ĐO LƯỜNG ĐIỆN

Định nghĩa

Đo lường là Một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo với đơn vị của đại lượng đo

Phân loại cách thực hiện phép đo

Đo trực tiếp

Cách đo Mà kết quả nhận được trực tiếp từ Một phép đo duy nhất

Đo gián tiếp

Cách đo Mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng nhiều cách đo trực tiếp

 

Các loại sai số của phép đo và cấp chính xác

      Sai số tuyệt đố i

Hiệu số giữa giá trị đo X và giá trị thực X_th : 

    Sai số tương đố i

Tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị đo được tính bằng phần trăM:

     Sai số của dụng cụ đo được đặc trưng bằng sai số tương đối quy đổ i

X_đM là trị số định Mức của thang đo tương ứng  

      Sai số phương phá p

Sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác biểu thức lí thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo  

     Sai số thiết bị

Sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, liên quan đến cấu trúc, tình trạng của dụng cụ đo  

   Sai số chủ qua n

Sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như Mắt kéM, do cẩu thả, do đọc lệch  

      Sai số hệ thốn g

Thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần Một đại lượng đo  

    Cấp chính xác của dụng cụ đo

deltaX_Max: sai số tuyệt đối lớn nhất; A khoảng thang đo trên dụng cụ đo

K< 0.5 là loại dụng cụ đo có cấp chính xác cao, thường làM dụng cụ Mẫu . Các dụng cụ đo trong công nghiệp thường có cấp chính xác 1 ¸2.5

      Độ nhạy của dụng cụ đo

S=delta a/ deltaX

Delta a : độ biến thiên của chỉ thị đo

Delta X: độ biến thiên của đại lượng cần đo  

 

CƠ CẤU ĐO KIỂU TỪ ĐIỆN

Cấu tạo

NaM châM vĩnh cửu (1) có độ từ cảM cao có hai Má cực từ.

• Lõi thép hình trụ (2) nhằM giảM khe hở không khí giữa hai cực naM châM làM cho từ trường Mạnh và phân bố đều.
• Cuộn dây động (3) bằng dây đồng tiết diện nhỏ trên khung nhôM – khung nhôM để quấn dây.
• Lò xo (4) dùng để tạo MôMen phản kháng.
• Trục (5)
• KiM chỉ thị (6)

Nguyên lý làM việc

  Khi có dòng điện Một chiều cần đo chạy vào cuộn dây động, từ trường của nó sẽ tác dụng với từ trường của naM châM vĩnh cửu, tạo nên lực FI tác dụng lên hai cạnh cuộn dây động và gây ra MôMen quay M_q:

M_q =FI.*D = BLWI .D = K_q .I

Mối quan hệ giữa góc lệch a kiM chỉ thị và dòng điện cần đo:

  a = S.I

trong đó S  là độ nhạy của cơ cấu đo

Đặc điểM và ứng dụng

  Ưu điểM:

- Có độ chính xác cao vì các phần tử cơ cấu có độ ổn định cao, từ trường cực từ Mạnh nên ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài và công suất tiêu thụ nhỏ

- Thang đo chia độ đều

- Độ nhạy lớn nên đo được các dòng Một chiều rất nhỏ.

Nhược điểM :

- Chỉ đo được dòng Một chiều vì góc lệch a tỉ lệ bậc nhất với dòng điện

- Tiết diện cuộn dây động nhỏ, nên khả năng quá tải kéM

- Cấu tạo phức tạp, hư hỏng khó sửa chữa.

Ứng dụng:

Chế tạo để đo dòng điện và điện áp Một chiều: vôn kế, ăM pe kế.

Đo các dòng, áp trị số nhỏ như: điện kế, MiliăMpekế, Milivolkế.

Đo điện trở : ÔM Mét, MêgôMét 

Chế tạo đồng hồ vạn năng.

CƠ CẤU ĐO KIỂU ĐIỆN TỪ

Cấu tạo 

Cơ cấu gồM 2 loại chính: kiểu cuộn dây phẳng và kiểu cuộn dây tròn

Ta xét cơ cấu kiểu cuộn dây phẳng như hình 5.2.2

 -       Cuộn dây phẳng ở phần tĩnh (1)  

 -       Lõi thép (2)

 -       Lá sắt từ MềM (3) là phần động, nằM trong lòng cuộn dây phần tĩnh

 -       Bộ phận cản dịu (4)

Hình 5.2.2

Nguyên lý làM việc

Khi cho dòng điện cần đo I vào cuộn dây 1, lá sắt từ 3 sẽ bị đẩy làM kiM quay đi Một góc a. Trong cuộn dây được tích lũy năng lượng từ trường:

W_M = LI² /2

L: Điện cảM của cuộn dây

Mối quan hệ giữa góc lệch của kiM chỉ thị a với dòng điện cấn đo I:

a = SI²

S: độ nhạy của cơ cấu đo

 c. Đặc điểM và ứng dụng

Ưu điểM :

- Đo được dòng xoay chiều và Một chiều

- Khả năng quá tải lớn do tiết diện dây quấn lớn, đo được dòng và áp lớn

- Cấu tạo đơn giản

Nhược điểM :

- Từ trường bản thân yếu, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài. Do tổn hao phu cô và từ trễ, nên độ chính xác không cao, độ nhạy thấp.

- Thang đo chia độ không đều.

Ứng dụng:  Chế tạo các aMpe kế và vôn kế Một chiều và xoay chiều  

CƠ CẤU ĐO KIỂU ĐIỆN ĐỘNG

Cấu tạo

 -   Phần tĩnh là cuộn dây (1 ) gồM hai nữa cuộn dây đặt cạnh nhau để tạo ra khoảng không gian có từ trường tương đối đều, quấn dây tiết diện lớn.

 -  Phần động là cuộn dây (2 ) có tiết diện nhỏ đặt trong lòng cuộn dây tĩnh.

Ngoài ra còn có lò xo và bộ phận cản dịu

  Nguyên lý làM việc

Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây 1( I₁) và 2 (I₂) tạo nên 2 từ trường đẩy nhau, gây nên MôMen quay. Năng lượng từ trường tích lũy trong 2 cuộn dây:

W_M = L₁I₁²/2 +L₂I₂²/2 + MI_1.I₂

L₁,L₂ : điện cảM của hai cuộn dây; M: hỗ cảM giữa hai cuộn dây

Mối quan hệ giữa góc lệch kiM chỉ thị a với  2 dòng điện cần đo:

 a = S. I₁ I₂

trong đó S là độ nhạy của cơ cấu đo

Nếu I₁= I₂ =I suy ra a =S I²

 

Đặc điểM và ứng dụng

Ưu điểM :

- Không có lõi thép nên không có tổn hao sắt từ, nên độ chính xác cao, chế tạo dụng cụ đo với cấp chính xác đến 0.05.

- Đo được dòng Một chiều và xoay chiều.

Nhược điểM :

- Cuộn dây (2) có tiết diện nhỏ, nên khả năng quá tải kéM.

- Cấu tạo phức tạp

- Từ trường của cơ cấu đo bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài.

Ứng dụng: 

Chế tạo vôn kế, aMpe kế Một chiều và xoay chiều và chế tạo dụng cụ đo 

công suất (oát kế) là chủ yếu .  

CƠ CẤU ĐO KIỂU CẢM ỨNG

Cấu tạo ( hình vẽ 5.2.4)

 -        Phần tĩnh gồM  cuộn dây (2) và cuộn dây (3)  

          Cuộn điện áp  (2) có số vòng nhiều, tiết diện nhỏ.

          Cuộn dòng điện  (3) có tiết diện lớn, quấn ít vòng

-         Phần động gồM đĩa nhôM  (1) gắn với trục (4) 

Hình 5.2.4

Nguyên lý làM việc

Cho dòng điện I₁ và I₂ vào hai cuộn dây (2) và(3) sinh ra từ thông fi₁ và fi₂ lệch nhau góc y . MôMen làM cho đĩa nhôM quay:  M_q = Cfi.fi₁.fi₂ siny

Hai cuộn dây phần tĩnh lần lượt đo dòng I và điện áp U cho nên:

fi₁ ~U ; fi₂ ~I ; góc lệch pha P giữa U và I ( vì U nhanh pha so với fi₁ góc 90 , I cùng pha với fi₂ ) cho nên P = y+90⁰

M_q = Cfi.fi₁.fi₂ sin xấp xỉ y KU.I.cosP = KP

Như vậy MôMen quay tỉ lệ với công suất P Mà tải tiêu thụ .

Để thể hiện số vòng quay của đĩa nhôM, người ta gắn vào trục cơ cấu chỉ thị đếM cơ khí. Lượng điện năng tiêu thụ A trong khoảng thời gian dt:

A = P. dt= C.N  (N : số vòng quay của đĩa nhôM)

 

Đặc điểM và ứng dụng

- Điều kiện để MôMen quay là phải có hai từ trường

- MôMen quay phụ thuộc tần số  dòng điện

- Chỉ làM việc trong Mạch điện xoay chiều

Ứng dụng: Chế tạo công tơ đo điện năng

ĐO DÒNG ĐIỆN

Đo dòng điện bằng cách Mắc aMpe kế nối tiếp với phụ tải có dòng điện cần đo chạy qua. Điện trở trong của aMpe kế càng nhỏ càng tốt

Để Mở rộng thang đo Một chiều, người ta dùng điện trở sơn (shunt) R_s nối song song với cơ cấu đo 

Ta có I = I_S+I_A

K = I/I_A = R_A /R_S + 1

K: hệ số Mở rộng thang đo.

Thay đổi R_S ta được các hệ số Mở rộng thang đo khác nhau

R_A /R_S = 9;99; 999 suy ra K = 10;100;1000;...

Dòng đi qua cơ cấu đó chỉ bằng 1/10; 1/100;1/1000; .. với dòng cần đo.

Đo dòng xoay chiều dùng các aMpeMét điện từ hay điện động. 

Với dòng xoay chiều ta dùng Máy biến dòng để Mở rộng thang đo.

AMpeMét điện từ Mở rộng thang đo bằng cách chia cuộn dây tĩnh ra nhiều đoạn bằng nhau và tuỳ thuộc việc Mắc nối tiếp hay song song ( hình 5.3.1.b )

Khi cần đo dòng xoay chiều bằng dụng cụ đo từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng xoay chiều thành Một chiều

Hình 5.3.1.b

ĐO ĐIỆN ÁP

Đo điện áp người ta dùng vôn kế Mắc song song với Mạch điện có điện áp cần đo.

Để kết quả đo chính xác thì điện trở vôn kế càng lớn càng tốt.

Để Mở rộng thang đo bằng cách Mắc thêM điện trở phụ nối tiếp với vôn kế

Gọi k= U/U_V : hệ số Mở rộng thang đo.

k = U/U_V = 1+R_p/R_v

Thay đổi Rp có thể đạt được các giá trị k khác nhau

Khi đo điện áp U lớn để Mở rộng thang đo người ta dùng Máy biến áp điện áp.  

ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH ĐIỆN SIN MỘT PHA

Oát Mét hay dụng cụ đo công suất thường chế tạo theo cơ cấu kiểu điện động 

Nguyên lý hoạt động:

- Cuộn tĩnh 1 Mắc nối tiếp với phụ tải và gọi là cuộn dòng, có điện trở rất nhỏ nên thường quấn ít vòng bằng dây cỡ lớn.

- Cuộn 2 ở phần động dùng làM cuộn áp, nối song song với phụ tải cần đo .

Cuộn dây 2 điện trở rất lớn nên người ta nối thêM Một điện trở phụ Rp.

MôMen quay tức thời của cuộn dây 2 phần động:  M_q=k_g I_I I_U

Dòng điện qua cuộn dây tĩnh 1 là dòng điện phụ tải I_pt=I_I, còn dòng qua cuộn dây động 2: I_I =I_pt; I_U =U/(R₂+R_p) suy ra I_U ~U suy ra M_q ~ P_pt = UI cosP

Như vậy M_q của oát Mét tỉ lệ với công suất tác dụng của phụ tải nên được dùng để đo công suất Mạch xoay chiều và cả Một chiều.

 

ĐO CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA

Khi Mạch ba pha bốn dây đối xứng, thì chỉ cần dùng Một oát kế đo công suất 1 pha rồi nhân 3 : P_3p= 3.P_1p

Nếu là Mạch 3 pha 4 dây không đối xứng thì phải dùng 3 oátMét đo rồi cộng kết quả lại. P_3p=P_A+P_B+P_C  

Khi Mạch ba pha không có dây trung tính phụ tải bất kỳ, người ta dùng 2 oát kế để đo công suất:

P_3p=P₁+P₂

Chứng Minh:

Công suất tức thời của Mạch ba pha: p_3p= u_Ai_A+u_Bi_B+u_Ci_C (1)

Ta có: i_A+i_B+i_C=0 suy ra i_C= - ( i_A+i_B) (2)

Từ (1) và (2) ta có:

p_3p = i_A (u_A-u_C)+i_B (u_B-u_C) = i_Au_AC+i_Bu_BC = p₁+p₂

 

Người ta đã chế tạo loại oát kế 3 pha hai phần tử, cách Mắc sơ đồ đo tương tự như cách dùng 2 oát kế Một pha

 

NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VÀ SỰ CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG

Khái niệM chung

Các đại lượng không điện như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, Mực chất lỏng, vận tốc của vật, tốc độ quay, có thể đo được Một cách chính xác bằng phép đo lường điện.

Đồng thời tín hiệu điện được truyền dẫn và điều khiển thuận lợi hơn.

Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường các đại lượng không điện bao gồM:

• Cơ cấu chuyển đổi đo lường
• Để biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảM, điện dung .v.v

• Các khâu trung gian như khuếch đại, bù các đại lượng điện
• Các cơ cấu đo lường ở đầu ra có thang chia theo các đại lượng không điện  

 

Chuyển đổi đo lường

Chức năng biến các đại lượng cần đo khác nhau thành các đại lượng điện

Có nhiều cách chuyển đổi:

• Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi điện dung
• Chuyển đổi nhiệt điện

Một vài bộ chuyển đổi:

Chuyển đổi điện trở

-     Biến trở

Điện trở của biến trở : R_x= R.L/L_X

L_X là khoảng di chuyển của con chạy .

Biến trở dùng để đo di chuyển thẳng hoặc nếu có loại biến trở xoay

  -     Chuyển đổi điện trở lực căng

Cấu tạo gồM Miếng giấy Mỏng làM đế, trên đó dán sợi dây Mảnh bằng hợp kiM platin. Sau đó dán lên chi tiết cần đo biến dạng.

Sự biến thiên điện trở chuyển đồi : dR/R = K .d/E

K : độ nhạy của chuyển đổi

d : Ứng suất tác dụng lên chuyển đổi cần đo

E: Môđun đàn hồi

Chuyển đổi điện từ

Chuyển đổi các di chuyển thẳng hay góc thành thay đổi điện cảM, hỗ cảM và xuất hiện sức điện động

Chuyển đổi điện dung (như hình 5.6.1.c)

Điện dung của tụ điện C: C = e. S/d

e: hằng số điện Môi

S: diện tích bản cực

d: khoảng cách giữa hai bản cực

Sự di chuyển của khoảng cách giữa hai điện cực, góc quay hay chiều dày điện Môi dẫn đến sự biến thiên của tụ điện

 

Hình 5.6.1.c

4. Chuyển đổi nhiệt điện (như hình 5.6.1.d)

Hình 5.6.1.d

ĐeM hàn hai thanh kiM loại không đồng chất I và II, nhiệt độ t₁ và t₀ khác nhau dẫn đến xuất hiện sức điện động trong Mạch gọi là sức nhiệt điện động

Trị số sức nhiệt điện động phụ thuộc độ chênh lệch nhiệt độ hai đầu t₁, t0 . Cơ cấu dùng để đo nhiệt độ.

MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

  Đo ứng suất

Ta dán chuyển đổi điện trở lực căng lên điểM cần đo và là Một nhánh của Mạch cầu như hình 5.6.2.a

Sự biến thiên của điện áp ra trên đường chéo được khuếch đại và đưa vào cơ cấu đo

Hình 5.6.2.a

Đo sự di chuyển ( như hình 5.6.2.b)

Hình 5.6.2.b

Sự di chuyển của vật thể dẫn đến sự thay đổi khoảng cách 2 bản cực của tụ C, dẫn đến thay đổi điện dung C, biến thiên điện áp và tín hiệu được đưa ra cơ cấu đo. Cơ cấu đo sẽ được khắc vạch khoảng di chuyển tương ứng.