Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện: Phần 1 - Trường Đại học Thái Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện: Phần 1 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Khái niệm cơ bản về đo lường điện; các cơ cấu đo lường; đo dòng điện và điện áp; 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 Kỹ thuật đo lường điện: Phần 1 - Trường Đại học Thái Bình

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN ............................................... 4 1.1. Định nghĩa và phân loại 1.1.1. Định nghĩa 1.1.2. Phân loại 1.2. Chức năng và đặc tính của thiết bị đo lường 1.2.1. Chức năng của thiết bị đo ...................................................................................... 5 1.2.2. Đặc tính của thiết bị đo lường ................................................................................ 5 1.3. Các chỉ tiêu chính của dụng cụ đo ............................................................................ 5 1.3.1. Sai số trong đo lường ......................................................................................... 5 1.3.2. Độ nhạy .............................................................................................................. 6 1.3.3. Độ tác động nhanh ............................................................................................. 7 1.3.4. Điện trở vào của dụng cụ và công suất tiêu thụ ................................................. 7 1.3.5. Độ tin cậy ........................................................................................................... 7 1.4. Một số phương pháp đo ............................................................................................ 7 BÀI TẬP .................................................................................................................................. 9 CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG ........................................................................... 10 2.1. Khái niệm về cơ cấu đo 2.2. Nguyên lý làm việc chung của các chỉ thị cơ điện 2.3. Những phần tử bên trong thiết bị đo 2.4. Cơ cấu đo cơ điện 2.4.1 .Cơ cấu đo kiểu Từ điện ........................................................................................ 14 2.4.2. Logo met từ điện .................................................................................................. 15 2.4.3. Cơ cấu chỉ thị Điện từ .......................................................................................... 16 2.4.4 Lôgômét điện từ. ................................................................................................... 18 2.4.5. Cơ cấu chỉ thị Điện động ..................................................................................... 19 2.4.6. Logomet Điện động ............................................................................................. 20 2.4.8. Cơ cấu chỉ thị Cảm ứng ....................................................................................... 21 Bảng 2.1. Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ thị cơ điện ........................................................ 24 BÀI TẬP ................................................................................................................................ 25 CHƯƠNG 3: ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP ..................................................................... 26 3.1. Khái quát chung về đo dòng điện và điện áp 3.2. Đo dòng điện 3.2.1. Đo dòng điện một chiều (DC).............................................................................. 26 3.2. 2 Đo dòng điện xoay chiều AC ............................................................................... 27 3.3.Đo điện áp 3.3.1. Đo điện áp một chiều (DC) .................................................................................. 29 3.3.2. Đo điện áp xoay chiều ( AC) ............................................................................... 30 3.4. Đo VDC bằng phương pháp biến trở 3.5. Ampeke điện tử 3.6. Volt kế điện tử BÀI TẬP ................................................................................................................................ 36 CHƯƠNG 4: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN(R-L-C-M) .................................. 38 4.1. Đo điện trở. 4.1.1. Đo điện trở gián tiếp (Vônmét và Ampemét) ...................................................... 38 4.1.2. Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu .................................... 39 4.1.3. Đo điện trở trực tiếp bằng Ôm mét ...................................................................... 39 -1-
4.1.4. Đo điện trở bằng Cầu điện đơn............................................................................ 42 4.1.5. Đo điện trở bằng Cầu kép .................................................................................... 43 4.1.6. Đo điện có trị số lớn ............................................................................................ 43 4.2. Đo điện dung 4.2.1. Khái niệm chung .................................................................................................. 45 4.2.2. Phương pháp gián tiếp dùng Vôn mét, Ampemét, Watmét. ............................... 46 4.2.3. Phương pháp cầu ................................................................................................. 47 4.3. Đo điện cảm (L) 4.3.1. Khái niệm chung .................................................................................................. 48 4.3.2. Phương pháp V –A – W ...................................................................................... 49 4.3.3. Phương pháp cầu ................................................................................................. 49 BÀI TẬP: ............................................................................................................................... 50 CHƯƠNG 5 : ĐO CÔNG SUẤT – ĐIỆN NĂNG ................................................................ 52 5.1. Đo công suất tác dụng 5.1.1. Đo công suất một chiều DC ................................................................................. 52 1. Phương pháp dùng Volt kế và Ampe kế................................................................ 52 2. Phương pháp dùng Woat kế .................................................................................. 53 5.1.2. Đo công suất xoay chiều 1 pha AC ..................................................................... 54 1. Phương pháp dùng Voltke và Ampeke ...................................................................... 54 5.1.3. Đo công suất tải 3 pha ......................................................................................... 56 5.1.4. Đo công suất phản kháng tải 1 pha và 3 pha ....................................................... 59 5.2. Đo điện năng 5.2.1. Điện năng kế một pha .......................................................................................... 62 5.2.2. Đo điện năng tải 3 pha ......................................................................................... 63 5.3. Công tơ điện tử BÀI TẬP: ............................................................................................................................... 65 CHƯƠNG 6: ĐO GÓC PHA – ĐO TẦN SỐ ....................................................................... 66 6.1. Khái niệm chung 6.2. Đo góc pha bằng cơ cấu điện động (Fazômét điện động) 6.3. Đo hệ số công suất 6.3.1. Đo hệ số công suất Cos bằng phương pháp gián tiếp (Dùng V-A-W) ............. 68 6.3.2. Đo trực tiếp Cos bằng cơ cấu điện động ........................................................... 68 6.4. Đo tần số 4.1.1. Tần số kế loại tỷ số kế (Logomet) ....................................................................... 69 4.1.2. Tần số kế cộng hưởng.......................................................................................... 70 BÀI TẬP ................................................................................................................................ 71 CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ, DỤNG CỤ ĐO THÔNG DỤNG ................................................. 72 7.1. Sử dụng máy đo vạn năng 7.1.1. Đo điện trở: ..................................................................................................... 73 7.1.2. Đo điện áp AC: ............................................................................................... 73 7.1.3. Đo điện áp DC: ............................................................................................... 73 7.1.4. Đo dòng DC: ................................................................................................... 73 7.1.5. Đo điot và tụ điện ................................................................................................ 73 7.2. Sử dụng máy hiện sóng 7.3. Sử dụng Ampekim -2-
LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của khoa học kỹ thuật luôn luôn gắn liền với những tiến bộ trong lĩnh vực đo lường. Thật vậy, ngành “Kỹ thuật đo lường” ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hóa các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học. Đo lường điện là một lĩnh vực của kỹ thuật đo lường giải quyết các vấn đề về đo lường các thông số điện năng và các đại lượng vật lý khác. Giáo trình Kỹ thuật Đo lường điện được biên soạn nhằm phục vụ việc học tập của học viên thuộc ngành kỹ thuật điện - điện tử, với mong muốn có được một giáo trình cơ bản, chắt lọc và hệ thống. Cuốn sách này cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật khác có sử dụng kỹ thuật đo lường điện như là một phương pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai thác kỹ thuật của ngành mình. Nội dung của giáo trình được chia làm 6 chương. Chương một trình bày các khái niệm cơ bản làm cơ sở cho việc nghiên cứu lĩnh vực đo lường. Chương hai trình bày cấu tạo nguyên lý của các cơ cấu chỉ thị để ứng dụng trong đo lường. Chương ba trình bày phương pháp đo các đại lượng điện như dòng điện, điện áp. Chương bốn trình bày phương pháp đo các đại lượng điện như tần số, công suất, điện năng. Chương năm trình bày phương pháp đo các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, điện dung. Chương sáu trình bày phương pháp sử dụng các máy đo thông dụng. Ngoài ra, ở phần cuối của mỗi chương có phần câu hỏi và bài tập đo lường để sinh viên tham khảo nhằm củng cố thêm kiến thức. Kỹ thuật Đo lường điện được biên soạn dựa trên các tài liệu trong nước và nước ngoài, kết hợp với kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy của các tác giả, đồng thời có sự tham gia đóng góp tích cực của toàn thể cán bộ, giáo viên thuộc khoa Điện – Điện tử. Tuy nhiên, mặc dù đã cố gắng để cuốn sách đạt được mục đích tốt nhất, song chắc chắn không tránh khỏi sai sót, các tác giả mong được sự góp ý và chỉ dẫn của bạn đọc . Tác giả -3-
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 1.1. Định nghĩa và phân loại 1.1.1. Định nghĩa Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sửa chữa các thiết bị, các quá trình công nghệ… đều phải biết rõ các thông số của đối tượng để có quyết định phù hợp. Sự đánh giá các thông số quan tâm của đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho thông số đó a) Đo lường: Là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo so với đơn vị của đại lượng đo. Kết quả đo lường (Ax) được định nghĩa bằng tỷ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo) X Ax = và ta có X = Ax . Xo (1.1) Xo Trong đó: X − đại lượng đo; Xo − đơn vị đo; Ax − con số kết quả đo. Phương trình (1.1) là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo (X) so với (Xo) mẫu. 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 đại lượng không có tính chất so sánh được thì phải chuyển đổi chúng về đại lượng so sánh được. Như vậy, trong quá trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X (các tính chất của nó), đơn vị đo Xo và phép tính toán để xác định (1.1) để có phương pháp xác định kết quả đo lường Ax thỏa mãn yêu cầu. b) Đo lường học: Là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo . c) Kỹ thuật Đo lường: Là Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu để áp dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. d) Đại lượng đo: Đại lượng đo là thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Mỗi quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể chỉ quan tâm đến một thông số là một đại lượng vật lý nhất định. Ví dụ: Nếu đại lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có thể là giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số … 1.1.2. Phân loại Trong lĩnh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo chúng ta phân thành hai loại cơ bản: - Đại lượng điện - Đại lượng không điện ( non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa học, sinh học, y học... không mang đặc trưng của đại lượng điện. Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo chúng ta đặt ra phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bị đo. 1. Đại lượng điện Được phân ra hai dạng: - Đại lượng điện tác động (active) - Đại lượng điện thụ động (passive) -4-
a. Đại lượng điện tác động: đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng lượng điện. Khi đo các đại lượng này bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo. Trong trường hợp năng lượng quá lớn thì được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo. VD: phân áp, phân dòng Nếu trong trường hợp quá nhỏ thì sẽ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được. b. Đại lượng điện thụ động: đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hỗ cảm... 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. Trong trường hợp các đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu. Ví dụ: cách thức đo nóng nghĩa là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động.Ở mỗi cách thức đo sẽ có phương pháp đo riêng. 2. Đại lượng không điện Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc...) Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày này, để đo lường điểu khiển, tự động hóa cá đại lượng không điện nói trên chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng những bộ chuyển đổi hoặc cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động. 1.2. Chức năng và đặc tính của thiết bị đo lường 1.2.1. Chức năng của thiết bị đo Hầu hết các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát. Kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được đo. Thí dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo và ghi lại kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động thông số theo nhiệt độ. Nói chung thiết bị đo lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt động của hệ thống tự động điều khiển, nghĩa là đo lường quá trình trong công nghiệp (Industrial process measurements). Đây cũng là môn học trong ngành tự động hóa. 1.2.2. Đặc tính của thiết bị đo lường Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lượng có những đặc tính riêng biệt, một cách tổng quát chúng ta có thể phân biệt 2 dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính. Thí dụ: để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bị đo dòng điện thuần túy điện là Micro ampe kế hoặc mili ampe kế. Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bị đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì lúc bấy giờ phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo. Sau đó mạch điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp. Như vậy chúng ta có đặc tính khác nhau giữa thiết bị đo điện và thiết bị đo điện tử. Hoặc có những thiết bị đo chỉ thị kết quả bằng kim chỉ thị (thiết bị đo dạng analog), hiện nay thiết bị đo chỉ thị bằng số (thiết bị đo dạng Digital). Đây cũng là một đặc tính phân biệt của thiết bị đo. Ngoài ra thiết bị đo lường còn mang đặc tính của một thiết bị điện tử (nếu là thiết bị đo điện tử) như: tổng trở nhập cao, độ nhạy cao, hệ số khuếch đại ổn định và có độ tin cậy đảm bảo cho kết quả đo. Còn có thêm chức năng, truyền và nhận tín hiều đo lường từ xa (telemetry). Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vực đo lường điều khiển từ xa. 1.3. Các chỉ tiêu chính của dụng cụ đo 1.3.1. Sai số trong đo lường -5-
Trong thực tế khó xác định trị số thực của các đại lượng đo. Vì vậy trị số được cho bởi thiết bị đo được gọi là trị số tin cậy được (expected value). Bất kỳ đại lượng đo nào cũng bị ảnh hưởng nhiều thông số. Do đó kết quả ít khi phản ảnh đúng trị số tin cậy được. Cho nên có nhiều hệ số ảnh hưởng trong đo lường liên quan đến thiết bị đo. Ngoài ra cũng có hệ số khác liên quan đến con người sử dụng thiết bị đo. Như vậy, độ chính xác của thiết bị đo được diễn tả dưới hình thức sai số + Sai số tuyệt đối: Là hiệu giữa giá trị đại lượng đo X và giá trị thực Xth (là gía trị được xác định nhờ dụng cụ đo). X = X - Xth (1.2) + Sai số tương đối: x được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực.  X  X  x %=   100% =    100% (1.3)  X th   X  Vì Xth và X gần bằng nhau. Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo. + Cấp chính xác của dụng cụ đo: Là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Người ta qui định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối qui đổi của dụng cụ đo đó và được nhà nước qui định cụ thể. X m n % = 100% (1.4) XN Xm: Là sai số tuyệt đối cực đại. XN: Là giá trị lớn nhất của thang đo. Cấp chính xác là tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo. Đối với mọi dụng cụ đo có thể có các cấp chính xác sau đây: 1.10n; 1,5.10n; 2.10n; 2,5.10n; 4.10n; 5.10n; 6.10n; với n = 1, 0, -1, -2. Tùy thuộc từng loại. Ví dụ: Nói dụng cụ có cấp chính xác: 1,5 tức là sai số tương đối qui đổi bằng 1,5%. - Sai số hệ thống(systematic error): sai số hệ thống phụ thuộc vào thiết bị đo, điều kiện môi trường. Sai số do thiết bị đo: các phần tử của thiết bị đo, có sai số do công nghệ chế tạo, sự lão hóa do sử dụng. Để giảm sai số này bằng cách bào trì định kỳ cho thiết bị đo. Sai số do ảnh hưởng điều kiện môi trường: cụ thể như nhiệt độ tăng cao, áp suất tăng, độ ẩm tăng, điện trường hoặc từ trường tăng đều ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo lường. Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho điều kiện môi trường ít thay đổi hoặc bổ chính đối với nhiệt độ và độ ẩm. Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng tĩnh điện và từ trường nhiễu. - Sai số ngẫu nhiên(Random error): ngoài sự hiện diện sai số do chủ quan trong cách thức đo và sai số hệ thống thì còn lại là sai số ngẫu nhiên. Thông thường sai số ngẫu nhiên được thu thập từ một số lớn những ảnh hưởng nhỏ được tính toán trong đo lường có độ chính xác cao. Sai số ngẫu nhiên được phân tích bằng phương pháp thống kê. Thí dụ: giả sử điện áp đo được bởi một Vonke được đọc cách khoảng một phút. Mặc dù Vonke hoạt động trong điều kiện môi trường không thay đổi và được chuẩn hóa trước khi đo và đại lượng điện áp đó xem như không thay đổi. Khi đó đọc trị số của Vônke có thay đổi chút ít. Sự thay đổi này không được hiệu chỉnh bởi bất kỳ phương pháp định chuẩn nào khác, vì do sai số ngẫu nhiên gây ra. 1.3.2. Độ nhạy Độ nhạy của dụng cụ đo tính bằng -6-
d S= = F ( x) (1.5) dx Nếu F(x) không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính. Lúc đó thang đo sẽ được khắc độ đều. 1 Đại lượng C = gọi là hằng số dụng cụ đo. S Nếu một dụng cụ đo bao gồm nhiều khâu biến đổi, mỗi khâu có độ nhạy riêng của nó S1, S2, ..., Sn thì độ nhạy của toàn dụng cụ đo là: S= S1.S2.......Sn Độ nhạy dòng là giá trị dòng điện (theo µA) chạy qua dụng cụ đối với một độ lệch đã cho (theo mm). Điện trở làm nhụt thường mắc nối tiếp với điện kế và nguồn dòng được đo. Trong trường hợp này điện trở nguồn thường phải nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở làm nhụt. Thường giá trị điện trở làm nhụt tới hạn được ghi rõ, nó tạo ra tác dụng làm nhụt vừa đủ để cho kim chỉ dao động cực kỳ ngắn rồi đứng yên ngay. Độ nhạy điện áp của điện kế thường được biểu thị đối với một giá trị điện trở làm nhụt tới hạn đã cho. Độ nhạy đó thường được ghi theo microvon/milimet. Độ nhạy megom đôi khi được chỉ ra cho các điện kế và đó là giá trị của điện trở phải mắc nối tiếp với dụng cụ để hạn chế độ lệch trong một vạch chia trên thang đo khi đặt hiệu thế một vôn (1V) vào các đầu ra của dụng cụ. Điện kế kiểu kim điển hình có độ nhạy dòng trong khoảng từ 0,01 tới 1µA trên một vạch chia của thang đo. Đối với các điện kế điện tử thì có độ nhạy từ 10µA/vạch chia hoặc 10pA/vạch chia. 1.3.3. Độ tác động nhanh Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đo trên chỉ thị: - Đối với dụng cụ đo tương tự thời gian này khoảng 4s - Còn với dụng cụ đo số có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong một giây. Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh hơn nhiều. Mở ra khả năng thực hiện các phép đo lường thống kê. 1.3.4. Điện trở vào của dụng cụ và công suất tiêu thụ a) Điện trở vào: là điện trở 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 Vôn mét càng lớn càng tốt. Ngược lại khi đo dòng điện qua phụ tải yêu cầu điện trở của Ampemet càng nhỏ càng tốt để giảm sai số của phép đo. b) Điện trở ra của dụng cụ đo Xác định công suất có thể truyền tải cho khâu tiếp theo. Điện trở ra càng nhỏ thì công suất tiêu thụ càng lớn. 1.3.5. Độ tin cậy Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Độ tin cậy của các linh kiện sử dụng - Kết cấu của dụng cụ không quá phức tạp - Điều kiện làm việc Độ tin cậy được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định không. Độ tin cậy làm việc là một đặc tính rất quan trọng của dụng cụ đo. 1.4. Một số phương pháp đo -7-
Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào cách nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu... Phương pháp đo có thể có nhiều nhưng ta phân thành hai loại: a) Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi (H.1.1) X BĐ X A/D Nx SS Nx/No X0 Xo No Hình 1.1. Quá trình đo biến đổi thẳng Trước tiên đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi và cuối cùng được biến đổi thành số Nx. Còn đơn vị của đại lượng Xo cũng được biến đổi thành số No (ví dụ khắc độ trên mặt dụng cụ đo tương tự) Quá trình này là quá trình khắc độ theo mẫu No. No được ghi nhớ lại. Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng. Quá trình này được thực hiện bằng một phép chia Nx/No. Kết quả đo thể hiện ở biểu thức: Nx X= Xo (1.6) No Quá trình đo như vậy gọi là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Trong thiết bị này tín hiệu đo X và Xo sau khi qua khâu biến đổi BĐ (có thể là một hoặc nhiều khâu nối tiếp) đưa đến bộ biến đổi tương tự số A/D (analog digital convertor) ta có Nx và No. Sau khi qua bộ so sánh ta nhận được tỷ số Nx/No. Sau khi nhân với đơn vị Xo ta nhận được kết quả đo như biểu thức (1.6) Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì rằng tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng các sai số của các khâu. Vì thế thường sử dụng dụng cụ đo kiểu này ở các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp để đo và kiểm tra quá trình sản xuất với độ chính xác yêu cầu không cao lắm. b) Phương pháp đo kiểu so sánh Là phương pháp đo có cấu trúc mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi (H.1-2). X X SS BĐ A/D XK D/A Hình 1.2. Quá trình đo kiểu so sánh Trước tiên đại lượng đo X và đại lượng mẫu Xo được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó (ví dụ dòng hay áp chẳng hạn) thuận tiện cho việc so sánh. Tín hiệu đo X được so sánh với tín hiệu XK tỉ lệ với đại lượng mẫu Xo, qua bộ biến đổi số – tương tự D/A tạo ra tín hiệu XK. Qua bộ so sánh ta có: X – XK = X (1.7) Quá trình so sánh diễn ra suốt trong quá trình đo. Khi hai đại lượng bằng nhau ta đọc kết quả ở mẫu sẽ suy ra giá trị đại lượng cần đo, lúc đó ta có X = 0, ta gọi phương pháp so sánh cân bằng. -8-
Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng... - Khi kết quả của phép đo được đánh giá theo X  0, nghĩa là biết trước XK, đo X có thể suy ra X = X + XK. Khi đó ta gọi phương pháp so sánh không cân bằng. Ví dụ: Đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng) Đo nhiệt độ v.v... quả đo và tùy tần số thay đổi của đại lượng đo có thể xem gần đúng đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo tiền định hoặc phải sử dụng phương pháp đo lường thống kê. CÂU HỎI 1. Nêu các định nghĩa về đo lường, đo lường học và kỹ thuật đo lường? 2. Thế nào là tín hiệu đo và đại lượng đo? Phân biệt sự khác nhau và giống nhau về tín hiệu đo lường và đại lượng đo? Phân loại đại lượng đo? 3. Thiết bị đo là gì? Phân loại chung về thiết bị đo? 4. Phương pháp đo là gì? Có mấy loại phương pháp đo? 5. Đơn vị đo là gì? Hãy kể tên các đơn vị cơ bản? Thế nào là đơn vị kéo theo? 6. Dụng cụ đo là gì? Nêu cấu trúc chung của dụng cụ đo? Phân loại dụng cụ đo? 7. Nêu các đặc tính cơ bản của một dụng cụ đo. Cấp chính xác của dụng cụ đo là gì. Phân biệt sai số đo của dụng cụ và cấp chính xác khác nhau chỗ nào? BÀI TẬP 1. Kiểm tra Vônmét lắp bảng có cỡ đo 250V, thấy khi Vônmét mẫu chỉ 200V thì Vônmét kiểm tra chỉ 197, 5V. Tính sai số tuyệt đối, tương đối và quy đổi. 2. Tính sai số tuyệt đối lớn nhất và sai số tương đối có thể có của phép đo khi dùng Vônmét cỡ đo 250V, cấp chính xác 1,5 để đo điện áp 220V và 120V. Có nhận xét gì? 3. Đo dòng điện bằng Ampemét thấy chỉ IA = 25A, kiểm tra bằng dụng cụ đo mẫu thấy giá trị thực của dòng điện là I = 24A. Tính sai số tuyệt đối và tương đối của phép đo. 4. Một dụng cụ chỉ độ lệch toàn thang (ĐLTT) là 100A có độ chính xác danh định là 1%. Tính các giới hạn trên và dưới của dòng cần đo và sai số theo phần trăm trong phép đo đối với (a) ĐLTT, (b) 0,5 ĐLTT, và (c) 0,1ĐLTT . 5. Dòng 25A đo được ở dụng cụ với ĐLTT là 37,5A. Nếu phải đo 25A chính xác trong khoảng 5%, hãy tính độ chính xác cần thiết của dụng cụ đo? 6. Một điện kế có độ nhạy dòng 1µA/mm và điện trở làm nhụt tới hạn 1kΩ. Tính a) độ nhạy điện áp và b) độ nhạy megom. 7. Một điện kế có độ nhạy dòng 500nA/mm và điện trở làm nhụt tới hạn 3kΩ. Tính độ nhạy điện áp và độ nhạy megom của nó. 8. Một điện kế có độ nhạy điện áp 300µV/mm và độ nhạy megom 15MΩ. tính giá trị điện trở làm nhụt tới hạn của nó. 9. Hãy xác định độ nhạy dòng và độ nhạy megom của một điện kế bị lệch 5cm khi có dòng điện 20µA chạy qua cuộn dây của nó. -9-
CHƯƠNG 2 CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG 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 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 hỡnh tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng… 2.2. Nguyên lý làm việc chung của các chỉ thị cơ điện Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác động của từ trường lên phần động của cơ cấu mà sinh ra một momen quay Mq. Độ lớn của mômen này tỉ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu chỉ thị (ứng với dòng I1 ta có Mq1, với dòng I2 ta có Mq2...) (h.2.1). Mômen quay Mq đối với tất cả các loại cơ cấu chính là tốc độ thay đổi của năng lượng điện từ trường We so với góc lệch  của phần động: dWe Mq = M (2.1) d Mq2 Nếu ta đặt vào trục của phần động một Mc Mq1 lò xo cản thì khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại va sinh ra một mô men cản Mc, mômen này tỉ lệ thuận với góc lệch  như sau: Mc = D.  (2.2) 0 C1 C2  Trong đó: D – Mômen cản riêng. Phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo lò xo Hình 2.1. Xác định vị trí cân bằng (dây treo). Dưới tác động đồng thời của hai mômen quay và cản phần động của cơ cấu đo sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng (hai mômen này ngược dấu nhau). Nghĩa là lúc đó, ta có: Mq = Mc, với (2.1) và (2.2) -10-
dWe Ta được: = D d 1 dWe Suy ra: = . (2.3) D d Đây là phương trình đặc tính thang đo. Vị trí cân bằng c có thể xác định bằng đồ thị như (hình 2.1). Ngoài hai mômen cơ bản ở trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ thị còn chịu tác động của nhiều mômen khác nữa đó là các mômen ổn định, mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lượng. Các mômen này sẽ được tính đến khi người ta tiến hành khắc độ thang đo. - Mômen cản dịu: Trong quá trình đo, do quán tính phần động không dừng lại tại vị trí cân bằng mà dao động chung quanh vị trí cân bằng, gây trở ngại cho việc đọc kết quả đo. Để rút ngắn thời gian dao đôọng nhằm xác lập vị trí cân bằng được nhanh chóng, trong cơ cấu chỉ thị có thêm bộ phận cản dịu để tạo ra mômen có chiều ngược với chiều chuyển động của phần động, gọi là mômen cản dịu: Mcd. Momen cản dịu có trị số tỉ lệ với d tốc độ quay của phần động nên có quan hệ sau: dt d Mcd = Kcd. (2.4) dt Trong đó: Kcd – hệ số cản dịu, phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bộ phận cản dịu. d Từ biểu thức trên cho thấy khi phần động ở vị trí cân bằng tốc độ quay, = 0. dt Mômen cản dịu Mcd = 0, do đó không ảnh hưởng đến kết quả chỉ thị của dụng cụ đo. Tùy thuộc vào phương trình đặc tính thang đo (2.3) mà thang đo có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến. 2.3. Những phần tử bên trong thiết bị đo Đối với phần lớn các cơ cấu chỉ thị cơ điện (CTCĐ), tuy về nguyên lý có khác nhau nhưng vẫn có thể chỉ ra các chi tiết và bộ phận chung cho tất cả các loại cơ cấu. Đó là các bộ phận có thể gá lắp phần động của cơ cấu chỉ thị, cách tạo ra momel cản, bộ phận cân bằng, hiệu chỉnh, chỉ thị thang đo, cản dịu... Với bất kỳ một cơ cấu chỉ thị nào cũng bao gồm phần động và phần tĩnh, vì thế để bảo đảm quay tự do của phần động người ta sử dụng các phương pháp gá lắp chúng khác nhau : gá lắp trên trục và trụ, gá lắp bằng dây căng, gá lắp bằng dây treo. 2.3.1. Phần tĩnh :Các cơ cấu chỉ thị cơ điện phần tĩnh rất khác nhau : cuộn dây, nam châm vĩnh cửu. 2.3.2. Phần động : phần tĩnh rất khác song các chi tiết thuộc phần động của các cơ cấu chỉ thị cơ bản là giống nhau dưới đây là các chi tiết và bộ phận của phần động bên trong thiết bị đo chung cho tất cả các loại cơ cấu. Ta xét từng chi tiết cụ thể. a. Trục và trụ: Là bộ phận quan trọng bảo đảm cho phần động quay. - Trục làm bằng thép cứng như thép pha osimi hay iridi, hình trụ tròn, đầu trục có hình chóp với góc đỉnh  = 45  60o (hình 2.2a,b). Trụ đỡ làm bằng đá cứng (agat hay cacbua rundum). Hay gọi là chân kính. Một số chân kính có đệm lò xo để giảm xóc (hình 2-2 c,d). -11-
 c) 800 a) b) d) Hình 2.2. a,b- trục; c,d- trụ đỡ b. Lò xo phản kháng: Tạo ra mômen cản, thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng đàn hồi lớn như hợp kim đồng bêribi, đồng – phốtpho... Lò xo có dạng hình xoắn ốc (h.2.3). Hình 2.3. Lò xo phản kháng c. Dây căng và dây treo: Trong các cơ cấu chỉ thị có độ nhạy cao, trục trụ và lò xo phản kháng được thay bằng dây căng hoặc dây treo (h.2.4). Dây được chế tạo bằng vật liệu như lò xo, có thiết diện hình chữ nhật. Dây càng mảnh độ nhạy càng cao. Để tăng độ nhạy, người ta sử dụng dây treo để treo phần động ở phía trên còn Hình 2.4. Dây căng a, dây treo b phía dưới là một dây xoắn không mômen (h.2.4b). d. Kim và chỉ thị bằng ánh sáng: Kim chỉ thị góc quay  được gắn với trục quay. Kim thường chế tạo bằng nhôm hoặc hợp kim nhôm để giảm trọng lượng (h 2.5). Để tăng độ nhạy và độ chính xác, kim chỉ thị được thay bằng chỉ thị ánh sáng. Hệ thống chỉ thị ánh sáng gồm một gương quay gắn trên phần động, một hệ thống chiếu sáng và màn ảnh (h.2.6). Cấu tạo gồm đèn chiếu sáng 1, hệ thống gương 2, vòng chuẩn 3, gương quay 4, màn ảnh có khắc độ 5, gương 6. Khi gương 4 quay một góc  thì tia sáng sẽ lệch một góc 2. Điều đó sẽ làm tăng độ nhạy của dụng cụ Hình 2.5. Các dạng kim chỉ thị so với dụng cụ kim chỉ. Mặt khác để kéo dài tia sáng ta có thể cho tia sáng khúc xạ qua một -12-
hệ thống gương làm tăng thêm độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ đo. Hình 2.6. Hệ thống chỉ thị bằng ánh sáng e.Thang đo: Là mặt khắc độ. Có nhiều loại thang đo khác nhau (h.2.7) tùy thuộc vào cấp chính xác và bản chất của cơ cấu chỉ thị. Thang đo có thể đều hay không đều tùy thuộc loại cơ cấu chỉ thị. Hình 2.7. Các loại thang đo Đối với dụng cụ có cấp chính xác từ 1; 1,5; 2; 2,5 người ta thường sử dụng thang đo với góc  = 90o (h.2.7b), hoặc  = 240o (h.2.7c). Đối với các dụng cụ đo tự ghi có kèm thang đo, sử dụng thang đo thẳng (h.2.7d). Để tranh sai số do cách đọc người ta đặt một cái gương ở bên dưới thang đo, khi đọc kim và bóng của kim phải trùng nhau (h.2.7a). Dụng -13-
cụ đo mẫu, người ta khắc độ theo vạch chéo trên một số đường song song (h.2.7e). Thang đo của các dụng cụ vạn năng sẽ có nhiều đường với các đơn vị đo tương ứng (H.2.7f). f. Bộ phận cản dịu: + Cản dịu không khí: Có cấu tạo như hình 2.8a, gồm một hộp kín trong đó có một cánh lá chuyển động gắn với trục quay kim. Khi cánh lá chuyển động di chuyển sẽ tạo nên một hiệu áp giữa hai mặt cánh động làm cản trở và tắt dần dao động. Hình 2.8. Cản dịu a) Kiểu không khí. b) Kiểu cảm ứng. từ + Cản dịu cảm ứng từ : Cấu tạo gồm lá nhôm mỏng gắn liền với phần động của cơ cấu chỉ thị. Lá nhôm di chuyển trong khe hở của một nam châm vĩnh cửu tạo nên dòng cảm ứng trong lá nhôm. Do sự tác động tương hỗ giữa dòng điện và từ trường của nam châm tạo ra lực chống lại sự chuyển động của phần động (h.2.8b). 2.4. Cơ cấu đo cơ điện 2.4.1 .Cơ cấu đo kiểu Từ điện a) Cấu tạo Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm hai phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động (h.2.9). Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện gồm có: nam châm vĩnh cửu 1, mạch từ 5 và cực từ 3, lõi sắt hình trụ 4 hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi 4 có khe hở đều, gọi là khe hở làm việc, trong đó có khung quay chuyển động. Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm. Hình 2.9. Cơ cấu chỉ thị từ điện Phần động gồm có khung quay 2. Đó là khung dây gồm cuộn dây đồng cỡ 0,03  0, 2mm quấn trên lõi nhôm nhẹ. Khung quay được gắn vào trục quay 8. Trên trục quay còn có hai lò xo cản 9 mắc ngược nhau nhằm tạo ra mômen cản đồng thời dùng làm dây dẫn điện vào khung dây, kim chỉ thị 7, đối trọng 6 và thang đo 10. b) Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua khung dây, dưới tác động của từ trường của nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí ban đầu một góc d nào đấy. Mômen quay tạo ra được tính theo biểu thức (2.1): dWe Mq = (2.5) d -14-
Ở đây năng lượng điện từ We tỉ lệ với độ lớn của từ thông móc vòng trong khe hở làm việc  và dòng điện chạy qua khung dây I. We = I (2.6) Tốc độ biến thiên của từ thông theo góc quay  được tính như sau: d = BSW (2.7) d Trong đó: B – Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu S – Diện tích khung dây. W – Số vòng dây của khung dây.  - Góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu. Các giá trị B, S, W là những hằng số (không đổi khi khung dây quay) Thay (2.6) và (2.7) vào (2.5) ta có: d ( I ) d Mq = = I( ) = BSWI d d Khi cân bằng thì mômen quay bằng mômen cản (2.2) Mq = Mc BSWI = D 1 Từ đó ta có:  = BSWI (2.8) D Trong biểu thức (2-8): B, S, W, D là những hằng số cho nên góc lệch  tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I. c) Đặc tính của cơ cấu từ điện. - Góc lệch  tỉ lệ thuận với dòng điện I cho nên cơ cấu chỉ thị từ điện chỉ sử dụng trong mạch một chiều. - Góc lệch  tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I nên đặc tính của thang đo đều. 1 - Độ nhạy của cơ cấu S = BSW là đại lượng không đổi trong suốt thang đo. Độ D nhạy cao vì trị số B của nam châm vĩnh cửu thường lớn. - Độ chính xác cao vì các phần tử của cơ cấu có độ ổn định cao, ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể (vì độ từ cảm của nam châm lớn); công suất tiêu thụ nhỏ nên ảnh hưởng không đáng kể đến mạch đo, độ cản dịu tốt (khung nhôm), thang đo đều. - Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, chịu quá tải kém do cuộn dây đặt ở phần động có tiết diện nhỏ, do việc dễ cháy lò xo và thay đổi đặc tính của nó; ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo. d) Ứng dụng. - Dùng để chế tạo các loại Ampemét, Vôn mét, Ômmét nhiều thang đo, dải đo rộng. - Dùng để chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao, có thể đo được dòng đến 10 -12A, điện áp đến 10-4V, điện lượng. Để tăng độ nhạy khung quay thì khung dây không có khung nhôm. Điện kế còn được dùng để phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo. - Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện. - Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử... - Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo được dòng (hay áp) xoay chiều. 2.4.2. Logo met từ điện -15-
Lôgômét từ điện là loại cơ cấu chỉ thị đo tỉ số hai dòng điện, dựa trên cơ sở của chỉ thị từ điện, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay vào đó là khung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khung dây thứ nhất (h.2-10). Trong khe hở của từ trường nam châm vĩnh cửu đặt phần động gồm hai khung quay đặt lệch nhau một góc  (30o 90o). Cả hai đều được gắn vào trục chung. Dòng I1 và I2 được đưa vào các khung dây nhờ các dây dẫn không mômen. Dòng I1 sinh ra mômen quay Mq, còn dòng I2 sinh ra momen cản Mc.  d1   d  M q = I1   ; Mc = I 2  2  Mq MC  d   d  1, 2 là từ thông của nam châm móc vòng qua các khung dây. Dấu của Mq và Mc ngược nhau. ở N S trạng thái cân bằng thì Mq = Mc , ta có: I1  d   d  I2 I1 1  = I 2  2   d   d  Hình 2.10. Cơ cấu chỉ thị lôgômét từ điện d2 Từ đó ta có I1 = d = f2 () = f () I 2 d1 f1 () d Ở đây f1(), f2()là các đại lượng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc vòng..  I1  Do đó có thể viết:  = F    (2.9)  I2  Từ (2.9) ta thấy góc lệch  tỉ lệ với tỉ số của hai dòng điện đi qua các khung dây, ứng dụng để đo điện trở, tần số và các đại lượng không điện. 2.4.3. Cơ cấu chỉ thị Điện từ a) Cấu tạo - Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị điện từ là một cuộn dây phẳng 1. Bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc (h.2.11). - Phần động là một lõi thép 2 được gắn lên trục quay 4. Lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây. Ngoài ra, còn có kim 5, đối trọng 6 và lò xo 3. Ngoài loại kết cấu trên ta còn gặp loại cơ cấu điện từ có cuộn dây tròn. Kiểu cánh tỏa tia (h.2-12a) hoặc kiểu cánh đồng tâm (h.2-12b). Hình 2.11. Cơ cấu chỉ thị điện từ -16-
Hình 2.12. Cơ cấu chỉ thị điện từ có cuộn dây tròn a) Kiểu cánh tỏa tia, b) Kiểu cánh đồng tâm Cuộn dây tròn 1, bên trong bố trí các tấm kim loại: Tấm tĩnh 2, tấm động 3 gắn với trục quay. Ngoài ra còn có kim chỉ thị, thang đo và lò xo 4. Sự xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ từ hóa các tấm tĩnh và động. Tấm tĩnh và tấm động đẩy nhau do cùng cực tính làm phần động quay (h.2.12). b) Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây sẽ làm xuất hiện mômen quay xác định theo biểu thức: dWe Mq = d Ở đây năng lượng điện từ We được xác định: LI 2 We = (2.10) 2 Trong đó: L – Điện cảm của cuộn dây Thay (2.10) vào biểu thức mômen quay ta có: d LI  2  2  1 2 dL Mq = dWe =  = I (2.11) d d 2 d Khi mômen quay bằng mômen cảnK, phần động sẽ ở vị trí cân bằng, lúc đó: 1 2 dL I = D 2 d 1 dL 2 => = I (2.12) 2D d Từ biểu thức 2.12 ta suy ra các đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ. -17-
c) Đặc tính. - Góc quay  tỉ lệ với bình phương của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của dòng điện, do vậy mà cơ cấu có thể sử dụng để đo trong mạch một chiều và trong mạch xoay chiều. - Do đặc tính bậc hai nên thang đo không đều. Để thang đo đều hơn người ta cần phải tính toán mạch từ kích thước, hình dáng lõi động, vị trí đặt của cuộn dây cho phù hợp. - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, chịu được quá tải, có thể đo được vừa xoay chiều, vừa một chiều. - Khuyết điểm: Công suất tiêu thụ tương đối lớn, độ chính xác không cao, độ nhạy thấp, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài do từ trường của bản thân cơ cấu yếu khi dòng nhỏ. Khi đo trong mạch một chiều sẽ bị sai số do hiện tượng từ trễ, từ dư. d) Ứng dụng. - Chế tạo các loại Ampemét, Vônmét trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp. - Trong mạch với tần số cao và hơi cao, cần phải tính toán các mạch bù tần số để giảm sai số. 2.4.4 Lôgômét điện từ. Cấu tạo gồm hai cuộn dây tĩnh A và B, hai lõi động được gắn lên cùng một truc quay. Khi có dòng điện chạy qua cả hai cuộn thì cuộn A sinh ra mômen quay M q, còn cuộn B sinh ra mômen cản Mc. Ở vị trí cân bằng, ta có Mq = Mc. Theo (2.11) ta có: 1 dL1 2 1 dL 2 2 I1 = I2 2 d 2 d 2 I  dL 2 Từ đó ta có :  1 I   = dL d = f ()  2  1   d  I  2  Suy ra:  = F  1     (2.13)  I 2     - Góc lệch  tỉ lệ với tỉ số bình phương của hai dòng điện. Hình 2.13. Cơ cấu lôgômét điện từ Lôgômét điện từ được sử dụng để đo các đại lượng như điện trở, điện cảm, điện dung, đo tần số, góc pha và các đại lượng không điện... -18-
2.4.5. Cơ cấu chỉ thị Điện động a) Cấu tạo. H. 2.14 vẽ sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện động. Phần tĩnh gồm cuộn dây 1 được chia làm hai phần nối tiếp nhau để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh. Phần động gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây 2 được gắn với trục quay.Trên trục còn có lò xo cản bộ phận cản dịu và kim chỉ thị. Hình 2.14. Cơ cấu chỉ thị điện động Hình dạng của cuộn dây tĩnh và khung dây động có thể tròn hoặc vuông. Loại tròn dễ chế tạo, loại vuông lại thích hợp khi cần giảm thấp chiều cao của cơ cấu đo. b) Nguyên lý làm việc. Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo nên mômen quay làm phần động quay đi một góc . Mômen quay được xác định từ biểu thức chung sau: dWe Mq = d We: năng lượng điện từ tích lũy trong các cuộn dây . Ta phân biệt hai trường hợp. - Khi cho dòng một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào cuộn dây 2. Lúc này năng lượng điện từ có dạng. 1 2 1 We = L1I1 + L2I2 + M12I1I2 2 (2.14) 2 2 Với L1, L2 – điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động. M12 – Hỗ cảm giữa các cuộn dây tĩnh và động. L1, L2 – không đổi khi khung dây quay, nên: dWe dM12 Mq = = I1I 2 (2.15) d d dM12 Ở vị trí cân bằng Mq = Mc hay I1I 2 = D d 1 dM12 Suy ra: = I1I 2 (2.16) D d - Khi cho dòng xoay chiều vào các cuộn dây ta có: Mômen quay tức thời: dM12 mqt = i1i 2 (2.17) d Phần động vì có quán tính không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ. -19-
1T T Mq = mqt dt (2.18) o Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin (t - ) thay vào (2.17) và (2.18) , ta có: 1T dM 12 Mq =  I1m I 2 m sin t. sin(t −  ) dt. To d Lấy tích phân này ta được: dM12 Mq = I1I 2 cos  (2.19) d ở đây : là góc lệch pha giữa hai dòng điện I1, I2. Khi cân bằng ta có Mq = Mc. dM12 I1I 2 cos  = D d 1 dM 12 Suy ra = I 1 I 2 cos (2.20) D d c) Đặc tính. - Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch một chiều và xoay chiều. - Góc lệch  phụ thuộc vào tích I1I2 nên thang đo không đều. - Trong mạch xoay chiều mômen quay tỉ lệ với các giá trị hiệu dụng của dòng điện và cos  nên có khả năng chế tạo các Wátmét đo công suất. - Độ chính xác cao nhất là khi đo trong mạch xoay chiều vì không sử dụng vật liệu sắt từ tức là loại bỏ được sai số do dòng xoáy và bão hòa từ. - Cơ cấu chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài vì từ trường bản thân nhỏ lại khép mạch qua không khí có từ trở lớn, tổn hao từ nhiều. Vì thế cần có màn chắn từ bảo vệ. - Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu. d) Ứng dụng. Cơ cấu chỉ thị điện động được sử dụng để chế tạo các Ampemét, Vônmét, Watmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số cos . Khi sử dụng trong mạch xoay chiều tần số cao, phải có mạch bù tần số (có thể đo được với dải tần đến 20KHz). 2.4.6. Logomet Điện động Phần tĩnh của cơ cấu lôgômét điện động hoàn toàn giống cơ cấu chỉ thị điện động. Phần động ta mắc thêm một khung  MC dây 2 nữa gắn chặt với khung dây 1 chéo nhau một góc  (hình 2.15). Khi có dòng điện I chạy vào cuộn  tĩnh A, dòng điện I1, I2 chạy vào hai cuộn FC A  động B thì ở cuộn động B1 sinh ra mômen quay Mq. Mômen này do thành phần lực Fq cos(-) FC cos Fqcos ( - ) sinh ra. Do vậy mômen này sẽ - A có dạng. Fq I1 I2 dM AB1 Mq Mq = II1 cos (I,I1) cos ( -) . d Hình 2.15. Cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động -20-