Giáo trình Kỹ thuật điện 2 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Kỹ thuật điện 2 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Khái niệm về đo lường, đo lường điện, cấu tạo các cơ cấu đo; công dụng các dụng cụ đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/hệ thống điện và đo được các thông số, các đại lượng cơ bản 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 Kỹ thuật điện 2 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN: KỸ THUẬT ĐIỆN 2 NGÀNH/NGHỀ: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT THOÁT NƯỚC & XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 368ĐT/QĐ-CĐXD1, ngày 10 tháng 8 năm 2021 Của Hiệu trưởng trường CĐXD1) Hà Nội, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình MH 27. Lý thuyết kỹ thuật điện 2 (LTKTĐ2) được biên soạn nhằm phục vụ cho giảng dạy và học tập cho trình độ Cao đẳng ngành KTTN&XLNT ở trường Cao đẳng Xây dựng số 1. MH 27. Lý thuyết kỹ thuật điện 2 là môn học chuyên môn ngành nhằm cung cấp các kiến thức về đo lường điện, hoạt động của các khí cụ điện và động cơ điện KĐB xoay chiều, máy biến áp sử dụng cho KTTN&XLNT. Giáo trình MH 27. Lý thuyết kỹ thuật điện 2 do bộ môn Máy điện xây dựng gồm: ThS.Nguyễn Trường Sinh làm chủ biên và các thầy cô đã và đang giảng dạy trực tiếp trong bộ môn cùng tham gia biên soạn. Giáo trình này được viết theo đề cương môn học Kỹ thuật điện 1 đã được Trường CĐXD1 ban hành. Ngoài ra giáo trình còn bổ sung thêm một số kiến thức mà trong các giáo trình trước chưa đề cập tới. Nội dung gồm 05 chương sau: Chương 1. Kỹ thuật đo. Chương 2. Các dụng cụ chuyển mạch. Chương 3. Các mạch điện điều khiển cơ bản trong công nghiệp. Chương 4. Máy biến áp, Các phương tiện chiếu sáng. Chương 5. Hệ thống chữa cháy trong công trình. Trong quá trình biên soạn, nhóm giảng viên Bộ môn Máy điện của Trường Cao đẳng Xây dựng Số 1 - Bộ Xây dựng, đã được sự động viên quan tâm và góp ý của các đồng chí lãnh đạo, các đồng nghiệp trong và ngoài trường. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn, biên tập và in ấn khó tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được các góp ý, ý kiến phê bình, nhận xét của người đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày……tháng……năm……… Tham gia biên soạn 1. ThS. Nguyễn Trường Sinh - Chủ biên 2. KS. Nguyễn Văn Tiến 2
CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN CÁC TỪ VIẾT TẮT ĐKB động cơ không đồng bộ AC Điện xoay chiều DC Điện một chiều KCĐ Khí cụ điện const Constane (không đổi, cố định) CD cầu dao đIện CC Cầu chì KĐT Khởi động từ N, O Dây trung tính CTT Công tắc tơ RN Rơ-le nhiệt RTh Rơ le thời gian RU Rơ le điện áp RI Rơ le dòng điện RTr Rơ le trung gian TCVN. Tiêu chuẩn Việt Nam IEC 158-1 Tiêu chuẩn quốc tế (IEC: International Electrotechnical Commission) 3
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC/ MÔ ĐUN Tên môn học: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Mã môn học: MH27 Thời gian thực hiện môn học/ mô đun: 90 giờ. Trong đó: - Lý thuyết: 87 giờ; - Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 0 giờ; - Kiểm tra: 3 giờ I. Vị trí, tính chất của môn học/ mô đun - Vị trí: + Môn học/ mô đun được bố trí ở kỳ học thứ 3 + Môn học/ mô đun tiên quyết: LTKT1 - Tính chất: Là môn học chuyên môn II.Mục tiêu môn học/ mô đun Học xong môn học/ mô đun này người học sẽ có khả năng: II.1. Kiến thức 1.1. Trình bày được các khái niệm về đo lường, đo lường điện, cấu tạo các cơ cấu đo. 1.2. Trình bày được công dụng các dụng cụ đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/hệ thống điện và đo được các thông số, các đại lượng cơ bản của mạch điện. 1.3. Trình bày được cấu tạo và công dụng của các dụng cụ chuyển mạch, các phần tử chấp hành. 1.4. Trình bày được công dụng và trang bị điện trong các sơ đồ điều khiển cơ bản trong mạng điện công nghiệp. 1.5. Trình bày được khái niệm và ứng dụng của MBA, UPS. 1.6. Phân loại được các loại đèn chiếu sáng thông dụng. 1.7. Trình bày được các yếu tố gây cháy và phân loại các thiết bị PCCC. II.2. Kỹ năng 2.1. Sử dụng được các loại máy đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/hệ thống điện và đo được các thông số, các đại lượng cơ bản của mạch điện. 2.2. Đọc được ký hiệu và công dụng các dụng cụ chuyển mạch, các phần tử chấp hành trong bản vẽ điện. 2.3. Đọc hiểu nguyên lý điều khiển và các loại bảo vệ của các sơ đồ điều khiển cơ bản trong mạng điện công nghiệp. 2.4. Đọc được các thông số định mức của máy biến áp. 2.5. Phân biệt được các loại đèn thường dùng và cách sử dụng chúng. 4
2.6. Phân biệt được thiết bị và phương pháp PCCC. II.3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm 3.1. Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc. 3.2. Có ý thức tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn, bảo hộ lao động 3.3. Rèn luyện khả năng làm việc độc lập và theo nhóm. III. Nội dung môn học/ mô đun 1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian Thời gian (giờ) Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý TH,TN, Kiểm TT số thuyết TL,BT tra 1. Chương 1 Kỹ thuật đo 23 23 2. Kiểm tra bài 1 01 1 3. Chương 2 Các dụng cụ chuyển mạch 18 18 4. Chương 3 Các mạch điện điều khiển cơ bản 24 24 trong công nghiệp. 5. Kiểm tra bài 2 01 1 6. Chương 4 Máy biến áp, Các phương tiện 14 14 chiếu sáng 7. Chương 5: Hệ thống chữa cháy trong công 08 8 trình 8. Kiểm tra bài 3 01 1 Cộng 90 87 0 3 2. Nội dung chi tiết 5
CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO Mục tiêu - Giải thích các khái niệm về đo lường, đo lường điện. - Tính toán được sai số của phép đo, vận dụng phù hợp các phương pháp hạn chế sai số. - Đo các đại lượng điện bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp. - Đo, đọc chính xác trị số các đại lượng điện U, I, R, L, C, tần số, công suất và điện năng... - Biết cách sử dụng được các loại máy/thiết bị đo thông dụng như VOM, Ampe kìm, M... để đo các thông số trong mạch/mạng điện. 1.1. Đại cương về đo lường điện. 1.1.1. Khái niệm: 1.1.1.1. Khái niệm về đo lường: - 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: 𝑋 𝐴= (1.1) 𝑋0 Và ta có X = A.X0 (1.2) Trong đó: X - đại lượng đo X0 - đơn vị đo A - con số kết quả đo. Ví dụ: I = 5A thì: Đại lượng đo là: dòng điện (I) Đơn vị đo là: Ampe (A) Con số kết quả đo là: 5 - Dụng cụ đo và mẫu đo: + Dụng cụ đo: Các dụng cụ thực hiện việc đo được gọi là dụng cụ đo như: dụng cụ đo dòng điện (Ampemét), dụng cụ đo điện áp (Vônmét) dụng cụ đo công suất (Oátmét) v.v... + Mẫu đo: là dụng cụ dùng để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định có trị số cho trước, mẫu đo được chia làm 2 loại sau: Loại làm mẫu: dùng để kiểm tra các mẫu đo và dụng cụ đo khác, loại này được chế tạo và sử dụng theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo làm việc chính xác cao. 6
Loại công tác: được sử dụng đo lường trong thực tế, loại này gồm 2 nhóm sau: Mẫu đo, dụng cụ đo thí nghiệm và mẫu đo, dụng cụ đo dùng trong sản xuất. - Phương pháp đo được chia làm 2 loại + Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo mà đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với mẫu đo. Ví dụ: Dùng cầu đo điện để đo điện trở, dùng cầu đo để đo điện dung v.v... + Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp đo trong đó đại lượng cần đo sẽ được tính ra từ kết quả đo các đại lượng khác có liên quan. Ví dụ: Muốn đo điện áp nhưng ta không có Vônmét, ta đo điện áp bằng cách: Dùng Ômmét đo điện trở của mạch. Dùng Ampemét đo dòng điện đi qua mạch. Sau đó áp dụng các công thức hoặc các định luật đã biết để tính ra trị số điện áp cần đo. 1.1.1.2. Khái niệm về đo lường điện Đo lường điện là quá trình đo các đại lượng điện của mạch điện. Các đại lượng điện được chia làm hai loại: đại lượng điện tác động và đại lượng điện thụ động. - Đại lượng điện tác động: các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, điện năng…là những đại lượng mang điện. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho mạch đo. - Đại lượng điện thụ động: các đại lượng như điện trở, điện cảm, điện dung…các đại lượng này không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho các đại lượng này khi đưa vào mạch đo. 1.1.1.3. Đặc trưng của kỹ thuật đoĐặc trưng của kỹ thuật đođo a. Tín hiệu đo & các điều kiện đo Tín hiệu đo mang theo thông tin về đối tượng cần nghiên cứu. Tín hiệu đo thể hiện ở 2 phần: Phần đại lượng và phần dạng tín hiệu. + Phần đại lượng: thông tin về giá trị của đối tượng đo + Phần dạng tín hiệu: thông tin về sự thay đổi tín hiệu đo Gia công tín hiệu: là nghiên cứu các quy luật biến đổi tín hiệu, xác định các loại tín hiệu, chuyển các tín hiệu bất kỳ về các tín hiệu có quy luật để đánh giá chúng, chuyển đi xa, dùng vào việc điều khiển hoặc phục hồi lại tín hiệu ấy khi cần thiết. Xử lý tính hiệu đo lường: tức là áp dụng các nguyên công về đo lường lên các tín hiệu đo, có những đặc điểm riêng là vấn đề biến các tín hiệu đo thành số với một sai số xác định, phản ảnh định lượng đại lượng cần đo. Các điều kiện đo: Khi tiến hành phép đo ta phải tính đến ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại, khi sử dụng dụng cụ đo phải không được ảnh hưởng đến đối tượng đo. b. Đơn vị đo và chuẩn mẫu 7
Việc đầu tiên của đo lường học là xác định đơn vị đo và những tổ chức cần thiết để tạo mẫu để đảm bảo cho kết quả đo lường chính xác, tin cậy. Việc thành lập đơn vị, thống nhất đơn vị đo lường là một quá trình lâu dài, biến động. Việc đảm bảo đơn vị, tổ chức kiểm tra, xác nhận, mang tính chất khoa học, kỹ thuật vừa tổ chức và pháp lệnh. Việc thống nhất hệ thống quốc tế về đơn vị mang tính chất hiệp thương và quy ước. Hệ thống đơn vị IS (International Standard) ra đời (1960) do tổ chức quốc tế về chuẩn phụ trách ISO(International Standard Organisation) gồm 7 đại lượng chính c. Phương pháp đo và phương tiện đo Quá trình đo được thực hiện theo những bước nhất định, thực hiện các thao tác đo lường cơ bản. Thủ tục phối hợp các thao tác (nguyên công) đo lường là phương pháp đo. Phương tiện đo thể hiện kỹ thuật của một phương pháp đo cụ thể : “ Phương tiện đo là tập hợp các phần tử, các modul, các dụng cụ, các hệ thống phục vụ cho việc thu thập và xử lý số liệu đo lường” Phân loại phương tiện đo lường d. Người quan sát Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo là phải nắm được phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng; kiểm tra điều kiện đo; phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp; chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh; biết điều khiển quá trình đo để cho ra kết quả mong muốn; nắm được các phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần đo lại hay không, hoặc phải đo lại nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê. Ngày nay vai trò của người quan sát giảm nhẹ vì hầu hết các phương tiện đều đo tự động e. Đánh giá kết quả đo Xác định tiêu chuẩn đánh giá một phép đo. Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác. Một giá trị như vậy được gọi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Đó là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá giữa giá trị ước lượng và giá trị thực, người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo. Sai số của phép đo là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng X = Xthực - Xước lượng Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số: 8
+ Do phương pháp đo không hoàn thiện. + Sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài những điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn. + Do dụng cụ đo không đảm bảo đô. chính xác, do cách đọc của người quan sát, do cách đặt dụng cụ đo không đúng quy định v.v... 1.1.1.4. Phân loại các phương pháp 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. a. 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 . 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. 9
b. 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 trình đo, 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: X = 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 x = 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 x = 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 x = 0). Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng + 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 x = X - XK, đo x sẽ có được đại lượng đo X = x + 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 X 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: 10
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, ampemet 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 1.1.2. Các sai số và tính sai số: 1.1.2.1. Khái niệm về sai số: Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số. Nguyên nhân của những sai số này gồm: - Phương pháp đo được chọn. - Mức độ cẩn thận khi đo. Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số, gọi là sai số của phép đo. Như vậy muốn có kết quả chính xác của phép đo thì trước khi đo phải xem xét các điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau khi đo cần phải gia công các kết quả thu được nhằm tìm được kết quả chính xác. 11
1.1.2.2. Các loại sai số * Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống. - Sai số của phép đo: là sai số giữa kết quả đo lường so với giá trị chính xác của đại lượng đo. - Giá trị thực Xth của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó (thường nhờ các dụng cụ mẫu có cáp chính xác cao hơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét). - Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khi đánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo. Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo. Việc xác định sai số của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học. Sai số của phép đo có thể phân loại theo cách thể hiện bằng số, theo nguồn gây ra sai số hoặc theo qui luật xuất hiện của sai số. Tiêu chí phân loại Theo cách thể hiện bằng số Theo nguồn gây ra sai số Theo qui luật xuất hiện của sai số Loại sai số - Sai số tuyệt đối. - Sai số tương đối. - Sai số phương pháp. - Sai số thiết bị. - Sai số chủ quan. - Sai số bên ngoài. - Sai số hệ thống. - Sai số ngẫu nhiên. Bảng 1 - 1. Phân loại sai số của phép đo. * Sai số hệ thống (systematic error): thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hoặc thay đổi có qui luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo. 12
Qui luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kỳ hoặc theo một qui luật phức tạp nào đó. Ví dụ: sai số hệ thống không đổi có thể là: sai số do khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch…), sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh đường tâm ngang sai trong dao động ký…)… Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự dao động của nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), do ảnh hưởng của trường điện từ… * Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do sự thay đổi của môi trường bên ngoài (người sử dụng, nhiệt độ môi trường thay đổi, chịu ảnh hưởng của điện trường, từ trường, độ ẩm, áp suất v.v...). Nguyên nhân: + Do vị trí đọc kết quả của người đo không đúng, đọc sai v.v... + Dùng công thức tính toán không thích hợp, dùng công thức gần đúng trong tính toán. Nhiệt độ môi trường thay đổi, chịu ảnh hưởng của điện trường, từ trường, độ ẩm, áp suất v.v..). 1.1.2.3. Cách tính sai số: Để đánh giá sai số của dụng cụ đo khi đo một đại lượng nào đó người ta tính sai số như sau: Gọi: X: kết quả đo được. X1: giá trị thực của đại lượng cần đo. + Sai số tuyệt đối: là hiệu giữa giá trị đại lượng đo được X và giá trị thực của đại lượng cần đo X1 X =X – X1 (1.3) X: gọi là sai số tuyệt đối của phép đo X X % .100% % .100% X hoặc AX (1.4) Phép đo có γ% càng nhỏ thì càng chính xác. + Sai số qui đổi qđ% X X  X1  qd %  .100%  .100% Xm Xm (1.5) Với Xm: Là giới hạn đo của dụng cụ đo (giá trị lớn nhất của thang đo) Quan hệ giữa sai số tương đối và sai số qui đổi: X X X  qd %  .100%  . .100%   %.K d Xm X Xm (1.6) 𝑋 Với 𝐾 𝑑 = là hệ số sử dụng thang đo (Kd  1) 𝑋𝑚 13
Nếu Kd càng gần bằng 1 thì đại lượng đo gần bằng giới hạn đo, X càng bé thì phép đo càng chính xác. Thông thường phép đo càng chính xác khi Kd  1. Ví dụ: Một dòng điện có giá trị thực là 5A. Dùng Ampemét có giới hạn đo 10A để đo dòng điện này. Kết quả đo được 4,95 A. Tính sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số qui đổi. Giải: + Sai số tuyệt đối: X =X1 - X= 5 - 4,95 = 0,05 (A) + Sai số tương đối: X X 0,05 % .100% % .100%  .100%  1% X hoặc X1 5 + Sai số qui đổi: X 0,05  qd %  .100%  *100%  0,5% X dm 10 1.1.2.4. Các phương pháp hạn chế sai số: Để hạn chế sai số trong từng trường hợp, có các phương pháp sau: + Đối với sai số hệ thống: loại trừ hết các nguyên nhân gây ra sai số bằng cách chuẩn lại thang chia độ, hiệu chỉnh giá trị “0” ban đầu… + Đối với sai số ngẫu nhiên: người sử dụng cụ đo phải cẩn thận, vị trí đặt mắt phải vuông góc với mặt độ số của dụng cụ (vị trí kim và ảnh của kim trùng nhau), tính toán phải chính xác, sử dụng công thức phải thích hợp, điều kiện sử dụng phải phù hợp với điều kiện tiêu chuẩn. 1.1.2.5. Xử lý kết quả đo - Xử lý kết quả đo sau khi đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh: + Lượng hiệu chỉnh: là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. + Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại trừ sai số hệ thống. Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống. Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên. - Xử lý kết quả đo. Như vậy sai số của phép đo gồm 2 thành phần: sai số hệ thống θ - không đổi hoặc thay đổi có qui luật và sai số ngẫu nhiên Δ - thay đổi một cách ngẫu nhiên không có qui luật. Trong quá trình đo hai loại sai số này xuất hiện đồng thời và sai số phép 14
đo ΔX được biểu diễn dưới dạng tổng của hai thành phần sai số đó: ΔX = θ + Δ. Để nhận được các kết quả sai lệch ít nhất so với giá trị thực của đại lượng đo cần phải tiến hành đo nhiều lần và thực hiện gia công (xử lý) kết quả đo (các số liệu nhận được sau khi đo). Sau n lần đo sẽ có n kết quả đo x1, x2, .., xn là số liệu chủ yếu để tiến hành gia công kết quả đo. Hình 1 - 3. Lưu đồ thuật toán qua trình gia công kết quả đo. 15
* Loại trừ sai số hệ thống. Việc loại trừ sai số hệ thống sau khi đo được tiến hành bằng các phương pháp. - Sử dụng cách bù sai số ngược dấu - Đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh 1.1.2.6. Hệ đơn vị đo: Bảng 1 - 2. 7 đại lượng chính của hệ đơn vị SI - Giới thiệu hệ SI (System Internation): là hệ thống đơn vị đo lường thông dụng nhất, hệ thống này qui định các đơn vị cơ bản cho các đại lượng sau: + Độ dài: Tính bằng mét (m) + Khối lượng: Tính bằng kilôgam (kg) + Thời gian: Tính bằng giây (s) + Dòng điện: Tính bằng Ampe (A) + Nhiệt độ: Tính bằng độ Kelvin (0K) + Cường độ sáng: Tính bằng Cadela (Cd) + Lượng vật chất: Tính bằng mole (mol) - Bội và ước số của đơn vị cơ bản: Bội số: Ước số: + Tiga (T): 1012 + Mili (m): 10-3 + Giga (G): 109 + Micro (): 10-6 + Mêga (M): 106 + Nano (n): 10-9 + Kilô (K): 103 + Pico (p): 10-12 1.2. Các loại cơ cấu đo thông dụng 1.2.1. Khái niệm về cơ cấu đo. Cơ cấu đo là thành phần cơ bản để tạo nên các dụng cụ và thiết bị đo lường ở dạng tương tự (analog) và hiện số Digitans. Ở dạng tương tự (analog) 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 16
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:  = (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. Hiện số (Digitans) là cơ cấu chỉ thị số ứng dụng các kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến đổi và chỉ thị đại lượng đo. Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng… 1.2.2. Các loại cơ cấu đo. 1.2.2.1. Cơ cấu đo từ điện - lôgômét từ điện - Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động: + 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. Hình 1 - 4. Cơ cấu chỉ thị từ điện. + 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. - Nguyên lý làm việc chung: 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: (1.7) với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu 17
S: tiết diện khung dây W. số vòng dây của khung dây Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản: (1.8) 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. - Các đặc tính chung: + Chỉ đo được dòng điện một chiều. + Đặc tính của thang đo đều. 1 + Độ nhạy 𝑆 𝐼 = 𝐵. 𝑆. 𝑊 là hằng số 𝐷 - 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 tuyến tính theo dòng điện). - Nhược điểm: chế tạo phức tạp; chịu quá tải kém (do cuộn dây của khung quay nhỏ); độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ, chỉ đo dòng một chiều. - Ứng dụng: cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo ampemét vônmét, ômmét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5). + Chế tạo các loại ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo, dải đo rộng. + Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15kHz; được sử dụng để chế tạo các đầu rung. + Chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao có thể đo được: dòng đến 10-12A, áp đến 10 - 4V, đo điện lượng, phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay trong điện thế kế. + Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử… + Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau. + Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo được dòng, áp xoay chiều. * Lôgômét từ điện: Là loại cơ cấu chỉ thị để đo tỉ số hai dòng điện, hoạt động theo nguyên lý giống cơ cấu chỉ thị điện từ, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay bằng một khung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khung dây thứ nhất. 18
Nguyên lý làm việc: trong khe hở của từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt phần động gồm hai khung quay đặt lệch nhau góc δ (300 ÷ 900). Hai khung dây gắn vào một trục chung. Dòng điện I1 và I2 đưa vào các khung dây bằng các dây dẫn không mômen. Hình 1 - 5. Lôgômét từ điện - Dòng I1 sinh ra mômen quay Mq: (1.9) Dòng I2 sinh ra mômen cản Mc: (1.10) với Ф1, Ф2: từ thông của nam châm móc vòng qua các khung dây, thay đổi theo α. Dấu của Mq và Mc ngược nhau. Các giá trị cực đại của các mômen lệch nhau góc δ. Ở trạng thái cân bằng có: (1.11) với f1(α), f2(α) là các đại lượng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc vòng. Từ biểu thức trên có: (1.12) Đặc tính cơ bản: góc lệch α tỉ lệ với tỉ số của hai dòng điện đi qua các khung dây. - Ứng dụng: lôgômét từ điện được ứng dụng để đo điện trở, tần số và các đại lượng không điện. 1.2.2.2. Cơ cấu đo điện từ - lôgômét điện từ. - Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động: 19