBE) là 0,7V với loại silic và 0,3 V đối với gecmani và điện áp giữa colectơ-emitơ (UCE) từ 3 -ỉ- 15V. Dòng colecta lớn hơn dòng bazơ 50 đến 200 lần *c = ^FE^B (2-24) Với hpE - hệ số khuếch đại dòng emitơ chung bằng 50 4- 200 lần . !e = !c + 1b h°ặc *E * Ic (2-25) 31 Dòng Ic và IE có thể thay đổi từ lOOnA -ỉ- lOmA, Ig thông thường trong khoảng 5|iA H- 100ụ.A. c Colectó (loại n) Bazơ (loại p) B Emitơ (loại n) Ea)B b) b) c Ea) Hình 2 -24 . Tranzito loại npn a) Câu tao của tranzito loại npn. b) Kí hiệu các đầu ra. c) Hình dáng thực của tranzito Hình 2 - 25 . Tranzito loại pnp a) Sơ đồ cảu tạo. b) Kí hiệu. Hình 2-25 là cấu tạo và ký hiệu cùa tranzito loại pnp. Tranzito loại này hoạt động giống như loại npn nhưng chiều dòng điện và điện áp đều đảo lại. b) Tram ito hiệu ứng trường (FET) Cấu tạo cùa một FET kênh n như hình 2-26a. Các đầu ra gồm có cực máng (D), cực nguồn (S) và cực cừa (G)và ký hiệu của nó (hình 2-26b). Khi cực G cùa FET hở, cực D dương hơn so với cực nguồn s, dòng Iq chạy theo chiều qui ước từ D đến s. Cũng dòng đó ra khòi cực s và gọi là Is. Nếu đầu ra cùa cực G được định thiên âm so với D thì ID giảm dần khi Uqs tăng lên. Do cực G là đầu vào nên UGS điều khiển ID và Is. Với loại FET dòng nhò U DS thường từ 5 - 25V; ID và Is trong khoảng IOOjiA H- ỊOmA trong khi đó UGS thay đổi từ 0 -ỉ- -8 V. 32 (Cực máng) 'o I J GS + lỉin h 2 - 26 . T raiuilo loại trưừng. a) Cấu tạo b) Tranzilo trường kOnh 11 c)Tranzito irưòng kẽnli p + J DS c) Ở điều kiện làm việc bình thương dòng IG vào khoảng 50|iA. Từ đó cho thấy FET có điện trở vào lớn. Một loại tranzito trường khác (MOSFET) có điên trở vào còn lớn hơn. Cũng như tranzito, FET có thể có kênh p và kênh n (hình 2-26b và c). c) Vônm ét bán dản một chiều * Hình 2-27a là sơ đồ một vônmét đơn giản có mạch gánh emitơ. Đầu vào là một tranzito được cung cáp bằng nguồn diện một chiều. Cực dương của nguồn nối với colectơ của tranzito, đầu âm nối với chi thị và emitơ. Điện trở Rp và điện trờ. Rct là diện trở phụ và điện trở của chi thị. Điện áp E (cần do) được mắc vào bazơ của tranzito (cực dương) và cực âm nối đất. Giả sử Ucc = 20V; Rp + Rct = 9,3 và Ict = lmA (toàn thang đo). Điện áp cần đo E = 10V. Ta có UBE = 0,7V (tranzito silic) như chiều mũi tẽn (hình 2-27a), như vậy áp đầu ra emitơ của tranzito thấp hơn áp ở bazơ là 0,7V. Ue = E - U be (2-26) UE = 10V - 0,7V = 9,3V. Dòng chi thị Ict là dòng emitơ (IE) ta có U E _ 9,3V Rp + Rct 9,3kQ- = lmA Từ (2-24) và (2-25) suy ra IB = + E I ‘ E F Hình 2-27a 33 - U ee c) Hình 2 - 27 . Vônmét bán dần một chiều Giả thiết rằng hEp = 100 ta có IB = *m^ = 10nA « Điện trở vào của mạch gánh emitơ, hoặc điện trở tải trên nguồn 10V được tính như sau : R = J L = i 2 ỵ_=1MQ IB lOịoA Từ đó thấy rằng điện trờ của vônkế khi dùng mạch gánh emitơ dược tăng lên đáng kể. Trong thực tế để tránh độ sụt áp UBE của tranzito gây nên sai số ở vônkế hình 2-21 ã người ta sừ dụng mạch như hình 2-27b, c. Ở đây các diện trở Rg, R5, R4 dùng để tạo thành bộ phân áp cho điện áp Up điều chỉnh được. Tị và T2 là 2 ưanzito giống nhau mắc colectơ chung nối với cực dương của nguồn Ucc. Rj - điện trở định thiên đảm bảo cho bazơ của Tị ờ thế đất khi điện áp vào E = 0. R2, R3 - điộn trở gánh emitơ của Tị và T2 (hình 2-27c); Rp - điện trở điều chỉnh thang đo của chỉ thị, Rct - điện trở của chỉ thị. Nguồn cung cấp là nguồn lưỡng cực (+UCC và UEE), Ucc = 12V; UEE = -12V là những nguồn điện áp thông thường, nguyên lý làm việc của mạch như sau: Khi không có diện áp vào (E=0) bazơ của T Ễ ở thế đất UB1 = 0 điện áp em ito CUH Tị là' UgỊ — U g | - — "Ugg (2 " 27) Và UR2 = UE1 - UEE = -UBE - (-UEE) = -UBE + ƯEE (2 - 28) Tiếp điểm tại R 5 được điều chỉnh để Up = U B 1 = U B 2 = o v (ở thế đất), Tị và T2 là 2 tranzito giống nhau nên UE1 = UE2 do đó UR2 = UR3 và điộn áp u = UE1 - UE2 = 0. Bây giờ giả sử điện áp đo E khác 0. Điện áp rơi trên emitơ của T Ẽ là : U EJ = E - UBE (2 - 29) và điện áp rơi trên điện trở R2 ƯR2 = U E1 - U EE „ (2 - 30) Do Ugj > UE2 (UE2 không đổi). Nên điện áp rơi trên chỉ thị u = U E1 - Ug2 > 0 và tỷ lệ với điện áp đo E. Ưu điểm của vônmét loại này là tăng được điện trở đầu vào, điện trở ra của vônmét thấp nhưng không tăng độ nhạy của dụng cụ. * Để đo những điện áp nhỏ hơn (mV) người ta thường sử dụng vônmét khuếch đại vi sai (hình 2 - 28). Các tranzito Tị và T2 và các điện trở R2, R5, R4 tạo thành một bộ khuếch đại vi sai, R3 dùng để điểu chỉnh không ban đầu. Khi cả hai bazơ Tj và T2 đều ở mức không thì độ sụt áp trên điộn trở R4 là: ƯR4 = 0 - ư b e * ("Ue e ) Dòng điện qua R4 là IE1 + IE2 =R4 Các dòng emitơ IE1 và IE2 bằng nhau khi E = 0 vì Ic * IE Ici = *C2 ~ ^E l + ^E2 Độ sụt áp trên Rị ị và R22 • UịỊỊ Ị = I c jR | J và ƯR22 = ^C2^22 trong đó Rị Ẩ = (R 2 + — ) và R22 = (R5 + - y - ) Điện áp colecto mỗi tranzito là: UC1 = Ưcc - IciR i 1 và u Q2 = u cc - IC2R22 35 Và điện áp rơi trên chi thị là : u = ƯC| - Uc -> Khi E = 0, IC| = IC2 và UC| = Uc -> do đó u = 0. Khi E * 0 dòng điện qua Tị tãng lên và dòng qua T2 giảm đi, IC| tãng khiến cho l c |R |i tảnể vỉẻ làm cho UC1 giảm. Tương tự ICT giám làm cho UCT tăng do đó u ti lệ VỚI diện áp vào E. Dòng điện qua dụng cụ do tì lệ thuận với điện áp cần đo. Ur 36 Khi cần tăng điện trở đầu vào của vônmét người ta sử dụng 1 tranzito trường (FET) mắc ở đầu vào của vônmét như hình 2-29. Bởi vì dòng cực G của FET nhỏ hơn 50 nA nên điện trở tối đa 1 thường được dùng để định thiên cực G của FET tới mức điện áp bằng khống. d) Von mét 1 chiểu dùng IC-opamp IC-opamp là một mạch tích hợp có 2 đầu vào và một đầu ra. Các đầu vào được phân biệt là đầu vào đảo và đầu không đào. Mỗi đầu vào đều có điện trở vào rất cao, điện trở ra rất thấp và hệ số khuếch đại rất lớn cỡ 2 0 0 .0 0 0 , dòng điện đầu vào cỡ 0,2 H-A hoặc nhỏ hơn. Nguồn cung cấp ± 5V -Î- ±22V. Hình 2-30 là kí hiệu mạch IC-opamp thông thường. +Ucc 8 chân 2 hàng vò kim loại -UEE Hình 2 - 30 . IC-opump và kí hiệu Hình 2-31 là sơ đồ của 1 vôn mét mạch lặp lại điện áp, sử dụng IC có hệ sô' khuếch đại 200.000. Điện áp trực tiếp tác động ở đầu vào không đảo lớn nhất E = 1V. 37 Để đo những điện áp nhỏ hơn người ta dùng loại vônmét khuếch đại IC opamp như hình 2-32. e) Vôrt mét điện tử dòng xoay chiêu Khi cần đo điện áp xoay chiều ta có thể sử dụng các mạch chỉnh lưu trước khi đưa vào dụng cụ đo. Chỉnh lưu có thể thực hiện chỉnh lưu nửa chu kì và cả chu kì. Hình 2-33 là mạch chình lưu nửa chu kì (a) và cả chu kì (b,c) dùng cho vônmét điện tử xoay chiểu. +v 38 Nguyên lí làm việc của các vônmét xoay chiều hoàn toàn giống như các vônmét điện tử một chiều. Đặc điểm và dải đo cũng tương tự như loại dụng cụ một chiểu. Nhược điểm của các dụng cụ điện tử là độ chính xác khồng cao (cấp 14- 1,5), dải tần hẹp và độ ổn định thấp do đặc tính làm việc phi tuyến của các điôt và do ảnh hưởng nhiệt độ môi trường. Dòng máy đo Dòng máy đo Hình 2 - 33b,c. Chinh lưu cá chu kì 2. 2ệ ĐO Đ IỆ N ÁP BẰN G PHƯƠNG PH ÁP s o SÁNH Phương pháp so sánh là phương pháp đo có độ chính xác cao, trong đó điện áp cần đo được so sánh với điện áp rơi trên điện trở mẫu (Còn gọi là phương pháp bù). Nguyên lí cơ bản của phương pháp được mô tả như hình (2 - 34). Điện áp u k (điện áp mẫu) có độ chính xác cao được tạo bởi dòng điện I (ổn định) qua điện trở mẫu Rk: u k = IRk . Chỉ thị không là dụng cụ phát hiện sự chênh lệch điện áp AU = Ux - u k (có độ nhạy cao). Khi AU khác không điều chỉnh con 39 chạy D cùa điện trờ mẫu Rk sao cho Ux = CT tức là AU = 0. Trẽn điện trờ mẫu Rk người ta khắc độ giá trị điện áp đo. Các dụng cụ đo điện áp bằng phương pháp so sánh gọi là điện thế kế. Có nhiều loại diện thế kế nhưng trong thực tế người ta thường dùng điện thế kế một chiều tự động cân bằng đế đo sức điện động cùa các cặp nhiệt điện đo nhiệt độ (hình 2 - 35). Mạch chính cùa điện thế kế là mạch cầu gồm có Rp là biến trờ, RN - điện trờ mảu có độ chính xác cao và các điện trờ R] ,R-), R3. Cầu được cung cấp bầng nguồn u 0 và điều chính dòng làm việc qua điện trờ điểu chinh Rd/c- Ngoài ra mạch còn có bộ điều chế thực hiện biến điện áp một chiều ờ đầu ra cùa cầu (AU) thành điện áp xoay chiều. Động cơ thuận nghịch hai chiều để kéo con chạy Rp. Trước khi đo khóa K được đặt ờ vị trí kiểm tra (KT). Khi đó dòng diện h chạy qua điện trờ mẫu RN và điện áp ra AU = EN - I2 thông qua bộ điều chế và đưa đến khuếch đại xoay chiều cung cấp cho động cơ thuận nghịch. Thang do Hình 2 - 35 . Điện thế kẽ’ một chiểu tự động 40 Động cơ này quay và kéo con chạy của điện trở điều chỉnh (Rj/C) làm thay đổi dòng điện I7 cho đến khi AU = 0. Mặt khác động cơ diện cũng kéo theo con chạy của Rp để dưa con chạy và kim chi trên thang do về vị trí cân bang ban đầu. Khi đo khóa K đặt vể vị trí ĐO. Do đó điện áp ra: AU = Ex - u k mà u k = 11 (R Ị + Rp|) - ItR 2 (Uk - điện áp mẫu) Nếu Ex > u k, AU > 0; điện áp AU dược đưa đến động cơ thuận nghịch để kéo con chạy Rp và tăng điện áp u k lên cho đến khi AU = Ex - u k = 0 (trường hợp u k > Ex động cơ sẽ quay ngược lại). Vị trí của con chạy và kim chi xác định giá trị của điện áp do Ex. Việc điểu chinh dòng làm việc chi thực hiện một lấn và không thay đổi trong suốt quá trình làm việc. Ưu điếm của dụng cụ này là thực hiện tự động quá trình đo và tự ghi, do đó có thể theo dõi và ghi lại kết quả do trong một thời gian dài. 2 .3. VÔNMÉT SỐ Vônmét số là dụng cụ chí thị kết quả bang các con số. Tùy thuộc vào phương pháp biến đổi người ta phân thành : - Vônmét số chuyên đổi thời gian. - Vônmét số chuyến đổi tần số. - vỏninét số chuyên đổi bù. 2.3.1. Chỉ thị số a) Nguyên lí của chỉ thị sò' Hình 2-36 Sơ (tồ khối của bộ chí thị sô * 41 Hinh 2 - 36 la so dó khói cüa bó chi thi s6. Dai luong do x(t) qua bó bién dói thánh xung (BDX), só xung N ti le vói dó lón x(t) duoc dua váo bó má hóa (MH), bó giái má (GM) va den hién só. Các kháu má hóa, giái má va den hién só tao thánh bó chi thi só. b) M á so Má só la nhüng kí hiéu vé mót táp hop só, tir tó hop cüa các kí hiéu ta có thé doc duoc bá't ki só nao. Có các loai má só sau : - Má co só 10, dó la he dém tháp phán có 10 kí tu tu 0,1,2....9. - Má co só 2 la loai má có 2 trang thái duoc kí hiéu 0 va 1 (con goi la má nhi phán). - Má 2-10 (con goi la má BCD) la su lien he giüa má co só 2 va má co só' 10 dé dé quan sát va dé doc. Dé thuc hién má só ngudi ta thuong dúng các bó trigo. Hinh 2-37 la so dó cüa mót trigo góm 2 dáu váo S va R. va 1 dáu váo chung T, 2 dáu ra Q va Q vói tín hiéu ra y0 vá y {. Uváo y0 Uváo •Yi Yi a) b) Hinh 2 • 37 . a) Trigo c) M ach dém b) Tín hiéu váo ra cúa trigo Có nhiéu loai mach dém nhu mach dém thang muoi sáu, mach dém thang muoi v.v, trong thuc té vói các chi thi só ngudi ta thuong düng mach dém thang muoi dé tién quan sát vá dé doc. Mach dém thang 10 góm 4 trigo nó'i tiép nhau nhu hinh 2-38a. Do mác 4 trigo nó'i tiép. néu thuc hién dém binh thuong có thé tói 16 só, dé chi dat tói 10 só vói 4 trigo can phái thém kháu phán hói, khi dém den 9 xung tát cá các trigo déu chuyén vé trang thái 1 vá ó xung thú 1 0 , các trigo tro vé 0 . Báng 2-1 cho tháy trang thái a dáu ra cúa các trigo vói mach dém thang 10. 42 Bảng 2-1 Số xung Trane thái trieơ tr.4 tr.3 t r . : tr.l 00 1 ỉ 0 10 1 i 1 21 0 0 0 31 0 0 1 4 I 0 1 0 5 1 0 1 1 6 1 1 0 0 71 1 0 1 81 1 1 0 9 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 1 1 0 a) yn y2! Y31 Y41 b) Hình 2 - 38 . Sơ đổ logic cúa bộ đếm thập phân và biếu đồ các đáu ra 43 d) Bộ hiện sô' (chỉ thị số) + Hiện số bằng điot phát quang Khi có sự tái hợp các phần tử mang điện xuất hiện tại lớp tiếp xúc p.n định thiên thuận (như các điện tử từ n sang tái hợp với lỗ trống ờ p). Chúng sẽ phát ra năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Nếu vật liệu bán dẫn trong suốt thì ánh sáng được phát ra và lớp tiếp xúc là nguồn sáng (gọi là điot phát quang, LED). Hình 2 - 39a là mặt cát cúa LED thông thường và hình 2 - 39b là cách bô trí bộ hiện số LED bảy thanh. Các đèn LED này có anốt chung hình 2 - 39c (hoặc tất cả các catốt chung). Độ sụt áp trên LED định thiên thuận là 1,2V và dòng điện thuận khoảng 20mA. Chấm thàp phàn b) c) Hình 2 - 39 . ĩiộ hiện số báv thanh. + Đèn hiện số tinh thể lỏng (LCD) Hình 2 - 40 là cấu tạo của đèn hiện số tinh thể lỏng. Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học. Chúng được đặt thành lớp giữa các tâm kính với các điện cực trong suốt kết 44 tủa ở mặt trong. Dòng toàn phần dùng để kích hoạt tinh thê lỏng khoảng 300faA, nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều (hình sin hoặc vuông). Mặt phõng Thuỳ tinh Tinh thể lỏng Các điẽn cực trong suốt va bò loc quang hoc phán cưc V E r n Khoáng trống a) Mãt gương trong ô phàn xa b) H ình 2 - 40 . Cấu tạo ô tinh llic lỏng và hộ hiện sô háy thanh a) Cấu tạo b) Bộ hiện số háy thanh e) Bộ giải Iitũ: là thiết bị dùng đe biến đối từ mã c ơ số 2 hoặc mã 2-10 thành mã cơ số 10, nghĩa là thể hiện ra dưới dạng số thập phân. Ngày nay các bộ giải mã dược chế tạo dưới dạng vi mạch (hình 2 -4 1 ). Vi mạch SN74247 có các đầu ra hờ cực góp dùng điều khiến LED có chung anốt +5V. Các điện trở Rị ....R7 dể hạn chế dòng đốt anốt (5 - 20mA). Bảng 2 - 2 minh hoạ sự làm việc của bộ giải mã bảy thanh. Bảng 2-2 Chữ số Đầu vào mã nhị phân Đầu ra LED háy Ihanh z 2 ’ 22 2' 2" a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 ' 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 I 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 6 1 0 0 0 1 0 11111 7 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 8+Ph 1 1l Ph 110 1111111 9 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 t. cí 45 ?3 — 22 — >Bộ giải mã 7 A 2 ’ — thanh 2° - — I 2 '1 *7 e1 M ỗ d Hình 2 - 41 .Bộ giái mã báy thanh. 2-3-2. Vônmét số a) Vònmét sô' chuyển đổi thời gian: đó là các loại vônmét biến đổi điện áp cần đo (Ux) thành khoảng thời gian (t) sau đó lấp đầy khoảng thời gian t bằng các xung có tần sô' chuẩn (f0). Bộ đếm được dùng để đếm số lượng xung (N) ti lệ với Ux để suy ra Ưx. Hình 2-42a là sơ đồ khôi của vônmét chuyên đổi thời gian - xung và biểu đồ điện áp hình 2 - 42b. a) ss - bộ so sánh M m e - máy phát xung răng cưa MFX - máy phát xung chuẩn K - Khoá điện tử BĐ - Bộ đếm Tr - Trigơ Hình 2 • 42 a) Sơ đồ khối của vỏnmét chuyển đổi thời gian - xung b) Biểu đồ điên áp 46 Nguyên lí làm việc như sau : Khi mở máy (start) xung khởi động tác động lên trigơ để mở khoá K và khởi động máy phát xung răng cưa (MFRC) làm việc. Tại thời điểm tj khoá K thông, máy phát xung tần số chuẩn (MFX) đưa các xung có tần số f0 qua khoá K đến bộ đếm (BĐ) và chi thị số (CT số). Mặt khác máy phát xung răng cưa cũng đưa điện áp UK đến bộ so sánh (SS) để so sánh với điộn áp Ux cần đo. Đến thời điểm t2 khi Ux = U K , thiết bị so sánh phát xung tác động lên trigơ đóng khoá K. Với thời gian từ đến t2 tương ứng với tx , bộ đếm đếm được N xung. N =rr- (2-31) To T0 - chu kỳ của các xung chuẩn. Và N = fộ .lx ( fọ = ~ ) Ao Mặt khác từ hình 2 - 35b ta có Ì£-= -^L tm - thời gian lớn nhất để U K = Umax max Um - điện áp lớn nhất của máy phát xung răng cưa. Do đó tx = — .U. x u Từ (2 - 34) thay vào (2-31) ta được (2 - 32) (2 - 33) (2 - 34) (2 - 35) Do f0, tm, u m là đại lượng không đổi, từ (2 - 35) ta thấy rằng sô' xung đếm được N tỉ lệ với điện áp Ux cần đo. Sai sô' của dụng cụ chủ yếu gồm những nguyên nhân sau: - Sai sô' lương tử phu thuôc — To - Sai số do máy phát răng cưa không ổn định. Sai số của loại vônmét biến đổi thời gian đạt tới ±0,05%. b) Vônm ét sô' chuyển đổi tần số: Đó là loại vônmét dựa trên cơ sở biến đổi điện áp đo Ux thành tần sô' fx sau đó đo tần sô' fx để suy ra Ux. 47 ỉ rình 2-43 là sơ đồ khối cùa vônmét sò' biến đổi tần sô' (a) và đổ thị điện áp (b). Nguyên lí làm việc như sau: Điện áp đo u x qua Rị được đưa vào bộ tích phân để tạo thành điện áp U| sau đó đưa vào bộ so sánh dể so sánh với điện áp chuán Ui (có độ ổn định cao). Khi U| = Ut bộ so sánh phát xung qua khuếch đại 2 dê mờ khoá Kt đồng thời đưa các xung có tần sô fx qua khoá K| den bộ đếm và chi thị số. Khi K2 thông, diện áp u n (ngược dâu với Uị) qua Kt đến bù với ƯJ (tụ c phóng điện) trong khoảng thời gian TK. Khi u0 bù hoàn toàn với Uị quá trình lại được lặp lại và ta có : T a c 6 : Rí C Us,bt'f¡= Ri C UoTK' R !C Ux,bTK ^ ^ U xlb(t|f+T K)= ^ ; u ot k Trong đó ttf + Tk = Tx (chu kỳ của tín hiệu Ux) 1 -Txu x = —i - U 0TK RịC A A R2C T Rj_Họ2 k và f = _ L =^ 2 _ U x _ = k u r 2 u x t x R| u 0t k Mặt khác để điều khiển cho khoá K] thông người ta dùng máy phát xung chuẩn có tần số f0 qua bộ chia tần để tạo khoảng thời gian thông khóa K Ằ (Traớ ). Khi Kj thông các xung có tần số fx (chu kì Tx) được đưa vào bộ đếm. Trong thời gian Tm¿ bộ đếm đếm được N xung. rr-_ ' XT koTfl ko Tacó N = - ^ L= - f r y-= - 2-fx Tx Tx f0 Mà fx = kj u x do đó n = M lU x =KUx f0 Sai số của vônmét loại này do khâu biến đổi điện áp Ư thành tần số f (±0 ,2 %) và do sai số lượng tử khoảng 0 ,0 1 %. C  U H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ B À I TẬ P L Ý T H U Y Ế T 1 - Thế nào là dụng cụ đo tương tự ? 2- Nêu nguyên lí làm việc của chỉ thị cơ điện và các chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện. 3- Có mấy loại chỉ thị cơ điện ? Nêu cấu tạo, nguyên lí hoạt động và đặc điểm, ứng dụng của các chỉ thị từ điện, điện từ, điện động. 4- Nêu cấu tạo của Ampemét một chiều. Các phương pháp mở rộng thang đo của ampemét một chiều. 4 -GT DL COL)49 5- Nêu cấu tạo cùa vônmét một chiều. Phương pháp mờ rộng thang đo cùa vônmét một chiều. 6 - Trình bày cấu tạo và đặc điểm cùa vônmét và am pem ét từ điện chình lưu. 7- Nêu cấu tạo, nguyên lí hoạt động và phương pháp thay đổi thang đo cùa ampemét điện từ và điện động. 8 - Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động của ampemét nhiệt điện. 9- Nêu cấu tạo, phương pháp mờ rộng thang do cùa vônmét điện từ và vônmét điện động. Đặc điểm cùa các vônmét trên. 10- Trình bày cấu tao cùa các vônmét bán dẫn một chiều (khuyếch đại tranzito và IC opvamp). Đặc điểm cùa các loại vònmét trên. 11- Vônmét điện từ xoay chiều khác với vỏnmét điện từ một chiều thế nào? Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lí, đặc điểm cùa các vônmét trên. 12- Nêu nguyên lí cơ bàn cùa phương pháp đo điện áp bằng so sánh. Trình bày nguyên lí làm việc cùa điện thế kế tự động cân bằng. 13- Phân loại vônmét sô. Nêu cấu tạo, nguyên lí làm việc và đặc điếm cùa các vônmét số biến đổi thời gian và vônmét số chuyển đổi tần số. BÀITẬP 1- Một cơ cấu chi thị từ điện có dòng điện định mức Idm = 250|iA (với độ lệch toàn thang đo) và sai số ±1%. Tính giới hạn trên và dưới cùa dòng cần đo và sai số phần trăm khi đo với các giá trị cùa dòng : lị = 250|iA; 1-, = 125|iA; I3 = 2,5|iA. 2- Một ampemét từ điện (hình 2-44) có dòng điện dịnh mức qua chi thị Ict = 0,lmA; điện trờ cùa khung dây chi thị Rct = 99Q. Điện trờ sun R = 1Q. Xác định dòng điện toàn phần chạy qua ampemét khi Rc kim cùa ampemét a) Lệch toàn thang đo; b) Lệch 1/2 thang đo và c) Lệch 1/4 thang đo. Hình 2 - 44 50 3 - Một ampemét có 3 thangJỉL------- 0 S a _ đo như hình 2-45 có : các điện trở R| = 0,05Q; R2 = 0,45Q; ! Ri = 4,5£1. Điện trở của chỉ thị °~ J • + Rc( = lkQ, dòng điện định mức của chỉ thị Ict = 50pA. Tính các giá trị lị, I2, 13. R, R2 R; y -r í ■o o o -o ■o Hình 2 - 45 4- Một miliampemét từ điện có thang đo 150 vạch, với giá trị độ chia Cj = 0,lmA. Điện trở của cơ cấu chỉ thị Rct = 100Q. Tính các giá trị điện trở sun tương ứng để đo dòng điện 1A; 2A và 5A. Vẽ sơ đồ mạch. 5- Một cơ cấu đo từ điện có dòng định mức Ict = 20mA. Người ta mắc thêm vào cơ cấu một điện trở sun Rs = 0,2Q sẽ đo dược dòng cực đại là 200mA. Tính các điện trở phụ nối với cơ cấu mới này để đo điện áp 100V; 300V và 600V. Vẽ sơ đồ mạch điện. 6 - Một cơ cấu đo từ điện có dòng định mức Ict = lOmA. Điện trở của cơ cấu chỉ thị Rct = 100Q. Người ta sử dụng cơ cấu trên để chế tạo một vônmét có 3 thang đo. Biết rằng các điện trở Rị = 4900 Q; R2 = 5000 Q; R3 = 20000ÍÌ. Xác định các giá trị diện áp Uị, u 2 và U3 (hình 2 - 46). ^CT Ò Ố Ố u, u2 Hình 2-46 ua 51 Chương III ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3 ắl. K H Á I N IỆM CH U N G Công suất và năng lượng là các đại lượng cơ bản cùa hệ thống điện. Các đại lượng Rày có liên quan nhiều đến nền kinh tế quốc dân, vì vậy việc xác định công suất và năng lương là nhiệm vụ rất quan trọng. Trong thực tế người ta phân thành các loại: - Công suất thực (công suất hữu công ): p - Công suất phản kháng (công suất vô công ): Q - Công suất biểu kiến (công suất danh định ): s Giải đo của công suất từ 10"20w 1010w và giải tần từ O t 109Hz. - Đối với mạch điện một chiều công suất thực được tính theo biểu thức : 2 u p = U I ; p = TR và p = X -R VỚI mạch xoay chiều một pha 0 0 (3-1) (3 - 2) với p,u,i là các giá trị tức thời. Nếu dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì p = UIcoscp (3-3) u, I là các giá trị hiệu dụng, cosọ là hệ sổ' còng suất. - Khi tính công suất phàn kháng ta có Q = Ulsincp (3 -4 ) 52 Ngoài đo công suất của mạch điện, một thông số quan trọng nữa là năng lượng (W). Nãng lượng w được tính theo biểu thức: t2 t2 (3 -5 ) t] ‘1 Đó là công suất tiêu thụ của mạch điện trong khoảng thời gian tj -ỉ-12. 3.2. DỤNG C Ụ ĐO CÔ N G SU Ấ T VÀ NĂNG LƯ Ợ N G TR O N G M Ạ CH Đ IỆN M Ộ T PHA 3.2.1. Oátmét điện động Oátmét điện động (hoặc sắt điện động) là dụng cụ cơ điện dùng để đo công suất thực trong mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu tạo chủ yếu của oátmét điện động là cơ cấu chí thị điện động (xem mục 2 .1.6 ). Hình 3 - la là sơ đồ nguyên lí của oátmét điện động, trong đó cuộn dây tĩnh (A) được mắc nối tiếp với phụ tải R, cuộn dây phần động (B) nối song song với nguồn cung cấp, Rp là điện trở phụ. a) b) Hình 3-1. Oátmét điện động và biếu đồ vectơ. Khi có điện áp u đặt lên cuộn dây phần động và dòng điện I đi qua phụ tải, dưới tác động của trường điện từ kim của oátmét lệch đi một góc a. Từ biểu thức 2 -14 đối với mạch điện một chiểu ta có : _ 1 UI dM|2 a - D R u + Rp da , , dM|2 Giả sử " =const ta có da a = KUI = KP (3 -6 ) (3 -7 ) 53 1 dN41 9 ’ K = — —— —-------—— là hệ sô' của oátmét với dòng một chiêu D(RU+Rp) da Đối với mạch điện xoay chiều, từ biểu thức (2-18) ta có: a = cosỗd M — , Ô = cp-Ỵ (hình 3-lb) D da Trong đó ly là dòng điện trong mạch song song cùa oátmét. II „ dM|2 I„ = -----—---- cosy , với —— = const taco u Ru + Rp da a=KUIcos ((p-y)cosy (3-8) Khi Ỵ=cp thì a=KƯIcos(p=KP (3-9) Từ 3-9 ta thấy rằng số chi của oátmét tỉ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải. Do oátmét điện động có cực tính, khi đảo pha của một trong hai cuộn dây, oátmét quay ngược vì vậy các cuộn dây được đánh dấu (*) ờ đầu cuộn dây. Khi nổi cần phải nôi các đầu dây có dấu * với nhau. Oátmét điện động thường có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo dòng là 5A và 10A, theo áp là 150V và 300V. Giải tần từ 0 -ỉ- KHz. Cấp chính xác có thế đạt 0,1 -H 0,2% ờ tần số dưới 200 Hz. 3.2.2Ế Đo công suãt bằng phương pháp điều chê tín hiệu Giả sừ Uu là tín hiệu ti lệ với điện áp u rơi trên phụ tải và Uj là tín hiệu tí lệ với dòng điện I qua phụ tải thì phương pháp diều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu Uu và Uj trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung. Đó là điều chế độ rộng xung (ĐRX) và điều chế biên độ xung (BĐX). Hình 3-2a là sơ đồ cấu trúc cùa oátmét dựa trẽn phương pháp điều chế độ rộng xung và biên độ xung và hình 3-2b là biểu đồ thời gian . Nguyên lí làm việc cùa oálmét Iiliư sau : Máy phát tần số chuấn MFf0 tạo ra các xung có biên độ và độ rộng giống nhau, các xung này được đưa vào thiết bị biến đổi độ rộng xung. Ớ đây độ rộng của các xung phụ thuộc vào biên độ của điện áp Uị (hình 3-2b). Đầu ra cùa bộ điều chế độ rộng xung có các xung với độ rộng t¡ = k|U j ; kị là hệ số. Các xung có độ rộng khác nhau này được đặt vào bộ điều chế biên độ xung, chúng được điều chế biên độ nhờ tín hiệu U u (hình 3-2b) do đó diên tích cùa môi xung ở đầu ra cùa bộ điều chẽ biên độ xung ti lệ với công suất tức thời. S(t)= k2Uutj = kịkọUuU, = kUyU, , với tj - độ rộng xung. 54 MFf0 ĐRX U m BOX a) Utb = KP TP ■ 0CT ĐRX u Hình 3-2. a) Oátmcl theo phương pháp dieu chế xung (ĐRX - BĐX). b) Biếu dổ thời gian. Điện áp ra của bộ tích phân (TP) tỉ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên tải (hình3-2b); Utb=kP .Oátmét được chế tạo dựa trên phương pháp này có sai sô' khoảng ± 0 , 1%. 3.2.3. Oátmét cặp nhiệt điện Các dụng cụ đo dùng cặp nhiệt điện có thể hoạt động ở tần số rất cao, nên oátmét dùng cặp nhiệt điện khá hữu ích đế đo công suất ở những tần số ngoài khoảng đo của các oátmét điện động. Mạch cơ bản của oátmét cặp nhiệt như hình 3-3. Trong đó biến dòng dùng để tạo dòng thứ cấp ij ti lệ với dòng tải I. Điện áp thứ cấp cùa biến áp tí lệ với điện áp u và tạo ra dòng iu tí lệ với điện áp . Với cách mắc như hình 3-3 ta có dòng điện dùng đê đốt nóng cặp nhiệt điện R| là tổng của 2 dòng điện (ij+iu) và dòng đốt nóng cặp nhiệt R2 là hiệu của 2 dòng (ij - iu). Từ biểu thức (2 - 23) ta có : 2 2 ej = k (ij + iu) và e2 = k (ij - iu) • Do 2 cặp nhiệt điện mắc xung đối nhau nên số chi cùa milivonmét là Era= e I - e2 Ta có Era= e, - e2 = k (ij + iu)2- k (ij - iu)2 = k4ijiu (3-10) Bộ biến đổi nhiệt điện có quán tính nhiệt cao nên thành phần xoay chiéu bị loại ra do đó: 55 Era = KUIcosẹ = KP (3-11) Người ta đã chế tạo được oátmét nhiệt điện có sai sô' cơ bản ± 1% với các thang đo điện áp từ lOmV H- 300 V, dòng điện I từ 100 nA -ỉ- 3mA, coscp = 0,1 -ỉ- 1 và tần số từ 20 Hz -ỉ- 100kHz. Biến dòng I , Hình 3-3. Oátmét dùng cặp nhiệt diện. 3.2.4. Công tơ một pha đo năng lượng a) Khái niệm chung: Nàng lượng điện trong mạch xoay chiều một pha được tính theo biểu thức (3-5): t2 t2 w= jpdt= |uicoscpdt=KP.t * Trong đó: p - công suất tiêu thụ trên phụ tải t = t2 - tị (khoảng thời gian tiêu thụ công suất); K - hệ số. Dụng cụ để đo năng lượng là công tơ. Công tơ được chế tạo dựa trên cơ cấu chi thị cảm ứng (hình 3 - 4). Cấu tạo gồm hai phần : phần tĩnh và phần động. Phần tĩnh là 2 cuộn dây quấn trên lõi thép 1 và 2 (hình 3 - 4a). Khi có dòng điện đi qua các cuộn dây tạo ra từ trường móc vòng qua lõi thép và phần động. Phần động là một đĩa nhôm 3 được gắn trên trục quay. Khi có dòng điện lị và I2 đi vào các cuộn dây phần tĩnh, chúng tạo ra từ thông j và $ 2’ các từ thông này xuyên qua đĩa nhôm làm xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng Eị, E2 lệch pha với 0| và 0T một góc 7t/2 56 và các dòng điện xoáy I | 2, Ỉ22- Do sự tác động tương hỗ giữa từ thông 0 Ẩ, 2 và dòng điện xoáy I Ẩ2, I22 tạo thành mômen làm quay đĩa nhôm (hình 3 - 4b). J1 r N% 41líTT0<Ỉ>1 liu ưii v ? TC 0 - 3' |Fjíixrr __ỆJ ì 1 c__ ' J — Hình 3-4. a,b) Chí thị kiểu cám ứng c) Biếu đồ vectơ Mômen quay Mq là tổng của các mômen thành phần : M q = C ^ ị ^ s i n i p + C 2ct>2I l2 sin l^ (3 - 1 2 ) Ip - góc lệch giữa 0 J và 2 ; Cj, c 2 - hệ số. Nếu dòng điện tạo ra Oị và 2 là hình sin và đĩa có cấu tạo đồng nhất thì các dòng xoáy I Ế2» I22 tỉ lệ với tần sô' f và từ thông sinh ra nó: Il2 = c 3f0j và I22 = c 4f2 (3-13) f - tần số biến thiên của từ thông ; C3, c 4 - hệ số. Thay (3-13) vào (3 - 12) ta được : Mq = CfOI2sinip (3 - 1 4 ) với C = C2C3 + CiC4 b) Cấu tạo công tơ một pha Hình 3 - 5a là cấu tạo của công tơ một pha bao gồm hai cuộn dây tạo thành hai nam châm điện 1 và 2. Cuộn dây 1 mắc song song với phụ tải có số vòng dây lớn và tiết diện dây nhỏ gọi là cuộn áp. Cuộn dây 2 mắc nối tiếp với phụ tải có ít vòng, đường kính dây từ 1 4- 2mm gọi là cuộn dòng. Đĩa nhôm 3 gắn trên trục có thể quay tự do giữa cuộn dây 1 và 2. Trên trục gắn hộp số cơ khí để chỉ thị. Nam châm 4 có nhiệm vụ tạo mômen hãm do từ trường của nó xuyên qua đĩa nhôm khi đĩa quay. 57 a) Hình 3-5. a) Call tạo cúa công tơ một pha b) Biếu đồ vectơ Khi có dòng điện I chạy qua phụ tải và qua cuộn dòng sẽ tạo ra từ thông <í>| cắt đĩa nhôm hai lần. Điện áp u được đặt vào cuộn áp, dòng Iu tạo thành 2 từ thông 0 U xuyên qua đĩa nhôm và 0 L không xuyên qua đĩa nhôm (hình 3 - 5a). Ta có đ) = k ĩ = k u u *niz„ u - diện áp dặt lên cuộn áp. Zu - tổng trờ cùa cuộn áp ; kị, ku - hệ số ti lệ. (3 - 15) (3-16) Do cuộn áp có điện trở thuần nhó so với điện kháng nẽn có thế coi z u * x u = 2 nfLu Lu - điện cảm cùa cuộn dâv; f - tần số. ^ -4 ' ^ _ kL.U , u Do đó : 0.. = ——— = k„ — 27ifL„ 1 f(3 -17) Trong đó ku = -2nL, Từ biểu thức (3 - 14) ta có mômen quay của cơ cấu chi thị cảm ứng : Mq = CfO|0TSÌmỊ) 58 Nếu ta coi O J « 0 J ; 2 ~ thì Mq = Cf|usinvp Từ biểu thức (3 - 15) và (3 - 17) thay vào (3 - 18) ta được Mq = Ckj ku Ulsinlị) (3-18) và Mq = KUIsiniỊJ (3 - 19) K = Ck] k u ; Ip - góc lệch giữa 0] và 0 U. Từ biểu đồ vectơ (hình 3 - 5b) ta có lị) = ß - dị - cp Nếu thực hiện ß - CX| = 7t/2 Thì 4> = n/2 - cp và từ biểu thức (3 - 19) ta nhận được : Mt] = KUIcoscp = KP (3 - 20) Từ đó ta thấy mômen quay tỉ lệ với công suất tiêu thụ. Để có thể thực hiện được ß - ( X = 7i/2 người ta điêu chinh góc ß, tức là điều chinh u bằng cách thay đổi vị trí sun từ của cuộn áp hoặc điều chinh góc ct[ nghĩa là thay đổi 0 [ bằng cách thêm hoặc bớt vòng ngắn mạch của cuộn dòng. Mômen quay Mt| làm cho đĩa nhôm quay, khi đĩa nhôm quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu , nó bị cản lại bời mốmen cản Mc do từ trường của nam châm khi xuyên qua đĩa nhõm tạo nên. Mc - (3-21) 0 M - từ thông do nam châm sinh ra IM - dòng điện xoáy sinh ra trong đĩa nhôm Trong đó IM = k i 0 Mno ; n0 - tốc độ quay đéu của đĩa nhôm khi mômen quay bằng mômen cản. Nên ta có Mc = n 0 v à M c = k3 0 Mno (3 - 2 2 ) với k|, k2, k3 - hệ số. Khi cân bằng giữa mômen quay và mômen cản ta có Mq = Mc 59 và K P - k 3 MnO (3 - 23) Trong khoảng thời gian t = t2 - tj đĩa quay được N vòng, vì vậy N n0 = —■ , thay n0 vào (3 - 23) ta được N = CpPt = c pw Cp - hằng sô' cùa công tơ Cn =— [vòng/kWh] (3-24) p w Đó là số vòng của công tơ khi tiêu hao cống suất là lkW trong 1 giờ. Sô' chí này được thực hiện ở hộp số trên mặt công tơ. Cấp chính xác của công tơ thường là 0,5; 1; 1,5 và 2. c) Kiểm tra công tơ Để còng tơ chỉ được chính xác, trước khi đem sử dụng người ta phải kiểm tra và hiệu chỉnh công tơ. Sơ đồ kiểm tra công tơ được mắc như hình 3 - 6 . Đây là sơ đồ mắc theo kiểu tải ảo (không có điện trở phụ tải). Sự thay đổi dòng điện qua ampemét, oátmét và công tơ được thực hiện nhờ biến dòng (BD) và biến áp tự ngẫu (BA2). Điện áp cung cấp cho cuộn áp qua vônmét được thay đổi nhờ biến áp (BAị). Bộ chỉnh pha có thể thay đổi được góc pha từ 0 -T- 360° . Hình 3-6. Sơ đổ kiểm tra công tơ. Kiểm tra công tơ được thực hiện theo các bước sau : + Hiệu chình tự quay cùa công tơ: Như ta đã biết mômen ma sát của cõng tơ do phải quay hộp số và do ma sát giữa trục và trụ là rất lớn, mômen này gây nên sai sổ' cùa công tơ. Để khử mõmen ma sát trên cần phải tạo ra một mômen bù ban đầu (Mb) bằng cách gây ra một từ thông lệch trong khồng gian và trong thời gian với 0 U bằng một lá sắt từ đặt trong mạch từ cùa cuộn ắp : Mb = k 0 uOksimỊJk 60 Để thay đổi mômen bù ta thay đổi vị trí của lá sắt từ (bằng một vít chỉnh vị trí). Thường mômen bù lớn hơn mômen ma sát. Khi chinh tự quay ta điều chỉnh biến áp (BA|) sao cho điện áp bằng điện áp định mức u = u đrn. Dòng điện đi qua oátmét, công tơ và ampemét bằng không (I = 0) lúc này oátmét chỉ không và công tơ phải đứng yên. Nếu công tơ quay đó là hiện tượng tự quay, ta phải điều chỉnh vị trí của vít chỉnh cho đến khi công tơ đứng yên. + Hiệu chỉnh góc /? - « /= 7tl2 (hiệu chỉnh góc cp) Đặt u = u đm, dòng điện bằng dòng định mức I = Iđm và điều chỉnh góc lệch pha cp = 7 / 2 tức là cos(p = 0. Khi đó oátmét chỉ “0”, công tơ đứng yên. Nếu công tơ vẫn quay tức là p - ƠỊ * ti/2. Để điều chỉnh p ( 0 U) ta điều chỉnh bộ phân nhánh từ của cuộn áp hoặc điều chỉnh 0Cj (j) bằng cách điều chỉnh vòng ngắn mạch của cuộn dòng cho đến khi công tơ đứng yên. + Kiểm tra hằng số công tơ: Để kiểm tra hằng số công tơ Cp người ta điều chỉnh sao cho I = Iđm ; u = u đm ; hộ số coscp = 1 (tức là ọ = 0), lúc đó p = UđmIđm Trong khoảng thời gian t công tơ sẽ quay được N vòng và ta cỏ: c N - N Hằng sô' này không đổi đối với mỗi loại công tơ và được ghi trên mặt công tơ (ví dụ : lkWh - 1500 vòng). Nếu hằng sô' Cp không bằng giá trị định mức đã ghi trên mặt công tơ người ta điều chỉnh vị trí của nam châm vĩnh cửu để tăng(hoặc giảm) mômen cản Mc cho đến khi Cp đạt được giá trị định mức thì thôi. Sai số của công tơ được tính như sau: y% = Cdm~ Cfo- . 100% Cđo 3.3. ĐO C Ô N G SU Ấ T T R O N G M Ạ CH 3 PHA 3.3ễ1. Nguyên lí chung Trong mạch điện 3 pha, phụ tải thường được mắc theo hai cách : mắc phụ tải hình sao và hình tam giác. 61 Công suất thực trong mạch điện 3 pha được tính : 1 T p = —j p (dt= Uf|I n cos(P| + U p If2coscpT + Uf3If3cos(P3 (3-25) 0 Nếu mạch điện 3 pha hoàn toàn đối xứng ta có P£ = 3UfI(cosọ = \Í3 Ujljcostp (3 - 26) Trong đó : Uf, If - diện áp và dòng điện pha. u d, Ij - diện áp và dòng điện dây.

2 - tần sô' góc cùa dao động. (Dt + ọ - pha cùa dao động ( trong đó ọ - góc lệnh ban đầu) Ta có góc lệnh pha cùa 2 tín hiệu trẽn được tính như sau : 9 = Ọ - cp2 khi coẳ = ©2 (4 - 4) cp = (p I - — c p 2 nếu c o Ị = na>2 (n - số nguyên) co2 CỨT hoặc cp = -cp2 + —— ^I2 cos(I,I2), Nếu I, = I2 và tính toán sao cho p =Y f(a) = Flị cos(P-cp) = FIj cos(y-a) I2 cosọ Từ (4 - 17) ta suy ra a = (p I2 cosa(4-17) (4-18) Từ (4 - 18) ta thấy góc quay a của phần động tỉ lệ với góc (p, do đó trên thang đo có thể khắc độ góc cp hoặc cos