Bài giảng Đo điện trở

Chương 4 ĐO ĐIỆN TRỞ 3.1 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VÔN KẾ VÀ AMPE KẾ Điện trở là một trong những đại lượng điện quan trọng . Người ta phân loại điện trở theo giá trị Ohm của chúng , điện trở được phân thành 3 cấp Điện trở có giá trị lớn là điện trở có giá trị từ 0.1MW trở lên Điện trở có giá trị trung bình từ 1KW đến 0.1MW Điện trở có giá trị nhỏ từ 1KW trở xuống Theo định luật Ohm , ta có R = Như vậy để xác định giá trị điện trở ta sử dụng ampe kế và volt kế . Ở phương pháp này , ta xác định giá trị điện trở đang hoạt động ( đo nóng ) theo yêu cầu . Có hai cách đấu mạch là “ Mắc rẽ dài “ hay “Ampe kế mắc sau “ . Nghĩa là mắc volt kế trước – ampe kế mắc sau “ Mắc rẽ ngắn “hay “ampe kế mắc trước “ . Nghĩa là mắc ampe kế trước – volt kế mắc sau Mắc rẽ dài Mắc rẽ ngắn 3.1.1 Mắc rẽ ngắn ( ampe kế mắc trước ) Do volt kế mắc song song với điện trở tải nên ta có IA = IV + IR Nếu IR >> IV thì sai số do ảnh hưởng của volt kế không đáng kể Thật vậy , nội trở của volt kế và điện trở tải điện trở tương đương được xác định RX’ = = Sai số tương đối của phép đo (%) D% = 100% = ( - 1 ) 100% Để sai số (% nhỏ nhất thì biểu thức ( 1 + ) ® 1 Nghĩa là ® 0 hay RV >> RX Như vậy phương pháp này được sử dụng trong trường hợp điện trở cần đo RX có giá trị nhỏ hoặc volt kế có nội trở lớn 3.1.2 Mắc rẽ dài ( Ampe kế mắc sau ) Do ampe kế mắc nối tiếp với điện trở cần đo nên tổng trở được xác định theo biểu thức RX’ = RA + RX hay U = UA + URX Sai số tương đối của phép đo D% = = 100% Để giảm thiểu sai số tương đối D% thì RX >> RA ( nghĩa là URX >> UA ) Như vậy phương pháp này được sử dụng trong trường hợp điện trở cần đo có giá trị lớn hoặc ampe kế có nội trở nhỏ 3.1.3 Phương pháp so sánh Ở phương pháp này , người ta thường dùng cầu đo Wheatstone để xác định giá trị điện trở được chính xác hơn và thường được dùng trong phòng thí nghiệm vì những ưu điểm của nó Có hai phương pháp đo là Phương pháp cân bằng Phương pháp không cân bằng 3.2 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG OHM KẾ 3.2.1 Sơ đồ mạch điện đo điện trở Trong đồng hồ đo vạn năng còn cò tên gọi khác là multimeter VOM , đây là loại đồng hồ dùng để đo điện áp , dòng điện và điện trở . trong trường hợp dùng Ohm kế để đo điện trở thì trạng thái đo là phần tử điện trở đo RX không có năng lượng ( đo nguội ) mạch đo sẽ sử dụng nguồn pin riêng Đây là mạch Ohm kế mắc nối tiếp , dòng điện qua cơ cấu chỉ thị Im R1 điện trở chuẩn của tầm đo. Rm điện trở nội của cơ cấu. Khi Rx à 0W , Im à Imax ( dòng cực đại của cơ cấu từ điện ) Khi Rx à ¥ , Im à 0 ( không có dòng qua cơ cấu ) Ví dụ Cho mạch đo điện trở như hình vẽ . Biết rằng điện áp nguồn pin là Eb = 1.5V và R1 + Rm = 15 kW - Imax = 100mA Xác định độ lệch kim của cơ cấu đo khi RX được nối tắt Xác định giá trị điện trở RX khi kim cơ cấu đo lệch ½ Dm Giải Từ sơ đồ trên , ta nhận thấy khi RX = 0 ( nối tắt ) thì dòng điện qua cơ cấu đo có giá trị lớn nhất ( Im = Imax ) Thật vậy , ta có Im = Imax = = = 100 mA Im = Imax = 100mA Khi kim cơ cấu đo lệch ½ Dm , thì dòng điện qua cơ cấu đo có giá trị là Im = Imax = 50 mA Từ đó ta xác định được giá trị của điện trơ ûRX là RX = - ( R1 + Rm ) RX = 15 kW 3.2.2 Mạch đo điện trở thực tế Trong thực tế nguồn pin Eb có thể thay đổi . Khi Rx à 0W , dòng điện Im qua cơ cấu không bằng Imax do đó mạch đo có thể mắc thêm R2 , biến trở này dùng để chỉnh điểm “0W” cho mạch đo khi bị Eb thay đổi . Như vậy, trước khi đo ta phải ngắn mạch AB ( nối tắt điện trở RX # động tác chặp 2 que đo ) và điều chỉnh R2 ( nút Adj của đồ hồ VOM ) để cho kim chỉ thị của Ohm kế chỉ “0W” . Theo mạch trên dòng Ib Nếu R2 // Rm << R1 thì : Như vậy, điện áp Vm được xác định Dòng điện Im qua cơ cấu chỉ thị Do đó mỗi lần đo ta cho Rx ® 0 bằng cách điều chỉnh R2 để cho Để cho khi Eb có sự thay đổi thì sự chỉ thị RX sẽ không thay đổi 3.2.3 Nguyên lý đo Ohm kế tuyến tính Thang đo của Ohm kế theo nguyên lý dòng điện như đã đề cập ở trên không tuyến tính theo điện trở đo. Do đó các mạch đo Ohm kế tuyến tính trong máy đo điện tử chỉ thị kim hoặc chỉ thị số, chúng ta chuyển trị số đo điện trở RX sang điện áp đo VX bằng cách cung cấp nguồn dòng điện I không đổi (bất chấp trị số Rx) . VX = RX.I . Sau đó RX được đo bởi mạch điện áp, VX tuyến tính theo RX Như vậy, khi Rx ® 0, Vx ® 0V Khi Rx ® ¥ , VX giá trị lớn nhất của mạch đo Như vậy nếu vôn kế có điện trở chỉnh máy trước khi đo, thì phải chỉnh Rx ® ¥ cho mạch đo. Không chỉnh Rx ® 0 như ở mạch đo dùng nguyên lý dòng trong phần trước 3.3. ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU ĐO 3.3.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng Cầu Wheatstone được mắc như hình vẽ . Trong đó R1 , R2 , R3 là các điện trở mẫu G là điện kế chỉ thị 0 RX là điện trở cần đo Vận hành Ta chỉnh các giá trị điện trở R1 , R2 , R3 cho đến khi điện kế G chỉ zero . Khi cầu cân bằng , dòng điện qua điện kế G bằng không ( zero ) nghĩa là UC = UA Hay UR1 = UR2 và URX = UR3 I1 R1 = I2 R2 và I1 RX = I2 R3 Suy ra = hay RX = Với phương pháp đo này RX sẽ được so sánh với các điện trở mẫu Ta nhận thấy , kết quả đo điện trở RX không phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho mạch điện , đây là ưu điểm của cầu đo Wheatstone . Tuy nhiên phương pháp thao tác phức tạp vì phải điều chỉnh các điện trở mẫu nhiều lần và giá trị điện trở cần đo RX lại phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G , độ nhạy của điện kế G càng cao thì sự xác định cân bằng càng đúngvà phụ thuộc vào dây nối và điện trở tiếp xúc ở các mối nối . Ngoài ra sai số của các điện trở mẫu cũng ảnh hưởng đến sai số của RX , chẳng hạn , nếu sai số của các điện trở lần lượt là DR1 = DR2 = ± 0.5% , DR3 = ± 10% thì sai số của điện trở khi đo là DR = SR1,2,3 = DR1 + DR2 + DR3 = 0.5% + 1% + 1% = ± 2.5% Với điện trở bất kỳ RX , để cầu wheatstone cân bằng , ta thay đổi tỷ số giữa R1/ R2 và thay đổi giá trị điện trở R3 , điện trở R3 có giá trị thay đổi từng cấp , mỗi cấp có giá trị 0.1( hoặc từng Ohm một như các cầu Wheatstone trong phòng thí nghiệm Ứng dụng của phương pháp dùng cầu Wheatstone là xác định chỗ chạm “ mass” của dây cáp điện Giả sử UV là đoạn dây còn tốt XY là đoạn dây bị chạm vỏ Các đoạn dây UV , XY có chiều dài là L và điện trở của các đoạn dây này là R Khi cầu wheatstone cân bằng , ta có = Suy ra RX = Do chiều dài dây dẫn tỷ lệ với điện trở của dây dẫn , nên ta có LX = 2L 3.3.2 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone không cân bằng Trong công nghiệp , người ta thường dùng nguyên lý cầu Wheatstone không cân bằng nghĩa là căn cứ vào điện áp ra hay dòng điện ra ở ngõ ra của cầu Wheatstone để đo điện từ hay sai số (R của phần tử đo . Phương pháp này cần có nguồn cung cấp ổn định vì điện áp ra phụ thuộc vào nguồn cung cấp E , ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào các điện trở mẫu thành phần của cầu Wheatstone . Còn độ nhạy của cầu lại phụ vào nguồn cung cấp E và nội trở của bộ chỉ thị . Khi tháo điện kế G ra khỏi mạch , ta có Tổng trở được xác định RS = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 ) Điện áp ở ngõ ra của cầu UA – UC = E ( - ) Như vậy mạch tương đương Thevenin của cầu được xác định . Do đó dòng điện Ig qua điện kế khi cầu không cân bằng Ig = rg là nội trở của điện kế G Ví dụ Xác định sự thay nhỏ nhất của giá trị điện trở RX mà điện kế G phát hiện được khi độ nhạy của điện kế G là 1mA / DIV ( DIV là một vạch chia của thang đo ) . Biết rằng R1 = 3.5 KW , R2 = 7 KW và R3 = 4 KW , RX = 2 KW và nội trở của điện kế G là rg = 2.5 KW , sử dụng nguồn điện E = 10V Giải Theo biểu thức mạch tưong đương Thevenin UA – UC = Ig ( r + rg ) r = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 ) r = ( 3.5 x 2 )/ ( 3.5 + 2 ) + ( 7 x 4 ) / ( 7 + 4 ) = 3.82KW Khi Ig thay đổi 1mA thì giá trị ( UA – UC ) cũng thay đổi . Sự thay đổi này được xác định D( UA – UC ) = DIg ( r + rg ) = 1mA x ( 3.82 + 2.5 ) = 6.32mA Mà D( UA – UC ) = – R2 / ( R2 + R3 ) Như vậy DRmin có được khi D( UA – UC ) càng lớn , độ nhạy càng tăng thì nguồn cung cấp E phải lớn , nhưng việc tăng nguồn cung cấp chỉ có thể tăng trong phạm vi nào đó . Do đó để khắc phục hiện tượng này ta phải khuếch đại D( UA – UC ) và tổng trở Zi của mạch khuếch đại phải lớn . 3.4 ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT Cọc đo điện trở đất được làm bằng kim loại ( thường bằng đồng ) gồm một hoặc nhiều thanh dẫn điện được đóng xuống đất , khi đó chúng ta có cọc đất . Sau đó các cọc đất này được nối vào mạch đo bằng những dây dẫn điện. Điện trở đất điện trở của vùng đất cần đo tiếp xúc với cọc đất sẽ được xác định bởi điện áp rơi trên điện trở đất khi có dòng điện đi qua nó . Trong thực tế điện trở đất phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh ( nhiệt độ, độ ẩm ), thành phần của đất. Khoảng cách giữa các cọc đất để cho điện trở đất khảo sát các cọc đất không ảnh hưởng với nhau ( Nghĩa là các điện trở cọc A không bị ảnh hưởng bởi vùng đất của cọc B). Hai cọc đất cách nhau từ 10 m đến 20 m sẽ có điện trở đất không ảnh hưởng lẫn nhau . Nguồn điện áp cung cấp cho mạch đo nguồn tín hiệu cung cấp cho mạch đo là nguồn tín hiệu xoay chiều dạng sin hoặc xung vuông . Chúng ta tránh dùng nguồn DC Do ảnh hưởng của điện giải sẽ làm tăng sai số do điện thế điện cực. Nếu dùng điện lưới điện lực thì phải dùng biến áp cách ly tránh ảnh hưởng dòng trung tính và cọc đất của dây trung tính . Mạch đo được mắc như hình Cọc A : cọc đo điện trở đất RX Cọc B : cọc phụ đo điện áp Cọc C : cọc phụ đo dòng điện Theo mạch tương đương của điện trở đất cọc A, B, C . Ta được : VAB = RA.I’ + RB.IV Ta có : I = I’ + IV Mà IV << I’ à I » I’ Nên VAB » RA.I’ » RA.I Suy ra RA = Vậy điện trở đất cọc A được xác định bởi trị số đọc trên vôn kế và ampe kế. Phương pháp đo gián tiếp Trong trương hợp này ta đo điện trở đất của từng hai cọc : Vôn kế và ampe kế sẽ cho giá trị điện trở của từng hai cọc : Sau đó, lần lượt đo cho cọc A - C và B – C ta được : Sau đó giải ba phương trình ta xác định được RA, RB, RC.