Giáo trình Đo lường điện & Kỹ thuật đo - Phần 1

n tử Trang 22 Hình 2.2. Cấu trúc của Lôgômét từ điện - Dòng I1 sinh ra mômen quay Mq:   d d IM q 1 1. (2.4) - Dòng I2 sinh ra mômen cản Mc:   d d IM 22 . (2.5) với Ф1, Ф2: Từ thông của nam châm móc vòng qua các khung dây, thay đổi theo α. Dấu của Mq và Mc ngƣợc nhau. Các giá trị cực đại của các mômen lệch nhau góc δ. Ở trạng thái cân bằng có: cq MM  )( )( )( 2 1 1 2 2 1        f f f d d d d I I  (2.6) với f1(α), f2(α) là các đại lƣợng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc vòng. Từ biểu thức trên có: )( 2 1 I I F (2.7) 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 đƣợc ứng dụng để đo điện trở, tần số và các đại lƣợng không điện. Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 23 2.1.2 Cơ cấu đo điện từ.. Cấu tạo chung: Gồm hai phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động: - Phần tĩnh: Là cuộn dây (1) bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc). - Phần động: Là lõi thép (2) đƣợc gắn lên trục quay (5), lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây. Trên trục quay có gắn: Bộ phận cản không khí (4), kim chỉ (6), đối trọng (7). Ngoài ra còn có lò xo cản (3), bảng khắc độ (8). Hình 2.3. Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ. Nguyên lý làm việc: Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện hút lõi thép 2 (phần động) vào khe hở không khí với mômen quay: , d dW M eq  với 2 2LI We  (2.8) với L là điện cảm của cuộn dây, suy ra: .. 2 1 2 d dL IM q  (2.9) Tại vị trí cân bằng có: 2. 2 1 I d dL D MM cq    (2.10) là phƣơng trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ. Các đặc tính chung: - Góc quay α tỉ lệ với bình phƣơng của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của dòng điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều. - Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dα là một đại lƣợng phi tuyến. - Cản dịu thƣờng bằng không khí hoặc cảm ứng. Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 24 Ƣu điểm: Cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu đƣợc quá tải lớn. Nhƣợc điểm: Độ chính xác không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị sai số (do hiện tƣợng từ trễ, từ dƣ); độ nhạy thấp; bị ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài (do từ trƣờng của cơ cấu yếu khi dòng nhỏ). Ứng dụng: Thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo các loại ampemét, vônmét trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2. Ít dùng trong các mạch có tần số cao. 2.1.3 Cơ cấu đo điện động.  Lôgômét điện động. Cấu tạo chung: Gồm hai phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động: - Phần tĩnh: gồm: cuộn dây (1) (đƣợc chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra từ trƣờng 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 đƣợc gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị. Cả phần động và phần tĩnh đƣợc bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài. Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trƣờng trong lòng cuộn dây. Từ trƣờng này tác động lên dòng điện I2 chạy trong khung dây 2 (phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α. Mômen quay đƣợc tính: d dW Mq e (2.11) với: We là năng điện điện từ trƣờng. Có hai trƣờng hợp xảy ra: o Khi I1, I2 là dòng điện một chiều: 21 12 .. 1 II d dM D    (2.12) Với: M12 là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động. o Khi I1 và I2 là dòng điện xoay chiều:    cos... 1 21 12 II d dM D  (2.13) Với: ψ là góc lệch pha giữa I1 và I2. Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 25 Hình 2.4. Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động Các đặc tính chung: - Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều. - Góc quay α phụ thuộc vào tích số của dòng I1 và I2 nên thang đo không đều - Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha ψ giữa hai dòng điện nên có thể ứng dụng làm Oátmét đo công suất. Ƣu điểm : có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều. Nhƣợc điểm: công suất tiêu thụ lớn nên không thích hợp trong mạch công suất nhỏ. Chịu ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ. Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu. Ứng dụng: o Chế tạo các ampemét, vônmét, óatmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp o Các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ. Trong mạch có tần số cao phải có mạch bù tần số (đo đƣợc dải tần đến 20KHz). 2.1.4 Cơ cấu đo cảm ứng. Cấu tạo chung: gồm phần tĩnh và phần động. - Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trƣờng móc vòng qua mạch từ và qua phần động, có ít nhất là 2 nam châm điện. - Phần động: đĩa kim loại (1) thƣờng bằng nhôm, gắn vào trục (4) quay trên trụ (5). Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động tƣơng hỗ giữa từ trƣờng xoay chiều (đƣợc tạo ra bởi dòng điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều: Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 26 Hình 2.5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng Khi dòng điện I1, I2 vào các cuộn dây phần tĩnh, sinh ra các từ thông Ф1, Ф2 (các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tƣơng ứng), từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm (1) phần động làm xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tƣơng ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) xuất hiện các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2). Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tƣơng hỗ với các dòng điện Ix1, Ix2 sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tƣơng ứng, quay đĩa nhôm (phần động). Mômen quay đƣợc tính:  sin.. 21fCM q  (2.14) với: C là hằng số f là tần số của dòng điện I1, I2 ψ là góc lệch pha giữa I1, I2 Các đặc tính chung: - Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trƣờng. - Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha ψ giữa I1, I2 bằng π/2. - Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra các từ trƣờng. - Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều. Nhƣợc điểm: Mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số. Ứng dụng: Chủ yếu để chế tạo công tơ đo năng lƣợng; có thể đo tần số Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 27 Bảng 2.1 Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ thị cơ điện 2.2 Thiết bị chỉ thị số. Cơ cấu chỉ thị số ứng dụng các kỹ thuật điện tử để biến đổi và chỉ thị đại lƣợng đo. Hình 2.6: Sơ đồ khối của một dụng cụ đo hiển thị số Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 28 Đại lƣợng đo x(t) đƣợc biến đổi thành tín hiệu xung tƣơng ứng sau khi qua bộ biến đổi xung (BĐX) số xung N đầu ra tỉ lệvới giá trịcủa x(t). Số xung N đƣợc đƣa vào bộ mã hóa (MH) thƣờng là bộ mã hóa BCD, tín hiệu mã hóa đƣa đến bộ giải mã (GM) và đƣa ra bộ hiện số. Tất cả 3 khâu: mã hóa-giải mã- hiển thị số cấu thành bộ chỉ thị số. Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau nhƣ: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng 2.2.1 Cơ cấu chỉ thị số bằng đèn khí: Thƣờng thấy trong những thiết bị những năm 80. Đèn khí có cấu tạo gồm anốt là một màng lƣới bao bọc xung quanh còn catốt là các con số từ 0-9 và các dấu +,-,V,A Các thành phần này đƣợc cho vào ống thủy tinh hút chân không và trong môi trƣờng của ống ngƣời ta thêm vào các chất khí ở áp suất thấp, thông thƣờng chủ yếu là neon và thƣờng một ít thủy ngân hoặc argon. Khi có điện áp ca tốt nào thì kí hiệu tƣơng ứng sáng lên. Nhƣợc điểm của thiết bị hiện số bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ 200V) do vậy mà độ tin cậy thấp Hình 2.7: Chỉ thị bằng đèn khí 2.2.2 Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh: Là loại thiết bị hiện số đƣợc sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ. Về cấu tạo gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ A-G, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tƣơng ứng có các đầu ra để cấp tín hiệu cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung. Khi có tín hiệu cho phép điốt nào hoạt động thì điốt đó sẽ sáng, phối hợp sự sáng tối của các điốt sẽ cho ra các con số: 0-9, các ký hiệu, các ký tự Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 29 Hình 2.9: Cấu tạo và hình dạng thật của Led 7 đoạn Tùy mục đích sử dụng còn có các loại LED 7 thanh có thêm các thanh hiển thị dấu chấm (.) thập phân, loại có nhiều hơn 7 thanh sắp xếp theo những hình dạng khác nhau Về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7 vạch - thƣờng là giải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các vi mạch giải mã họ TTL nhƣ 7446, 7447, họ CMOS là các vi mạch 4511; các vi mạch 4543SN74247, TIL308 Điện áp thuận rơi trên mỗi điốt của mỗi thanh khoảng 1,2 - 2V và dòng thuận qua LED tƣơng ứng với độ sáng thích hợp vào khoảng 10 - 20mA tùy độ lớn của LED. Nhƣợc điểm chính của LED 7 thanh là yêu cầu dòng lớn. 2.2.3 Cơ cấu chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD: Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học. Chúng đƣợc đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết hợp tủa ở mặt trong. Ở trạng thái bình thƣờng không bị kích hoạt ô tinh thể lỏng trong suốt cho ánh sáng đi qua nên thanh hiển thị tƣơng ứng trùng với mặt nền. Khi đƣợc kích hoạt (bởi điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung vuông tần số khoảng 50-60Hz) ô tinh thể lỏng phản xạ lại ánh sáng và thanh hiển thị tƣơng ứng sẽ nổi trên mặt phông. Hình 2.10: Hình dạng và cấu trúc của tinh thể lỏng LCD Ƣu điểm Thiết bị hiển thị tinh thể lỏng tiêu thụ dòng rất nhỏ, yêu cầu dòng khoảng 80µA. Chƣơng 2: Các cơ cấu đo lƣờng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 30 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1) Trình bày cấu tạo của cơ cấu chỉ thị kim từ điện Câu 2) Trình bày cấu tạo của cơ cấu chỉ thị kim Điện từ Câu 3) Trình bày cấu tạo của cơ cấu chỉ thị kim Điện động. Câu 4) Nêu các ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kim từ điện Câu 5) Nêu các ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kim Điện từ Câu 6) Nêu các ứng dụng của cơ cấu chỉ thị kim Điện động. Câu 7) Nêu các ứng dụng của thiết bị chỉ thị số. TRẮC NGHIỆM Câu 8: Xét theo sơ đồ mắc diode thì Led 7 đoạn có mấy loại a) 1 loại b) 2 loại c) 3 loại d) 4 loại Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 31 ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÕNG ĐIỆN. Trong các đại lƣợng điện , đại lƣợng dòng điện và điện áp là các đại lƣợng cơ bản nhất cho nên trong công nghiệp cũng nhƣ trong các nghiên cứu khoa học, ngƣời ta luôn quan tâm đến các phƣơng pháp và thiết bị đo dòng điện, điện áp Nội dung chính trong chƣơng 3 gồm 3.1. Đo dòng một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC). 3.2. Đo điện áp AC - DC. 3.3. Volt kế điện tử DC. 3.4. Volt kế điện tử đo AC. 3.5. Ample kế điện tử đo AC-DC. Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 32 3.1 Đo dòng một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC) Dụng cụ đƣợc sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet. Ký hiệu là: ( A ). Ampe kế có nhiều loại khác nhau Chia theo kết cấu ta có: + Ampe kế từ điện + Ampe kế điện từ + Ampe kế điện động + Ampe kế nhiệt điện + Ampe kế bán dẫn Hình 3.1: Đồng hồ số và kim Nếu chia theo loại chỉ thị ta có: + Ampe kế chỉ thị số (Digital) + Ampe kế chỉ thị kim (Analog) Nếu chia theo tính chất của đại lƣợng đo, ta có: + Ampe kế một chiều + Ampe kế xoay chiều Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là: - Công suất tiêu thụ và điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt, lý tƣởng là bằng 0. - Làm việc trong một dải tần cho trƣớc để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 33 - Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dƣới) Hình 3.2: Dùng đồng hồ số đo dòng điện qua bóng đèn 3.1.1 Đo dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều, ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu điện từ, từ điện hay điện động. Thông thƣờng ta sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện vì có độ nhạy cao lại tiêu thụ năng lƣợng ít khoảng 0.2 đến 0.4W và vạch chia trên thang đo đƣợc chia đều nên dễ đọc . Mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải nhƣ hình vẽ A K R Hình 3.3: Cách đấu nối Ampe kế với tải Trong đó: - I Là dòng điện qua phụ tải khi chƣa mắc ampe kế ( khi khoá K đóng ) - IA Là dòng điện qua phụ tải khi mắc ampe kế ( khi khóa K hở ) - RA Là điện trở nội của ampe kế - R Là điện trở của phụ tải - U Là điện áp nguồn cung cấp cho mạch điện Ta có I = U R và IA = U RA + R (3.1) Sai số tƣơng đối % = I - IA I 100% = RA RA + R 100% (3.2) Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 34 Kết luận Từ biểu thức trên , ta nhận thấy khi mắc ampe kế vào mạch , phép đo sẽ có sai số do dụng cụ đo có nội trở . Sai số này nhỏ khi nội trở RA của ampe kế nhỏ để giảm bớt tổn hao, nhƣ vậy khung dây ampe kế đƣợc quấn ít vòng dây nhƣng tiết diện phải lớn. 3.1.2 Đo dòng điện xoay chiều Nhƣ đã trình bày ở trên , cơ cấu điện từ và điện động đều hoạt động đƣợc với dòng xoay chiều. Do đó có thể dùng cơ cấu này trực tiếp hoặc mở rộng tầm đo dòng nhƣ đã đề cập ở phần trên. Riêng cơ cấu từ điện khi dùng ta phải biến đổi dòng AC thành DC bằng cách dùng diode để chỉnh lƣu dòng điện. Số lƣợng diode có thể là 1 ( nắn bán kỳ ) hoặc 4 diode ( nắn toàn kỳ ) Hình 3.4 : Sơ đồ mạch Diode bán kỳ và toàn kỳ nối với ampe kế Dòng điện qua diode nối tiếp với cơ cấu từ điện là dòng điện xoay chiều đã chỉnh lƣu thành dòng một chiều. Trị trung bình của dòng điện chỉnh lƣu   T 0 maxclcltb Idti T 1 I (3.3) Nếu dòng điện xoay chiều có dạng i = im sint - Khi đó nếu dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu bán kỳ ( dùng 1 diode ) thì Icltb = 0.318 2 Ihd (3.4) - Nếu dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu toàn kỳ ( dùng cầu diode ) thì Icltb = 0.636 2 Ihd (3.5) - Trƣờng hợp dòng điện AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 35 3.1.3 Mở rộng tầm đo dòng điện DC và AC Trong quá trình đo dòng điện , đôi khi giá trị cần đo lớn hơn giới hạn cho phép của cơ cấu đo , khi đó ta phải mở rộng thang đo cho ampe kế . Phƣơng pháp phổ biến là dùng điện trở shunt , điện trở shunt thƣờng làm bằng manganin mắc song song với cơ cấu đo ( Thông thƣờng dòng điện đi qua điện trở shunt lớn hơn dòng điện đi qua cơ cấu đo rất nhiều ) Hình 3.5 Sơ đồ mở rộng thang đo dòng dùng điện trở Shunt Khi có điện trở shunt trong mạch đo , dòng điện phân nhánh vào khung quay và điện trở shunt tỉ lệ nghịch với giá trị điện trở của chúng . Để thay đổi giới hạn khung đo của ampe kế, ta thay đổi giá trị điện trở shunt . Ta có thể điều chỉnh giá trị điện trở shunt để phù hợp cho từng giá trị dòng điện cần đo IS IA = RA RS hay Rs = RA . IA IS (3.6) Itt = IA + IS (3.7) Có hai loại điện trở shunt : Điện trở shunt gắn trong và điện trở shunt gắn ngoài - Điện trở shunt gắn trong đƣợc đặt trong ampe kế để đo dòng điện có giá trị nhỏ hơn 30A - Điện trở shunt gắn ngoài là bộ phận điện trở gắn ngoài đi kèm với ampe kế bộ điện trở shunt ngoài đƣợc đặt trong một hộp riêng để đảm bảo điều kiện tỏa nhiệt . Với bộ điện trở shunt gắn ngoài ta có thể đo dòng điện có cƣờng độ từ vài ampe đến 10KA . Shunt gắn ngoài có 4 cực, 2 cực nhỏ còn gọi là cực áp gắn vào ampe kế và 2 cực lớn còn gọi là cực dòng đấu với cực cần đo dòng điện. Lƣu ý tránh nhầm lẫn các cực để không hƣ cơ cấu đo. Hình 3.5: Kết nối điện trở shunt song song và nối tiếp Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 36 Đối với điện trở shunt mắc nối tiếp , giá trị điện trở thành phần đƣợc xác định theo biểu thức RK = RA n1 n1 - 1 ( 1 nK - 1 nK + 1 ) (3.8) Tính toán điện trở shunt để mở rộng thang đo Gọi n là hệ số điều chỉnh dòng điện (tỷ số giữa dòng điện phụ tải và dòng điện qua ampe kế ) n = I IA = IA + IS IA = 1 + RA RS (3.9) Ta có I IA = RS RA (3.10) Suy ra Rs = RA n - 1 (3.11) Nhƣ vậy để mở rộng thang đo, ta mắc RS có giá trị nhỏ hơn RA là ( n – 1 ) lần Ví dụ 1 Một cơ cấu đo có giá trị giới hạn đo là Imax = IA = 50A , điện trở nội của cơ cấu đo là R0 = 300 . Tính các giá trị của điện trở shunt để có thang đo 100A , 1mA và 10mA Hƣớng dẫn thực hiện Hệ số điều chỉnh dòng điện ở từng thang đo tƣơng ứng là Thang đo 100A n1 = I1 IA = 100 50 = 2 Thang đo 1mA n2 = I2 IA = 1000 50 = 20 Thang đo 10mA n3 = I3 IA = 10000 50 = 200 R1 = RA n1 n1 - 1 ( 1 n1 - 1 n2 ) R1 = 300 . 2 2 - 1 . ( 1 2 - 1 20 ) = 270  Tƣơng tự ta có R2 = 27  R3 = 3  Đối với ampe kiểu điện từ đƣợc chế tạo dựa trên cơ cấu đo chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu đo đƣợc chế tạo với số ampe vòng IW nhất định . - Đối với cơ cấu đo có cuộn dây hình xuyến thƣờng có ampe vòng là IW = 200 (A.vòng) Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 37 - Đối với cuộn dây dẹp có ampe vòng là IW = 100  150 (A.vòng) - Đối với mạch từ khép kín có ampe vòng là IW = 50  1000 (A.vòng) Kết luận Muốn mở rộng thang đo của ampe kế điện từ chỉ cần thay đổi sao cho IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = . . . = WNIN = const (3.12) Ví dụ 2 Một ampe kế điện từ có IW = 300 A.vòng có 3 tầm đo ( thang đo ) là I1 = 1A I2 = 5A và I3 = 10A . Xác định số vòng dây ở từng phân đoạn Hƣớng dẫn thực hiện Ta có IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = 300 (A.vòng) Khi đó ta xác định đƣợc số vòng ở từng phân đoạn cho từng thang đo - Ở thang đo I1 = 1A là W1 = 300 1 = 300 vòng - Ở thang đo I2 = 5A là W2 = 300 5 = 60 vòng - Ở thang đo I1 = 10A là W3 = 300 10 = 30 vòng Ampe kế điện từ có nhiều thang đo đƣợc chế tạo bằng cách chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau , khi thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này song song hay nối tiếp ta sẽ có các thang đo khác nhau Kết luận Ampe kế điện từ có nhiều nhất là ba thang đo vì khi tăng số lƣợng thang đo lên việc bố trí mạch chuyển thang đo sẽ phức tạp nên khó thực hiện Ví dụ 3 Một ampe kế điện từ có 2 thang đo , ta chia cuộn dây tĩnh thành hai phân đoạn bằng nhau, nếu nối tiếp 2 phân đoạn này ta sẽ đƣợc dòng điện là I1; Nếu đấu song song hai phân đoạn này ta sẽ đƣợc dòng điện là I2 = 2I1 Hình 3.6: Cách đấu nối tiếp và song song hai cuộn dây tĩnh Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 38 Việc mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện động : Mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động ( Tƣơng tự nhƣ mở rộng tầm đo cho cơ cấu từ điện ) Để thuận tiện cho việc đo cƣờng độ dòng điện lớn và hạn chế thao tác khi đo, ngƣời ta sử dụng ampe kềm là một dạng kết hợp đặc biệt của cơ cấu đo với biến dòng . Ampe kềm là thiết bị đo dòng điện rất tiện lợi vì khi cần đo dòng điện chạy qua một dây dẫn nào đó, ta không cần ngắt mạch điện để mắc dụng cụ đo vào nhƣ các loại ampe kế khác. Mạch từ của máy biến dòng trong ampe kế kềm có thể đóng mở đƣợc nhƣ một chiếc kềm. Khi cần đo dòng điện chạy qua dây dẫn ( phụ tải ), ta cho dây dẫn vào mạch từ khép kín , dây dẫn có dòng điện cần đo lúc này đóng vai trò cuộn dây sơ cấp của máy biến dòng với số vòng W1 = 1vòng . Trên mạch từ ta mắc thêm cuộn thứ cấp W2 vòng , hai đầu cuộn thứ cấp đƣợc nối với cơ cấu đo Theo nguyên lý hoạt động của biến dòng, ta có I1 I2 = W2 W1 (3.13) Do W1 = 1 vòng nên I2 = I1 W2 (3.14) Lƣu ý - Khi đo dòng điện chạy qua động cơ cần lƣu ý đến dòng khởi động để chọn thang đo thích hợp ( Ikđ = 3 - 7 Iđm ) - Khi sử dụng ampe kềm muốn chuyển tầm đo phải tách ampe kềm ra khỏi mạch cần đo, ampe kềm chỉ đo đƣợc dòng xoay chiều. - Khi sử dụng CT, tuyệt đối không để hở mạch thứ cấp vì lúc đó điện áp ở 2 đầu mạch thứ cấp có thể rất lớn gây nguy hiểm cho thiết bị và ngƣời sử dụng. Hình 3.7: Cấu trúc và hình dạng thực tế của ampe kềm 3.2 Đo điện áp AC - DC. Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter). Ký hiệu là: ( V ). Khi đo điện áp bằng Vôn kế thì Vôn kế luôn đƣợc mắc song song với đoạn mạch cần đo Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 39 Hình 3.8: Cách đo điện áp và mô hình một Vôn kế - Khi chƣa mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: t ngt t R RR E U .   (3.15) - Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: e nge V R RR E U .   (3.16) tV tV tVe RR RR RRR   . // (3.17) Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là: )( . 1 1 11 ngtV ngtt V t Vt u RRR RRU U U UU      (3.18) Nhƣ vậy, muốn sai số nhỏ thì yêu cầu Rv phải càng lớn càng tốt và lý tuởng là Rv ≈ ∞ Kết quả đo nếu muốn tính chính xác thì phải sử dụng công thức: Uv = (1+ γ u ).Ut (3.19) 3.2.1 Đo điện áp một chiều Các cơ cấu đo từ điện, điện từ, điện động đều hoạt động với dòng xoay chiều nên đƣợc dùng để chế tạo nên volt kế một chiều . Trong các cơ cấu đo trên, cơ cấu đo kiểu từ điện đƣợc sử dụng nhiều hơn cả vì có độ chính xác Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 40 cao và tiêu tốn ít năng lƣợng ( tổn hao thấp ) nhƣng cơ cấu này có nhƣợc điểm là điện áp định mức khoảng từ 50 mV đến 75mV . Cho nên khi đo điện áp lớn hơn giá trị định mức , ta phải mắc thêm điện trở shunt nối tiếp với cơ cấu đo Khi điện áp cần đo tạo ra dòng điện nằm trong giới hạn dòng tối đa của cơ cấu, thì ta có thể đo trực tiếp. Khi điện áp cần đo lớn, ta phải mở rộng tầm đo cho volt kế. Xét mạch điện nhƣ hình vẽ Hình 3.9: Mạch mắc Volt kế để đo áp trên tải Khi chƣa mắc volt kế vào mạch ( khoá K hở ) , điện áp rơi trên tải là Utải = E Rtải + R0 Rtải (3.20) Khi mắc volt kế vào mạch ( khóa k đóng ), điện áp rơi trên volt kế U = IV . RV = Itải . Rtải (3.21) I = IV + Itải = It ( 1 + RT RV ) (3.22) Nếu I = Itải thì phép đo chính xác nhất, và để phép đo đạt đƣợc chính xác khi RT RV = 0 hay RV >> Rtải (3.23) Công suất tiêu hao trên volt kế P = U 2 RV (3.24) Nhƣ vậy , để công suất tiêu hao trên volt kế nhỏ thì nội trở của volt kế phải rất lớn ( lớn hơn điện trở tải càng nhiều càng tốt ) Tính toán điện trở shunt để mở rộng thang đo Để tăng tính linh hoạt cho cơ cấu đo có thể đo đƣợc ở nhiều thang đo, ta sử dụng bộ điện trở Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 41 shunt gồm nhiều điện trở shunt có giá trị khác nhau mắc nối tiếp hoặc mắc độc lập Hình 3.10 Mắc điện trở Shunt với Volt kế để mở rộng thang đo Ta có Iv = UV RV = US RS (3.25) U = Uv + Us (3.26) U = ( 1 + RS RV ) Uv (3.27) Gọi kv là hệ số mở rộng thang đo, khi đó ta có KV = U UV (3.28) Suy ra U = KV UV hay KV = 1 + RP RV (3.29) Để hạn chế sai số trong quá trình đo, điện trở shunt thƣờng đƣợc chế tạo bằng manganin là vật liệu ít thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ Ví dụ 1 Một cơ cấu đo từ điện có dòng điện cực đại của khung đo là 60mA , điện trở của cơ cấu đo là RV = 10  . Tính giá trị điện trở Shunt gắn thêm vào để khung đo lệch hết kim khi đo nguồn điện áp 30V Hƣớng dẫn thực hiện Ta có IV = U RS + RV Suy ra RS = U IV - RV Thay các giá trị vào , ta đƣợc RS = 490  Nhƣ vậy để kim lệch hết khung đo khi đo nguồn điện 30V thì điện trở shunt cần mắc thêm vào phải có giá trị là RS = 490  Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 42 3.2.2 Đo điện áp xoay chiều Để đo điện áp xoay chiều , ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện, điện từ hay điện động kết hợp với chỉnh lƣu Hình 3.11: Đồng hồ đo điện áp xoay chiều Cơ cấu đo điện từ : mặc dù độ chính xác không cao nhƣng giá thành hạ nên đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Do yêu cầu điện trở nội của cơ cấu đo phải lớn nên số lƣợng vòng dây quấn trên cuộn tĩnh rất lớn từ 1000 đến 6000 vòng với cỡ dây nhỏ ( do dòng điện qua cuộn dây này nhỏ ). Do cơ cấu đo từ điện chỉ đo đƣợc điện áp một chiều, vì thế để đo điện áp xoay chiều bằng cơ cấu đo kiểu từ điện ta phải chỉnh lƣu điện áp xoay chiều thành điện một chiều Hình 3.12: Cấu trúc Cơ cấu từ điện đo áp xoay chiều Mạch chỉnh lƣu có thể sử dụng một diode, hai diode hay bốn diode ( cầu diode ) trong mạch chỉnh lƣu dùng 2 diode, diode D2 đƣợc gắn ngƣợc cực để tránh cho diode D1 chịu đƣợc điện áp ngƣợc ở bán kỳ âm của hiệu điện thế xoay chiều ( chỉ có bán kỳ dƣơng của điện áp xoay chiều qua cơ cấu đo ). Hình 3.13: Cách mắc tụ hoặc cuộn dây để khắc phục tần số cao Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 43 Để hạn chế sai số, ngƣời ta gắn điện trở shunt vừa có tác dụng mở rộng thang đo vừa có tác dụng bù nhiệt nên điện trở R1 đƣợc làm bằng đồng và R2 đƣợc làm bằng manganin còn tụ điện C dùng để bù sai số do tần số, ta cũng có thể thay tụ điện C bằng cuộn kháng L. Cơ cấu điện động : có số vòng dây ở cuộn tĩnh nhiều hơn và cỡ dây nhỏ hơn do volt kế cần điện trở nội lớn để hạn chế sai số trong quá trình đo. Ở volt kế điện động, cuộn dây tĩnh và cuộn dây động luôn mắc nối tiếp nhau. Ngƣời ta có thể chế tạo volt kế điện động có nhiều thang đo bằng cách thay đổi cách đấu hai phân đoạn cuộn dây tĩnh từ song song sang nối tiếp và nối tiếp với các điện trở phụ Đo điện áp cao: Đối với điện áp lớn hơn 600 V ta có thể sử dụng biến áp đo lƣờng kết hợp với cơ cấu đo để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp. Việc sử dụng biến áp đo lƣờng có ƣu điểm là đảm bảo an toàn trong quá trình đo và tạo ra điện áp phù hợp với điện áp cơ cấu đo Nguyên lý hoạt động của biến áp đo lƣờng giống nhƣ biến dòng KU = U1 U2 = W1 W2  I2 I1 (3.30) Hay U1 = KU . U2 (3.31) Khi biết giá trị U2 , ta sẽ xác định đƣợc giá trị thực của điện áp cần đo ( KU đƣợc ghi trên biến áp đo lƣờng ). Trong khi làm việc, không đƣợc để cho máy biến điện áp ngắn mạch ở thứ cấp. Hình 3.14: Biến áp đo lƣờng kết hợp cơ cấu đo áp Lƣu ý khi sử dụng biến áp đo lƣờng Để đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị, cuộn dây thứ cấp đƣợc nối đất bảo vệ. Các máy biến điện áp đƣợc chế tạo với công suất từ 25 – 1000VA và điện áp thứ cấp phù hợp với các dụng cụ Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 44 đo từ 1 đến 100V ( thông thƣờng ngƣời ta qui định điện áp thứ cấp U2 định mức là 100V ) Do tổng trở của các dụng cụ đo nối với thứ cấp rất lớn nên máy biến điện áp đƣợc chế tạo để làm việc ở trạng thái không tải vì thế không đƣợc nối thứ cấp với đồng hồ đo ampe hay để bị nối tắt ( ngắn mạch thứ cấp ) vì nếu bị ngắn mạch thứ cấp sẽ tạo ra dòng điện rất lớn phía sơ cấp gây nên sự cố ngắn mạch trên lƣới điện và tuyệt đối không đƣợc nối thứ cấp với phụ tải. Ví dụ Xác định điện áp của nguồn điện cấp cho phụ tải, biết rằng điện áp hiển thị trên cơ cấu đo là 50V và tỷ số biến áp đo lƣờng là KU = 100 Hƣớng dẫn thực hiện Ta có U1 = KU . U2 = 100 . 50 = 5000 V Nhƣ vậy điện áp nguồn cung cấp cho phụ tải có giá trị là 5000V Cách sử dụng và bảo quản cơ cấu đo - Đọc kỹ các ký hiệu ghi trên volt kế: Cấp chính xác, cách đặt cơ cấu đo, nội trở cơ cấu đo - Chọn volt kế theo mục đích sử dụng : đo điện áp xoay chiều, điện áp một chiều - Chọn volt kế có dải tần số trùng với dải tần của điện áp cần đo - Chọn theo dải lƣợng trình đo của volt kế - Chọn nội trở của volt kế RV lớn hơn điện trở R của mạch đo từ 50 đến 100 lần - Khi đo điện áp một chiều cần lƣu ý đến cực tính của nguồn cần đo - Chọn thang đo có trị số lớn hơn giá trị cần đo - Các tiếp xúc phải chắc chắn và không đƣợc chạm tay vào phần tử dẫn điện khi đo - Không để volt kế ở nơi có nhiệt độ cao, hay ở nơi có từ trƣờng mạnh hoặc nơi ẩm ƣớt - Tránh gây chấn động mạch trong quá trình vận chuyển hay trong quá đo 3.3 Volt kế điện tử DC. Vôn kế điện tử là dụng cụ đo dùng công nghệ số để thị kết quả bằng con số mà không phụ thuộc vào cách đọc của ngƣời đo. Tuỳ thuộc vào phƣơng pháp biến đổi ngƣời ta phân thành:  Vôn kế số chuyển đổi thời gian  Vôn kế số chuyển đổi tần số  Vôn kế số chuyển đổi bù Hoạt động ổn định, độ nhạy cao, dải điện áp hoạt động rộng, đầu đo trực tiếp. Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 45 Hình 3.15: Hình dạng và board mạch Volt kế điện tử DC 3.4 Volt kế điện tử đo AC. Có 3 phƣơng pháp đo điện áp AC :  Phƣơng pháp chỉnh lƣu : tƣơng tự nhƣ trong vôn kế thƣờng dùng hệ số dạng Kf  Phƣơng pháp trị hiệu dụng thực : ƣu điểm không phụ thuộc dạng tín hiệu - Dùng IC lấy trị hiệu dụng tín hiệu, phụ thuộc tần số tín hiệu do mạch tích phân - Dùng cảm biến nhiệt điện ( cặp nhiêt điện ) : không phụ thuộc dạng và tần số tín hiệu. Nhƣng phụ thuộc nhiệt độ môi trƣờng và duy trì năng lƣợng tín hiệu đo. Dùng cảm biến bù (compensation) để loại bỏ khuyết điểm trên.  Dùng hệ số đỉnh Kp (Kp = trị đỉnh / trị hiệu dụng) : chuyển đổi trị hiệu dụng sang trị đỉnh hoặc ngƣợc lại. Trị đỉnh hoặc trị đỉnh- đỉnh không phụ thuộc dạng tín hiệu Hình 3.16: Hình dạng Volt kế điện tử đo AC Ngoài ra còn có thể sử dụng volt mét có bộ vi xử lý thực hiện theo phƣơng pháp thời gian xung 3.5 Ample kế điện tử đo AC-DC. Ampe kế điện tử thƣờng là một trong những chế độ hoạt động của vạn năng kế điện tử. Bản chất hoạt động của loại ampe kế này có thể mô tả là một vôn kế điện tử đo hiệu điện thế, là điện áp rơi trên điện trở shunt khi có dòng điện chạy qua. Các thang đo khác nhau đƣợc điều chỉnh bằng việc chọn các shunt khác nhau. Cƣờng độ dòng điện đƣợc suy ra từ hiệu điện thế đo đƣợc qua định luật OHM Nguyên lý: chuyển dòng điện đo thành điện áp đo, điện áp đo đƣa vào vôn kế điện tử. Sau khi chuyển đổi dòng AC sang điện áp AC dùng phƣơng pháp đo điện áp AC nhƣ đã đề cập ở phần trên Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 46 Đo dòng DC: Nguyên tắc: chuyển dòng cần đo Iđo thành: V=Rs Iđo (3.32) Cơ cấu sẽ tiến hành đo điện áp V, nhƣng phân tầm đo khắc độ theo Iđo. Đo dòng AC: Nguyên tắc: chuyển dòng cần đo IAC thành VAC = RIAC (3.33) Sau đó chuyển VAC sang VDC rồi đo. Kết quả khắc độ theo IAC Hình 3.16: Hình dạng ampe kế điện tử Chƣơng 3: Đo điện áp và dòng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 47 CÂU HỎI ÔN TẬP TỰ LUẬN Bài 1: Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100μA và điện trở cuộn dây RCT = 1kΩ. Tính điện trở sun cần thiết để biến dụng cụ thành 1 ampe kế có độ lệch thang đo 100mA và độ lệch thang đo 1A. Bài 2: Một ampe kế từ điện có dòng điện cực đại chạy qua chỉ thị là 0,1mA; điện trở khung dây chỉ thị RCT = 99Ω. Điện trở sun RS = 1Ω. Xác định dòng đo đƣợc khi kim của ampe kế ở vị trí: a) Lệch toàn thang đo b) Lệch 1/2 thang đo c) Lệch 1/4 thang đo Bài 3: Một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1= 0,05Ω; R2 = 0,45Ω; R3 = 4,5Ω mắc nối tiếp. RCT = 1kΩ; ICT = 50μA. Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 trƣờng hợp đó. Bài 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là C = 0.1mA; Rct = 100Ω. Tính giá trị Rs để đo đƣợc các giá trị dòng tối đa là 1A, 2A và 3A Bài 5: Một dụng cụ đo từ điện nam châm vĩnh cửu với độ lệch toàn thang là 100μA và Rct = 1kΩ đƣợc sử dụng để làm Vôn kế. a) Xác định điện trở nhân cần thiết nếu muốn đo điện áp 100V trên toàn thang. b) Tính điện áp đặt vào khi kim chỉ 3/4; 1/2 và 1/4 ĐLTT Bài 6: Một dụng cụ đo từ điện nam châm vĩnh cửu với độ lệch toàn thang là 100μA và Rct = 1kΩ đƣợc dùng nhƣ một Vôn kế xoay chiều có độ lệch toàn thang là 100V bằng cách sử dụng sơ đồ chỉnh lƣu cầu diode nhƣ hình trên. a) Xác định giá trị của điện trở nhân cần thiết b) Xác định số chỉ của kim khi điện áp vào Vrms là 75V và 50V c) Tính độ nhạy của Vôn kế trên Bài 7: Hãy kiểm định lại giá trị điện trở của một cơ cấu đo sau Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 48 : ĐO ĐIỆN TRỞ. Điện trở là một linh kiện rất quan trọng và đƣợc dùng rất phổ biến trong hầu hết các mạch điện tử nhằm mục đích điều chỉnh các điện áp và dòng điện cần thiết cho các linh kiện khác dựa vào tính chất định luật ôm: I = U/R; U = I.R Tùy theo yêu cầu thực tế và mức độ chính xác mà ta có các phƣơng pháp đo điện trở khác nhau gồm: Phƣơng pháp đo gián tiếp và phƣơng pháp đo trực tiếp.  Phƣơng pháp đo gián tiếp là phƣơng pháp đo điện áp U bằng Vôn mét, dòng điện I bằng Ampe mét, sau đó tính điện trở R bằng công thức định luật OHM: R = U/I. Hoặc phƣơng pháp dùng mạch cầu đơn Wheatstone, cầu đôi Kelvin.  Phƣơng pháp đo trực tiếp là phƣơng pháp dùng các thiết bị đo nhƣ Ômmét, farađomét, henrimét...để xác định trực tiếp giá trị của điện trở. Nội dung chƣơng 4 gồm các phần chính sau: 4.1. Đo R bằng V-kế và A-kế. 4.2. Cầu Wheatstone. 4.3. Cầu đôi Kelvin. 4.4. Đo R có trị số lớn. 4.5. Đo điện trở nối đất. Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 49 4.1 Đo R bằng V-kế và A-kế Tùy theo giá trị điện trở cần đo lớn hay bé mà ta có các cách mắc mạch đo khác nhau Hình 4.1: Cách mắc rẻ ngắn và rẻ dài đo điện trở Đọc giá trị Giá trị của điện trở chính bằng trị số của điện áp đo đƣợc trên Vôn mét chia cho trị số của dòng điện đo đƣợc trên Ampe mét RX = (4.1) Đo điện trở theo phƣơng pháp này gây sai số rất lớn vì Vôn mét không thể có điện trở vô cùng lớn và các Ampe mét thì không thể có điện trở bằng không.  Theo cách rẻ ngắn, volt kế mắc song song với tải thì ta có: RX = (4.2) Sai số của phép đo điện trở là: (4.3) Trong đó : R’X : là giá trị điện trở đo đƣợc theo Vôn mét và Ampe mét. (4.4) RX là giá trị điện trở thực. Nếu RV >> RX thì: (4.5)  Theo cách rẻ dài, ampe kế mắc nối tiếp với tải thì ta có: (4.6) Sai số của phép đo điện trở là : A V I U v vX R U I U II U I U     Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 50 (4.7) Từ các biểu thức trên, ta đƣợc: (4.8) Từ đó ta thấy rằng: Để đo điện trở có giá trị nhỏ ta dùng sơ đồ rẻ ngắn (còn gọi là mạch đo A- V), để đo điện trở có giá trị lớn ta dùng sơ đồ rẻ dài (còn gọi là mạch đo V-A). 4.2 Cầu Wheatstone. Mạch cầu tiêu chuẩn, thƣờng đƣợc gọi là cầu Wheatstone. Cầu Wheatstone (Cầu đơn) là một thiết bị dùng để đo điện trở rất chính xác. Mạch cầu gồm hai điện trở cố định R2 và R3 và điện trở điều chỉnh đƣợc R1, điện trở cần đo RX và điện kế chỉ không (CT). Cầu đƣợc cung cấp bằng nguồn điện một chiều U0, các điện trở R1, R2, R3 đƣợc chế tạo bằng điện trở Manganin có độ ổn định và độ chính xác cao. Hình 4.2 : Sơ đồ mắc mạch cầu Wheatstone Xác định điện trở chƣa biết RX : ngƣời ta điều chỉnh biến trở R1 cho đến khi điện kế chỉ zero, lúc đó cầu đang ở chế độ cân bằng, nghĩa là điện thế tại hai điểm Va = Vb (Uab = 0v). Do dòng điện không đi qua điện kế nên I1 sẽ chạy qua R1 , R2 và I2 sẽ chạy qua R3 , RX , ta có: I1R2 = I2R3 (4.9) I1R1 = I2RX (4.10) Từ đó ta đƣợc  11 21 RI RI xRI RI 2 32 hay  1 2 R R xR R3 và RxR2=R1R3 (4.11) Từ đó tính đƣợc điện trở chƣa biết Rx= 1 2 3 R R R (4.12) Với R3 và R2 là các điện trở cố định Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 51 Hình 4.3 : Dụng cụ do dùng mạch cầu Wheatstone Ví dụ: Giải đo R = 50 ÷ 105 Ω cấp chính xác 0,05 % với giải đo R = 105 ÷ 106 Ω đạt cấp 0,5%. 4.3 Cầu đôi Kelvin. Một biến thể của cầu Wheatstone là cầu nối Kelvin đôi, dùng để đo điện trở rất thấp (thƣờng ít hơn 1/10 của một Ohm). Hình 4.4 : Sơ đồ mắc kiểu cầu Kelvin Vì vậy, khi tỷ lệ giữa RM và RN là bằng tỷ lệ giữa Rm và Rn, phƣơng trình cân bằng là không phức tạp hơn so với cầu Wheatstone Đặt Rm/Rn = RM/RN , khi đó Rx đƣợc tính: (4.13) Cầu kép là thiết bị đo điện trở nhỏ và rất nhỏ mà các cầu đơn trong quá trình đo không thuận tiện tuy nhiên có sai đó lớn do điện trở nối dây và điện trở tiếp xúc. Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 52 (4.14) Khoảng đo của cầu kép thông thƣờng từ 10µΩ (hoặc 10-5Ω) đến 1Ω. Tùy thuộc vào độ chính xác của linh kiện mà độ chính xác của phép đo có thể đạt đến ± 0,2%. Hình 4.5 : Dụng cụ do dùng mạch cầu Wheatstone 4.4 Đo R có trị số lớn. Phƣơng pháp gián tiếp Phƣơng pháp gián tiếp (vônmét và ampemét) có thể đo các điện trở lớn 105 ÷ 1010Ω nhƣ điện trở cách điện. Trong quá trình đo cần loại trừ dòng điện rò qua dây dẫn hoặc qua cách điện của thiết bị. Muốn tránh dòng điện rò cần phải sử dụng màn chắn tĩnh điện hoặc dây dẫn bọc kim. Một vấn đề xuất hiện khi đo những điện trở rất nhỏ là có hai thành phần điển trở : điện trở khối và điện trở rò bề mặt. Trong thực tế điện trở bề mặt và điện trở khối tổ hợp lại đó là điện trở hiệu dụng của lớp cách điện. Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp phải tách riêng hai điện trở đó ra. Để tách hai thành phần điển trở ngƣời ta sử dụng các điện cực đo và cực phụ Khi đo điện trở cách điện khối mạch điện kế G đo dòng điện xuyên qua khối cách điện (cở µA), còn dòng điện rò trên bề mặt vật liệu qua điện cực phụ nối đất. Điện trở cần đo đƣợc xác định qua vônmét và điện kế G, Nguồn điện cung cấp khoảng kvolt, điện trở R khoảng 1MΩ. RX = đkI U (4.15) Để đo điện trở mặt cũng đƣợc xác định qua vônmét và điện kế G. Dùng Mêgô mét Hầu hết ohmmeters của thiết kế thể hiện trong phần trƣớc sử dụng một pin của điện áp tƣơng đối thấp, thƣờng là chín volts hoặc ít hơn. Điều này là hoàn toàn phù hợp để đo điện trở dƣới vài mega-ohms (MΩ), nhƣng khi kháng rất cao cần phải đƣợc đo, thì với nguồn pin 9 volt là Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 53 không tạo ra đủ dòng điện cảm ứng cần thiết để đo đƣợc chính xác. Mêgômmét là dụng cụ đo xách tay đƣợc dùng rộng rãi để kiểm tra điện trở cách điện của các dây cáp điện, các động cơ, máy phát và biến áp điện lực. Dụng cụ gồm có nguồn cao áp cung cấp từ máy phát điện quay tay, điện áp có thể có trị số 500 V hoặc 1000V và chỉ thị là 1 lôgômmét từ điện, gồm hai khung dây, một khung tạo mômen quay và một khung dây tạo mômen phản kháng. Hình 4.6: Cấu trúc của megamet Góc quay α của cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện chạy qua hai khung dây trong đó dòng điện I1 đi qua khung dây W1, điện trở R1, I2 đi qua khung dây W2, điện trở R2, RX, R3. Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý megamet Ta có : I1 = 11 0 rR U  (4.16) I2 = 322 0 RRrR U X  (4.17) Trong đó, r1, r2 điện trở của khung dây Dƣới tác động của lực điện từ giữa từ trƣờng và dòng điện qua các khung sẽ tạo ra mômen Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 54 quay M1 và mômen cản M2. Ở tại thời điểm cân bằng M1=M2. Ta có : α =F( 2 1 I I )= F ( 11 232 rR RrRR X   ) (4-18) Các giá trị R1, R2, R3 và r1, r2 là hằng số nên góc quay α tỷ lệ với Rx không phụ thuộc vào điện áp cung cấp. Hình 4.8 Hình ảnh Mêgômmét và cách đo điện trở cách điện. 4.5 Đo điện trở nối đất. Nối đất là biện pháp kỹ thuật rất quan trọng nhằm bảo vệ an toàn cho con ngƣời, tạo mốc điện thế, bảo vệ chống quá áp và quá dòng, nối đất tín hiệu Hình 4.9: Hình ảnh một số đồng hồ đo điện trở đất Điện trở nối đất của các điện cực nối đất phải đáp ứng đƣợc yêu cầu bởi các quy định của quốc gia hoặc các yêu cầu về chuẩn kỹ thuật. Có vài phƣơng pháp đo điện trở nối đất, ví dụ các phƣơng pháp điện áp và các phƣơng pháp tổng trở mạch vòng. Các phƣơng pháp này đƣợc áp dụng rộng rãi và đều phải sử dụng các điện cực phụ để đo. 4.5.1 phƣơng pháp điện áp Đây là một phƣơng pháp đo điện trở nối đất cũ cho ra giá trị chính xác của điện trở nối đất. Để Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 55 đánh giá điện trở nối đất của điện cực nối đất của đối tƣợng đo, ta phải đóng hai điện cực phụ vào trong đất để bơm dòng và đo áp. Tuy nhiên ta thƣờng gặp khó khăn khi đo điện trở nối đất mà bề mặt của đất đƣợc phủ bởi bê tông, nhựa đƣờng hay đá. Vì vậy cần phải xây dựng kỹ thuật đo mà không cần các điện cực phụ. Hình 4.10: Cách kết nối đo điện trở đất 4.5.2 Kỹ thuật đo điện trở nối đất mới Phƣơng pháp đo mà không cần các điện cực phụ P và C, hoặc dây nối đến P. Ở đây, dây ra đƣợc nối đến điện cực nối đất cần đƣợc thử nghiệm và dây trở về chỉ đƣợc nối đến máy phát tín hiệu Vs. Phía kia của dây trở về để hở. Dây ra và dây trở về có vỏ cách điện với mặt đất. Hình 4.11: Mô tả hệ thống đo điện trở đất mới Một vài ứng dụng của việc đo điện trở nối đất Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 56 Hình 4.12: Đo điện trở tiếp địa Hình dƣới mô tả việc áp dụng đồng thời hệ thống chống sét và chống xung cho đƣờng nguồn ở tủ phân phối vào trong cùng một thiết bị, để tránh việc phải tách riêng từng phần và có thể cung cấp sản phẩm hoàn chỉnh cho từng hệ thống hạ thế (TN-C, TN-S, TT). Hình 4.13: Hệ thống nối đất chống sét và chống xung Chƣơng 4: Đo điện trở. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 57 CÂU HỎI ÔN TẬP TỰ LUẬN Câu 1) So sánh cách thức đo điện trở dùng phƣơng pháp đo V –A và A – V Câu 2) Trình bày phƣơng pháp và biểu thức tính điện trở Rx theo phƣơng pháp cầu đơn Wheatstone. Câu 3) Trình bày phƣơng pháp và biểu thức tính điện trở Rx theo phƣơng pháp Cầu đôi Kelvin. Câu 4) Trình bày các phƣơng pháp có thể đo điện trở có giá trị nhỏ và trung bình Câu 5) Trình bày các phƣơng pháp và dụng cụ có thể đo điện trở có giá trị lớn Câu 6) Cho biết sự cần thiết của việc đo điện trở đất, và nêu vài ứng dụng của nó trong thực tế TRẮC NGHIỆM Câu 7: Để đo điện trở cách điện ta nên dùng a) OHM kế b) Đồng hồ VOM kim c) Đồng hồ VOM điện tử số d) MegaOhm mét Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 58 ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM, HỖ CẢM. Các thông số cơ bản thƣờng dùng trong tính toán và thiết kế mạch điện nhƣ điện trở R, điện dung C và dung kháng Zc, điện cảm L, và cảm kháng ZL, góc tồn hao, công suất, điện năng. Để thực hiện việc đo đạc các giá trị của điện dung, điện cảm hay hỗ cảm ta có thể dùng các đồng hồ chuyên dụng hoặc dùng các đồng hồ volt kế, ample kế hoặc dùng các sơ đồ mạch cầu. Nội dung chính của chƣơng 5 gồm các phần: 5.1. Đo C, L và M dùng Volt kế, Ample kế. 5.2. Đo C và L dùng cầu đo. Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 59 5.1 Đo C, L và M dùng Volt kế, Ample kế. 5.1.1 Đo điện dung C dùng Volt kế, Ample kế Để đo giá trị điện dung C ta có thể mắc tụ C cần đo theo sơ đồ sau : Hình 5.1 : Sơ đồ đo điện dung dùng đồng hồ Volt kế và Ample kế Không kể đến thành phần Rx của tụ điện, ta có: Zcx = V/I = 1/Cxω (5.1) suy ra: Cx = I/Vω (5.2) Khi kể đến Rx, ta có: Rx = P/I 2 (5.3) Đồng thời : ZCX = V/I = √ (5.4) Từ đó ta tìm đƣợc điện dung cần đo √ √ (5.5) 5.1.2 Đo điện cảm L dùng Volt kế, Ample kế Để đo giá trị điện cảm L ta có thể mắc cuộn dây L cần đo theo sơ đồ sau : Hình 5.2 : Sơ đồ đo điện cảm dùng đồng hồ Volt kế và Ample kế Tổng trở cuộn dây : √ (5.6) Từ đó tìm đƣợc cuộn cảm : √ (5.7) Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 60 Rx đƣợc xác định trƣớc, trong trƣờng hợp Rx đƣợc xác định bởi watt kế, ta có √ (5.8) 5.1.3 Đo hỗ cảm M dùng Volt kế, Ample kế Để đo hệ số hỗ cảm M của hai cuộn dây ta mắc theo sơ đồ sau : Hình 5.3 : Đo M dùng vôn kế,ampe-kế Cách đo 1 lần: Ta có hỗ cảm M = V/Iω. (5.9) Cách đo 2 lần: Lần đầu ta đo điện cảm tƣơng đƣơng La của 2 cuộn dây mắc nối tiếp Ta có: La = L1 + L2 + 2M (5.10) La đƣợc xác định bởi tổng trở Za: √ (5.11) Lần đo thứ 2, ta đo điện cảm tƣơng đƣơng Lb của 2 cuộn dây mắc ngƣợc chiều nhƣ hình Hình 5.4 : Đo Lb dùng hai cuộn dây mắc ngƣợc chiều Ta có: Lb = L1 + L2 - 2M (5.12) Trong đó, Lb đƣợc xác định bởi Zb √ (5.13) Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 61 Từ đó ta tính hỗ cảm M: M = (La –Lb)/4 (5.14) 5.2 Đo C và L dùng cầu đo. 5.2.1 Đo điện dung Tụ điện lý tƣởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không đi qua tụ ) nhƣng trong thực tế do có lớp điện môi nên vẫn có dòng điện nhỏ đi qua từ cực này đến cực kia. vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Cầu đo điện dung tổn hao nhỏ Hình 5.5: Sơ đồ cầu đo xoay chiều điện dung tổn hao nhỏ. Cầu gồm có 4 nhánh trong đó R1,R2 là thuần trở các nhánh còn lại là Xx,Rx và điện trở mẫu Rm,Cm điều chỉnh đƣợc. Đƣờng chéo cầu đƣợc mắc điện kế G chỉ cân bằng và nguồn cung cấp xoay chiều U. Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Mạch cầu đo có R1, R2 là các điện trở thuần, CM mắc song song với RM là điện dung và điện trở mẫu; Rx, Cx là điện trở và điện dung của tụ điện cần đo. Hình 5.6: Sơ đồ cầu đo xoay chiều điện dung tổn hao lớn Khi cần cân bằng ta có: Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 62 Z1.Z3 = Z2.Z4 (5.15) Trong đó Z1= xx CjR /1 1 (5.16) Z2=R1;Z3=R2 (5.17) Z4= MM CjR /1 1 (5.18) 5.2.2 Đo cuộn cảm L Cuộn cảm lý tƣởng là cuộn dây chỉ có thành phân điện kháng là (X L = ωL) hoặc chỉ thuần cảm L, nhƣng trong thực tế các cuộn dây bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất của cuộn dây càng kém. Q là thông số đặc trƣng cho phẩm chất của cuộn dây, đƣợc tính bằng công thức: Q = XL/RL (5.19) Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu Mạch cầu so sánh điện cảm có LX, RX là các thông số điện cảm và điện trở cần xác định. Lm, Rm là điện cảm và điện trở chuẩn. Hai nhánh còn lại là các điện trở R1 và R2 cũng là các điện trở có độ chính xác cao. Ta điều chỉnh các điện trở Rm và R1 , R2 để đạt đƣợc cân bằng cầu. Hình 5.7: Mạch cầu so sánh điện cảm mẫu Ở chế độ cân bằng ta có: Z1.Z4 = Z2.Z3 (5.20) Với : Z1 = Rm + jωLm ; Z3 = R2Z2 = RX + jωLX ; Z4 = R1 Thay các biểu thức trên, ta đƣợc: R1.(Rm + jωLm) = R2(RX + jωLX) (5.21) Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 63 Cân bằng các thành phần thực và ảo ta đƣợc: R1.Rm = R2.RX => RX = .Rm (5.22) j.R1.ωLm = j.R2.ω.LX => LX = .Lm (5.23) Cầu điện cảm Maxwell Các tụ điện chuẩn chính xác dễ chế hơn cuộn dây điện cảm chuẩn, do đó ngƣời ta thƣờng dùng điện dung chuẩn để đo điện cảm hơn là sử dụng các cuộn điện cảm chuẩn. Cầu có tụ điện nhƣ vậy gọi là cầu Maxwell. Trong mạch cầu, tụ điện chuẩn C3 mắc song song với điện trở R3 , các nhánh còn lại là điện trở R1 và R4. Các điện trở R3 , R1 n, R4 là các điện trở có thể điều chỉnh đƣợc, RX và LX là điện trở và điện cảm của cuộn dây cần đo. Khi mạch cầu cân bằng ta có: Z1.Z4 = Z2.Z3 (5.24) Trong đó: Z1 = R1 ; Z2 = RX + jωLX ; Z3 = ; Z4 = R4 ; Hình 5.8: Sơ đồ mạch cầu điện cảm Maxwell Thế vào phƣơng trình cân bằng ta đƣợc: R1.R2 = (RX + jωLX). (5.25) Hoặc : + jωC3R1 = (5.26) 2 1 R R 2 1 R R 33/1 1 CjR  33/1 1 CjR  2 1 R R 444 R L j R R R LjR xXXX    Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 64 Cân bằng các thành phần thực và ảo ta đƣợc: → RX = .R4 (5.27) ωC3R1 = ωLX/R4  LX = C3.R1.R4 (5.28) Cầu Maxwell chỉ thích hợp khi đo các cuộn cảm có hệ số phẩm chất thấp (ωLX không lớn hơn RX nhiều). Đo các cuộn cảm có hệ số phẩm chất cao ngƣời ta thƣờng dùng cầu điện cảm Hay. Cầu điện cảm Hay Cầu điện cảm Hay tƣơng tự nhƣ cầu điện cảm Maxwell, chỉ khác ở chổ điện trở R3 đƣợc mắc nối tiếp với tụ C3. Điện cảm LX và điện trở RX đƣợc biểu diễn dƣới dạng mạch song song và LX, RX đo đƣợc là các thành phần của mạch song song. Hình 5.9: Sơ đồ mạch cầu điện cảm Hay Khi cầu cân bằng ta có: Z1.Z4 = Z2.Z3 (5.29) Trong đó: Z1 = R1 ; Z2 = ; Z3 = R3 + 1/jωC3; Z4 = R4 Thế vào phƣơng trình cân bằng ta đƣợc: R1.R4 = ( ). (R3 + 1/jωC3 ) (4.30) Hoặc : R4(1/RX – j/ωLX) = (5.31) Và ta có : R4/RX – jR4/ωLX = R3/R1 – j/ωC3R1 (5.32) Cân bằng thành phần thực và ảo ta đƣợc: 43 1 R R R R X 3 1 R R LjRX /1/1 1  LjRX /1/1 1  1 33 /1 R CjR  Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 65 R4/RX = R3/R1 => RX = R4(R1/R3) (5.33) R4/ωLX = 1/ωC3R1 => LX = C3.R1.R4 (5.34) Cầu điện cảm Hay thƣờng đƣợc sử dụng để đo các cuộn dây có hệ số phẩm chất Q cao. Ngoài các mạch cầu giới thiệu trên ngƣời ta còn dùng một số loại mạch cầu khác nhƣ : Cầu Owen dùng để đo điện cảm (Lxvà Lx) trong đó Z1 đƣợc thay bằng tụ C1 có thể điều chỉnh đƣợc. Khi cân bằng ta xác định đƣợc các giá trị của điện cảm Lx vàRx. Cx= (5.35) Rx= (5.36) Cầu Schering: dùng để đo các tụ điện dung nhỏ và các tụ cao áp. Trong đó tụ điện C3 có thể thay đổi đƣợc trị số. Khi cầu cân bằng ta xác định đƣợc: Cx= (5.37) Rx= (5.38) Hình 5.10: Sơ đồ mạch cầu Owen và cầu Schering 4 321 R RRC 3 43 C RC 4 31 R RC 1 43 C RC Chƣơng 5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 66 CÂU HỎI ÔN TẬP TỰ LUẬN : 1) Cầu xoay chiều dùng để làm gì? Dụng cụ chỉ không (zêrô) có tác dụng nhƣ thế nào trong cầu xoay chiều? 2) Trình bày phƣơng pháp đo điện dung của các tụ điện có điện dung bé ? 3) Trình bày phƣơng pháp đo điện dung của các tụ điện có điện dung lớn ? 4) Trình bày phƣơng pháp đo điện cảm của cuộn dây bằng cách dùng điện cảm mẫu ? 5) Trình bày phƣơng pháp đo điện cảm của cuộn dây bằng cách dùng cầu điện cảm Maxwell ? 6) Trình bày phƣơng pháp đo điện cảm của cuộn dây bằng cách dùng cầu điện cảm Hay ? TRẮC NGHIỆM Câu 6: Để đo điện cảm có nội trở nhỏ ta dùng a) Mạch cầu Maxwell b) Mạch cầu Hay c) Mạch cầu Owen d) Mạch cầu xoay chiều