Đo lường điện

Nội dung

(cid:0) Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo tương tự (cid:0) Các cơ cấu đo điện

Bài 2 Dụng cụ đo điện tương tự

Học viên tự nghiên cứu

 Nguyên lý hoạt động của CCĐ  Cơ cấu đo từ điện  Cơ cấu đo điện từ  Cơ cấu đo điện động  Cơ cấu đo tĩnh điện

(cid:0) Đo dòng điện và điện áp sử dụng cơ cấu đo

Mai Quốc Khánh Khoa Vô tuyến điện tử Học viện KTQS

1/33

2/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Nguyên lý hoạt động của CCĐ

Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo tương tự

(cid:0) Biến đổi liên tục điện năng thành cơ năng làm quay phần

𝜶 (cid:3404) 𝒇(cid:4666)𝒀(cid:4667)

động của nó.

𝑿

𝒀

 đ𝑡𝑡   𝑞 

(cid:0) Mô men quay 𝑀(cid:3044) (cid:3404)

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

𝐷: hệ số của lò so phản kháng

(cid:0) Mạch đo (chuyển đổi sơ cấp): biến đổi đại lượng 𝑋 cần đo thành một đại lượng điện 𝑌 (dòng điện hoặc điện áp)

(cid:0) Mô men phản kháng 𝑀𝑝𝑘 (cid:3404) 𝐷𝛼

(cid:0) Cơ cấu đo: chuyển đổi đại lượng điện thành chuyển dịch cơ học (sự thay đổi vị trí của phần động so với phần tĩnh)

(cid:3404) 𝐷𝛼

(cid:0) Phương trình cân bằng mô men (cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:0) Thiết bị chỉ thị: phản ánh độ lớn của đại lượng đo thông

(cid:0) Phương trình thang đo 𝛼 (cid:3404)

qua chỉ số trên thang đo

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:2869) (cid:3005)

Mạch đo Thiết bị chỉ thị Cơ cấu đo

3/33

4/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo từ điện (tt)

Cơ cấu đo từ điện

Phần tĩnh: (cid:0) Nam châm vĩnh cửu (cid:0) Hai má cực từ (cid:0) Lõi sắt từ

Trong khe từ có từ trường đồng nhất hướng tâm

(cid:0) CCĐ có mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu với từ trường của khung dây có dòng điện chạy qua

Phần động: (cid:0) Khung dây (cid:0) Kim chỉ thị (cid:0) Lò so phản kháng (cid:0) Đối trọng

Momen quay (Animation)

5/33

6/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo từ điện (tt)

Cơ cấu đo từ điện (tt)

𝝓: từ thông móc vòng qua khung dây

Thang đo

(cid:0) Mô men quay:

𝑞

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

Kim

với

𝑑𝑡𝑡

 𝑞

(cid:3031)(cid:4666)(cid:3003)(cid:3020)(cid:3041)(cid:3080)(cid:3010)(cid:4667) (cid:3031)(cid:3080)

𝑩: cảm ứng từ của từ trường tạo ra bởi nam châm 𝑺: tiết diện của khung dây 𝒏: số vòng dây 𝑰: dòng điện chạy qua khung dây 𝑫: hệ số của lò so phản kháng

Lõi sắt non

Nam châm vĩnh cửu

(cid:0) Mô men phản kháng

𝑝𝑘

(cid:0) Khi cân bằng mô men

𝑝𝑘

𝑞

𝑺𝟎: độ nhạy của cơ cấu đo

Khung dây

Lò so phản kháng

PT thang đo:

0

0

(cid:3003)(cid:3020)(cid:3041) (cid:3005)

7/33

8/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo từ điện (tt)

Cơ cấu đo điện từ

(cid:0) Đặc điểm:

 Thang đo tuyến tính  Độ nhạy cao (10-4 - 10-2 A)  Tiêu thụ năng lượng nhỏ  Kết cấu nhỏ gọn o Chỉ đo ở mạch một chiều o Chịu quá tải kém o Chế tạo phức tạp

(cid:0) CCĐ có mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của cuộn dây (phần tĩnh) có dòng điện chạy qua với phần tử làm bằng vật liệu sắt từ (phần động)

(cid:0) Ứng dụng: Chế tạo ampemét DC, vônmét DC; ômmét;

dùng làm thiết bị chỉ thị cho các vônmét điện tử và cầu đo; Chế tạo ampemét AC, vônmét AC (với mạch chỉnh lưu).

9/33

10/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017 Volmet và ampemet từ điện

Cơ cấu đo điện từ (tt)

Cơ cấu đo điện từ (tt)

(cid:0) Mô men quay:

𝑞

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

2

với

𝑑𝑡𝑡

 𝑞

(cid:2869) 𝟐 2 (cid:3031)(cid:3013) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:2869) 𝟐

(cid:0) Mô men phản kháng

𝑝𝑘

(cid:0) Khi cân bằng mô men

𝑝𝑘

𝑞

 (cid:2869) 𝟐

2 (cid:3031)(cid:3013) (cid:3031)(cid:3080)

2

2

PT thang đo:

(cid:2869) (cid:2870)(cid:3005)

(cid:3031)(cid:3013) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:2869) (cid:2870)(cid:3005)

(cid:3031)(cid:3013) (cid:3031)(cid:3080)

𝑳: độ tự cảm của ống dây 𝑰: dòng điện chạy qua ống dây 𝑫: hệ số của lò so phản kháng

11/33

12/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo điện từ (tt)

Cơ cấu đo điện động

(cid:0) Đặc điểm:

(cid:0) CCĐ có mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của các cuộn dây (động và tĩnh) khi có dòng điện chạy qua

 Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều  Chịu quá tải tốt o Thang đo phi tuyến o Tiêu thụ năng lượng lớn o Kết cấu cồng kềnh, nặng nề

(cid:0) Ứng dụng: chế tạo ampe mét AC-DC, vôn mét AC-DC ở

tần số công nghiệp

13/33

14/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo điện động (tt)

Cơ cấu đo điện động (tt)

(cid:0) Thông thường, các cuộn dây được mắc nối tiếp, khi

(cid:0) Mô men quay:

𝑞

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

đó 1

2

2

2

với

𝑑𝑡𝑡

1 2

2

(cid:2869) 𝟐 1 1

(cid:2869) 𝟐 2 2

PT thang đo:

𝑳𝟏, 𝑳𝟐: độ tự cảm của các cuộn dây

(cid:2869) (cid:3005)

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:0) Mô men phản kháng

𝑝𝑘

𝑴: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây 𝑰𝟏, 𝑰𝟐: dòng điện chạy qua các cuộn dây 𝑴: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây 𝑰𝟏, 𝑰𝟐: dòng điện chạy qua các cuộn dây

(cid:0) Khi cân bằng mô men

𝑞

𝑝𝑘

(cid:0) Do 1, 2 và 1, 2 không phụ thuộc

PT thang đo:

(cid:2869) (cid:3005)

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080) 1 2

 1 2 

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080) (cid:2869) (cid:3005)

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080) 1 2

𝑫: hệ số của lò so phản kháng 𝑫: hệ số của lò so phản kháng

15/33

16/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo điện động (tt)

Cơ cấu đo điện động (tt)

(cid:0) Đặc điểm:

(cid:0) Với dòng điện xoay chiều, khi cân bằng mô men

𝑞

𝑝𝑘

𝝋: góc lệch pha giữa 2 dòng điện

 Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều o Thang đo phi tuyến o Kết cấu cồng kềnh, nặng nề o Tiêu thụ năng lượng lớn

 1 2

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:0) Ứng dụng: Có thể chế tạo ampe mét DC, vôn mét

𝑴: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây 𝑰𝟏, 𝑰𝟐: dòng điện chạy qua các cuộn dây

(cid:2869) (cid:3005)

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080) 1 2

DC, pha mét, tần mét; nhưng chủ yếu chế tạo oát mét (ở tần số công nghiệp)

PT thang đo:

(cid:2869) (cid:3005)

(cid:3031)(cid:3014) (cid:3031)(cid:3080) 1 2

𝑫: hệ số của lò so phản kháng

17/33

18/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Cơ cấu đo tĩnh điện (tt)

Cơ cấu đo tĩnh điện

(cid:0) Mô men quay:

𝑞

(cid:0) CCĐ có mô mem quay sinh ra do tương tác giữa hai

(cid:3031)(cid:3024)(cid:3031)(cid:3047)(cid:3047) (cid:3031)(cid:3080)

2

với

hoặc một số vật tích điện

𝑑𝑡𝑡

 𝑞

(cid:2869) 𝟐

(cid:2869) 𝟐 2 (cid:3031)(cid:3004) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:0) Mô men phản kháng

𝑝𝑘

(cid:0) Khi cân bằng mô men

𝑝𝑘

𝑞

 (cid:2869) 𝟐

2 (cid:3031)(cid:3004) (cid:3031)(cid:3080)

2

2

PT thang đo:

(cid:2869) (cid:2870)(cid:3005)

(cid:3031)(cid:3004) (cid:3031)(cid:3080)

(cid:2869) (cid:2870)(cid:3005)

(cid:3031)(cid:3004) (cid:3031)(cid:3080)

𝑼: điện áp giữa 2 vật tích điện 𝑪: điện dung giữa 2 vật tích điện 𝑫: hệ số của lò so phản kháng

19/33

20/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Đo dòng điện một chiều

Cơ cấu đo tĩnh điện (tt)

(cid:0) Đặc điểm:

(cid:0) Sử dụng các CCĐ từ điện, điện từ và điện động để đo trực tiếp dòng điện một chiều (DC)  ampe mét DC

 Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều  Trở kháng vào lớn, dải tần rộng o Thang đo phi tuyến o Kết cấu nặng nề, công kềnh o Độ nhạy thấp

(cid:0) Tuy nhiên, CCĐ chỉ đo được những dòng điện có giá trị nhỏ  Để mở rộng thang đo DC với dòng điện lớn, cần mắc shunt song song với CCĐ

(cid:0) Ứng dụng: chế tạo vônmét AC (ở số công

nghiệp)

21/33

22/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Mở rộng thang đo dòng điện DC (tt)

Mở rộng thang đo dòng điện DC

(cid:0)

Ví dụ về mở rộng thang đo dòng điện DC: 𝐼𝑚𝑎𝑥 (dòng điện tối đa của CCĐ) = 50 μA 𝐼𝑡 (dòng điện tối đa của thang đo) = 1 mA

(cid:0) (cid:0) 𝑅𝑚 (điện trở trong của CCĐ) = 1 kΩ Hãy tính giá trị điện trở shunt?

𝑅𝑚 : điện trở trong của CCĐ 𝐼𝑚𝑎𝑥 : dòng điện tối đa của CCĐ 𝐼𝑡 : dòng điện tối đa của thang đo

23/33

24/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Đo dòng điện xoay chiều

Mở rộng thang đo dòng điện DC (tt)

(cid:0) Đối với cơ cấu đo từ điện:

(cid:0) Với ampe mét có nhiều thang đo, cần dùng nhiều shunt

 Cần chỉnh lưu dòng điện AC thành dòng điện DC

 Ampe mét xoay chiều thường sử dụng CCĐ từ điện

(do ưu điểm về độ chính xác và độ nhạy)

(cid:0) Đối với cơ cấu đo điện từ và điện động:

 Đo trực tiếp dòng AC, không cần chỉnh lưu

(cid:0) Mở rộng thang đo AC:

 Sử dụng điện trở shunt

 Sử dụng biến dòng đo lường

25/33

26/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Chỉnh lưu bằng điốt

Mở rộng thang đo dòng điện AC

(cid:0) Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu

(cid:3021)

(cid:3505) 𝑖 𝑡 𝑑𝑡

𝐼𝑇𝐵 (cid:3404)

1 𝑇

(cid:2868)

Mở rộng thang đo dòng điện AC bằng shunt

Mở rộng thang đo dòng điện AC bằng biến dòng đo lường

Chỉnh lưu cả chu kỳ Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Analog Clamp Meter

27/33

28/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Đo điện áp một chiều

Mở rộng thang đo điện áp DC

(cid:0) Nguyên lý đo: biến đổi điện áp thành

Ví dụ về mở rộng thang đo điện áp AC

dòng điện đi qua cơ cấu chỉ thị

(cid:0)

(cid:0)

(cid:0) Mở rộng thang đo điện áp DC: sử dụng

điện trở phụ mắc nối tiếp với CCĐ

(cid:0) Ở thang đo V1 = 2,5V

(cid:0)

(cid:0)

(cid:0)

CCĐ từ điện có Imax = 100μA; Rm = 0,5kΩ Hãy tính điện trở phụ cho 3 thang đo V1 = 2,5V; V2 = 10V; V3 = 50V

(cid:0) Để vôn mét có ĐCX cao, nên chọn sai số của điện trở

R1, R2, R3 ≤ 1% độ nhạy Ω/VDC của vôn mét

(cid:3409) 𝐼𝑚𝑎𝑥

𝐼đ𝑜 (cid:3404)

𝑉đ𝑜 𝑅𝑠 (cid:3397) 𝑅𝑚

𝑅𝑚 : điện trở trong của CCĐ 𝐼𝑚𝑎𝑥 : dòng điện tối đa của CCĐ 𝐼đ𝑜 : dòng điện tối đa của thang đo

29/33

30/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Mở rộng thang đo điện áp DC (tt)

Đo điện áp xoay chiều (AC)

(cid:0) Đối với cơ cấu đo từ điện: biến đổi AC  DC, theo hai

Ví dụ về mở rộng thang đo điện áp DC (tiếp theo)

(cid:0) Ở thang đo V2 = 10V

phương pháp sau  Sử dụng bộ chỉnh lưu điện áp AC  điện áp DC  Sử dụng bộ biến đổi nhiệt điện

(cid:0) Đối với cơ cấu đo điện từ, điện động:  Mở rộng thang đo dùng điện trở phụ

như đo điện áp một chiều

(cid:0) Ở thang đo V3 = 50V

(cid:0) Đối với cơ cấu đo tĩnh điện:

 Thường không mắc điện trở phụ

Bộ biến đổi nhiệt điện

31/33

32/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017 © Mai Quốc Khánh - 08/2017

Hết bài 2

Hỏi và thảo luận

Bài tiếp theo: Cơ sở kỹ thuật đo lường số

33/33

© Mai Quốc Khánh - 08/2017