Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

Chia sẻ: Chuheo Dethuong25 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp) cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở chung về kỹ thuật đo lường; Các cơ cấu chỉ thị cơ điện; Đo dòng điện và điện áp; Đo công suất và điện năng; Đo các thông số của mạch điện;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN TÍCH HỢP: ĐO LƯỜNG ĐIỆN (MĐ11) NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2017 -1-
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 BÀI 1: CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3 1. ĐỊNH NGHĨA ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO. 3 2. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG..…………………………………………….6 3. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO…………………………………………………………….6 4. KHÁI NIỆM VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG…..……………………………………………….6 BÀI 2: CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN. 14 1. Cơ sở chung.. 14 2.Cơ cấu chỉ thị từ điện. 16 3.Cơ cấu chỉ thị điện từ. 16 4. Cơ cấu chỉ thị điện động. 17 5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng. 19 BÀI 3: ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 21 1. NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA VIỆC ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP. 21 2. Đo dòng điện. 21 3. Đo điện áp. 27 BÀI 4: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG. 34 1. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch một pha. 34 2. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch ba pha 41 BÀI 5: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN 54 1. ĐO ĐIỆN TRỞ. 54 2. Đo điện cảm. 54 3. Đo điện dung 58 BÀI 6: SỬ DỤNG VOM 54 1. CÔNG DỤNG VÀ CẤU TẠO 54 2. Sử dụng và cách bảo quản đồng hồ đo 54 BÀI 6: SỬ DỤNG VOM 54 1. CÔNG DỤNG VÀ CẤU TẠO 54 2. Sử dụng PHẦN V. TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO 66 -2-
Lời nói đầu Môn học kỹ thuật đo lường trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo dùng trong ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho nghề Điện Công nghiệp. Kỹ thuật Đo lường Điện là môn học nghiên cứu các cơ cấu đo, các phương pháp đo các đại lượng vật lý: đại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất… Bài giảng Kỹ thuật Đo lường Điện được biên soạn dựa trên các giáo trình và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành: Vận hành nhà máy thuỷ điện, Điện dân dụng, Cơ điện nông thôn, ... Cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về kỹ thuật đo lường trong ngành Vận hành nhà máy thuỷ điện. Trình bày các dụng cụ đo, nguyên lý đo và phương pháp đo các thông số. Trên cơ sở đó, người học biết cách sử dụng dụng cụ đo và xử lý kết quả đo trong công việc sau này. Trong quá trình biên soạn, đã được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách được hoàn chỉnh hơn, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc. -3-
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Đo lường điện Mã mô đun: MĐ 11 Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15giờ; Thực hành, bài tập, thảo luận, thí nghiệm: 40giờ; Kiểm tra: 5giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN - Vị trí mô đun: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, các môn học/ mô đun: Điện kỹ thuật, Vẽ kỹ thuật - Vẽ điện - Tính chất của mô đun: Là mô đun cơ sở. II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: 1. Kiến thức: - Mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng: từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng. - Mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các dụng cụ đo thông dụng: am-pe mét, vôn mét, oát mét, VOM, công tơ, mê-gôm mét, Tê-rô mét, cầu đo Wheastone, máy hiện sóng, stroboscope. - Vẽ được sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện, điện áp, công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ. 2. Kỹ năng: - Lắp đặt, đấu nối được mạch đo dòng điện, điện áp, công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ. - Đọc và giải thích được các ký hiệu ghi trên các đồng hồ và dụng cụ đo lường - Sử dụng đúng các dụng cụ đo, đo được các đại lượng về điện: điện áp, cường độ dòng điện, điện trở, công suất, điện năng, điện trở cách điện, điện trở tiếp đất, biên độ, tần số. - Bảo quản tốt các loại dụng cụ đo theo các qui định kỹ thuật. 3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm. - Chủ động lập kế hoạch, dự trù được vật tư, thiết bị. - Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công việc. III. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) STT Tên các bài trong mô đun Tổng Lý TH, TL, Kiểm số thuyết BT, TN tra 1 Bài 1: Cơ sở chung về kỹ thuật đo lường. 4 1 3 -4-
1. Định nghĩa đo lường và phân loại thiết 1.5 0.5 1 bị đo. 2. Sơ đồ cấu trúc và chuyển đổi đo lường 2.5 0.5 2 của dụng cụ đo lường. 2 Bài 2: Các cơ cấu chỉ thị cơ điện. 8 2 6 1. Cơ cấu chỉ thị từ điện 1.5 0.5 1 2. Cơ cấu chỉ thị điện từ. 2.5 0.5 2 3. Cơ cấu chỉ thị điện động. 1.5 0.5 1 4. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng. 2.5 0.5 2 3 Bài 3: Đo dòng điện và điện áp. 8 2 6 1. Đo dòng điện 4 1 3 2. Đo điện áp 4 1 3 4 Bài 4: Đo công suất và điện năng. 16 4 9 3 1. Đo công suất và điện năng trong mạch 4 1 3 một pha. 2. Đo công suất và điện năng trong mạch 9 3 6 ba pha. 3 3 3. Kiểm tra 5 Bài 5: Đo các thông số của mạch điện. 4 1 3 1. Đo điện trở 2 0.5 1.5 2. Đo điện cảm, điện dung 2 0.5 1.5 6 Bài 6: Sử dụng VOM. 4 1 3 1. Công dụng, cấu tạo 1 0.5 0.5 2. Sử dụng VOM đo các đại lượng. Cách 3 0.5 2.5 bảo quản đồng hồ đo 7 Bài 7: Sử dụng M 4 1 3 1. Công dụng, cấu tạo. Các cực của M . 2 0.5 1.5 2. Kiểm tra M . Cách đo và bảo quản 2 0.5 1.5 đồng hồ đo. 8 Bài 8: Sử dụng Tera 4 1 3 1. Công dụng, cấu tạo. Các cực của 2 0.5 1.5 Têra . 2. Kiểm tra Têra . Cách đo. Cách bảo 2 0.5 1.5 quản đồng hồ đo. 9 Bài 9: Sử dụng máy hiện sóng (OSC) 4 1 3 -5-
1. Sơ đồ khối OSC. 2 0.5 1.5 2. Cách đo. Cách bảo quản 2 0.5 1.5 10 Bài 10: Sử dụng Am pe kìm. 4 1 1 2 1. Công dụng, cấu tạo. 1 0.5 0.5 1 2.Sử dụng Ampe kìm đo các đại lượng. Cách bảo 0.5 0.5 quản đồng hồ đo. 3. Kiểm tra 2 Tổng cộng: 60 15 40 5 2. Nội dung chi tiết: Bài 1: Cơ sở chung về kỹ thuật đo lường Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Trình bày được các kiến thức chung về kỹ thuật đo lường; - Định nghĩa, phân loại được cách thực hiện phép đo; - Nhận biết được sơ đồ cấu trúc của các dụng cụ đo, các đặc tính tĩnh và đặc tính động của thiết bị đo; - Trình bày được khái niệm, phân loại các bộ chuyển đổi đo lường. - Rèn luyện tính chính xác, tư duy khoa học, sáng tạo. Nội dung: 1. Định nghĩa đo lường và phân loại thiết bị đo: 1.1. Định nghĩa; 1.2. Phân loại cách thực hiện phép đo; 1.3. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường; 1.4. Phân loại thiết bị đo. 2. Sơ đồ cấu trúc và chuyển đổi đo lường của dụng cụ đo lường: 2.1. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo lường 2.1.1. Phân loại dụng cụ đo; 2.1.2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo. 2.2. Khái niệm về chuyển đổi đo lường: 2.2.1. Định nghĩa về chuyển đổi đo lường; 2.2.2. Phân loại chuyển đổi đo lường; 2.2.3. Một số chuyển đổi thường gặp. -6-
Bài 2: Các cơ cấu chỉ thị cơ điện Thời gian: 8 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Mô tả được nguyên lý làm việc, các chi tiết cơ khí chung của chỉ thị cơ điện; - Mô tả được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại cơ cấu chỉ thị. - Nhận biết được các cơ cấu chỉ thị cơ điện thông qua ký hiệu; giải thích được các ký hiệu trên các đồng hồ đo. - Rèn luyện tính chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo. Nội dung: 1. Cơ cấu chỉ thị từ điện: 1.1 Cấu tạo; 1.2. Nguyên lý làm việc; 1.3. Đặc tính và ứng dụng. 2. Cơ cấu chỉ thị điện từ: 2.1. Cấu tạo; 2.2. Nguyên lý làm việc; 2.3. Đặc tính và ứng dụng. 3. Cơ cấu chỉ thị điện động: 3.1. Cấu tạo; 3.2. Nguyên lý làm việc; 3.3. Đặc tính và ứng dụng. 4. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng : 4.1. Cấu tạo; 4.2. Nguyên lý làm việc; 4.3. Đặc tính và ứng dụng. Bài 3: Đo dòng điện và điện áp Thời gian: 8 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo dòng điện, điện áp. - Tóm tắt được nội dung các phương pháp đo dòng điện và điện áp. - Vẽ được sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện, điện áp điện 1 chiều và xoay chiều. - Lắp đặt, đấu nối mạch đo dòng điện, điện áp điện 1 chiều và xoay chiều trên tủ điện; trên bàn thực hành. Đọc được kết quả đo. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo. -7-
Nội dung: 1. Đo dòng điện: 1.1. Đo dòng điện một chiều; 1.2. Đo dòng điện xoay chiều. 2. Đo điện áp: 2.1. Đo điện áp một chiều 2.2. Đo điện áp xoay chiều Bài 4: Đo công suất và điện năng Thời gian: 16 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo công suất, điện năng; - Vẽ được sơ đồ nguyên lý mạch đo công suất, đo điện năng mạch một pha; ba pha. - Lắp đặt, đấu nối được mạch đo công suất, đo điện năng mạch một pha; ba pha trên tủ điện; trên bàn thực hành. Đọc được kết quả đo. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo. Nội dung: 1. Đo công suất và điện năng trong mạch một pha: 1.1. Đo công suất tác dụng bằng oát mét điện động; 1.2. Đo công suất phản kháng một pha; 1.3. Đo điện năng tiêu thụ bằng công tơ cảm ứng một pha. 2. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch ba pha: 2.1. Đo công suất tác dụng trong mạch ba pha 2.2. Đo công suất phản kháng trong mạch ba pha; 2.3. Đo điện năng tiêu thụ trong mạch ba pha. 3. Kiểm tra. Bài 5: Đo các thông số của mạch điện Thời gian: 4 giờ Mục tiêu: - Đo, đọc chính xác trị số các đại lượng R, L, C - Lựa chọn phù hợp phương pháp đo cho từng đại lượng cụ thể. - Sử dụng và bảo quản các loại thiết bị đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Đo điện trở. 2. Đo điện cảm, điện dung. -8-
Bài 6: Sử dụng VOM Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Mô tả được Cấu tạo chung của VOM. - Sử dụng thành thạo VOM để đo các đại lượng. - Thực hiện bảo quản dụng cụ đo đúng quy trình kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Công dụng, cấu tạo. 2. Sử dụng VOM đo các đại lượng. Cách bảo quản đồng hồ đo Bài 7: Sử dụng Mê ga Ôm Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Mô tả được cấu tạo chung, các cực, cách kiểm tra, cách đấu dây của Mê ga Ôm. - Sử dụng thành thạo Mê ga Ôm để đo điện trở cách điện của thiết bị điện hạ áp. - Thực hiện bảo quản dụng cụ đo đúng quy trình kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Công dụng, cấu tạo. Các cực của M . 2. Kiểm tra M . Cách đo. Cách bảo quản đồng hồ đo. Bài 8: Sử dụng Tê ra Ôm Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Mô tả được cấu tạo chung, các cực, cách kiểm tra, cách đấu dây của Tê ra Ôm. - Sử dụng thành thạo Tê ra Ôm để đo điện trở tiếp đất của hệ thống chống sét. - Thực hiện bảo quản dụng cụ đo đúng quy trình kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Công dụng, cấu tạo. Các cực của Têra . 2. Kiểm tra Têra .Cách đo. Cách bảo quản đồng hồ đo. Bài 9: Sử dụng máy hiện sóng (OSC) Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài OSC này, người học có khả năng: - Mô tả được cấu tạo, sơ đồ khối của OSC. - - Sử dụng OSC để đo các đại lượng điện áp, dòng điên, tần số, góc pha. -9-
- Thực hiện bảo quản dụng cụ đo đúng quy trình kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Sơ đồ khối OSC. 2. Cách đo.Cách bảo quản. Bài 10: Sử dụng Ampe kìm Thời gian: 4 giờ Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học có khả năng: - Mô tả được Cấu tạo chung của VOM. - Sử dụng thành thạo VOM để đo các đại lượng. - Thực hiện bảo quản dụng cụ đo đúng quy trình kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, nghiêm túc trong công việc. Nội dung: 1. Công dụng, cấu tạo. 2. Sử dụng Ampe kìm đo các đại lượng. Cách bảo quản đồng hồ đo 3. Kiểm tra IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔ ĐUN: 1. Phòng học chuyên môn: Đo lường điện. 2. Trang thiết bị máy móc: + Bàn thực hành đo lường; Bàn thí nghiệm mạch điện xoay chiều một pha, 3 pha. + Tủ điện. + Bộ đồ nghề điện, cơ khí cầm tay. + Các loại dụng cụ đo: VOM/DVOM, M, am pa kìm, OSC, Tê-ra-ôm... + Động cơ điện xoay chiều một pha, ba pha + Mô hình bổ cắt các loại cơ cấu đo, Cầu đo. 3. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu. + Dây dẫn điện: Dây đơn có đầu cốt tròn. + Dây điện mềm có đầu cốt dẹt. 4. Các điều kiện khác - Yêu cầu về giáo viên giảng dạy theo Thông tư 08/2017/TT-BLĐTBXH ban hành ngày 10 tháng 03 năm 2017 của Bộ Trưởng Bộ Lao động Thương binh và Xã hội quy định chuẩn về chuyên môn, nghiệp vụ của nhà giáo giáo dục nghề nghiệp. - 10 -
- Đề cương, giáo án, bài giảng môn học. - Hệ thống câu hỏi, bài tập. - Máy vi tính, máy chiếu đa năng V. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ: 1. Nội dung: - Kiến thức: thông qua các bài kiểm tra bằng hình thức trắc nghiệm hoặc tự luận những nội dung về khái niệm, giải thích ký hiệu, đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc cơ cấu đo. - Kỹ năng: Đánh giá thông qua các bài tập thực hành lắp đặt đấu nối, sử dụng thiết bị đo để đo các đại lượng điện và không điện. - Năng lực tự chủ và tự chịu trách nhiệm: Có ý thức chấp hành nội quy học tập; Tác phong và trách nhiệm trong công việc. 2. Phương pháp đánh giá: - Kiểm tra lý thuyết với các nội dung đã học có liên hệ với thực tiễn - Thực hành: Kiểm tra và đánh giá các kĩ năng lắp ráp và sửa chữa mạch điện - Đánh giá trong quá trình học: + Câu hỏi truy vấn + Kiểm tra: Viết + Thực hành lắp mạch - Đánh giá cuối môn học: Kiểm tra (thi): tích hợp (viết phần lý thuyết và kỹ năng lắp mạch và sửa chữa mạch phần thực hành) - Thang điểm 10. VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ ĐUN: 1. Phạm vi áp dụng chương trình: Chương trình mô đun này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng Điện công nghiệp 2. Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập mô đun: * Đối với giảng viên - Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng dạy học. - Bố trí thời gian làm các bài thực hành lắp đặt, đấu nối, sử dụng thiết bị đo để đo các đại lượng điện và không điện. - Sử dụng các mô hình cắt bổ, để mô tả cấu tạo, nguyên lý làm việc của cơ cấu đo.. - Cần tập trung cả lớp để hướng dẫn ban đầu: Phần này giáo viên cần thao tác mẫu cho sinh viên quan sát. - 11 -
- Tùy vào thiết bị có của phòng chuyên môn nhưng mỗi nhóm nên tối đa là 3 sinh viên. Phần này giáo viên nên quan sát từng nhóm và sửa sai tại chỗ. - Tập trung cả lớp để rút kinh nghiệm sau mỗi ca thực tập: Phần này giáo viên cho sinh viên nêu lên những vướng mắc trong ca thực tập và đưa ra phương pháp khắc phục. * Đối với người học: + Với lý thuyết: Nên nhẩm – nhớ - ghi chép. Khi học cần hiểu bản chất vấn đề. + Với phần thực hành: Phải luyện tập để hình thành kỹ năng có thể hình thành kỹ năng từ thao tác mẫu của giảng viên, cũng có thể hình thành từ việc vận dụng một cách sáng tạo, linh hoạt của bản thân. 3. Những trọng tậm cần chú ý: - Các cơ cấu chỉ thị cơ điện; - Đo dòng điện và điện áp; - Đo công suất và điện năng. 4. Tài liệu tham khảo: - Đo lường và điều khiển bằng máy tính- Ngô Diên Tập - NXB khoa học kỹ thuật, 1997 - Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện- Nguyễn Văn Hòa - Vụ trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo Dục, 2002 - Kỹ thuật đo- Nguyễn Ngọc Tân - NXB khoa học kỹ thuật - Cảm biến và ứng dụng - Dương Minh Trí - NXB khoa học kỹ thuật - 12 -
BÀI 1: CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các quá trình công nghệ… đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng để có các quyết định phù hợp. Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho các thông số đó. 1. ĐỊNH NGHĨA ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO: 1.1 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 lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo): Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: A = và ta có X = A.X0 Trong đó: X - đại lượng đo X0 - đơn vị đo A - con số kết quả đo. Từ (1.1) có phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax . Xo , chỉ rõ sự so sánh X so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần đo X phải có tính chất là các giá trị của nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh được thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được. 1.2 Phân loại cách thực hiện phép đo Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị. Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá trình đo lường. Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường phân thành 2 loại phương pháp đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo kiểu so sánh. 1.2.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng - Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi. - Quá trình thực hiện: * Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số NX, đồng thời đơn vị của đại lượng đo XO cũng được biến đổi thành con số NO. * Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia NX/NO), * Thu được kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO . - 13 -
Hình 1.1. Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng. Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XO sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi tương tự - số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO. Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm. 1.2.2.Phương pháp đo kiểu so sánh: - Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi. - Quá trình thực hiện: + Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh. + Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trìnhđo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo. Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù). Hình 1.2. Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh. * Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ΔX = X - XK. Tùy thuộc vào cách so sánh mà sẽ có các phương pháp sau: - So sánh cân bằng: Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK = NK.XO được so sánh với nhau sao cho ΔX = 0, từ đó suy ra X = XK = NK.XO suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK. Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để được kết quả so sánh là ΔX = 0 từ đó suy ra kết quả đo. Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ΔX = 0). Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng - 14 -
- So sánh không cân bằng: Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trước, qua bộ so sánh có được ΔX = X - XK, đo ΔX sẽ có được đại lượng đo X = ΔX + XK từ đó có kết quả đo: AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO. Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của XK quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ΔX, giá trị của ΔX so với X (độ chính xác của phép đo càng cao khi ΔX càng nhỏ so với X). Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ… - So sánh không đồng thời: Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, khi hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = XK . Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo, sau đó thay X bằng đại lượng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng thái như khi X tác động, từ đó suy ra X = XK. Như vậy rõ ràng là XK phải thay đổi khi X thay đổi. Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK. Phương pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên. Thường thì giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị của đại lượng đo X. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp như vônmét, ampemét chỉ thị kim. - So sánh đồng thời: Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và đại lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo. Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các điểm trùng nhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng. Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là: - Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo - Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ phương trình mới có kết quả - Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả 2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo lường: 2.1. Phân loại dụng cụ đo; * Theo cách biến đổi có thể phân thành: - 15 -
+ Dụng cụ đo biến đổi thẳng: là dụng cụ đo đại lượng cần đo X được biến đổi thành lượng ra Y theo một đường thẳng không có khâu phản hổi + Dụng cụ đo kiểu biến đổi bù: là loại dụng cụ đo có mạch phản hồi với các chuyển đổi ngược biến đổi đại lượng ra Y thành đại lượng bù để bù với tín hiệu đo X * Theo phương pháp so sánh + 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 quả đo + Dụng cụ đo kiểu so sánh: Là dụng cụ đo thực hiện việc so sánh qua mỗi lần đo * Theo phương pháp đưa ra thông tin + Dụng cu đo tương tự là dụng cụ có chỉ số là một hàm liên tục của đại lượng đo: Dụng cụ đo tương tự bao 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 dố: 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 * Theo đại lượng đo: Các dụng cụ được mang tên đại lượng đo như Vônmét, Ampemét, Oátmét.. * Theo điều kiện đo: Đo ngoài trời, trong nhà, dưới nước... * Theo kết cấu: đo 1 chiều, đo xoay chiều * Theo loại dòng điện: Đo 1 chiều, đo xoay chiều * Theo điện áp: hạ áp, cao áp 2.2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo. Mỗi dụng cụ đo thường gồm ba khâu chính: Chuyển đổi sơ cấp, mạch đo, cơ cấu chỉ thị - Chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện, là khâu quan trọng nhất của thiết bị do. - Mạch đo là khâu gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện sơ đồ mạch. Mạch đo thường là mạch điện tử vi xử lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo - 16 -
- 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 3 cách thể hiện kết quả đo: chỉ thị bằng kim, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi, chỉ thị bằng con số. Có ba cách thể hiện kết quả đo + Chỉ thị bằng kim + Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi + Chỉ thị dưới dạng con số 3. Các đặc tính của thiết bị đo: 3.1. Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo; a. Sai số b. Điện trở đầu vào, đầu ra 3.2. Các đặc tính động của thiết bị đo. 4. Khái niệm về chuyển đổi đo lường: 4.1. Khái niệm; Là chuyển đổi từ tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện được ứng dụng trong hệ thống cảm biến: quang nhiệt, lưu lượng, áp suất.... 4.2. Định nghĩa về chuyển đổi đo lường; Là chuyển đổi từ tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện được ứng dụng trong hệ thống cảm biến: quang nhiệt, lưu lượng, áp suất.... 4.3. Phân loại chuyển đổi đo lường; * Định nghĩa chuyển đổi đo lường: * Phân loại chuyển đổi đo lường: - Theo biến đổi: Biến đổi thẳng, biến đổi bù (là loại dụng cụ có mạch phản hồi với các biến đổi ngược biến đổi đại lượng ra Y thành Xk để bù với tín hiệu đo). - Theo phương pháp so sánh: dụng cụ đánh giá trực tiếp, dụng cụ đo kiểu so sánh - Phương pháp đưa ra thông tin: Dụng cụ đo tương tự, dụng cụ đo kiểu kim chỉ, dụng cụ đo tự ghi (kết quả đo đưa ra kiểu đường cong phụ thuộc thời gian), dụng cụ đo chỉ thị số 4.4. Một số chuyển đổi thường gặp. Một số chuyển đổi thường gặp: chuyển đổi điện trở, chuyển đổi điện cảm, chuyển đổi hỗ cảm, chuyển đổi áp từ, chuyển đổi điện dung, chuyển đổi nhiệt điện - 17 -
BÀI 2: CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN Dụng cụ đo tương tự có số chỉ là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Thường sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu vào là dòng điện, tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ hoặc bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi). Những dụng cụ đo này là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lượng cần đo X như điện áp, dòng điện, tần số, góc pha … được biến đổi thành góc quay α của phần động (so với phần tĩnh), tức là biến đổi từ năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học. Từ đó có biểu thức quan hệ: α = f ( X ) với X là đại lượng điện. Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong các dụng cụ đo các đại lượng: dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở…của mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp. 1. CƠ SỞ CHUNG 1.1. Nguyên lý làm việc của các cơ cấu chỉ thị cơ điện Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác động của từ trường (do nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu đo sẽ sinh ra mômen quay Mq tỷ lệ với độ lớn của dòng điện I đưa vào cơ cấu: Trong đó: We: năng lượng điện từ trường α: góc lệch của phần động Nếu đặt vào trục của phần động một lò xo cản, khi phần động quay lò xo bị xoắn lại sinh ra mômen cản Mc tỷ lệ thuận với góc lệch α và được tính: Mc = D .  Trong đó D là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước lò xo. Khi mômen cản bằng mômen quay, phần động của cơ cấu dừng lại ở vị trí cân bằng: (1) Phương trình (1) là phương trình đặc tính thang đo, cho biết đặc tính thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị. M M M M c1 c2 - 18 -
Hình 2.2. Xác định vị trí cân bằng αc bằng đồ thị. Vị trí cân bằng αc có thể xác định bằng đồ thị như hình 5.2: ứng với các dòng điện I khác nhau có các góc lệch α khác nhau tương ứng với giá trị đo được. Ngoài hai mômen cơ bản trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ thị cơ điện còn chịu tác dụng của nhiều mômen khác: mômen ổn định, mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lượng…với các tính chất và tác dụng khác nhau. 1.2. Các chi tiết cơ khí chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện Hình 2.1. Các bộ phận và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện. - Trục và trụ: đảm bảo cho phần động quay trên trục như: khung dây, kim chỉ, lò xo cản… - Lò xo phản kháng hoặc dây căng và dây treo: tạo ra mômen cản (có mômen cản riêng D) và dẫn dòng điện vào khung dây. Dây căng và dây treo được sử dụng khi cần giảm mômen cản để tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ thị. - Kim chỉ: được gắn vào trục quay, độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay α. - Thang đo: là mặt khắc độ khắc giá trị của đại lượng đo. - Bộ phận cản dịu: có tác dụng rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí cân bằng nhanh chóng. 1.3. Các ký hiệu quy ước trên mặt dụng cụ đo. + : Cơ cấu đo kiểu điện từ +∩ : Cơ cấu đo kiểu từ điện + : Đặt vuông góc + 2,5 or 1,5… Cấp chính xác của dụng cụ đo + 5A (or 10A; 30A; 100A...) giới hạn đo lớn nhất của đồng hồ. 2.CƠ CẤU CHỈ THỊ TỪ ĐIỆN 2.1. Cấu tạo - 19 -
- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động. - Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng. Khung dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8. Hình 2.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện. 2.2 Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo biểu thức: Với: B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây của khung dây. Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản: Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây. 2.3 Các đặc tính và ứng dụng Từ biểu thức (5.1) suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau: - Chỉ đo được dòng điện một chiều. - Đặc tính của thang đo đều. - Độ nhạy là hằng số. - Ưu điểm: độ chính xác cao; ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể (do từ trường là do nam châm vĩnh cửu sinh ra); công suất tiêu thụ nhỏ nên ảnh hưởng không đáng kể đến chế độ của mạch đo; độ cản dịu tốt; thang đo đều (do góc quay - 20 -