Giáo trình Thực hành Đo lường điện, điện tử - Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật công nghệ

g hồ vạn năng điện tử còn gọi là vạn năng kế điện tử là một đồng hồ vạn năng sử dụng các linh kiện điện tử chủ động, do đó cần có nguồn điện như pin. Đây là loại thông dụng nhất hiện nay cho những người làm công tác kiểm tra điện và điện tử. Kết quả của phép đo thường được hiển thị trên một màn tinh thể lỏng nên đồng hộ còn được gọi là đồng hồ vạn năng điện tử hiện số. Việc lựa chọn các đơn vị đo, thang đo hay vi chỉnh thường được tiến hành bằng các nút bấm, hay một công tắc xoay, có nhiều nấc, và việc cắm dây nối kim đo vào đúng các lỗ. Nhiều vạn năng kế hiện đại có thể tự động chọn thang đo. Đồng hồ số sử dụng nguyên lý của mạch số để đo điện áp tương tự. Đồng hồ số có tất cả các ưu điểm của mạch điện tử số khi so với mạch điện tử tương tự.Vạn năng kế điện tử còn có thể có thêm các chức năng sau: 1. Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo (gần) bằng 0. 2. Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước. 3. Thêm các bộ khuếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cường độ dòng điện nhỏ khi điện trở lớn. 4. Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện, có ích khi kiểm tra và lắp đặt mạch điện. 5. Kiểm tra diode và transistor, có ích cho sửa chữa mạch điện. 6. Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt. 7. Đo tần số trung bình, khuếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện của radio. Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong dao động kế). 8. Dao động kế cho tần số thấp, có ở các vạn năng kế có giao tiếp với máy tính. 9. Bộ kiểm tra điện thoại. 10. Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô. 27 11. Lưu giữ số liệu đo đạc (Ví dụ của hiệu điện thế). Ưu điểm: Đồng hồ số Digital có một số ưu điểm so với đồng hồ cơ khí, đó là độ chính xác cao hơn, trở kháng của đồng hồ cao hơn, do đó không gây sụt áp khi đo vào dòng điện yếu, đo được tần số điện xoay chiều. Nhược điểm: Đồng hồ này có một số nhược điểm là chạy bằng mạch điện tử lên hay hỏng, khó nhìn kết quả trong trường hợp cần đo nhanh, không đo được độ phóng nạp của tụ. Nguyên lý hoạt động: Sau khi mạch suy giảm cho việc chọn thang đo; tín hiệu vào sẽ dược chuyển đổi thành tín hiệu số bởi bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Ở dạng cơ bản nhất, ADC sẽ so sánh tín hiệu vào với điện áp mẫu (các phương pháp nhận điện áp mẫu có thể khác nhau). Chỉ cần điện áp vào lớn hơn so với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ cho mức logic 1, sẽ giữ cho cổng AND mở và các xung nhịp sẽ truyền qua cổng AND. Bộ đếm sẽ đếm các xung nhịp đó. Ngay khi điện áp vào trở nên bằng với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ bằng 0. Cổng AND sẽ đóng và dừng việc đếm. Mức ra của bộ đếm sẽ được chốt và các LED hay tinh thể lõng sẽ hiển thị giá trị đo (hình 3.26). Hình3.26: Sơ đồ khối của DVOM hiển thị số 3. Máy tạo tín hiệu 3.1. Khái niệm chung Máy phát tín hiệu hay máy tạo sóng đo lường là bộ nguồn tạo ra các tín hiệu chuẩn về biên độ, tần số và dạng sóng dùng trong thử nghiệm và đo lường. Các máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm có các dạng sau: - Máy tạo sóng sin tần số thấp LF (low frequency); - Máy tạo sóng sin tần số vô tuyến RF (radio frequency); 28 - Máy tạo hàm; - Máy phát xung; - Máy phát tần số quét, máy phát các tín hiệu thử nghiệm. Các máy tạo tín hiệu RF thường có dải tần số từ 0 kHz đến 100 kHz, với mức điện áp có thể điều chỉnh từ 0 - 10V. Các máy tạo hàm cũng thường là máy phát RF với 3 dạng sóng đặc trưng là sóng vuông, sóng tam giác và sóng hình sin. 3.2. Máy tạo hàm Máy tạo hàm phát ra các dạng sóng chuẩn, dạng sóng tùy ý và tùy chọn giảm tín hiệu nên máy phát hàm có thể hỗ trợ một loạt các ứng dụng hiệu quả chỉ với một thiết bị. Do đó, máy phát hàm có thể tạo ra tất cả các dạng sóng cần thiết cho thí nghiệm. Máy phát hàm Keysight Hiệu suất của máy phát hàm được cho là tốt nhất trong phân khúc đảm bảo tín hiệu được tái tạo một cách chính xác. Máy phát hàm cũng là thiết bị cung cấp các giá trị tốt nhất so với giá tiền trong dòng sản phẩm máy phát chức năng tùy ý. Cấu tạo máy phát hàm: Máy phát hàm phát xung hiện nay có thiết kế tiện dụng cho người dùng, khá nhỏ gọn và nhẹ. Máy được tích hợp hợp thêm một số chức năng của máy đếm tần số 6 số. 3.3. Bộ tạo xung Bộ tạo xung là thiết bị chuyên dụng để tạo ra các dạng tín hiệu khác nhau như: sóng sine, sóng vuông, sóng tam giác, nhiễu và các loại tín hiệu khác. Với khả năng điều chỉnh các thông số của tín hiệu như tần số, biên độ một cách chính xác 29 Do đó máy phát xung thường được sử dụng cho công việc kiểm tra phản ứng của mạch, chuẩn đoán sửa chữa các lỗi có thể xảy trong mạch và tìm cách khắc phục Hầu hết các máy phát xung tín hiệu cho phép bạn chọn dạng sóng đầu ra như một số dạng sóng đã kể ở trên. Trong đó: - Sóng vuông: tín hiệu ngay lập tức chuyển từ điện áp cao sang điện áp thấp - Sóng sin: tín hiệu cong từ điện áp cao đến điện áp thấp theo hình sin - Sóng tam giác: các tín hiệu đi từ điện áp cao đến điện áp thấp ở một tốc độ cố định. 4. Máy hiện sóng 4.1. Khái niệm chung - Dao động ký (máy hiện sóng - MHS) một tia gồm một ống phóng tia điện tử, mạch điện tử dễ điều khiển và đưa tín hiệu vào. Dao động ký điện tử được sử dụng để quan sát dạng của tín hiệu. - Dao động ký (hình 7.1) là thiết bị đo thực hiện vẽ dao động đồ và hiện hình dạng sóng tín hiệu nhờ ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube). Dao động ký điện tử có thể đo hàng loạt các thông số của tín hiệu: trị đỉnh, trị tức thời của điện áp, dòng điện; đo thời hạn xung, tần số, đo di pha, đo hệ số điều chế biên độ, vẽ đặc tuyến các linh kiện. Nhờ trở kháng lối vào rất lớn nên phép đo có ưu điểm không làm ảnh hưởng tới chế độ công tác của mạch. Các phương pháp đo dùng dao động ký rất thông dụng, vì phép đo đơn giản, thực hiện nhanh chóng và dễ dàng, kết quả đo khá chính xác. Một đặc điểm rất quan trọng của phép đo là trực quan, vừa quan sát được dạng tín hiệu nghiên cứu vừa đo đạc được các thông số đặc tính của tín hiệu. Các dao động ký điện tử được phân loại theo các dấu hiệu khác nhau: – Phân loại theo dãi tần: tần cao, tần thấp; – Phân loại theo kênh đo: 1 kênh, 2 kênh, nhiều kênh; – Phân loại theo số tia điện tử: 1 tia hay nhiều tia; 30 – Loại có nhớ hay không có nhớ. Hình 7.1: Dao động ký 4.2. Ống tia điện tử  Ống tia điện tử: Là bộ phận trung tâm của máy hiện sóng (MHS), sử dụng loại ống 1 tia khống chế bằng điện trường. Có nhiệm vụ hiển thị dạng sóng trên màn hình và là đối tượng điều khiển chính (Uy, Ux, Ug).  Kênh lệch đứng Y: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu vào cần quan sát, biến đổi và tạo ra điện áp phù hợp cung cấp cho cặp lái đứng Y1, Y2. Gồm các khối chức năng sau: - Chuyển mạch kết nối đầu vào S1: Cho phép chọn chế độ hiển thị tín hiệu. + S1 tại AC: Chỉ hiển thị thành phần xoay chiều của Uth. + S1 tại DC: Chỉ hiển thị thành phần một chiều và xoay chiều của Uth. + S1 tại GND: Chỉ quan sát tín hiệu nối đất (0V). - Mạch vào phân áp Y: Có nhiệm vụ phối hợp trở kháng và phân áp tín hiệu vào để tăng khả năng đo điện áp cao. Thường dùng các khâu phân áp R – C mắc nối tiếp nhau, hệ số phân áp không phụ thuộc vào tần số, chuyển mạch phân áp được đưa ra ngoài mặt máy và được ký hiệu là Volts/Div. - Tiền khuếch đại: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung của kênh Y. Thường dùng các mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn và có hệ số khuyếch đại lớn. - Tạo trễ: Có nhiệm vụ giữ chậm tín hiệu trước khi đưa tới khuyếch đại (KĐ) Y đối xứng, thường dùng trong các chế độ quyét đợi để tránh mất một phần sườn trước của tín hiệu khi quan sát. Thường dùng các chân L – C mắc nối tiếp. - Khuếch đại Y đối xứng: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung của kênh Y, đồng thời tạo ra điện áp đối xứng để cung cấp cho cặp lái đứng Y1, Y2. 31 - Tạo điện áp chuẩn: Tạo ra điện áp chuẩn có dạng biên độ, tần số biết trước, dùng để kiểm chuẩn lại các hệ số lệch tia của MHS. - Khối lệch ngang X và đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp quét phù hợp về dạng và đồng bộ về pha so với Y1,Y2 để cung cấp cho mạch lái ngang X1X2. - Chuyển mạch đồng bộ S2: Cho phép chọn các tín hiệu đồng bộ khác nhau. + S2 tại CH: Tự đồng bộ (Uđb = Uth) + S2 tại EXT: Đồng bộ ngoài (Uđb = UEXT), tín hiệu đồng bộ đưa qua đầu vào EXT. + S2 tại LINE: Đồng bộ với lưới điện AC 50Hz (Uđb = UAC50HZ) lấy từ nguồn nuôi. - Khuếch đại đồng bộ và tạo dạng: khuếch đại tín hiệu đồng bộ Uđb phù hợp và tạo ra dạng xung nhọn đơn cực có chu kỳ: Tx = Tđb - Tạo xung đồng bộ: Chia tần Ux và tạo ra xung đồng bộ có chu kỳ: Txđb = nTx = nTđb. Xung này sẽ điều khiển bộ tạo điện áp quét để tạo ra Uq răng cưa tuyến tính theo chế độ quét đợi hoặc quét liên tục và có chu kỳ Tq = Txđb. - Khuếch đại X đối xứng: khuếch đại điện áp quét và tạo ra điện áp đối xứng để đưa tới cặp lái ngang X1X2. - Mạch vào khuếch đại X: Nhận tín hiệu Ux khuếch đại, phân áp phù hợp. - Chuyển mạch S3: Chuyển mạch lựa chọn chế độ quét (quét liên tục, quét đợi). - Bộ tạo điện áp quét: Tạo điện áp quét liên tục (hoặc quét đợi) đưa đến cặp phiến X. Kênh điều khiển chế độ sáng Z: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều chế độ sáng Uz vào, thực hiện chọn cực tính và khuếch đại phù hợp rồi đưa tới lưới điều chế G của CRT. 4.3. Hệ thống mạch điều khiển - Điều khiển cường độ tia [Intensity control] dùng để điều chỉnh độ sáng của vệt. - Điều khiển độ hội tụ [Focus control] dùng để điều khiển độ sắc nét của vệt sáng. - Điều khiển định thời. Điều chỉnh khoảng thời gian / vạch chia của mạch dao động quét (gốc thời gian). - Điều khiển hệ số khuyếch đại dọc (Y) dùng để điều chỉnh biên độ của dạng sóng hiển thị theo chiều dọc, trong khoảng từ 5mV/div đến 20V/div. - Điều khiển hệ số khuyếch đại ngang (H) dùng để điều chỉnh độ dài của vệt theo chiều ngang. - Điều khiển quét dùng để chọn mạch quét trong hay quét ngoài. 32 - Điều khiển kích khởi [Trigger control] dùng để chọn xung kích khởi từ bộ khuyếch đại dọc (Y), hoặc từ tín hiệu điện lưới hay tín hiệu ngoài (đối với các loại máy hiện sóng hiện nay có thêm chức năng điều khiển đồng bộ). - Điều khiển mức kích khởi, dùng để điều chỉnh mức của xung kích khởi. - Điều khiển vị trí ngang, dùng để điều chỉnh vị trí của dạng sóng hiển thị theo chiều ngang. - Điều khiển vị trí dọc dùng để điều chỉnh vị trí của dạng sóng hiển thị theo chiều dọc. Sơ đồ khối của dao động ký điện tử tiêu biểu bao gồm các bộ phận như hình 7.2. Sơ đồ cấu tạo của dao động ký bao gồm các khối chính: Ống tia điện tử, khối lệch đứng Y, khối lệch ngang và đồng bộ X, kênh khống chế độ sáng (kênh Z). Hình 7.2: Sơ đồ khối của Ocsilloscope 4.4. Công dụng Máy hiện sóng là thiết bị đo có độ nhạy rất cao, chính xác và không gây quá tải cho hệ thống cần đo, do không có cơ cấu đo kiểu quay. Máy hiện sóng sẽ hiển thị dạng sóng thực tế của tín hiệu vào, nên có thể biết mạch có khuyếch đại và méo dạng hay không một cách dễ dàng. Máy hiện sóng có thể dùng để đo mức điện áp dc, khảo sát 33 các tín hiệu xung, các tín hiệu răng cưa, tam giác, sóng sin và các tín hiệu có dạng phức tạp khác. Máy hiện sóng có thể đo tần số của các bộ dao động và các bộ tạo xung nhịp. Máy hiện sóng vệt kép có thể kiểm tra hai tín hiệu vào (trong trường hợp ở các mạch op - amp và các cổng), cũng như kiểm tra tín hiệu đầu vào và đầu ra trong mạch điện tử. Do vậy, máy hiện sóng được sử dụng phổ biến trong việc đo thử, sửa chữa các mạch khuyếch đại, các mạch dao động, các máy phát, máy thu và trong các hệ thống mạch số. 5. Dụng cụ tự ghi 5.1. Khái niệm chung Điện áp tín hiệu cần nghiên cứu sau khi qua mạch lối vào sẽ được lấy mẫu và được mã hóa sang dạng số nhờ các khối biến đổi AD và được lưu trữ trong bộ nhớ RAM với địa chỉ xác định bởi bộ đếm. Tín hiệu muốn hiển thị ra màn hình được truy xuất trực tiếp từ bộ nhớ sau đó được giải mã để lấy lại dạng tín hiệu ban đầu và đưa ra bộ chỉ thị. Phụ thuộc vào dạng chỉ thị là đèn ống tia âm cực hay màn hình LCD mà có sơ đồ điều khiển thích hợp. Hiện nay các dao động ký số đều sử dụng chỉ thị bằng LCD. 5.2. Nguyên tắc cấu tạo Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của dao động ký số như hình 6.1 M ch lối o L y m u M h a Đ m RAM Gi i h th M ch Điều khiển T n hiệu o Hình 6. 1. Sơ đồ khối của dao động ký số 5.3. Công dụng Dao động ký điện tử số là thiết bị đo chính xác, việc tìm hiểu cặn kẽ các chức năng điều khiển, vai trò, tính năng, tác dụng của các phím điều khiển là yêu cầu bắt buộc để có thể làm chủ máy đo phục vụ công tác kiểm tra, sửa chữa, bảo hành điện tử. 34 BÀI 4: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN VÀ KHÔNG ĐIỆN Mã bài: MĐ CĐT16 - 04 Giới thiệu: Đo lường điện là việc xác định các đại lượng chưa biết về điện như dòng điện, điện áp, công suất bằng các dụng cụ đo lường điện. Ứng với mỗi đại lượng chưa biết thì sử dụng các dụng cụ đo cũng như các phương pháp đo khác nhau. Các đại lượng điện được chia làm hai loại: loại tác động (active) và loại thụ động (passive). – Loại tác động: Các đại lượng mang năng lượng như điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng tác động. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ tác động lên mạch đo và cơ cấu đo. Trong các trường hợp năng lượng quá lớn phải sử dụng các mạch phân dòng, phân áp hoặc các mạch lấy mẫu đại lượng đo (biến áp, biến dòng). Trường hợp ngược lại, nếu các đại lượng đo quá nhỏ, phải sử dụng các mạch khuếch đại để khuếch đại chúng lên đủ lớn để mạch đo có thể làm việc bình thường. – Loại thụ động: Các đại lượng không mang năng lượng như điện trở, điện cảm, điện dung là các đại lượng thụ động. Khi đo các đại lượng này phải có nguồn điện áp để cung cấp năng lượng cho chúng trong mạch đo. Mục tiêu: - Phân tích được sơ đồ nguyên lý của Vôn kế, Am pe kế, oát kế, Ôm kế - Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo dòng điện, điện áp một chiều và xoay chiều - Trình bày được phương pháp mở rộng giới hạn đo dòng, áp trong mạch một chiều và xoay chiều - Phân tích được sơ đồ nguyên lý của dụng cụ đo điện năng xoay chiều 1 pha, 3 pha - Vận dụng được phương pháp đo các đại lượng không điện - Chấp hành đúng nguyên tắc an toàn trong quá trình đo Nội dung chính: 1. Đo điện áp - Dụng cụ đo: Để đo điện áp đọc thẳng trị số ta dùng Vônmét. Ký hiệu: V 35 - Phương pháp đo: Khi đo Vônmét được mắc song song với đoạn mạch cần đo. Ta có: V V r U I  (*) rV = Hằng số, biết IV suy ra điện áp U Dòng qua cơ cấu IV làmquay kim một góc tỷ lệ với dòng điện IV cũng chính tỷ lệ với điện áp cần đo U. Trên thang đo ta ghi thẳng trị số điện áp. Từ (*) suy ra IV gây sai số, muốn giảm sai số thì phải tăng điện trở rV . Mặt khác Vônmét cũng tiêu thụ một lượng công suất V V r U P 2   rV càng lớn thì PV càng nhỏ điện áp U đo được càng chính xác. 1.1. Đo điện áp một chiều Về nguyên tăc người ta có thể sử dụng trực tiếp cơ cấu đo từ điện để đo trực tiếp điện áp một chiều, tối đa là 100mV. Ta có: 𝛼 = 𝑆I. 𝐼𝑐𝑡 = 𝑆𝐼 𝑈𝑐𝑡 𝑅𝑐𝑡 Đăt: 𝑆I 𝑅𝑐𝑡 = 𝑆𝑢 →𝛼 = 𝑆𝑢𝑈𝑐𝑡 Rct: Điên trở của cơ cấu đo. Uct: Điện ấp lớn nhất cho phép đặt lên cơ cấu đo. Từ góc quay của kim chỉ thị ta có thể đánh giá được điện áp ở hai đầu cơ cấu đo. 1.2. Đo điện áp xoay chiều Đối với cơ cấu đo điện động, điện từ, Vônmét AC dùng những cơ cấu này phải mắc nối tiếp điện trở với cơ cấu đo như Vônmét DC. Vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều. Riêng cơ cấu từ điện phải dùng phương pháp biến đổi như ở Ampemét tức là dùng điôt chỉnh lưu. a. Vônmét từ điện chỉnh lưu đo điện áp xoay chiều: Là dụng cụ được phối hợp mạch chỉnh lưu với cơ cấu đo từ điện như hình vẽ sau: Hình 2.11: Sơ đồ mắc vôn mét V rV I V I Phụ tải C R c t Ict → Uc t Hình 2.12: Sơ đồ cơ cấu đo 36 Trong đó: - R1: điện trở bù nhiệt độ làm bằng dây đồng. - R2: điện trở manganin. - L và C: điện cảm và điện dung bù tần số - RP: Điện trở phụ mở rộng thang đo b. Vôn mét điện từ: Là dụng cụ đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Cuộn dây phần tỉnh có số vòng lớn từ 1000  6000 vòng. Để mở rộng thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ như hình dưới đây. Tụ điện C dùng để bù tần số khi đo ở tần số cao hơn tần số công nghiệp. c. Vôn mét điện động: Cấu tạo của Vôn mét điện động giống Ampemét điện động nhưng số vòng cuộn dây tỉnh lớn hơn, tiết diện dây nhỏ hơn. Trong Vôn mét điện động cuộn dây tỉnh và cuộn dây động được mắc nối tiếp nhau. Cuộn dây tỉnh được chia thành 2 phần A1 và A2 hình vẽ trên. C Rct Rp1 Rp2 Rp3 C U1 U2 U3 Hình 2.17: Vôn mét điện từ. Hình 2.16: Vônmét từ điện chỉnh lưu đo điện áp xoay chiều . - Rp: là điện trở phụ. C R1 R2 C U C Rp L U R1 R2 37 Khi đo điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 150V, hai đoạn A1 và A2 được mắc song song với nhau. Nếu điện áp U  150V các đoạn A1 và A2 được mắc nối tiếp nhau. Ngoài ra để mở rộng phạm vi đo lớn hơn (Trên 1000V), người ta dùng máy biến điện áp đo lường (BU). Tương tự như BI, BU dùng đo lường trong mạch điện xoay chiều điện áp cao. Cấu tạo tương tự như máy biến áp thông thường, ta có tỷ số biến áp: 2 1 2 1 W W U U KU   U1 = KU.U2 (2.12) Điện áp định mức thứ cấp U2 luôn luôn được tính toán là 100V (trừ một số trường hợp đặc biệt). Chẳng hạn: - Đối với điện áp 10kV: người ta thường dùng BU có điện áp định mức là 10000/100V - Đối với điện áp 35kV: người ta thường dùng BU có điện áp định mức là 35000/100V Ví dụ: Thanh góp điện áp 110 kV có đặt biến điện áp 115000/100V, bên thứ cấp mắc Vônmét và các dụng cụ đo. Khi Vônmét chỉ U = 95V thì điện áp trên thanh góp là bao nhiêu? Giải: Ta có Tỷ số biến áp:  2 1 U U KU 1150 100 115000  Điện áp trên thanh góp chính là điện áp sơ cấp của BU, ta có: U1 = KU.U2 = 1150*95 = 109250V = 109,25kV Hình 2.18: Máy biến điện áp W2 V U2 U1 W1 38 Vậy điện áp trên thanh góp là: 109,25kV. 1.3. Mở rộng giới hạn đo 1.3.1. Phương pháp dùng điện trở phụ Với: Ro điện trở của cơ cấu đo Rp là điện trở phụ Uo điện áp đặt lên cơ cấu Ux điện áp cần đo Ta có: o po po x o o R RR Uo Ux RR U R U     Đặt: o po u o x u R RR K R U K   , vậy: Ku.Ro = Ro + Rp Rp = Ro(Ku – 1) Ku là hệ số mở rộng của thang đo Có thể chế tạo Vônmét điện động nhiều nhiều thang bằng cách thay đổi cách mắc song song hoặc nối tiếp hai đoạn dây tĩnh và nối tiếp các điện trở phụ. Ví dụ sơ đồ Vônmét điện động có hai thang đo như sau: Trong đó: A1, A2 là hai phần của cuộn dây tĩnh. B cuộn dây động. Trong Vônmét này cuộn dây tĩnh và động luôn luôn nối tiếp với nhau và nối tiếp với các điện trở phụ Rp. Bộ đổi nối K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn đo. Các tụ điện C tạo mạch bù tần số cho Vônmét. 1.3.2. Phương pháp dùng biến điện áp: Vì Vônmét có điện trở lớn nên có thể coi biến áp luôn làm việc ở chế độ không tải: Ta có: vK W W U U  2 1 2 1 39 I phụ tải A Rt rA   U Hình 2.1: Sơđồ mắc Ampemet - + Để tiện trong quá trình sử dụng và chế tạo người ta quy ước điện áp định mức của biến áp phía thứ cấp bao giờ cũng là 100V. Còn phía sơ cấp được chế tạo tương ứng với các cấp của điện áp lưới. Khi lắp hợp bộ giữa biến điện áp và Vônmét người ta khắc độ Vônmét theo giá trị điện áp sơ cấp. Giống như Biến dòng điện, biến điện áp là phần tử có cực tính, có cấp chính xác và phải được kiểm định trước khi lắp đặt. 2. Đo dòng điện Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là: - Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng là bằng 0. - Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo. - Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dưới). 2.1. Đo dòng điện một chiều Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Như đã biết, độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu dòng rất kém. Thông thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10-4 đến 10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20 đến 2000 với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; và 0,05 2.2. Đo dòng điện xoay chiều Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, người ta thường dùng ampe mét điện từ, ampemet điện động, từ điện chỉnh lưu. a. Ampe met từ điện chỉnh lưu 40 Ta biết ampemet từ điện không có khả năng đo trực tiếp dòng điện xoay chiều. Do đó để đo được dòng xoay chiều, ampemét từ điện phải kết hợp với mạch chỉnh lưu bằng điôt. Thông thường ampemet loại này có thể đo được cả dòng điện một chiều và xoay chiều. Việc lựa chọn đo dòng AC hay DC được tiến hành thông qua chuyển mạch bằng cơ khí. - Dùng điện trở Shunt và điôt cho cơ cấu từ điện: (Ampemét chỉnh lưu) Điôt mắc nối tiếp với cơ cấu, do đó dòng điện icLtb qua cơ cấu, dòng còn lại qua điện trở Shunt. Nói chung các Ampemét chỉnh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ thay đổi theo tần số. Vì vậy cần phải bù nhiệt độ và bù tần số. Dưới đây là các sơ đò bù tần số của các Ampemét chỉnh lưu bằng cuộn cảm và tụ điện C. Mặt khác các Ampemét từ điện chỉnh lưu được tính toán với dòng điện có dạng hình sin, hệ số hình dáng Khd = 1,1 I Dk BSW hd . (2.7) Khi đo với các dòng điện không phải hình sin sẽ gây sai số. Hình2.6: Các phương pháp bù tần số của Ampemét chỉnh lưu a. Bù tần số của Ampemét chỉnh lưu bằng cuộn cảm C Rcu L RMn Rcu b. Bù tần số của Ampemét chỉnh lưu bằng tụ điện C C C Rcu RMn Hình 2.5: Ampemét chỉnh lưu C Rct RS ICLTB VD IS + - IAC 41 Ưu điểm của dụng cụ này là độ nhạy cao, tiêu thụ công suất nhỏ, có thể làm việc ở tần số 500  1kHz. Nhược điểm: độ chính xác thấp. Cấp chính xác 1÷1,5 b. Ampemét điện từ: Là dụng cụ đo dòng điện được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số Ampe và số vòng nhất định. Ví dụ: Cuộn dây tròn có IW = 200A vòng, cuộn dẹt có AIW 150100 vòng do đó khi mở rộng thang đo chỉ cần thay đổi sao cho I.W là hằng số, bằng cách chia đoạn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách nối ghép các đoạn đó như hình 2.7a để đo dòng điện nhỏ, hình 2.7b. để đo dòng điện trung bình, hình 2.7c. để đo dòng điện lớn c. Ampemét điện động: thường sử dụng đo dòng điện ở tần số 50Hz hoặc cao hơn (400  2000) với độ chính xác cao (cấp 0,5  0,2). Hình2.8 Sơ đồ Ampemét điện động b. A-mét B A L1 R1 A L2 R2 a. mA-mét B A A b. Đo dòng điện trung bình Hình 2.7: Mở rộng thang đo của Ampemét điện từ I1 I2 I I c. Đo dòng điện lớn I I a. Đo dòng điện nhỏ 42 Tùy theo dòng điện cần đo mà cuộn dây tĩnh và cuộn dây động được mắc nối tiếp hoặc song song (hình 2.8). - Khi dòng điện cần đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn dây tĩnh và cuộn dây động (hình 2.8a). - Khi dòng điện cần đo lớn hơn 0,5A cuộn dây tĩnh và cuộn dây động được ghép song song (hình 2.8b). Ampemét điện động có độ chính xác cao nên được sử dụng làm dụng cụ mẫu. Các phần tử R, L trong sơ đồ dùng để bù sai số tần số và tạo cho dòng điện ở 2 cuộn dây trùng pha nhau. * Khi cần đo các dòng điện lớn, để mở rộng thang đo người ta còn dùng máy biến dòng điện (BI). * Cấu tạo của biến dòng gồm có 2 cuộn dây: - Cuộn sơ cấp W1, được mắc nối tiếp với mạch điện có dòng I1 cần đo - Cuộn thứ cấp W2 mắc nối tiếp với Ampemét có dòng điện I2 chạy qua * Để đảm bảo an toàn cuộn thứ cấp luôn luôn được nối đất. Cuộn thứ cấp được chế tạo với dòng điện định mức là 5A. Chẳng hạn, ta thường gặp máy biến dòng có dòng điện định mức là: 15/5A; 50/5A; 70/5A; 100/5A.... (Trừ những trường hợp đặc biệt). Ta có tỷ số biến dòng 1 2 2 1 W W I I Ki  (2.8) Tỷ số Ki bao giờ cũng được tính sẵn khi thiết kế BI nên khi trên ampemét có số đo I2 ta dễ dàng tính ngay được I1 I1 A W1 W2 I2 Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo BI 43 I1 = Ki I2 (2.9) Ví dụ: Biến dòng điện có dòng điện định mức là 600/5A; W1 = 1 vòng. Xác định số vòng của cuộn thứ cấp và tìm xem khi ampemét thứ cấp chỉ I2 = 2,85A thì dòng điện cuộn sơ cấp là bao nhiêu Giải: - Tỷ số biến dòng: 120 5 600 iK - Số vòng cuộn thứ cấp W2 = Ki W1 = 120 vòng - Dòng điện sơ cấp I1 = Ki I2 =120 x 2,85 = 342A 2.3. Mở rộng giới hạn đo 2.3.1. Phương pháp chia nhỏ cuộn dây Khi đo dòng điện có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn thì người ta mắc các cuộn dây song song. Hình 2.7 Phương pháp chia nhỏ cuộn dây 2.3.2. Phương pháp dùng biến dòng điện Hình 2.8: Sơ đồ dùng BI để đo dòng điện I1.W1 = I2.W2 hay I1/I2 = W2/W1 = KI KI: hệ số máy biến dòng. VD máy biến dòng: 100/5; 200/5; 300/5 2.3.3. Phương pháp dùng điện trở Shunt 44 Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta mắc thêm điện trở Shunt song song với cơ cấu chỉ thị. Diode mắc nối tiếp với cơ cấu đo từ điện, do đó dòng điện chỉnh lưu qua cơ cấu đo, dòng điện qua Rs là dòng AC. Im dòng điện qua cơ cấu đo Immax dòng điện cực đại Imax dòng điện cực đại cho phép qua cơ cấu đo. maxmax 2318,0318,0 IIIi mmd  Giá trị dòng điện hiệu dụng của dòng điện AC qua Rs: 2318,0 maxIII cs  Với Ic là dòng điện cần đo )( 2318,0 max    s mD s I I RU R 3. Đo công suất 3.1. Dụng cụ đo công suất Công suất là đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng, quá trình và hiện tượng vật lý. Vì vậy việc xác định công suất là một phép đo rất phổ biến. Việc nâng cao độ chính xác của phép đo đại lượng này có ý nghĩa rất to lớn trong nền kinh tế quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng đến việc tìm những nguồn năng lượng mới, đến việc tiết kiệm năng lượng. Dải đo của công suất điện thường từ 10-20Wđến 10+20W. Hình 2.12: Sơ đồ mắc Oát – mét với nguồn công suất cần đo 45 Về cấu tạo thì các Oát – mét thường gồm 3 khối: tải hấp thụ, bộ biến đổi năng lượng và thiết bị chỉ thị. Ở các mạch điện một chiều, mạch xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz), âm tần, cao tần thì phép đo công suất được thực hiện bằng phương pháp đo trực tiếp hay đo gián tiếp. Đo trực tiếp công suất có thể thực hiện bằng Oát – mét. Oát – mét có bộ biến đổi đại lượng điện là một thiết bị “nhân” điện áp và dòng điện trên tải. Đo gián tiếp công suất thì được thực hiện bằng phép đo dòng điện, điện áp và trở kháng. Nếu đo dòng điện ở cao tần: phép đo được thực hiện bằng các phương pháp biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác để đo. Các dạng năng lượng này như là quang năng, nhiệt năng hay cơ năng . 3.2. Đo công suất trong mạch một chiều,mạch xoay chiều một pha Trong trường hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng được tính là: P = U.I.cos hệ số cosφ được gọi là hệ số công suất. Còn đại lượng S = U.I gọi là công suất toàn phần được coi là công suất tác dụng khi phụ tải là thuần điện trở tức là, khi cosφ = 1. Khi tính toán các thiết bị điện để đánh giá hiệu quả của chúng, người ta còn sử dụng khái niệm công suất phản kháng. Đối với áp và dòng hình sin thì công suất phản kháng được tính theo : Q = U.I.sinφ Trong trường hợp chung nếu một quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kỳ thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài. Hệ số công suất trong trường hợp này được xác định như là tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần: 3.3. Đo công suất mạch xoay chiều 3 pha Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là : 46 với: Uφ, Iφ: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng φ0: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng. Biểu thức để đo năng lượng điện được tính như sau: Wi = Pi.t với: P: công suất tiêu thụ t: thời gian tiêu thụ Trong mạch 3 pha có: W= WA+ WB + WC 4. Đo điện năng 4.1. Dụng cụ đo điện năng Trên thực tế việc đo điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 pha người ta thường sử dụng công tơ 1 pha. Loại công tơ thường được dùng phổ biến hơn cả đó là loại công tơ hãng EMIC của Việt Nam. Công tơ một pha được trang bị hầu hết cho tất cả các hộ gia đình sử dụng điện, mục tích là để tính lượng điện năng tiêu thụ hàng tháng với đơn vị là số điện hay kwh. Công tơ một pha được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng, cấu tạo thường có các phần cơ bản sau: - Cuộn dây 1 (tạo nên nam châm điện 1): gọi là cuộn áp được mắc song song với phụ tải. Cuộn này có số vòng dây nhiều, tiết diện dây nhỏ để chịu được điện áp cao. - Cuộn dây 2 (tạo nên nam châm điện 2): Gọi là cuộn dòng được mắc nối tiếp với phụ tải. Cuộn này dây to, số vòng ít, chịu được dòng lớn. - Đĩa nhôm 3: được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn dây 1, 2. - Hộp số cơ khí: gắn với trục quay của đĩa nhôm để ghi lại lượng điện năng đã tiêu thụ. - Nam châm vĩnh cửu 4: có từ trường xuyên qua đĩa nhôm để tạo ra mômen hãm. 47 Hình7.1a: Nguyên lý cấu tạo công tơ 1 pha Hình7.1c: Cuộn áp Hình 7.1b: Cấu tạo công tơ 1 pha Hình7.1d:Đĩa nhôm Hình7.1e:Hộp số Hình7.1f:Nam châm Hình7.1g:Cuộn dòng 4.2. Đo điện năng mạch một pha 4.2.1. Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dòng điện sẽ sinh ra từ thông 1 biến thiên qua đĩa nhôm do đó trong đĩa nhôm sẽ xuất hiện dòng điện xoáy ii. Tương tự như vậy, ở cuộn điện áp dòng xoay chiều sinh ra từ thông 2 biến thiên do đó sinh ra dòng điện iu. Các dòng ii và iu tác dụng với 1 và 2 tạo thành mômen quay làm đĩa nhôm quay: Mq = K1 P Do đĩa nhôm lại nằm trong từ trường của nam châm vĩnh cửu nên khi đĩa nhôm quay thì trong đĩa lại xuất hiện dòng cảm ứng ic. Sự tương tác giữa ic và từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra mômen hãm, ngược chiều với mômen quay (do đó nam châm vĩnh cửu còn được gọi là nam châm hãm). Mc = K2.n (n là tốc độ quay của đĩa nhôm). Khi Mq = Mc thì đĩa nhôm quay đều. 48 Mq = Mc K1 P = K2 n PK K K Pn 3 2 1  ; ( 2 1 3 K K K  ) Như vậy tốc độ quay của đĩa nhôm tỷ lệ với công suất P của mạch cần đo. Sau một thời gian t đĩa nhôm quay được N vòng tức là n = N/t suy ra: N = CP.P.t = CP.W. Nghĩa là số vòng của công tơ sau một thời gian t tỉ lệ với năng lượng W tiêu thụ của phụ tải trong thời gian ấy. CP được gọi là hằng số công tơ: CP = N/W [vòng/kWh]. Là số vòng của công tơ khi tiêu hao công suất là 1kW trong 1 giờ. Số chỉ này của năng lượng sẽ được ghi lại bởi một hộp số cơ học trên mặt công tơ. Hình7.2: Hình ảnh công tơ 1 pha 4.2.2. Sơ đồ nối dây công tơ một pha Trong mỗi công tơ, khi mở nắp che trụ đấu dây ra thì ở mặt trong của trụ đấu dây bao giời cũng có sơ đồ nối dây đi kèm. Người thợ điện có thể dựa váo sơ đồ đo để đấu dây cho đúng. Trên thực tế thướng có một số sơ đồ nối dây như hình dưới đây: a, b, c, Hình7.3: Sơ đồ nối dây công tơ 1 pha Hình a: Có 4 trụ đấu dây. Trong đó trụ 1 là đầu vào cuộn dòng và cuộn áp, trụ số 2 là đầu ra của cuộn dòng, trụ số 3 và 4 được nối liền và là đầu còn lại của cuộn áp, trong đó trụ 3 là đầu vào dây trung tính còn trụ 4 là đầu ra của dây trung tính. Đây là sơ đồ nối dây trực tiếp, đo điện năng trong mạch công suất nhỏ. Hình b: Có 4 trụ đấu dây. Trong đó trụ 1 là đầu vào cuộn dòng và cuộn áp, trụ 2 là đầu vào dây trung tính, trụ số 3 là đầu ra dây trung tính, trụ 4 là đầu ra cuộn dòng 49 nối với tải. Đây cũng là sơ đồ nối dây trực tiếp, đo điện năng trong mạch công suất nhỏ. Hình c: Là sơ đồ đo điện năng của mạch công suất lớn, nên dòng điện đưa vào cuộn dòng phải thông qua biến dòng CT qua 2 trụ 1 và 2. Các trụ 3 và 4 là hai đầu cuộn áp mắc song song với tải. Đối với công tơ 1 pha hay 3 pha đều có cực tính của các cuộn dòng và cuộn áp được đánh bằng dấu (*), do đó khi mắc dây cần chú ý đấu đúng đầu cực tính. Nếu 1 trong 2 cuộn đấu ngược thì công tơ sẽ quay ngược. 4.2.2. Lắp đặt, nối dây công tơ một pha - Loại công tơ:Các hộ có nhu cầu tiêu thụ dưới 100kWh/tháng lắp loại công tơ 3(9)A. Còn trên 100kWh/tháng lắp loại công tơ 5(20)A. Các cơ sơ sản xuất kinh doanh, chế biến, hộ tập thể công cộng lắp loại công tơ 10(40)A. - Vị trí lắp đặt công tơ: Tất cả các công tơ đêu phải được kẹp chì kỹ thuật của cơ quan được nhà nước uỷ quyền về kiểm định công tơ và kẹp chì thương mại của đơn vị kinh doanh. Công tơ có thể được treo trên cột điện, trong hoặc ngoài nhà. Treo ở độ cao khoảng 2,5m khi lắp đặt trên cột. và không dưới 1,7m khi lắp đặt trong nhà. - Hộp công tơ: Sử dụng các loại hộp đặt được 1 hoặc nhiều công tơ tuỳ theo yêu cầu thực tế. Trong mỗi hộp phải lắp đặt áp tô mát hoặc cầu chì loại 20A, 30A hoặc 40A phía sau mỗi công tơ. Hộp công tơ được sử dụng là loại hộp sắt được sơn tĩnh điện với cách điện đơn hoặc kép, hộp inox hoặc hộp composit. Hộp công tơ được chế tạo theo kiểu hộp kín có cánh cửa với các ô hở để đọc chỉ số công tơ, thay cầu chì, áp tô mát, - Sau khi chọn công tơ, chọn hộp, ta tiến hành đấu lắp theo sơ đồ hình 7.4 Hình7.4: Sơ đồ nối dây Hình7.5: Hộp công tơ 1 pha 5. Đo điện trở 50 5.1. Đo điện trở bằng V-A Dùng ampemet và volmet đo dòng và áp trên điện trở rồi suy ra R’x = Uv / Ia thông qua hai sơ đồ (hình 5.1): Hình 5.1: Phương pháp Volt – ampe Hình 5.1a: vôn kế mắc trước ampe kế mắc sau, khi đó điện trở cần đo Rx được xác định bởi:  5.1x U R I  Trong đó: U – điện áp đo được trên vôn-kế; I – dòng điện đo được trên ampe- kế. Theo mạch đo: U = Ua + Ux (5.2) với: Ua - điện áp rơi trên ampe-kế; Ux - điện áp rơi trên R Điều này sẽ gây ra sai số và trị số đúng của điện trở là:  5.3x ax U U U R I I    Hình 5.1b: Ampe-kế mắc trước, vôn-kế mắc sau. Điện trở Rx vẫn được xác định bởi: I U Rx  Trong đó: U – điện áp đo được trên vôn-kế; I – dòng điện đo được trên ampe- kế. Dòng I chính là dòng điện Ix qua Rx và Iv qua volt kế nên có trị số là: I = Ix + Iv Điều này sẽ gây ra sai số và trị số đúng của điện trở là:  5.4x x v U U R I I I    5.2. Đo điện trở bằng cầu đo - Đo điện trở trung bình bằng cầu đơn (hình5.8) 51 Hình 5.8: Đo điện trở trung bình bằng cầu đơn Các điện trở R1, R2, R3 là các điện trở mẫu làm bằng hợp kim của mangan có độ chính xác cao, Rx là điện trở cần đo. Chỉ thị G là co cấu từ điện có độ nhạy cao, khi cầu xảy ra trạng thái cân bằng thì điện thế ở hai điểm AB bằng nhau và ta có đẳng thức sau:  1 1 21 3 3 3 4 42 4 à 5.16 XI R I RI I v I R I RI I       Vậy:  1 1 4 3 4 3 5.17x x RR R R R R R R    Thông thường R1/ R3 là bội số của 10 và thường bằng ( 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10; 100 ). Cầu đơn có một nhược điểm là không loại trừ được điện trở dây nối nhưng có ưu điểm là dễ cân bằng. - Ðo điện trở nhỏ bằng cầu kép Cầu kép (hình 5.9) theo sơ đồ bốn dây thường dùng đo các điện trở lớn hơn hoặc bằng 5mΩ. Các điện trở nhỏ hơn cũng có thể đo được nhưng sẽ tăng sai số. Khi đo ta diều chỉnh cho cầu cân bằng, tức kim điện kế chỉ 0, dòng qua chỉ thị bằng 0, ta có: + Dòng qua R1, R2 là dòng I1, dòng qua R3, R4 là dòng I2. + Theo vòng 1 ta có:   1 1 2 3 3 1 1 2 1 . . . . ( . ) 5.18 x x I R I R I R R I R R I I R      + Theo vòng 2 ta có: 52   0 1 2 2 4 4 0 2 1 2 2 . . . . ( . ) 5.19 I R I R I R R I R R I I R      Vậy:   3 1 2 1 1 40 2 1 2 2 5.20x R I I R R R RR R I I R    Với điều kiện: 4 3 2 1 2 4 1 3 R R R R hay R R R R   1 0 2 5.21x R R R R   Hình 5.9: Sơ đồ cầu kép Như vậy nếu trong quá trình đo luôn giữ được tỉ số R1/R2 = R3 /R4 thì ta sẽ tính được Rx thông qua tỉ số trên. Cầu kép có một ưu điểm nổi bật là có thể loại trừ được điện trở dây nối, nhưng có nhược điểm là khó cân bằng nếu Rx là các cuộn dây máy điện. 5.3. Đo điện trở bằng Ôm kế-Mê gôm kế Thiết bị dùng để đo điện trở trực tiếp gọi là ômmét Ký hiệu: a. Đo bằng ômmét: * Ôm mét nối tiếp: Là ôm mét trong đó điện trở cần đo Rx được mắc nối tiếp với cơ cấu đo.  Un RP C RX Rct 53 C: Cơ cấu đo kiểu từ điện Rct: Điện trở trong của cơ cấu (Không đổi) Un: Điện áp nguồn một chiều (Pin) RP: Điện trở dùng giới hạn dòng điện bảo vệ cơ cấu và đảm bảo sao cho khi RX=0 dòng qua cơ cấu đo là lớn nhất (lệch hết thang chia độ) RX: Điện trở cần đo Điện trở trong của ôm mét được tính như sau: RΩ = Rct + RP = U0 Ictmax Khi đo, dòng điện qua cơ cấu đo sẽ là: ctXP RRR U I   Nếu giữ U và RP không đổi thì dòng điện I sẽ phụ thuộc vào giá trị của điện trở RX, từ đó góc lệch của kim là  sẽ phụ thuộc vào giá trị của điện trở cần đo.Trên thang đo người ta ghi trực tiếp trị số của điện trở. + Điện trở RP được chọn sao cho khi chập hai đầu que đo(RX = 0) (Tức là Ict giá trị đại) thì kim của ômmét quay hết mặt chia độ và khi hở mạch (RX = , không có dòng qua cơ cấu) thì kim đứng yên. Như vậy ở ômmét, mặt chia độ ngược với chiều quay của kim. + Trong quá trình dùng ômmét đo điện trở, điện áp của pin (Un) sẽ giảm dần làm kết quả đo kém chính xác. Do đó để khắc phục sai số do nguồn cung cấp thay đổi người ta mắc thêm một triết áphoặc một biến trở Rm để chỉnh “0” bằng cách, trước khi tiến hành đo phải ngắn mạch đầu ra (RX=0) sau đó chỉnh Rm để kim của chỉ thị chỉ “0” trên thang đo sau đó mới bắt đầu đo. * Ôm mét song song: Điện trở cần đo Rx được đấu song song với cơ cấu đo Hình 2.22: Mạch nguyên lý của ôm mét nối tiếp + Un R 2 R x 1 Rm Rp Rct Hình 2.23: Ôm mét chỉ thị nối tiếp 54 Ưu điểm của ômmét loại này là có thể đo được điện trở tương đối nhỏ và điện trở trong của ôm mét R nhỏ khi dòng điện từ nguồn cung cấp không lớn lắm. Do đó Rx mắc song song với cơ cấu đo nên khi Rx = (chưa có Rx) dòng điện qua cơ cấu đo là lớn nhất, với Rx=0 dòng điện qua cơ cấu đo là gần bằng không. Thang đo được khắc độ giống như Vôn mét. Điều chỉnh thang đo của ômmét trong trường hợp nguồn cung cấp thay đổi cũng dùng một biến trở RM và điều chỉnh ứng với Rx =  . Xác định RM cũng giống như sơ đồ ômmét mắc nối tiếp * Ôm mét nhiều thang đo Việc mở rộng nhiều thang đo cho Ohmmet sẽ tuân theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn đo này sang giới hạn đo khác bằng cách thay đổi điện trở vào của Ohmmet với một số lần nhất định sao cho khi Rx = 0 kim chỉ vẫn đảm bảo lệch hết thang đo tức là dòng qua cơ cấu đo bằng giá trị định mức đã chọn. Để mở rộng giới hạn đo của Ohmmet người ta có thể dùng nhiều nguồn cung cấp và các điện trở phân dòng cho các thang đo khác nhau. Hình bên là ví dụ về một sơ đồ của Ohmmet nhiều thang đo. Un RX Rp C Rct Ict IX I Rm Hình 2.24: Đấu song song Rx với cơ cấu đo c«ng t¾c Hình 2.25: Ôm mét nhiều thang đo R9 Rx1 + 1.5V + R3 R2 R1 Rx10k Rx10 Rx100 Rx1k Rx 9V R11 R10 R8 R7 R6 R5 R4 chØnh lÖch kh«ng 55 Chú ý: Công tắc đo có phần tiếp xúc động có thể xoay từng nấc cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Công tắc này có hai phần tiếp xúc là tiếp xúc với điện trở phân dòng tương ứng của thang đo và tiếp xúc với nguồn cung cấp cho dải đo đó. Khi thang đo điện trở ở giá trị nhỏ thì sử dụng nguồn nhỏ (ví dụ là 1,5V) Khi thang đo điện trở ở giá trị lớn thì sử dụng nguồn lớn (ví dụ là 9V hoặc15V) b. Đo bằng Mêgômét: Mêgômét là dụng cụ đo điện trở lớn mà ômmét không đo được Mêgômét thường dùng đo điện trở cách điện của máy điện, khí cụ điện, cuộn dây máy điện. Ký hiệu: - Cấu tạo: (Hình 2.26) Gồm tỷ số kế từ điện và manhêtô kiểu tay quay dùng làm nguồn để đo. Phần động gồm có 2 khung dây (1) và (2) đặt lệch nhau 900 quấn ngược chiều nhau, không có lò xo đối kháng. Khe hở giữa nam châm và lõi thép không đều nhằm tạo nên một từ trường không đều. Nguồn điện cung cấp cho 2 cuộn dây là một máy phát điện một chiều quay tay có điện áp từ (500  1000)V Điện trở cần đo RX đượcmắc nối tiếp với cuộn dây (1) Điện trở phụ RP đượcmắc nối tiếp với cuộn dây (2) M RX RP I1 I2 N S M2 M1 + - 1 2 M Hình 2.26: Mêgômétkiểutuwf ddieenk từ điện 56 - Nguyên lý: Khi đo, ta quay máy phát điện với tốc độ đều (khoảng 70  80 vòng/phút). Sức điện động của máy phát điện sẽ tạo ra hai dòng điện I1 và I2 trong 2 cuộn dây, nghĩa là xuất hiện 2 mômen quay M1 và M2 ngược chiều nhau. Như vậy kim sẽ quay theo hiệu số của 2 mômen và chỉ dừng lại khi M1 = M2 Vì mômen quay tỷ lệ với dòng điện nên ta có: M1 = K1.I1 và M2 = K2.I2 Do đó khi kim cân bằng thì: K1.I1 = K2.I2 hoặc 1 2 2 1 K K I I  Do từ trường phân bố không đều trong khe hở không khí nên tỷ số 1 2 K K phụ thuộc vào vị trí các cuộn dây, nghĩa là phụ thuộc vào góc quay  của kim  xf K K I I  1 2 2 1 Mặt khác các dòng điện I1 và I2 bằng: XRr U I   1 1 PRr U I   2 2 Nên: )( 1 2 2 1 xf Rr Rr I I X P     r1, r2 là điện trở của các cuộn dây(1) và (2) Nghĩa là góc quay  của kim phụ thuộc vào RX (vì r1, r2 và Rp đều không đổi) Trên thang đo của Mêgômét người ta ghi trực tiếp trị số điện trở k, M tương ứng với các góc quay của kim. * Chú ý: - Vì không có lò xo cân bằng nên khi không đo kim sẽ ở một vị trí bất kỳ trên mặt số. - Không nên chạm vào 2 đầu ra của dây để tránh bị điện giật khi quay. 6. Đo tần số 57 6.1. Dụng cụ đo Tần số là thông số rất quan trọng của tín hiệu điện, nó cho biết dao động thực hiện nhanh hay chậm. Về giá trị tần số là số dao động thực hiện trong 1 giây (đo bằng Hz). Như vậy, tần số có giá trị bằng nghịch đảo của chu kỳ: 1 ( ) ( ) f Hz T s  (9.1) Trong dao động tuần hoàn thì góc pha (t) sẽ đặc trưng cho trạng thái của dao động ở mỗi thời điểm. 0 ( ) 2t f t    (9.2) Sơ đồ đấu nối thiết bị cho phép đo Thiết bị: 1. Dao động ký 2 kênh Instek GOS 652G 2. Máy phát hàm GW-Instek GFG-8216A 3. Bảng mạch thực tập: Electronic Circuit Board Sử dụng máy phát hàm. Nếu sử dụng nguồn tín hiệu chuẩn từ máy phát hàm ta sẽ thực hiện sơ đồ nguyên tắc kết nối máy phát hàm với dao động ký như hình 9.2. M Y T M DAO Đ NG OUTPUT CH1 CH2 Hình 9. 1. Sơ đồ nối máy phát hàm với dao động ký Chức năng của các thiết bị trong phép đo. 1. Máy phát hàm GW-Instek GFG-8216A Đây là loại máy phát đa năng với các tham số kỹ thuật chính sau:  Dạng tín hiệu ra: Cho ra 3 dạng sóng sin, tam giác, vuông với các mức lối ra CMOS và TTL.  Tần số: 0,3Hz – 3MHz với 7 dải tần 1-10-100-1k-10k-100k-1MHz  Chỉnh DC offset: -5V - +5V Chú ý: Trong thực hành có thể sử dụng loại máy phát hàm bất kỳ. 58 2. Dao động ký 2 kênh Instek GOS 652G Đây là dao động ký 2 kênh đo CH1 và CH2 với dải tần làm việc đến 50MHz. Trong thực hành chúng ta có thể sử dụng loại bất kỳ khác. 3. Sử dụng Electronic circuit board. Khi không có máy phát xung chuẩn có thể sử dụng mô hình thực tập Electronic circuit board với nguồn xung chuẩn cho ra 3 dạng tín hiệu: vuông, tam giác, sin với tần số có thể điều chỉnh được từ 0 ÷ 1kHz với 3 dải tần và 2 tần số cố định 1kHz, 50Hz. Biên độ xung điều chỉnh được từ 0 ÷ 11V. 6.2. Phương pháp đo Chuẩn độ dao động ký  Bật công tắc nguồn của dao động ký, kiểm tra và setup chế độ ban dầu cho dao động ký.  Chuẩn độ máy với nguồn áp chuẩn VCAL (1kHz). Đo tần số điện áp tín hiệu  Bật công tắc nguồn của máy phát tín hiệu, reset các phím điều khiển về vị trí ban đầu.  Kết nối máy phát với dao động ký.  Đặt tần số máy phát 1kHz.  Đặt núm Time/DIV của dao động ký ở vị trí 0.5ms  Chọn chế độ tín hiệu ra là xung tam giác.  Quan sát dạng sóng trên dao động ký.  Chỉnh DC offset để có dạng sóng tam giác cân.  Chọn chức năng phát xung vuông, quan sát xem đã đối xứng chưa.  Chọn sóng sin, quan sát xem có bị méo dạng không.  Đo chu kỳ của tín hiệu theo công thức: T = (Số ô ứng với 1 chu kỳ) x hệ số (Time/DIV) (9.5)  Tính tần số của tín hiệu theo công thức (9.1) 1 ( ) ( ) f Hz T s  7. Đo các đại lượng không điện 59 7.1. Khái niệm chung Dùng để mô tả các tính chất, các hiện tượng và các quá trình phi điện. Hầu hết các đại lượng vật lý là các đại lượng không điện, chẳng hạn như:  Các đại lượng cơ: chiều dài, khối lượng, thời gian, .  Các đại lượng nhiệt: nhiệt độ, nhiệt lượng,  Các đại lượng quang: quang thông, cường độ sáng, v.v Hầu hết các đại lượng vật lý bắt gặp trong thực tế đều là không điện. Đo không điện: Là phương pháp đo trực tiếp các đại lượng không điện bằng các dụng cụ đo không điện. Ví dụ đo nhiệt độ bằng nhiệt kế thủy ngân. Đo chiều dài bằng thước mét. Đo tốc độ quay bằng bộ truyền động hộp số v.v Các dụng cụ đo không điện thường có dạng đơn giản, độ chính xác giới hạn và khó hoặc không thể đo lường được từ xa. Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (Système International d’Unites): 7.2. Các bộ phận chính Đo lường là quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị. Phép đo phải thực hiện 3 thao tác chính: - Biến đổi tín hiệu và tin tức - So sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) - Chỉ báo kết quả STT Các đại lượng vật lý Đơn vị đo Tên gọi Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu 1 2 3 4 5 6 7 Chiều dài Khối lượng Thời gian Nhiệt độ Cường độ dòng điện Cường độ sáng Lượng vật chất l m t T I J n metre kilogram second (giây) Kelvin Ampere candela mole m kg s K A cd mol 8 9 Góc phẳng Góc khối   radian steradian rad sr 60 Thiết bị cho phép thực hiện quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) gọi là dụng cụ đo hay máy đo. Theo phương pháp thực hiện phép đo phân ra hai dạng máy đo chính: máy đo tương tự (analog) và máy đo số (digital). Máy đo tương tự thường là dạng cơ điện, chỉ thị kim và có sơ đồ cấu trúc bao gồm 3 khối chức năng cơ bản: mạch đo, cơ cấu đo và chỉ thị. Khi đo các đại lượng thụ động (R,L,C) mạch đo được cấp thêm nguồn nuôi (hình 1.2). Hình 1. 8. Sơ đồ cấu trúc của một máy đo cơ điện. Máy đo số có sơ đồ cấu trúc như hình 1.3 bao gồm các khối chức năng chính: mạch đo, biến đổi tương tự số, giải mã, mạch chỉ thị số. Hình 1 9.Sơ đồ cấu trúc của một máy đo chỉ thị số. Mạch đo có nhiệm vụ thu nhận và biến đổi tín hiệu cần đo về dạng tín hiệu chuẩn phù hợp với cơ cấu đo. Mạch đo thường thực hiện các chức năng như: mạch chọn thang đo (mạch phân áp, phân dòng), mạch chọn chức năng đo, mạch chỉnh lưu, mạch chuyển đổi dòng- áp, mạch phối hợp trở kháng, Với máy đo các đại lượng không điện thì mạch đo còn bao gồm cả mạch cảm biến và chuyển đổi đo lường, mạch biến đổi tín hiệu. Với máy đo chỉ thị số thì phần mạch đo còn thực hiện các chức năng như: chuyển mạch thang đo (di chuyển dấu chấm động), biến đổi và lấy mẫu tín hiệu đo 7.3. Một số bộ chuyển đổi Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện: Do các đặc tính ưu việt của phương pháp đo điện, nên ngày nay các dụng cụ đo điện được sử dụng trong hầu hết các hệ thống đo lường và có thể đo được tất cả các đại lượng vật lý. Để đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện người ta phải sử dụng các bộ chuyển đổi đo lường để chuyển các tín hiệu không điện thành tín MẠCH ĐO CƠ CẤU ĐO CƠ ĐIỆN NGUỒN NUÔI CHỈ THỊ KIM ĐẠI LƯỢNG ĐO MẠCH ĐO BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ NGUỒN NUÔI GIẢI MÃĐẠI LƯỢNG ĐO 61 hiệu điện, sau đó dùng hệ thống đo điện để xử lý và đo đạc. Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp chỉ ra trên hình. Hình. Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện Các bộ chuyển đổi đo lường đóng vai trò như các nhà “phiên dịch” chuyển ngôn ngữ “không điện” lối vào thành ngôn ngữ “điện” lối ra. Chúng thường là các bộ cảm biến (sensor), là các đầu dò thu nhận tín hiệu không điện cần đo lối vào và biến đổi chúng thành tín hiệu điện lối ra. Tùy thuộc vào tín hiệu lối vào là cơ, nhiệt, quang, hóa, mà ta sẽ sử dụng các bộ chuyển đổi tương ứng: - Chuyển đổi cơ – điện - Chuyển đổi nhiệt – điện - Chuyển đổi quang – điện - Chuyển đổi hóa – điện, - Chuyển đổi bức xạ và ion hóa - v.v Đại lượng đo không điện X (cơ, quang, nhiệt,) Chuyển đổi đo lường Mạch đo điện và xử lý tín hiệu Chỉ thị, lưu trữ kết quả 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng. Giáo trình Đo lường điện và cảm biến đo lường. Nxb giáo dục, 2005. [2]. Nguyễn Văn Hòa. Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện. Nxb giáo dục, 2002. [3]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa. Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý. Nxb Giáo dục, Hà Nội, 1999. T1, T2. [4]. Lưu Thế Vinh. Giáo trình đo lường – cảm biến. Nxb. ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2007. [5]. Dư Quang Bình - Giáo Trình Đo Lường Điện Tử - Đại Học Đà Nẵng Nguyễn Trọng Quế -Dụng cụ đo cơ điện - NXB KHKT, Hà Nội, 1980 [6]. Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thanh, Hoàng sỹ Hồng. Đo lường điện và cảm biến đo lường- NXB Giáo Dục, 2005 [7]. Lưu Thế Vinh, Kỹ thuật đo lường điện điện tử, Đại học Đà Lạt [8]. Lê Văn Doanh (chủ biên) - Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển - NXB KH&KT 2001. [9]. Nguyễn Ngọc Tân (chủ biên) - Kỹ thuật đo - NXB KH&KT 2000. [10]. Phan Quốc Phô (chủ biên) - Giáo trình cảm biến - NXB KH&KT 2005. [11]. Ernest O. Doebelin - Measurement Systems-Application and Design - 5st edition - McGraw-Hill [12]. Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật 1998. [13]. Nguyễn Xuân Phú, Cung cấp điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật 1998. [14]. Ngô Diên Tập, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật 1997. [15]. Bùi Văn Yên, Sửa chữa điện máy công nghiệp, NXB Đà nẵng, 1998. [16]. Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo Dục 1999. [17]. Nguyễn Thế Đạt, Giáo trình An toàn lao động, NXB Giáo Dục 2002. [18]. Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình An toàn điện, NXB Giáo Dục 2002. [19]. Nguyễn Văn Hoà, Giáo trình Đo lường các đại lượng điện và không điện, NXB Giáo Dục 2002. [20]. [21].