Giáo trình Đo lường điện - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Nam Định

pha giữa hai kênh. Khoá S được đưa về vị trí 1 (hình 6.6) Khi quay pha k ở vị trí 0 bằng cách thay đổi quay pha phụ để đạt được vị trí ở bộ chỉ thị cân bằng. Sau đó khoá S được chuyển về vị trí 2 và điều chỉnh quay pha chuẩn cho đến khi đạt được vị trí 0 ở bộ chỉ thị cân bằng. Khi đó kết quả sẽ được đọc ở bộ quay pha chuẩn k (có khắc độ trên mặt). Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 147 2. Fazômét kiểu bù tự động Kiểu bù bằng tay không thuận tiện và độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào người điều khiển. Hơn nữa nhiều khi cần phải theo dõi sự thay đổi của góc pha theo thời gian. Điều này dẫn đến việc chế tạo Fazômét kiểu bù tự động. Sơ đồ khổi của một Fazômét kiểu bù tự động vẽ ở hình 6.7 Một đầu vào U2 được đưa trực tiếp vào bộ chỉ thị cân bằng còn đầu vào U1 qua một loạt các bộ quay pha đấu nối tiếp nhau 1 n ữ , chúng cho ra góc lệch pha tương ứng là 180o/20, 180o/21,180o/2n-1. Khi có độ lệch pha giữa các tín hiệu vào. Xuất hiện tín hiệu ở đầu ra bộ chỉ thị cân bằng và mở khoá K. Xung từ máy phát xung nhịp (clock) Bộ đếm Mạch phân phố bằng Trigơ K MF KnK2K1 1 180o/2o 2 180o/21 n 180o/22 U1 U2 Quay pha chuẩn Quay pha phụ 1 2 U1 U2 Hình 6.6. Fazômét kiểu bù bằng tay Hình 6.7. Fazômét kiểu bù tự động Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định148 đi vào bộ phân phối bằng Trigơ lần lượt đưa tín hiệu vào điều khiển các khoá k1, k2, kn làm ngắn mạch một nhóm các quay pha cho đến khi tín hiệu ra ở bộ chỉ thị cân bằng bằng 0. Độ lệch pha sẽ được ấn định bởi những bộ quay pha, mạch phân bố bằng trigơ và bộ chỉ thị ở đầu ra. Phương pháp cân bằng kiểu bù đã được sử dụng để chế tạo ra các loại Fazômét như 2 − 4, 2 − 6, 2 − 9,Ví dụ Fazômét 2 − 4 có khoảng đo là ± 240o với sai số 0,7o ở tần số 20Hz ữ60Hz. Với phương pháp biến đổi tần số trung gian có thể mở rộng khoảng tần số của dụng cụ đến 10MHz, nhưng sai số có thể tăng lên đến 2-3o. Bộ phận chủ yếu trong các Fazômét kiểu bù là các bộ quay pha. Bộ quay pha thường được chế tạo dựa trên các nguyên tắc sau: Quay pha thông số, quay pha tròn và quay pha dưới dạng dây trễ. - Quay pha thông số: thường đạt được độ lệch pha trong khoảng 0- 180o với sai số nhỏ hơn 1,5%. Sai số của quay pha chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác và độ ổn định của các phần tử, của tần số làm việc và điện trở tải. - Quay pha tròn: có thể phân thành quay pha điện trở, điện cảm, điện dung. Góc lệch pha có thể đạt được là 0 ữ360o và bảo đảm làm việc trong khoảng rộng loại qua pha điện trở chủ yếu làm việc ở dải tần có sai số đến 0,2o. Loại quay qua điện trở có nhược điểm là điện áp ra không ổn định và sự phụ thuộc giữa góc quay của con chạy biến trở và góc lệch pha là không tuyến tính. Loại quay pha điện cảm làm việc ở tần số cao hơn từ 100Hz ữ 1MHz. Sai số đạt được từ 0,1 ữ1%. Loại quay pha điện dung được sử dụng ở khoảng tần số cao hơn, từ hàng chục đến hàng trăm MHz. Sai số của loại này chủ yếu là do điện áp ra không ổn định. - Quay pha đường dây trễ được sử dụng trong khoảng 0 ữ 180o sử dụng các phần tử RC hay LC. Loại quay pha này có cấu tạo đơn giản. Nhược điểm là sự phụ thuộc giữa tín hiệu ra và tần số. Loại LC có thể đạt được độ phân giải đến 0,001o trong dải tần số 100Hz ữ 10kHz (quay pha số). Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 149 6.3. Đo khoảng thời gian bằng phương pháp số Việc đo khoảng thời gian giữa hai xung của hai đầu vào A và B ở hình 6.8 Hình 6.8. Đo khoảng thời gian bằng phương pháp số Các xung sau khi qua bộ khuếch đại tạo xung tạo ra xung đưa vào hai đầu vào của bộ điều khiển để tạo ra xung mở (và đóng) khoá K. Khoảng thời gian khoá K mở bằng khoảng thời gian cần đo tx xung từ máy phát chuẩn f0 = 0 1 T được đưa vào máy đếm qua khoá K trong khoảng thời gian tx. Số xung mà máy đếm được sẽ được tính như sau: 0 0 x x tN f t T = = (6.15) Từ đó ta có: 0xt NT= (6.16) Từ biểu thức trên ta có thể tính được sai số tương đối của phép đo thời gian như sau: 0 0 100t f x T t   = ± +   (6.17) Trong đó: 0f - sai số tương đối của máy phát chuẩn thạch anh (hay là một nguồn tần số chuẩn bên ngoài) T0 - chu kỳ của tín hiệu từ máy phát chuẩn tx - khoảng thời gian cần đo. MFTS chuẩn K Bộ Đếm TX mở khoá KĐ TX KĐ TX Vào A Vào B Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định150 Để đo độ dài của một xung tu ta đưa xung đó một lúc vào cả hai đầu vào A và B của bộ khuếch đại tạo xung. Cả hai sườn xung trước và sau của xung sẽ tạo ra các xung start và stop. Đưa vào bộ điều khiển để tạo ra xung mở và đóng khoá K. Tiếp theo quá trình diễn ra giống như ở trên. Sai số của phép đo sẽ là 0 0 100tu f x T t   = ± +   . 100 (6.18) 6.4. Đo hệ số công suất Hệ số công suất là 1 thông số quan trọng xác định công suất máy phát nguồn điện cung cấp cho tải, giá trị của hệ số công suất phụ thuộc vào tính chất của tải trong trường hợp tải là thuần trở, hệ số cosϕ = 1, năng lượng máy phát cung cấp cho tải là tốn nhất. 6.4.1. Đo hệ số công suất cos  bằng phương pháp gián tiếp (dùng Oát kế, Ampe kế và Vôn kế) Hệ số công suất cos quan hệ với dòng điện và điện áp trong mạch qua công thức: (6.19) Do đó: (6.20) Vậy dùng các đồng hồ V, A, W đo U, I, P trên tải ta tính được cosϕ. Sai số: (6.21) Phương pháp xác định cosTB Ta có: (6.22) Với Wpk là điện năng phản kháng chỉ bởi công tơ phản kháng trong khoảng thời gian xét; Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 151 Wtb là điện năng tác dụng chỉ bởi công tơ hữu công trong khoảng thời gian xét. Dùng công tơ đo năng lượng tác dụng và phản kháng trong một khoảng thời gian nào đó (thường là một tháng) ta xác định được cosTB của phụ tải theo công thức trên. 6.4.2. Đo trực tiếp cos  bằng cơ cấu điện động (Fazômet điện động) 1. Cos mét điện động một pha. Người ta sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômet điện động để chế tạo dụng cụ đo cos trong mạch một pha. Cuộn tĩnh của cos điện động được mắc nối tiếp với mạch cần đo cos ( hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng) hai cuộn dây động được mắc nối tiếp với R, L và được đặt lên điện áp trên tải, (hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng đo lường). Vì cơ cấu không có mạch từ nên việc nối các cuộn dây động như vậy sẽ tạo nên các dòng điện i1 và i2 là vuông pha với nhau. Ta có sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ như sau: Hình 6.9. Sơ đồ mắc cos điện động và đồ thị véctơ Theo biểu thức góc quay của cơ cấu lôgômet điện động ta có: (6.23) Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định152 Với góc: (6.24) Vậy: Chú ý: Trên thực tế khi tần số thay đổi dẫn tới ωL thay đổi vậy I2 thay đổi do đó tỷ số I2/I1 khác hằng số nên sẽ gây nên sai số. Để khắc phụ thì ta cải tiến sơ đồ như sau: Hình 6.10. Sơ đồ cos điện động Cuộn dây được chia thành 2 nhánh 2’ và 2’’. Hai nhánh này mắc ngược cực tính nhau, một nhánh nối với L, một nhánh nối với C. Ta thấy các dòng i2’ và i2’’ ngược pha nhau, mặt khác sẽ tạo ra mômen của cuộn dây động thứ hai là tổng của hai mômen cùng dấu: M2 = M2’+ M2’’. Vì vậy khi tần số thay đổi làm XL và XC thay đổi ngược nhau hay I2’ và I2’’ thay đổi ngược nhau. Vậy M2 = const. Tức là nhánh này không phụ thuộc vào tần số. 2. Cos mét điện động ba pha Sơ đồ mắc như hình (6.11). Cuộn tĩnh được mắc nối tiếp vào pha A, hai cuộn dây động được mắc với hai điện trở R và được đặt vào các điện áp UAB và UAC. (6.25) Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 153 Hình 6.11. Sơ đồ mắc cos điện động ba pha và đồ thị vectơ Góc quay của cơ cấu là: (6.26) Chú ý: + Trong sơ đồ này, các cuộn áp đều nối tiếp với điện trở R nên không phụ thuộc tần số, hay I2/I1 = const. + Cuộn dòng có thể mắc vào các pha B, C tùy ý. 6.5. Đo tần số 6.5.1. Khái niệm chung * Tần số và góc pha là các đại lượng đặc trưng cho quá trình dao động có chu kì. Tần số được xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong một đơn vị thời gian. Với các kỹ thuật tiên tiến hiện nay, các phép đo chính xác nhất được qui về đo tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao với sai số 10-13 đến 10-12 mà các đại lượng mẫu khác khó Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định154 đạt được. Mặt khác so sánh tần số có những biện pháp đạt độ phân li rất cao, có thể truyền đi dễ dàng. * Chu kỳ là khoảng thời gian ngắn nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó và thoả mãn phương trình u(t) = u(t+T). Nếu gọi T là chu kỳ của tín hiệu, f là tần số của tín hiệu đó ta có: f = 1/T (6.27) * Tần số góc của tín hiệu được xác định bằng biểu thức: ω = 2пf (6.28) Dải của tần số được xác sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như trong vô tuyến điện, tự động hóa, thông tin liên lạc và thay đổi từ một phần Hz đến GHz. Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định tuỳ theo khoảng đo, độ chính xác yêu cầu, dạng đường cong, công suất của nguồn tín hiệu v.v... Để đo tần số ta có thể thực hiện theo 2 phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh. Các dụng cụ dùng để đo tần số được gọi là tần số kế. Tần số, chu kì và góc lệch pha liên quan chặt chẽ với nhau qua biểu thức: φ = 2п. τ/T (6.29) Với φ: góc lệch pha giữa 2 tín hiệu. τ: là khoảng thời gian lệch nhau giữa 2 tín hiệu. 6.5.2. Đo tần số bằng phương pháp gián tiếp Sử dụng mạch R, L, C nối tiếp Xét mạch R, L, C nối tiếp như hình vẽ. Hình 6.12. Mạch R-L-C mắc nối tiếp Trong đó L và C có thể điều chỉnh giá trị. Ta điều chỉnh L và C để mạch đạt cộng hưởng (quan sát Ampe mét thấy số chỉ đạt giá trị cực đại). A R CL Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 155 Điều kiện cộng hưởng của mạch là XL = XC hay ωL = 1C (6.30) Suy ra: ω = 1 LC hay f = 1 2 LCΠ (6.31) Vậy ta có thể xác định tần số của tín hiệu điện thông qua giá trị của điện cảm L của cuộn dây và điện dung C của tụ. 6.5.3. Đo tần số bằng tần số kế cộng hưởng * Cấu tạo (hình 6.14) Trong đó: 1. Nam châm điện có cuộn dây W 2. Thanh thép làm nắp từ của nam châm điện 3. Thanh kim loại làm giá đỡ 4. Các lá kim loại mỏng làm lá rung. Mỗi lá có tần số dao động khác nhau, nằm kề nhau có tần số dao động riêng chênh lệch nhau 1Hz hay 0,5 Hz Khi cho vào nam châm một dòng điện có tần số fx cần đo trong mạch từ của nam châm sẽ có từ thông. Từ thông này ghép mạch qua nắp 1 2 3 4 Hình 6.13. Tần số kế cộng hưởng Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định156 thứ 2. Do dòng điện biến thiên với tần số fx nên từ thông sinh ra cũng biến thiên với tần số fx và nó cũng sinh ra lực hút nắp 2 về phía lõi 1. Vì dòng biến thiên nên lực hút cũng biến thiên làm nắp 2 bị hút nhả theo sự biến thiên của tần số fx khi nắp 2 bị hút nhả sẽ sinh ra sự chấn động tới thanh giá đỡ 3 đồng thời cũng làm các lá rung bị rung động. Lá rung nào có tần số dao động riêng bằng với tần số của dòng điện vào thì nó sẽ cộng hưởng rung động và nó rung với biên độ cực đại. Quan sát trên phần đầu các lá rung rồi đọc số ghi tần số dao động riêng của lá rung cộng hưởng ta xác định được tần số của lưới vào. Các lá rung xung quanh lá rung cộng hưởng thì dao động với biên độ thấp * Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ quan sát. * Nhược điểm: Độ chính xác không cao. Với những giá trị của tần số lưới thay đổi khác với tần số cộng hưởng của các lá rung thì nó không thể hiện được trên máy đo. 6.5.4. Tần số kế điện tử Mạch nguyên lý cơ bản: (Hình 6.14) Điện áp có fx cần đo được đưa vào cuộn dây của rơ le (RL) khi đóng công tắc CT thì giá trị XL của cuộn dây sẽ thay đổi theo tần số fx. Khi CT ở vị trí 1-1 thì tụ C được nạp với điện áp bằng điện áp vào có hằng số thời gian được chọn sao cho tụ C được nạp đầy mới ngắt CT chuyển đổi. Khi CT ở vị trí 2-2 tụ C phóng qua mạch có cơ cấu đo là một điện kế. Khi nạp thì điện tích được nạp trên tụ là Q = EC. Trong một chu kỳ thì điện tích qua cơ cấu đo cũng là Q trong một giây sẽ có fx lần dao động cho nên dòng chạy qua điện kế I = Qfx = ECfx ⇒ fx = I/EC. Như vậy tần số đo tỷ lệ bậc nhất với dòng điện qua cơ cấu. E M C 1 1 22 RL Hình 6.14. Tần số kế điện tử Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 157 Nhận xét: - Thang đo được khắc trực tiếp theo đơn vị của tần số, sai số của mạch đo là 0,01 - Vì mạch điều khiển là RL cho nên tần số đo được giới hạn (chỉ đo ở tần số thấp) + Đo bằng máy hiện sóng + Đo bằng phương pháp điều chỉnh độ sáng Tần số chuẩn f0 được đưa vào mạch lệch pha 900 như hình 6-16 Mạch có một tụ và một trở. Điện áp trên tụ và trên điện trở lệch pha. Tín hiệu này được đưa ra phiến làm lệch dọc và ngang. Nếu hai điện áp này bằng nhau thì trên màn hình hiện một vòng tròn. Đưa fx vào lưới của ống phóng tia điện tử làm cho điện áp của lưới có sự thay đổi của tín hiệu vào. Vì vậy hình tròn trên màn hình trở nên thay đổi không liên tục và theo chu kỳ của tín hiệu vào (bị đứt đoạn theo chu kỳ) C R URUCux, fx Đưa vào cuộn lái dọc, láingang màn hình Hình 6.15. Bộ lái dọc, ngang máy hiện sóng ∼ ∼ K C R f0=fM fx UV G Hình 6.16. Máy hiện sóng Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định158 Trigơ Schmit Cửa And Trigơ Máy đếm thập phân Máy đếm thập phân Máy đếm thập phân Máy đếm thập phân Mạch khoá Mạch khoá Mạch khoá Mạch khoá BCD tới giải mã thanh 7 đoạn Màn hiện BCD tới giải mã thanh 7 đoạn Màn hiện BCD tới giải mã thanh 7 đoạn Màn hiện BCD tới giải mã thanh 7 đoạn Màn hiện Bộ định thời gian Tín hiệu vào Utx Bộ khuếch đại/suy giảm Công tắc chọn gốc thời gian Công tắc chọn dấu chấm thập phân Lối vào Reset Lối vào khoá Lối vào Reset Dấu chấm thập phân Lối vào Dạng sóng vào Sóng ra mạch Schmitt Sóng ra của bộ khuếch đại Sóng ra định thời gian Tín hiệu Q ra từ Trigơ Tín hiệu Q ra từ Trigơ Tín hiệu ra cửa And Xung Không xung Cửa And đóng Cửa And ngắt Điều chỉnh lại mạch đếm Đếm liên tục Mạch khoá ngắt Mạch khoá đóng Hình hiện không đổi Hình hiện đã điều chỉnh Hình hiện không đổi T T 1 0 1 0 1 0 1 0 Q Q fx 6.5.5. Tần số kế chỉ thị số a) b) Hình 6.17. a) Sơ đồ khối của tần số kế chỉ thị số; b) Các dạng sóng đối với máy đo tần số chỉ thị số Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 159 Hình 6.17a là sơ đồ khối của tần số kế chỉ thị số có bốn chỉ số và các dạng sóng điện áp (hình 6.17b) Tín hiệu có tần số cần đo được đưa vào khuếch đại hoặc làm suy giảm sau đó đưa đến Trigơ Schmitt để tạo thành các xung vuông. Đầu ra của Schmitt có cùng tần số như ở đầu vào và dùng để khởi động các mạch đếm. Trước khi vào mạch đếm các xung phải qua cả Và (AND). Các xung vuông trên chỉ đi vào mạch đếm khi đầu ra Q từ mạch trigơ ở mức logic 1 (dương). Mạch trigơ thay đổi trạng thái mỗi khi nhận được đầu ra tăng theo chiều âm từ bộ định thời gian (bộ chia tần). Khi T=1s (hình 6.17b) đầu ra của mạch trigơ luân phiên ở mức 1 trong 1s và mức 0 trong 1s. Do đó cửa Và luân phiên đóng trong 1 giây và ngắt trong 1 giây. Tức là cửa Và luân phiên đưa các xung ra của trigơ Schmitt tới các mạch đếm trong một giây và sau đó chặn chúng trong 1 giây. Các xung vào được đếm trong thời gian cửa Và đóng (T=1s) cũng là số tần số cần đo. Bộ định thời gian đo (Bộ chia tần) có 6 mức nhờ chuyển mạch bằng tay hoặc tự động. Đầu ra Q của trigơ ngược pha với Q. Các tín hiệu ra từ Q dùng để reset các mạch đếm và để mở và đóng các mạch khoá. Khi bắt đầu thời gian đếm, đầu ra Q có điện áp tiến theo chiều âm. Điện áp này khởi động hệ mạch reset của các bộ đếm để đặt (set) chính xác các điều kiện xuất phát ban đầu của mỗi bộ đếm. Vì đầu ra Q ở logic 0 trong thời gian đếm nên đảm bảo cho các mạch khoá đều ngắt do đó trong thời gian đếm sẽ không có tín hiệu đi qua mạch khoá. ở cuối thời gian đếm, dạng sóng cấp cho các đầu vào của mạch khoá chuyển sang mức logic 1 và làm cho mạch khoá đóng. Trong thời gian mạch khoá đóng, cửa Và ngắt và bộ đếm ngừng đếm. Các số hiện trên chỉ thị được giữ không đổi trong suốt thời gian đếm do mạch khoá ngắt. Giả sử thời gian đếm là Tđo, số xung đếm được là: = = = đo 0 0 T x x x kT kN fT T f (6.32) Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định160 Nếu thời gian đo là 1 giây thì số xung đếm được N sẽ bằng tần số fx fx = N Sai số cơ bản của tần số kế số là sai số lượng tử theo thời gian. Sai số này tăng khi tần số cần đo giảm. Sai số tương đối của phép đo được tính như sau: x do Fx x do f TN f N T ∆ ∆∆ = = + Trong đó ∆NN phụ thuộc vào tỉ số giữa thời gian đo và chu kỳ của tín hiệu cần đo Tx. Sai số lượng tử theo thời gian là do sự lệch nhau giữa thời điểm bắt đầu đo và thời điểm bắt đầu của chu kì. Nếu Tđo = nTx thì sai số ∆N =0, nếu Tđo và Tx không phải là bội số của nhau thì ∆N =± 1. Mặt khác ∆ đo đo T T được xác định bởi sự biến động của tần số chuẩn f0. Sai số này cỡ 10-7 và được tính: ∆ ∆= =đo 0 0 đo 0 T T f ff (6.33) Ta có sai số của phép đo tần số là:  ∆ ∆∆= + = + = +đo 0 0 đo đo T 1 1 T T x x x f N f ff N N f (6.34) Với máy phát tần số là thạch anh ta có  0f =10-7 do đó  −∆= = ± + + 7 đo 1% 100% ( 10 ).100%T x x x x ff f f (6.35) fx - tính đơn vị Hz Từ 6.35 ta thấy rằng sai số của phép đo tỉ lệ nghịch với độ lớn của tần số cần đo. Nếu fx càng lớn thì sai số càng nhỏ và sai số sẽ lớn khi đo ở tần số thấp. Ví dụ: fx = 10MHz, Tđo = 1s thì  xf = 2.10-5%. Nếu fx = 10Hz, Tđo=1s thì  xf =10%. Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 161 Để khắc phục hiện tượng sai số lớn khi đo tần số thấp người ta có thể thực hiện một số biện pháp như tăng khoảng thời gian đo (Tđo) hoặc sử dụng bộ nhân tần số cần đo lên 10n lần hoặc chuyển phép đo tần số sang đo thời gian một chu kỳ Tx của tín hiệu đo: fx = 1 xT . Hình 6.18 là sơ đồ đo tần số bằng phương pháp đo chu kỳ Tx (phương pháp đếm nghịch đảo). Tín hiệu có tần số cần đo fx qua thiết bị “đầu vào” và qua bộ tạo xung để tạo ra các xung có chu kỳ Tx là chu kỳ của tín hiệu cần đo. Các xung đó đưa vào bộ điều khiển để đóng mở khoá K, thời gian khoá K mở là khoảng thời gian Tx cũng là thời gian đo Tđo. Khi khoá K mở, các xung có tần số f0 từ máy phát xung chuẩn được đưa vào bộ đếm và chỉ thị. Số xung đếm được: = = 0 0 x x T fN T f Để số xung tỉ lệ với tần số cần đo người ta thực hiện phép biến đổi nghịch đảo: = 0 x ff N (6.36) Sai số được tính theo biểu thức:  = ± + 00% [ ].100%x x TT f NT MF TS chuẩn f0 K Bộ đếm ĐK TXBộvào T0 Tx Ufx T0 Tx t t t U U Hình 6.18. Tần số kế đo bằng phương pháp nghịch đảo Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định162 Hình 6.19. Tần số kế đo tần số thấp Hình 6.19 là 1 ví dụ về tần số kế đo tần số thấp, trong đó tín hiệu có tần số đo fx được đưa qua bộ khuếch đại hoặc suy giảm sau đó đưa vào trigơ Schmitt để tạo xung. Các xung ở đầu ra của mạch Schmitt được chuyển đến mạch trigơ và tới đầu vào cửa Và. Mặt khác máy phát tần số chuẩn (1MHz) đưa trực tiếp các xung có tần số f0 vào cửa Và thay cho mạch Schmitt (hình 6.17). Với cách bố trí như trên (hình 6.19) bộ Và chuyển sang đóng trong thời gian tần số được đo và các xung từ máy phát tần số chuẩn được đếm trong thời gian đó. Trong thời gian đo số xung đếm được = = 0 0 x x T fN T f và = 0 x ff N sau khi đã nghịch đảo. Ví dụ: khi tần số cần đo là 100Hz, cửa Và đóng trong khoảng thời gian. Hz = 10ms. Các xung từ máy phát chuẩn có chu kỳ 0 6 1 10T = Hz = 1 s . Do Trigơ Schmit Trigơ Cửa AND Q Q Khuếch đại/suy giảm 1  S MHz từ máy phát tần số Tín hiệu vào Tín hiệu từ Schmit Tín hiệu Q ra từ trigơ Đếm nghịch đảo Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 163 đó các xung đếm được trong thời gian 10ms là N = 101 ms s = 10000 và con số này được chỉ thị trên bộ hiện số như 100.00Hz (sau khi đã nghịch đảo). Độ chính xác của phép đo tần số 100Hz bây giờ là 1± số đếm trên 10000, hoặc 10010000 Hz = 0,01Hz. 0,01% 0,01%100x Hzf Hz = = ± (6.37) Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định164 Câu hỏi Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Fazômét điện động. Câu 2: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Fazômét điện tử. Câu 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Fazômét số. Câu 4: Có bao nhiêu phương pháp đo tần số, trình bày các phương pháp đo tần số đó. Câu 5: Trình bày nguyên tắc đo tần số của tần số kế chỉ thị số. Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 165 Chương 7 Các dụng cụ đo thông dụng 7.1. Đồng hồ vạn năng 7.1.1. Giới thiệu chung - Đồng hồ vạn năng hay còn gọi là VOM mét (Vôn mét, Ohm mét, MiliAmpe mét). - Đồng hồ vạn năng (VOM) là dụng cụ nhiều chức năng có thể dùng để đo: điện áp DC hoặc AC, dòng DC và điện trở, ngoài ra có thể sử dụng để đo kiểm tra các linh kiện điện tử, đo hệ số khuếch đại của Transistor, đo và kiểm tra chất lượng pin, Một số ký hiệu trên mặt hiển thị của đồng hồ vạn năng Hình 7.1. Ký hiệu trên mặt đồng hồ vạn năng Kết cấu: - Kết cấu bên ngoài: (mặt đồng hồ) + Mặt hiển thị Để đồng hồ đứng vuông góc khi đo Cơ cấu đo từ điện có chỉnh lưu Để đồng hồ nằm ngang khi đo Để đồng hồ nằm nghiêng khi đo Điện áp thử nghiệm độ bền cách điện là 2 KV2 Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định166 + Công tắc chuyển mạch - Kết cấu bên trong: + Cơ cấu đo: kiểu từ điện. + Mạch đo: U, I, R..... (sơ đồ nguyên lý hình 7.4) 7.1.2. Phân loại đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng rất đa dạng về hình dáng và chức năng cũng như phương thức hiển thị, có thể là đồng hồ chỉ thị kim (đồng hồ cơ) có thể là đồng hồ chỉ thị số (đồng hồ số) như minh hoạ dưới đây. Hình 7.2. Đồng hồ vạn năng chỉ thị kim Hình 7.3. Đồng hồ vạn năng chỉ thị số 7.1.3. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng. Mạch đo đồng hồ YX - 960TR: Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 167 ACV (9K /V)DCmA BATT + OUTPUT 2.5A COM PNP NPN DC (20K /V) SW (1.5V) (9V) MULTIMETERS Schematic diagram R1 15M R2 4M R3 800K R4 150K R5 40K R6 5K R11 3K R10 120 R9 10 R8 0.99 R26 10 R20 19 R19 200 R18 2.08K R17 34K R16 195K 0.1R R25 360 R12 6.75M R13 1.8M R14 360K R15 83.3K R24 4.5 R7 240 R21 44K R22 18K R2331K R28 24K R29 24K R27 510 B2 44uA 1.8K M 1000 250 50 10 2.5 0.5 0.1 (9V) BATT (1.5V) BATT 2.5A250252.550uA 5010X10KX1KX100X10X1 OFF1000250 + B1 680 VR3 C1 473 F1 250V/0.5A 10K VR1 C2 473 D3 D4 680 VR3 D5 E B C C B E 4148 D1 Hình 7.4. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng Nguyên tắc đo - Đo điện áp AC + Đo thang 10V: + (que đo) → F1 → R15 (83,3K) → SW vị trí 10V → D4148 nắn điện → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm). + Tương tự cho các thang đo khác: 50, 250, 1000 - Đo điện áp DC + Đo thang 10V: + (que đo) → F1 → R6 (5K) → R5 (40K) → SW vị trí 10V → R11 (3K) → R7 (240) → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm). + Tương tự cho các thang đo khác. - Đo dòng điện DC: + Đo thang 25: + (que đo) → F1 → SW vị trí 25V → R11 (3K) → R7 (240) → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm). Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định168 + Tương tự cho các thang đo khác. - Đo điện trở: + Đo thang X1: +B1 (nguồn pin) → SW vị trí X1 → R21 (44K) → W1 (10k) → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm) → F1 → -B1. 7.1.4. Sử dụng đồng hồ vạn năng Cách sử dụng đồng hồ vạn năng: Trước khi sử dụng đồng hồ vạn năng để đo các thông số ta cần chú ý những điểm sau: Bước 1: Đặt đồng hồ đo theo đúng vị trí quy định. Bước 2: Các que đo phải cắm đúng cực tính: + Que dương (màu đỏ) = âm nguồn pin + Que âm (màu đen) = dương nguồn pin Bước 3: Chỉnh “không” đồng hồ (nếu kim lệch khỏi vạch chỉ 0) bằng cách xoay nhẹ nút điều chỉnh đối với quả đối trọng nằm ở giữa mặt đồng hồ. + Quy ước: Thang đọc là phần kim chỉ thị. Thang đo là công tắc chuyển mạch. 1. Đo dòng điện - Chuyển thang đo về vị trí đo dòng điện (mA, A) sao cho trị số dòng cần đo không vượt quá giới hạn thang đo. Dây đo phải chú ý cực tính. - Khi đo dòng điện mắc nối tiếp ampe kế vào mạch cần đo để cho I đi qua nó. Khi đó điện trở trong toàn mạch tăng lên một lượng bằng điện trở của bản thân ampemet. Như vậy để đảm bảo chính xác cho kết quả đo thì điện trở của ampemet phải rất nhỏ để khi mắc vào mạch nó không làm ảnh hưởng đến dòng của mạch cần đo. - Khi đo dòng ta phải cố định que đo trước rồi mới cấp nguồn cho mạch.  Chú ý: - Trong thực tế ở các mạch thực tập điện tử cơ bản ta biết U và R suy ra I. - Còn trong công nghiệp để đảm bảo an toàn ta thường dùng ampe kìm. Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 169 Công thức: Giá trị đo = (thang đo  giá trị kim đang chỉ trên thang đọc) / giới hạn cực đại thang đọc. 2. Đo điện áp - Nếu đo điện áp một chiều thì chuyển thang đo của đồng hồ về phần đo điện áp một chiều (- mV, V). - Nếu đo điện áp xoay chiều thì chuyển thang đo về vị trí đo điện áp xoay chiều ( ∼, mV, V). - Nếu chưa ước lượng được giá trị điện áp cần đo thì đặt thang đo xoay chiều lớn nhất để đảm bảo an toàn cho thiết bị rồi từ giá trị cụ thể đưa thang đo về vị trí phù hợp. - Khi đo điện áp mắc vônmét song song với mạch cần đo (chú ý cực tính đối với U một chiều). Đối với thang đo điện áp, điện trở trong càng lớn càng tốt tránh sự rẽ dòng qua đồng hồ. Khi cần đo ở nhiều vị trí khác nhau trên mạch điện ta cần cố định một que đo (que mass) que đo còn lại lần lượt đưa tới những điểm cần đo. Giá trị đo = (thang đo  giá trị kim đang chỉ trên thang đọc) / giới hạn cực đại thang đọc 2. Đo điện trở - Đưa chuyển mạch về thang đo R (Ω). Thang đo điện trở dùng để đo cách điện, thông mạch. Trước khi đo thang nào phải chỉnh không thang đó, bằng cách chập hai que đo của đồng hồ với nhau rồi vặn núm chỉnh “không”của thang đo điện trở. Khi đo điện trở ta sử dụng nguồn pin bên trong của đồng hồ nên tuyệt đối không được đưa nguồn ngoài vào. Hai đầu que đo được đấu với nguồn pin bên trong của đồng hồ như sau: Que đỏ (+) của đồng hồ nối với cực âm của nguồn pin. Que đen (-) của đồng hồ nối với cực dương của nguồn pin. - Phải chọn thang đo phù hợp sao cho kim chỉ trên mặt hiển thị dễ đọc nhất (phần thang đo tuyến tính). Giá trị đo = Số chỉ khắc độ  Thang đo Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định170 Tóm lại ta có bảng sử dụng đồng hồ như sau: Đại lượng đo Vị trí chuyểnmạch Thang đọc Hệ số nhân Điện trở ì1 ì10 ì100 ì1k ì10k (A) (A) (A) (A) (A) ì1 ì10 ì100 ì1000 ì10000 Điện áp DC DC 0,1V 0.5V 2.5V 10V 50V 250V 1000V (B) 10 (B) 50 (B) 250 (B) 10 (B) 50 (B) 250 (B) 10 ì0.01 ì0.01 ì0.01 ì1 ì1 ì1 ì100 Dòng DC DC 50àA 2.5mA 25mA 250mA 2.5A (B) 50 (B) 250 (B) 250 (B) 250 (B) 250 ì1 ì0.01 ì0.1 ì1 ì0.01 Điện áp AC 10V 50V 250V 1000V (C) 10 (C) 50 (C) 250 (C) 10 ì1 ì1 ì1 ì100 hFE ì10 (D) ì1 ICE0 ì1 ì10 (E) (E) ì1 (for big tzt) ì1 (for small tzt) Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 171 7.2. Máy hiện sóng (Oscillocope) Dao động ký điện tử hay còn gọi là OSCILLOSCOPE hoặc háy hiện sóng là thiết bị giúp hiển thị dạng sóng của tín hiệu cần đo, qua đó xác định được dạng sóng và một số thông tin về tín hiệu đó như biên độ, tần số, góc lệch pha, Hình 7.5. Sơ đồ khối máy hiện sóng Dao động ký điện tử được chế tạo nhiều loại như một tia, hai tia, bốn tia có khả năng hiển thị dạng sóng một tín hiệu hoặc đồng thời hai hay nhiều tín hiệu. Sơ đồ khối của dao động ký thông dụng. 7.2.1. ống phóng tia điện tử Bộ phận chủ yếu của dao động ký là ống tia điện tử. Về cấu tạo, ống tia điện tử là một ống chân không có vỏ bằng thuỷ tinh, bên trong có chứa các điện cực. Đầu ống là hình trụ tròn, chứa súng điện tử và hai cặp phiến làm lệch. Đầu cuối của ống to thành dạng hình nón cụt, đáy hình nón là màn huỳnh quang, bên trong có quét một vài lớp mỏng huỳnh quang. Bên trong vách thành cuối ống có quét một lớp than chì dẫn điện suốt từ hai cặp phiến làm lệch tới gần màn huỳnh quang. Hình dạng bổ dọc của ống tia như hình dưới. 1. Các bộ phận trong CRT (Cathode Ray Tube) Tim đèn F: Dùng để đốt nóng catốt của CRT, điện thế đốt tim đèn là 6,3 VAC. X Y Đồng bộ trong Chuẩn biên độ KĐYPhânáp vào ĐK tia Mạch ĐB Máy phát xung Răng cưa Chuẩn thời gian KĐX Kênh Y Đồng bộ ngoài Lệch Y Lệch X Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định172 Catốt C: ở bề mặt có phủ một lớp oxit kim loại khi tiếp thu nhiệt năng sẽ bức xạ điện tử (hiện tượng nhiệt phát xạ). Lưới điều khiển: Có dạng cái ly bằng Niken, có 1 lỗ cho chùm điện tử qua, lưới điều khiển này bao quanh catốt. Điện thế phân cực giữa catốt và lưới sẽ tạo ra điện trường điều khiển số điện tử được phép ra khỏi lưới. Khi VGK (điện thế giữa lưới và catốt) càng âm thì số điện tử thoát ra khỏi lưới càng ít, nếu VGK đạt đến điện thế ngưng dẫn thì chùm tia điện tử không thoát ra được khỏi lưới. Bản cực gia tốc A1 có nhiệm vụ làm tăng tốc cho chùm tia điện tử, bản cực này có dạng hình trụ, một đầu hở hướng chùm tia điện tử đi vào, một đầu kín chỉ chứa một lỗ nhỏ tại tâm cho chùm tia điện tử tập trung lại đi qua. A2, A3: Hai bản cực này phối hợp với bản cực A1 tạo thành hệ thống thấu kính điện tử. Do sự phân cực điện áp khác nhau giữa A1, A2 và A2, A3 chúng ta có lực tĩnh điện tác động lên chùm tia điện tử. Lực tác động này phụ thuộc vào các đường đẳng thế, các sự phân cực điện áp này thay đổi thì các đường đẳng thế sẽ tạo ra độ hội tụ của chùm tia điện tử thay đổi. Hình 7.6. Hệ thống thấu kính hội tụ chùm tia điện tử dùng tĩnh điện Bản lệch dọc và bản lệch ngang: Khi chùm tia điện tử đi qua bản lệch dọc hoặc lệch ngang, thì điện trường giữa 2 bản cực này sẽ lái chùm tia điện tử lệch theo chiều dọc và chiều ngang bằng lực tĩnh điện (điều này khác với sự lệch chùm tia điện tử của đèn hình trong ti vi bằng lực điện từ, nghĩa là có cuộn dây lệch thay cho bản cực lệch). Độ A1 A2 A3 Đường đẳng thế Chùm tia điện tử (e-) Chiều lực tĩnh điện tác động -2kV Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 173 lệch của chùm tia điện tử theo chiều dọc hoặc ngang phụ thuộc vào điện áp giữa 2 bản cực. Giữa 2 bản cực lệch dọc và lệch ngang của dao động ký có một bản chắn nối mass để ngăn cách ảnh hưởng điện trường của 2 bản lệch dọc và lệch ngang lẫn nhau. Màn huỳnh quang: mặt trong của màn ảnh ống CRT được phủ một lớp phát quang, tuỳ theo vật liệu của lớp phát quang này mà tia sáng phát ra khi chùm tia điện tử đập vào màn ảnh huỳnh quang sẽ có màu khác nhau: Chất phát quang (Zn2SiO4 và Mn): cho màu xanh lá. Chất phát quang muối sulfuric cadnium: cho màu vàng. * Lớp than chì xung quanh ống cạnh màn ảnh dội trở lại). Do đó điện thế âm không tích tụ lại trên màn ảnh. * Điện áp phân cực cho Anod có trị số rất lớn vào khoảng KV nó rất mạnh (tăng tốc) cho chùm tia điện tử đập vào màn huỳnh quang. * Các vòng điện trở hình xoáy ốc bên ngoài được nối mass sẽ làm cho các điện tử tích tụ, do điện trường lớn giữa catốt và anod bị trung hoà điện tích. Hình 7.7. ống phóng tia điện tử Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định174 2. Sự phân cực cho các bộ phận CRT * Điện thế phân cực cho lưới, ví dụ: -2KV, khi thay đổi biến trở P1 điện thế VGK thay đổi VK = -1950 V. Như vậy VGK <0 ảnh hưởng đến sự phóng điện tử ra khỏi lưới. Vậy P1 điều chỉnh độ sáng cho chùm tia điện tử. * Biến trở P2 thay đổi điện trường cho các bản cực hội tụ A1, A2, A3 như đã đề cập ở trên (phần hội tụ chùm tia điện tử P3 biến trở dùng để thay đổi điện thế giữa 2 bản cực lệch dọc. Ví dụ con chạy biến trở P3 dịch chuyển về phía trái thì điện áp Y1 tăng so với điện áp Y2, tia sáng (chùm tia điện tử) bị kéo về phía trên (phía Y1). Còn nếu con chạy lệch về phía phải, điện thế Y1 giảm dần so với Y2, chùm tia điện tử kéo lệch về phía dưới (Y2). Khi con chạy ở giữa biến trở P3 hiệu điện áp giữa Y1, Y2 bằng không chùm tia điện tử không bị kéo lệch về phía nào. * Biến trở P4 dùng để thay đổi chùm tia điện tử theo chiều ngang (lý luận như phần điều khiển tia sáng quét dọc). Hình 7.8. Mạch phân cực cho ống phóng tia âm cực Hình 7.8. Mạch phân cực cho ống phóng tia âm cực P1 Độ sáng Hội tụ Khử từ P2 - Điện áp Lệch dọc P3 Lệch ngang P4 6,31 VAC Y1 Y2 X2 X1 Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 175 7.2.2. Các khối chức năng trong máy hiện sóng 1. Tổng quát * Nguồn cung cấp (1) tạo ra điện áp một chiều anod (vào khoảng vài KV) cho lưới, catốt, cực gia tốc và tất cả điện thế DC cho các mạch điện trong dao động ký. * Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều dọc (2). * Khối tạo tín hiệu răng cưa (3) làm chuẩn thời gian cho trục X của màn ảnh dao động ký. Hình 7.9. Các khối chức năng trong dao động ký * Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều ngang (4). * Khối tạo tín hiệu xung kích (5) cho sự đồng bộ hóa, điều khiển chùm tia điện tử và ngang để cho hình ảnh hiển thị trên màn ảnh đứng yên (nghĩa là phải có sự phối hợp đồng bộ cho sự điều khiển quét dọc và quét ngang của chùm tia điện tử) Tín hiệu Khuếch đại dọc Mạch kích Schmitt Mạch vi phân Khối tín hiệu răng cưa Khuếch đại ngang Nguồn cung cấpEXTkích EXT INT LINE (6.3 VAC 5Hz) CRT 1 2 3 4 5 Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định176 2. Khối khuếch đại quét dọc Hình 7.10. Mạch khối khuếch đại quét dọc Tín hiệu thanh đo (prope) được đưa qua mạch phân tầm đo (mạch giảm - attennuator network) để tín hiệu đưa vào mạch tiền khuếch đại (preamplìier) đây là mạch khuếch đại điện áp như phần vôn kế điện tử. Ngõ vào của mạch phân tần có khoá K1 cho 2 cách ghép: * Ghép trực tiếp DC, tín hiệu DC và AC đều được đưa vào. * Ghép gián tiếp AC chỉ cho tín hiệu DC vào. Còn ở vị trí O khoá K1 nối mass không có tín hiệu vào. Tuỳ theo vị trí của nút thay đổi thang đo (theo đơn vị Volt/ Div), mạch giảm có khoá K2 ở vị trí tương ứng. Hình 7.11. Mạch phân tần đo và mạch khuếch đại điện áp Thanh đo Mạch giảm Tiền Khuếch đại Khuếch đại công suất CRT Khối khuếch đại dọc Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 177 Sau đó tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại vi sai (Q2, Q3) có mạch khuếch đại "theo điện áp" (mạch khuếch đại đệm) Q1, Q4. Cuối cùng tín hiệu ở C2, C3 (VC2 - VC3) được đưa vào mạch khuếch đại công suất (main frame amplifier), Điện áp ở 2 đầu ra của mạch khuếch đại công suất đưa vào 2 bản cực lệch dọc (kết hợp với điện áp DC có sẵn của bản cực lệch dọc). 3. Khối khuếch đại quét ngang Hình 7.12. Mạch khối khuếch đại quét ngang Khối khuếch đại quét ngang giống như khối khuếch đại quét dọc. Ngoài ra tín hiệu vào có 2 cách phụ thuộc vào vị trí của khoá S2. Nếu khoá S2 ở vị trí EXT tín hiệu quét ngang được đưa ngoài vào. Nếu S2 ở vị trí INT thì tín hiệu quét dạng răng cưa từ mạch tạo tín hiệu quét răng cưa (sweep generator) được đưa vào. 7.2.3. Máy hiện sóng hai tia 1. Tổng quát Để có thể cùng lúc quan sát được 2 tín hiệu khảo sát trên màn ảnh, người ta thực hiện dao động ký 2 kênh (hoặc nhiều kênh). Trước hết cải tiến ống phóng tia điện tử (CRT). Có hai loại: - Loại 2 catốt phát ra 2 chùm tia điện tử (dual beam) Quét răng cưa Khuếch đại ngang Khuếch đại đẩy kéo CRT Mạch giảm EXT Vị trí khoá INT Tín hiệu vào Nối AC Nối DC Hình 7.13. ống phóng tia điện tử có 2 tia sáng xuất hiện trên màn hình Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định178 - Loại 1 catốt phát ra 1 chùm tia điện tử nhờ khoá chuyển đổi điện tử thực hiện tuần tự chùm tia điện tử được quét dọc ở mỗi kênh (do tần số chuyển lớn hơn tần số lưu ảnh của mắt cho nên chúng ta thấy được 2 hình ảnh của 2 kênh trên cùng một màn ảnh). Như vậy mạch khuếch đại quét dọc sẽ có 2 mạch cho mỗi kênh. Tín hiệu quét ngang tuần tự phối hợp với tín hiệu mỗi kênh A và B theo hình dưới ở chu kỳ thứ nhất tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu sin cho kênh A. Hình 7.14. Sơ đồ khối dao động ký ở chu kỳ thứ 2 của tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu dạng răng cưa của kênh B. Kết quả 2 tín hiệu ở 2 kênh cùng xuất hiện trên màn ảnh. 2. Cấu tạo Cấu tạo của máy hiện sóng hai tia tương tự như máy hiện sóng một tia, nhưng máy hiện sóng hai tia cần chú ý rằng trong ống tia điện tử có hai súng phóng tia điện tử riêng biệt. Mỗi chùm tia điện tử cho một vết sóng. Mỗi tia điện tử được súng điện tử tạo ra từ catốt qua các điện cực đến màn huỳnh quang được qua các cặp phiến làm lệch riêng của nó (Y11,Y12 và Y21,Y22) để lái tia điện tử 1 và 2 theo chiều đứng. Dạng sóng quét răng cưa từ bộ tạo gốc thời gian đưa vào phiến làm lệch ngang và cả hai chùm tia điện tử này được làm lệch ngang màn hình một cách đồng thời. Tín hiệu thời chuẩn Khuếch đại dọc Khuếch đại dọc Lái kênh A Lái kênh B Khuếch đại ngang Kênh A Kênh B Tín hiệu thời chuẩn Khuếch đại vào Khuếch đại vào Khuếch đại ngang Kênh A Kênh B Mạch hoá điện tử Khuếch đại dọc Dịch chuyển DC Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 179 Máy hiện sóng hai chùm tia có cặp làm lệch đứng tách biệt hoàn toàn, kênh A và kênh B. Mỗi kênh đều có mạch khuếch đại làm lệch riêng biệt đưa tới phiến làm lệch. Bộ tạo gốc thời gian điều khiển một bộ duy nhất các tấm lái ngang. Với loại màn hình một chùm tia một cặp phiến lái đứng. Hai bộ khuếch đại vào riêng kênh A và kênh B được sử dụng một bộ khuếch đại lệch đứng để tới các tấm lái tia đứng. Tín hiệu vào bộ khuếch đại này được chuyển mạch luân phiên giữa các kênh A và kênh B với tần số chuyển mạch được điều khiển bởi mạch tạo gốc thời gian. Chức năng các nút trên mặt máy hiện sóng: 1 Power Công tắc nguồn 2 Intens chỉnh sáng tối. 3 Focus Chỉnh độ hội tụ 4 Calip Chuẩn mức điện áp vào. 5 ILLum Điều chỉnh ánh sáng đèn hình. 6 Volts/div AC - GND - DC Chỉnh biên độ 7 Time/div Chỉnh tần số 8 Vertical mode CH1- ALT- CHOP- ADD-CH2 Chọn cổng đo 9 Vertical Position Horizontal Position chỉnh dọc (β) chỉnh ngang (β) ) 10 Rotation chỉnh xoay 11 Trigger level - Hold, time: Chỉnh đồng bộ.Chỉnh đồng bộ. 12 Trigger Đồng bộ.Đồng bộ. 13 Slope: Xem tín hiệu đảo. 14 Source: Vert, CH1, CH2, Line Exteral Cấp nguồn đồng bộ tín hiệu. Cấp nguồn đồng bộ tín hiệu. Tín hiệu nguồn AC được lấy vào đồng bộ mạch quét ngang. Đồng bộ qua lỗ cắm ext Syn. 15 Coupling: Auto Norm Fix, TV-F, TV-L Chọn tần số đồng bộ đo tín hiệu > 100Hz đo tín hiệu < 100hz 7.3. Ampe kìm Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định180 Ampe kìm là thiết bị đo dòng điện xoay chiều gián tiếp thông qua một máy biến dòng điện, nó hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, cấu tạo của máy biến dòng đặc biệt này là cuộn sơ cấp chỉ có một vòng dây, cuộn thứ cấp nhiều vòng dây và mạch từ có thể đóng mở được. Ngày nay với công nghệ kỹ thuật phát triển thì ampe kìm đã có nhiều chức năng hơn, nó có thể được tích hợp để đo được cả điện áp và nhiều đại lượng khác nữa, nó còn có thể kết nối và truyền thông tin, dữ liệu qua các thiết bị khác. 7.4. Q mét (đo hệ số phẩm chất của cuộn dây) 7.4.1. Nguyên lý đo hệ số Q Như chúng ta biết các phần tử điện trở, cuộn dây, tụ điện khi hoạt động ở tần só cao (RF: tần số vô tuyến điện) thì phương pháp cầu đo (thí dụ như cầu phổ quát Universal được đề cập ở phần đo điện) không thể đo được, do có ảnh hưởng các điện dung, điện cảm ký sinh. Khi đó người ta dùng phương pháp cộng hưởng ở tần số (gần tần số) hoạt động của các phần tử này. Cho nên Q - mét được thiết kế để đo hệ số Q của cuộn dây và điện cảm, điện dung, điện trở ở tần số cao. Mạch đo cơ bản của Q - mét được mô tả ở hình dưới như sau: E: nguồn tín hiệu tần số cao (RF) có thể thay đổi được tần số và biên độ cho tín hiệu. ∼ V Cuộn dây D Rm RS Tải Hình 7.15. Mạch đo dùng biến dòng Hình 7.16. Hình ảnh ampe kìm Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 181 VE: điện áp đo của tín hiệu nguồn E. Cuộn dây khảo sát có phần tử LX, RX, tụ điện thay đổi C và VC trị số đo được ở 2 đầu tụ C. Cho tần số của nguồn E tại trị số của tần số f0 cần khảo sát cho cuộn dây. Thay đổi biên độ cho nguồn E thích hợp cho sự chỉ thị của Vôn kế đo VE. Điều chỉnh trị số C cho đến khi mạch xảy ra sự cộng hưởng. Vôn kế chỉ thị trị số VC cực đại. Vì tại tần số cộng hưởng của mạch. Chúng ta có: L 0 = 0 1 C 0( 2 )f = Cho nên chỉ còn lại thuần ở R nghĩa là dòng điện I qua mạch cộng hưởng được xác định: I = VE/R Khi đó Hệ số Q = CL E E VVL R V V  = = 7.4.2. Máy đo thực tế Mạch đo Q - mét thực tế như hình 7.18 Vì nguồn tín hiệu VS có biên độ ổn định và tần số thay đổi được cũng ổn định. Cho nên trong mạch đo không cần phải có Ve để đo nguồn VS. Ngoài ra còn có thêm hai đầu để mắc điện dung (cần khảo sát). Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định182 Hình 7.18. Máy đo Q thực tế Khi đó Q - mét phải có một số tụ, điện cảm mẫu để tăng cưòng thêm để đo LX hoặc CX. Theo mạch 2 đầu HI (thế cao - high) cho CX và LX ( chỗ gắn tụ và cuộn dây) chung, còn đầu còn lại của CX nối mass và đầu LO (thế thấp - low) được nối với nguồn (nghĩa là khi mạch cộng hưởng đầu LO của cuộn dây xem như nối mass qua nguồn VS). Như vậy với mạch đo thực tế chúng ta có thể khảo sát hệ số Q của cuộn dây bất kỳ và đo CX, LX bất kỳ nhờ sự phối hợp thêm cuộn dây mẫu và tụ mẫu, nếu CX (thay đổi) có trị số giới hạn và trị số Q ghi trên vôn mét cũng có giới hạn. 7.5. Máy đo độ méo 7.5.1. Định nghĩa Tất cả các tín hiệu sin khi đưa vào mạch khuếch đại hoặc một mạch điện tử nào khác thì tín hiệu ra của mạch này có thể là tín hiệu sin (thuần) hoặc tín hiệu sin bị méo dạng (distortion). Nếu phân tích tín hiệu ra này theo Fourrier thì chúng ta có thành phần tín hiệu cơ bản (f0) là tín hiệu cơ bản được đưa vào khuếch đại và các thành phần của các sóng hoạ tần (sóng hài bậc cao - harmonics) có tần số f1 = 2f0;f2 = 3f0;... khi đó tín hiệu ra sẽ được đánh giá theo độ méo dạng D được định nghĩa như sau: D = 2 2 21 2 0... /nA A A A+ + + Nếu tính theo (%): D.100% C V Tụ điện Cuộn dây LO HI Nguồn ổn định VS Q Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 183 Với: A0 = biên độ tần số f0; A1, A2,...An; biên độ các hoạ tần f1, f2,...fn. Ví dụ: A0 = 3V (RMS); A1=0,05 (RMS); A2 = 0,1 (RMS); A3 = 0,5 (RMS) như vậy: D (%) = ( ) ( ) ( ) 1/ 22 2 20.5 0.1 0.05 .100% 17% 3  + +  = 7.5.2. Mạch nguyên lý đo độ méo dạng Mạch đo nguyên lý cơ bản được biểu diễn ở hình dưới. * Mạch (1): mạch tiền khuếch đại (giống như mạch tiền khuếch đại trong vôn kế điện tử), có nhiệm vụ điều hợp tổng trở cho mạch cầu Wiên và mạch ngõ vào, để khi tổng trở vào của cầu Wiên thay đổi không làm thay đổi tổng trở vào của mạch đo. * Mạch (2): mạch cầu Wien, trong mạch này mạch cầu Wien được giao nhiệm vụ là mạch dải chặn. Tại tần số cộng hưởng của cầu fr=1/2 RC, các tín hiệu có cùng tần số này sẽ bị lọc, không xuất hiện ở ngõ ra của cầu. Nhưng khi khoá S ở vị trí 1, nhánh cầu [R//C] nối mass cầu Wien không còn hiện hữu. Khi đó tín hiệu đi vào mạch khuếch đại (3) cho cầu đo qua cầu phân áp R1, R2. Hình 7.19. Mạch nguyên lý đo độ méo dạng Khuếch đại cầu Wien Khuếch đại Tiền khuếch đại Rf Hồi tiếp âm Bộ chỉ thị R1 R2 R R C C S 1 2 Đo R 1 2 3 + - + - Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định184 * Mạch (3): mạch khuếch đại tín hiệu ra từ cầu Wien, đưa vào bộ chỉ thị để cho trị số của tín hiệu hoạ tần (sóng hài) nếu có của tín hiệu khác. Như vậy chúng ta có thể xem như mạch (1), (2), (3) kết hợp thành mạch khuếch đại loại bỏ tín hiệu có tần số bằng tần số cộng hưởng của cầu Wien. Theo nguyên lý cơ bản của sự hoạt động của mạch trên. Chúng ta có thể đưa ra các bước tiến hành đo như sau: Trước hết khoá S ở vị trí 1 (vị trí chỉnh máy). Điều chỉnh biến trở RV cho đến khi kim chỉ thị số lớn nhất của thang đo (tương ứng với tín hiệu được đo có tần số cơ bản f0 và các sóng hài bậc cao thí dụ thang đo có vạch lớn nhất 100%), khi đo kim chỉ thị 100%. Sau đó khoá S ở vị trí 2, cầu Wien được tái lập điều chỉnh R và C cho đến khi nào kim chỉ thị giá trị nhỏ nhất, nghĩa là khi đó cầu Wien cộng hưởng ở tần số cơ bản f0 của tín hiệu cầu đo có độ méo dạng (nghĩa là: f0 = fr = 1/2 RC), lúc ấy tín hiệu đi vào mạch đo chỉ còn lại sóng hài (hoạ tần). Trị số độ méo dạng là trị số nhỏ nhất này (được tính theo đơn vị % hoặc trị RMS (hiệu dụng) của sóng hài còn lại). * Đối với máy đo độ méo dạng trong thực tế, ngoài phần đo độ méo dạng còn là một vôn kế điện tử (như máy đo HP331A của couresy of Hellett Packard) có sơ khối như sau: 2 1 3 S1 2 1 3 S1 2 1 3S1 2 1 3S1 RF derect S2 2 1 3 S1 4 5 6 78 NOR MRFDET Tín hiệu AM Tín hiệu đo 2 1 S1 RV Hình 7.20. Máy đo vôn kế và độ méo dạng Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 185 - Ngõ vào của máy đo có hai vị trí bởi khoá S2: + ở vị trí NORM: tín hiệu đo độ méo dạng được đưa vào. + ở vị trí RF DET: tín hiệu điều biên AM. Sau khi tín hiệu cao tần RF bị lọc ra khỏi được đưa vào máy để đô độ méo dạng của tín hiệu âm tần được điều biên. - Sau đó máy có hai chức năng: + Vôn kế điện tử khi S1 ở vị trí 1. + Đo độ méo dạng khi khoá S1 ở vị trí 2, 3 (ở vị trí 2, máy được chỉnh ở mức cực đại 100%. ở vị trí 3, máy cho biết kết quả đo độ méo dạng) - Khi sử dụng phần vôn kế điện tử máy có bộ giảm 1000:1 và 1:1 (khối 1). Còn phần đo độ méo dạng có bộ giảm, có tổng trở vào 1M Ω (khối 2). - Khối 3 mạch điều hợp tổng trở. - RV: biến trở điều chỉnh (set level) cho phần đo độ méo dạng. - Khối 4, 5, 6 đã được trình bày ở phần đo méo dạng. - Khối 7: bộ giảm ở sau mạch khuếch đại loại bỏ tín hiệu cơ bản. - Khối 8: mạch đo sự sai dạng của tín hiệu. 7.5.3. Cách thức đo độ méo dạng của tín hiệu ra từ mạch khuếch đại Hình 7.21. Sơ đồ khối trình bày sự sắp đặt máy đo độ méo dạng 1 2 3 K Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định186 :Máy tín hiệu âm thanh có tần số 20Hz đến 10 KHz. : Mạch khuếch đại cần đo độ méo dạng của tín hiệu ra ở tải. :Máy đo độ méo dạng. * Cách thức tính độ méo dạng cho tín hiệu điều biên (AM) IMD: trị số méo dạng của hai tín hiệu, biến điệu biên độ. M: tính từ trị số đỉnh cao nhất phần âm đến cao nhất phần dương. m: tính từ trị số đỉnh thấp nhất phần dương đến đỉnh thấp nhất phần âm. Thí dụ: M = 3V; m = 2V; IMD = (3-2)/ (3+2).100% = 20%. 7.6. Máy phân tích phổ tần số tín hiệu (Spectrum analyzer) Máy phân tích phổ tần có nhiệm vụ tách những tín hiệu có tần số khác nhau trong một tín hiệu có dạng bất kỳ. Sau đó trình bày những phần tử tín hiệu này lên màn hình của dao động ký với biên độ tín hiệu được quét dọc và tần số của tín hiệu được biểu diễn theo trục ngang của dao động ký, khi đó chúng ta sẽ có hình ảnh một phổ tần của các tần số tín hiệu khác nhau trên màn hình của dao động ký. Máy phân tích phổ tần theo cách quét TRF Sơ đồ khối máy phân tích này được diễn ta theo hình 7.23 Cách quét TRF: nghĩa là chúng ta dùng tín hiệu quét răng cưa (tín hiệu hàm Ramp) điều khiển mạch lọc có tần số tín hiệu lọc thay đổi (điều chỉnh được bởi điện áp của tín hiệu răng cưa TRF - Timed Radio Frequency). Mạch lọc này có dải thông rất hẹp. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ khối. Tín hiệu cần phân tích phổ tần được đưa vào mạch khối 1 hoạt động theo cách quét TRF như đã nói ở trên. 1 2 3 M m Hình 7.22. Hệ số diễn tả sự méo dạng của sóng điều biên AM Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 187 Hình 7.23. Mạch phân tích phổ tần theo cách quét TRF Tín hiệu quét (dạng hàm Ramp) được mạch khối 5 tạo ra để điều chỉnh cho khối 1 và được đưa qua mạch khối khuếch đại quét dọc cho dao động ký 4 để cho đường quét ngang trên dao động ký tỉ lệ với tần số lọc của mạch khối 1. Ví dụ: Tần số lọc của khối 1 được quét từ f1 đến f2 do tín hiệu răng cưa của khối 5 điều khiển thì đường nằm ngang trên màn ảnh biểu diễn trục tần số f từ f1 đến f2 (hình 7.24).Tín hiệu vào có tần số fS được đưa vào khối 1 khi mạch được điều khiển đến tần số fS thì ngõ ra xuất hiện tín hiệu ra sau đó qua mạch tách sóng (dựa trên cơ bản mạch chỉnh lưu kết hợp với tụ lọc) để có điện áp DC bằng trị đỉnh của tín hiệu. Điện áp này đưa vào mạch khuếch đại dọc để cho xuất hiện 1 đường quét dọc có biên độ được xác định bởi phần dọc của dao động ký tại tần số fS được xác định bởi trục ngang (hình 7.24). Biên độ f1 f0 f2 Tần số Hình 7.24. Hình phổ tần trên dao động ký Máy phát sóng răng cưa 1 Tách sóng 2 3 4 Tách sóng 1 Khuếch đại dọc Vào f0 1 2 3 4 5 Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định188 Tài liệu tham khảo [1]. Vũ Quý Điềm - Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2]. Nguyễn Văn Hoà - Giáo trình Đo lường các đại lượng điện và không điện - Nhà xuất bản Giáo dục. [3]. Nguyễn Ngọc Tân - Kỹ thuật đo lường - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [4]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế - Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý - Nhà xuất bản Giáo dục. [5]. Nguyễn Hữu Công - Kỹ thuật đo lường - Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. [6]. Electronic Instrumentation and Measurements - David A.Bell - Prentice Hall Internatinal Edition. Giáo trình Đo lường điện Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 189 Giáo trình đo lường điện (Lưu hành nội bộ) Nhà xuất bản lao động - xã hội Số 36, Ngõ Hoà Bình 4, Phố Minh Khai, Hai Bà Trưng, Hà Nội ĐT: 04. 36246917, 36246920 Fax: (04) 36246915 ***** Chịu trách nhiệm xuất bản: nguyễn hoàng cầm Chịu trách nhiệm nội dung: Vũ Anh Tuấn Biên tập và sửa bản in: vũ thị thơm Thiết kế bìa: doãn huy In 500 cuốn, khổ 16 x 24 (cm) tại Xí nghiệp in Nhà xuất bản Lao động - Xã hội. Chấp nhận ĐKKHXB số 894-2012/CXB/38-189/LĐXH. Quyết định XB số 502/QĐ-NXBLĐXH. In xong và nộp lưu chiểu Quý III/2012.