Môn học: Đo lường điện

Bài 5

Đo điện áp

Mai Quốc Khánh Khoa Vô tuyến điện tử Học viện KTQS

1/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Nội dung

 Khái niệm chung về phép đo điện áp  Vôn mét điện tử loại tương tự  Vôn mét số

2/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Kh¸i niÖm chung vÒ phÐp ®o ®iÖn ¸p

 Lµ mét trong nh÷ng phÐp ®o th«ng dông vµ quan träng

nhÊt trong ®o l­êng.

 Có thể dïng để đo gi¸n tiếp nhiÒu ®¹i l­îng vËt lý kh¸c (vÝ dô nh­ c­êng ®é ®iÖn tr­êng, c«ng suÊt, dßng ®iÖn...)

 Ph¹m vi ®o réng: tõ 10-9V ®Õn hµng tr¨m KV

 Dải tần đo rộng (tíi 3.109 Hz)

 §èi víi ®iÖn ¸p xoay chiÒu ng­êi ta ®o c¸c gi¸ trÞ biªn

®é, trung b×nh vµ hiÖu dông

3/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiều

Giá trị biên độ đỉnh-đỉnh

Giá trị biên độ

 Gi¸ trÞ biªn ®é (P): gi¸ trÞ lín nhÊt cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu trong mét chu kú

 Phân biệt giá trị đỉnh - đỉnh (P-P) với

giá trị đỉnh (P)

T

 Gi¸ trÞ trung b×nh (AVG): trung b×nh của c¸c gi¸ trị tức thời trong một chu kỳ

=

|

( ) |

U t

dt

tbU

∫

0

 Với điện áp hình sin đó là giá trị

1 T

“trung bình chỉnh lưu”

T

=

U

2 ( ) U t dt

∫

0

 Gi¸ trÞ hiÖu dông (RMS): trung b×nh b×nh ph­¬ng cña c¸c gi¸ trị tức thời trong một chu kỳ

1 T

 §èi víi ®iÖn ¸p cã chu kú kh«ng sin

n

víi n hµi

=

U

2 iU

∑

=

i

0

4/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiều

 Mèi quan hÖ gi÷a c¸c gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p

xoay chiÒu :

 HÖ sè biªn ®é

Kb = Um/U

 HÖ sè d¹ng tÝn hiÖu Kd = U/Utb

 §èi víi ®iÖn ¸p d¹ng h×nh sin:

 Kb = 1,41, Kd = 1,11

 §èi víi ®iÖn ¸p h×nh ch÷ nhËt

 Kb = Kd = 1

 Đối với điện áp hình tam giác:

 Kb = 1,73, Kd = 1,15

Các giá trị của điện áp hình sin

5/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Sai sè ph­¬ng ph¸p cña phÐp ®o ®iÖn ¸p

Z

U

E

=

x

V«n mÐt ®­îc m¾c song song víi phô tải Zt cã ®iÖn ¸p cÇn ®o Gi¸ trÞ thùc cña ®iÖn ¸p trªn tải (tr­íc khi mắc v«n mÐt):

Z

t +

o

Z t

 M¾c v«n mÐt vµo m¹ch, v«n mÐt sÏ chØ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p:

Z0

Zt

VZV

E

+

~

=

.

U

E

, x

ZZ t +

Z t +

Z v /(

)

Z

) Z

Z

/( v ZZ t

v

v

t

0

1

x

.100 [%]

.100 [%]

=

= −

δ u

x

, U U − x U

x

1

+

+

Z v Z

o

Z v Z t

Sai sè t­¬ng ®èi cña phÐp ®o do ¶nh h­ëng cña trë kh¸ng vµo cña v«n mÐt

ĐÓ gi¶m sai sè cÇn chän v«n mÐt cã trë kh¸ng vµo lín

6/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

C¸c ph­¬ng ph¸p ®o ®iÖn ¸p Ph­¬ng ph¸p ®¸nh gi¸ trùc tiÕp: ®o trùc tiÕp b»ng c¸c v«n mÐt

 v«n mÐt nhiÖt ®iÖn  v«n mÐt tÜnh ®iÖn  v«n mÐt ®iÖn ®éng  v«n mÐt ®iÖn tõ  v«n mÐt ®iÖn tö

 Nhãm ph­¬ng ph¸p so s¸nh  Ph­¬ng ph¸p vi sai  Ph­¬ng ph¸p chØnh “0"  Ph­¬ng ph¸p bï

Ph©n lo¹i v«n mÐt

 Theo d¹ng chØ thÞ (v«n mÐt t­¬ng tù, v«n mÐt hiÖn sè)  Theo gi¸ trÞ ®iÖn ¸p cÇn ®o (v«n mÐt biªn ®é, v«n mÐt trung

b×nh, v«n mÐt hiÖu dông)

 Theo ph¹m vi ®o (v«n mÐt, milli v«n mÐt), d¶i tÇn c«ng t¸c

(v«n mÐt cao tÇn, v«n mÐt thÊp tÇn), cÊu tróc m¹ch (v«n mÐt biÕn ®æi th¼ng, v«n mÐt biÕn ®æi c©n b»ng)...

7/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

V«n mÐt ®iÖn tö lo¹i t­¬ng tù

 V«n mÐt ®iÖn tö (VMĐT) lo¹i t­¬ng tù ®­îc x©y dùng trªn c¬ së kÕt hîp c¸c bé t¸ch sãng, bé khuÕch ®¹i vµ c¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

 S¬ ®å khèi cña VMĐT  Cơ cÊu ®o tõ ®iÖn  Bé t¸ch sãng trong VMĐT

8/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

S¬ ®å khèi cña VMĐT lo¹i t­¬ng tù

 VMĐT mét chiÒu

Ux- I-

KhuÕch ®¹i mét chiÒu

­u ®iÓm: ®¬n gi¶n Nh­îc ®iÓm: hiÖn t­îng tr«i ®iÓm “0”

ChØ thÞ

Biến đổi

Ux- I-

~

~

T¸ch sãng

KhuÕch ®¹i xoay chiÒu

1C  XC

ChØ thÞ

­u ®iÓm: kh¾c phôc ®­îc hiÖn t­îng tr«i ®iÓm “0” Nh­îc ®iÓm: phøc t¹p

9/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

S¬ ®å khèi cña VMĐT lo¹i t­¬ng tù

 VMĐT xoay chiÒu

I-

-

T¸ch sãng

­u ®iÓm: D¶i tÇn réng Nh­îc ®iÓm: ®é nh¹y kÐm

Ux~

KhuÕch ®¹i mét chiÒu

ChØ thÞ

I-

~

T¸ch sãng

Ux~

KhuÕch ®¹i xoay chiÒu

­u ®iÓm: ®é nh¹y cao Nh­îc ®iÓm: d¶i tÇn hÑp

ChØ thÞ

 ChØ thÞ cña VMĐT th­êng dïng c¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

10/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

C¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

 Lµ c¬ cÊu ®o mµ m« mem quay sinh ra do t­¬ng t¸c gi÷a tõ tr­êng cña nam ch©m vÜnh cöu víi tõ tr­êng cña khung d©y cã dßng ®iÖn ch¹y qua

Các bộ phận CCĐTĐ:

(1) nam châm vĩnh cửu

(2) lò xo phản kháng

(3) chốt giữ lò xo.

(4) thang chia độ

(5) cuộn dây dẫn điện

(6) kim.

CCĐ từ điện Volmet từ điện (điện cơ)

11/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

C¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

 M« men quay

=

.

M

I

q

dw =dtt α d

φ d c α d

- biÕn thiªn tõ th«ng mãc vßng qua khung d©y

vßng

n

víi

φcd - lµ dßng ®iÖn qua cuén c¶m I

Trong khe hở của cơ cấu đo có từ trường đồng nhất, do vậy

=

- diÖn tÝch cña khung d©y

S

2

rl

S - b¸n kÝnh quay

víi

α

S B nd .

.

=cd φ

r - chiÒu dµi khung d©y

- c¶m øng tõ trong khe hë kh«ng khÝ

B

- sè vßng cña khung d©y

n

   l    

 Do vậy, m« men quay

=

.

qM B S n I . .

12/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

C¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

⇔

 T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men:

= B S n I Dα .

. .

.

= M M q

pk

 Do ®ã

α=

=

I

.

S I . 0

. . B S n D víi S0 lµ ®é nh¹y cña c¬ cÊu ®o tõ ®iÖn

 §Æc ®iÓm cña c¬ cÊu ®o tõ ®iÖn:

 Thang ®o tuyÕn tÝnh  §é nh¹y cao  Tiªu thô dßng ®iÖn nhá  ChÞu t¶i kÐm  Th­êng dïng ®Ó chÕ t¹o ampe mÐt, v«n mÐt, «m mÐt, lµm thiÕt

bÞ chØ thÞ cho v«n mÐt ®iÖn tö vµ c¸c cÇu ®o

13/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Ph­¬ng tr×nh thang ®o cña VMĐT  Theo cÊu tróc m¹ch ®¬n h­íng, ph­¬ng tr×nh thang

®o cña VMĐT cã thÓ viÕt nh­ sau:

N

F1(U~)

α

S0 KPA KM§ KK§

Ph©n T¸ch M¹ch Ux~ U’x~ I- U- U’-

KhuÕch ®¹i ¸p sãng ®o

CC§

α F2( )

=

(

[

.

.

.

.

)]

N F K K S F K U MD

KD

PA

x

0

2

1

~

 P/T thang đo của VMĐT phụ thuộc chủ yếu vào hàm tách

sóng.

 Ba loại BTS thường gặp trong VMĐT

 BTS biên độ

BTS trung bình

BTS hiệu dụng

14/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bé t¸ch sãng biªn ®é

Bé t¸ch sãng biªn ®é (TSBĐ) cã nhiÖm vô biÕn ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu vÒ mét chiÒu víi gi¸ trÞ trung b×nh b»ng gi¸ trÞ biªn ®é cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu.

+

-

§

C

+

C

Ux

Rt

Ux

Rt

§

-

TSB§ ®Çu vµo më TSB§ ®Çu vµo ®ãng

U

Uc

0

t

T

Ux

=

H»ng sè thêi gian n¹p (

) H»ng sè thêi gian phãng (

)

τ n

+= R C . d

τ p

R C . t

15/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bé TSBĐ víi ®Çu vµo më

 Sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh

URt = Uc = Um

 §Æc ®iÓm:

 “Më” víi thµnh phÇn ®iÖn ¸p mét chiÒu ë ®Çu vµo  §é nh¹y thấp  D¶i tÇn rất rộng

16/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bé TSBĐ víi ®Çu vµo ®ãng

 Sau mét thêi gian, tô C ®­îc n¹p tíi gi¸ trÞ biªn ®é cña

®iÖn ¸p h×nh sin:

Uc ≈ Um

 §iÖn ¸p trªn t¶i:

URt = Ux + Uc = Umsin (ωt) + Um = Um [sin (ωt) + 1]

th× URt = 0

 Khi Ux ë c¸c thêi ®iÓm d­¬ng cùc ®¹i Um+ th× URt = 2Um  Khi Ux ë c¸c thêi ®iÓm ©m cùc ®¹i Um-  Nh­ vËy, gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p trªn t¶i trong mét chu kú

tÝn hiÖu b»ng gi¸ trÞ biªn ®é Um cña ®iÖn ¸p vµo Ux.

17/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Ứng dụng của bộ TSBĐ

 Bộ TSBĐ dùng để chế tạo:

 VMĐT đo các giá trị biên độ, trung bình và hiệu dụng của điện áp hình sin

 Các đầu đo trong các VMĐT, các máy hiện sóng và các thiết bị khác

RF Millivolmeter

18/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bé t¸ch sãng trung b×nh

 Bộ tách sóng trung bình (TSTB) trong vôn mét điện tử

làm nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều

 Chỉnh lưu có thể thực hiện trong nửa chu kỳ và cả chu

kỳ điện áp

CC§

Ux~ Ux~ Ux~

Rt

Rt

Rt

19/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bộ TSTB

Gãc quay phÇn ®éng c¬ cÊu ®o:

T

=

α =

( )

.

.

= U t d t S K U

tb

. S I 0

S K 0

0

∫

1 T

0

 Ứng dụng của TSTB:

 Chế tạo các đồng hồ vạn năng và các AVO đo giá trị điện

áp hiệu dụng của điện áp xoay chiều hình sin

Digital Multimeter

20/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bộ TSTB

 Các mạch TSTB thực hiện

theo kiểu mạch cầu

 Mạch TSTB thường mắc thêm bộ phận bù tần số: khi tần số điện áp đo tăng, trở kháng a-b giảm, trở kháng b-c cũng giảm (do C0), phân bố điện áp a-b và c-d không thay đổi

21/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Bộ tách sóng hiệu dụng

T

2

=

U

( ) U t

dt

∫

0

1 T

Ba thao tác biến đổi khi đo giá trị hiệu dụng:

 bình phương điện áp  lấy giá trị trung bình  khai căn

Bộ tách sóng hiệu dụng (TSHD) làm nhiệm vụ bình phương điện áp, cơ cấu đo từ điện có góc quay phần động tỷ lệ thuận với giá trị trung bình của bình phương điện áp, còn việc khai căn thực hiện nhờ khắc độ thang đo

Trong thực tế, sử dụng phương pháp gấp khúc gần đúng để chế tạo bộ TSHD

22/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

i1

u

Phương pháp gấp khúc gần đúng

U1

i2

+

§4

§5

R’2

R’3

R’4

u

§1

§2

§3

U2

C U

U1

U2

U3

R5

R1

R2

R3

R4

i3

-

CC§

u

+

U3

i

R’2

i4

§3

i1+i2+i3

U

R2 U1

i1

i1+i2

u

u

U1

23/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

24/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

V«n mÐt sè

 Vôn mét điện tử loại hiện số được xây dựng theo

những nguyên tắc sau:

 Biến đổi thời gian xung

 Biến đổi tần số

 Biến đổi cân bằng

25/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

V«n mÐt sè tÝch ph©n hai lÇn

TXC

Bé tÝch ph©n

C

UX

1

TX

K§

f0

R

CM

K

SS

2

K

NX

U 0

B§X

§AM

§K

HTS

§K1

§K2

§K3

UĐK

T1

TX

TX

UĐK

Up

Un

t

UTXC

T0

NX

U§X

26/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Ho¹t ®éng cña v«n mÐt sè tÝch ph©n hai lÇn

 B­íc 1: Bé ®iÒu khiÓn ®­a ra tÝn hiÖu §K1

 chuyÓn bé ®Õm B§X vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu  ®ãng khãa K  chuyÓn CM vÒ vÞ trÝ 1.

T 1

§iÖn ¸p Ux n¹p cho tô C

=

=

U

n

K U dt KD x

U T 1 x

∫

0

1 RC

K KD RC

 B­íc 2: Bé ®iÒu khiÓn ®­a ra tÝn hiÖu §K2

xT

=

=

.

U

U dt U

 chuyÓn CM vÒ vÞ trÝ 1  më khãa K  B§X b¾t ®Çu ®Õm §iÖn ¸p U0 n¹p cho tô C

p

o

o

∫

0

1 RC

T x RC

27/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Ho¹t ®éng cña v«n mÐt sè tÝch ph©n hai lÇn

 Vì Un = Up

x

=

T x

T 1

K U .KD U

o

 Hay là

o

=

=

N

.1

U

x

fT x

o

x

TfK KD U

o

 Như vậy mã thiết lập trên bộ đếm Nx sau thời điểm ĐK3 tỷ lệ với điện áp cần đo, thông qua hệ số tỷ lệ

28/30

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

Sai sè cña v«n mÐt sè tÝch ph©n hai lÇn

 Sai số của vôn mét tích phân hai lần phụ thuộc

sai số của bộ khuếch đại vào sự ổn định của các tham số T1, fo, Uo sai số lượng tử hóa Không phụ thuộc vào tham số bộ tích phân

Digital Millimeter

29/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010 Digital Millimeter

Sai sè cña v«n mÐt sè tÝch ph©n hai lÇn

 NÕu chän T1 = n Tnh th× v«n mÐt gi¶m hoÆc lo¹i trõ ®­îc ¶nh h­ëng

cña nhiÔu cã chu kú, trong ®ã cã nhiÔu nguån nu«i 50Hz

 Víi nhiÔu nguån nu«i Unhsinωt th× ë ®Çu vµo v«n mÐt tÝn hiÖu cã

d¹ng:

=

U

ωsin t

, x

+ UU x

nh

 Trong b­íc tÝch ph©n thø nhÊt ë v«n mÐt ta cã:

T 1

=

+

=

(

sin

)

U

ω t

dt

n

UK KD

x

UK KD

nh

∫

0

T 1

T 1

=

+

sin

dtUK

U

ω t

dt

nh

KD

x

∫

∫

0

0

1 RC 1 RC

K KD RC

T 1

sin

0

t dtω =

 Khi T1 b»ng sè nguyªn lÇn chu kú nhiÔu th×

0

∫

 do ®ã

U

n =

1TU x

K KD RC

30/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010

VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...

CẢM ƠN

31/31

© Mai Quốc Khánh - 04/2010