Bài giảng Kỹ thuật đo lường cảm biến

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 2 PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 1.1. Lý luận chung về đo lường 1.1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo a. Định nghĩa Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường. Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường. Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau: Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép so với đơn vị. Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: - Biến đổi tín hiệu và tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng: Ax = X/Xo Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo b. Phân loại phép đo Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau. Ta có thể phân ra như sau: a. Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất. Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét. Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 3 Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở. Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo. c. Đo hợp bộ: Cách đo mà kết quả đo sẽ được đưa ra cùng một lúc với nhau khi giải hệ phương trình. d. Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau đó lấy trung bình. Thực hiện khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo 1.1.2. Sai số, phương pháp giảm sai số a. Sai số của phép đo Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số. Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức độ cẩn thận khi đoDo vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số. Đó là sai số của phép đo. Có thể phân loại sai số của phép đo như sau:  Theo cách thể hiện bằng số • Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth ΔX = X – Xth • Sai số tương đối γX được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực: = 100 ≈ 100 Vì X và Xth gần bằng nhau.  Theo nguồn gây ra sai số Người ta phân thành: • Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo. • Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo • Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như do mắt kém, do cẩu thả • Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo. Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm  Theo quy luật xuất hiện của sai số • Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo. Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh “0” không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm đo. v.v. Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 4 Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế; sử dụng các bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh. Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. • Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất. Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất. b. Sai số của dụng cụ đo Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại. Có thể đó là những nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra. Trên cơ sở đó người ta phân biệt hai loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên • Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật. Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được. • Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm). Sai số này còn gọi là sai số phụ Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo đó: % = 100% XN: là giá trị cực đại của thang đo Δm: là sai số tuyệt đố cực đại c. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần nhớ rằng đại lượng cần đo có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp. Giả sử X là đại lượng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lượng đo được bằng phép đo trực tiếp X = F(Y,V,Z) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 5 ΔY, ΔV, ΔZ là các sai số hệ thống tương ứng khi đo Y, V, Z ; ΔX là sai số hệ thống khi xác định X TH1: X = aY + bV + cZ ΔX = a ΔY + bΔV+ cΔZ TH2: Ví dụ: Phương pháp đo điện áp dùng Ôm kế và Ampe kế. Biết = ±3% và = ±1%. Tính =?% LG Ta có U = I.R ΔU = + = . + . → = . + . = . + . . = + = ±(3% + 1%) = ±4% 1.2. Đặc tính của thiết bị đo 1.2.1. Độ nhạy Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng: X Y S    Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X. - Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S = const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo. - Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo). X Y X Y Y=f(X) Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X thì ta có quan hệ tuyến tính. - Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có: S = S1. S2 ....Sn. Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X  ) thì Y không thể xác định được. Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,..... BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 6  : được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể phân biệt - người quan sát hay góc quay  đủ lớn) Khả năng phân ly:  DXX R    minmax 1.2.2. Tốc độ đo. Là thời gian để xác lập kết quả đo. Cho phép đánh giá đại lượng đầu ra Y có theo kịp về thời gian với sự biến thiên của đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) Thời gian hồi đáp (tr) là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị của độ nhanh. Tốc độ đo: T v   1 ; T là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo ổn định. 1.2.3. Độ chính xác. Tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo là tính chính xác của nó: X D X X A m N      1 Với thiết bị sai số chủ yếu do ngưỡngnhạy thì độ chính xác chính là khả năng phân ly:  D RA  1.2.4. Điện trở - công suất tiêu thụ. a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở của nó. Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đo. Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu ra của khâu trước đó dưới dạng điện áp (nghĩa là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất). Ví dụ vônmét phải có RV >> thì càng tốt. b) Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo. Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 7 1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự 1.3.1 Cơ sở chung Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc  so với phần tĩnh. Loại dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng. Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7 Y = fY(X)  = f(X)  = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang đo đều hay không đều Phương trình đặc tính thang đo: - Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu, trong cơ cấu tích luỹ một năng lượng điện từ trường We. Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động một góc d. Thực hiện một công cơ học: dA = Mq.d Theo định luật bảo toàn năng lượng: dA = dWe Suy ra: d dW M eq  +. Trong tụ: 2. 2 1 UCWe  - cơ cấu tĩnh điện. +. Trong cuộn dây: 2. 2 1 ILWe  - cơ cấu điện từ. +. Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, điện động - Mô men cản hình 1.8: Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì phần động sẽ quay đi một góc lớn nhất có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé. Để xác định quan hệ chặt chẽ giữa góc quay  và mô men quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có một mô men tác động ngược chiều với mô men quay gọi là mô men cản (Mc). Ta dễ dàng tạo một mô men tỷ lệ với  nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây treo: Mc = D.  Trong đó: D - mô men cản riêng của lò xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 8 - Phương trình đặc tính thang đo: Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc. (c là vị trí cân bằng của phần động). Ta có:   .D d dWe  Ta có phương trình đặc tính thang đo:   d dW D e. 1  Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều. Nhưng không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích được. Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị. Nội dung phương pháp: Bằng thực nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay Mq = f() với các giá trị X khác nhau. Ví dụ với cơ cấu điện từ ta xây dựng các đừng cong 1;2;3;4 (hình 1.9) với các giá trị X tương ứng 40;60;80 và 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm kim lệch toàn thang). Giả sử Xm = I0 = 50mA; các đường cong Mq cắt đường cong mô men cản tại các điểm A, B, C, D ta được các vị trí 1, 2, 3, 4. ứng với các trị số này các trị số tương ứng của X là 20, 30, 40, 50mA. Như vậy ta có thang đo theo đơn vị của đại lượng đầu vào.  Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y. Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số.  Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung gian; từ quan hệ cho giá trị X tính ra Y. Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị số Y ta được thang đo theo đơn vị Y. - Mô men ổn định hình 1.10: Dưới tác động của mô men quay phần động lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng với lúc Mq = Mc . Nhưng vì quán tính nên phần động không dừng ở c mà di chuyển đến vị trí 1 = c + , ở vị trí này mô men tác động lên phần động: Mc - Mq = Môđ Quá trình ngược lại: 2 = c - ; mô men tác động: Mq - Mc = Môđ BÀI GI Mô men ổn định tác đ c. Chiều của mô men ổn - Mô men ma sát: (v ma sát). Ta xét cơ cấu trụ +. Khi phần động t có ma sát nên không đến đư ở 1 : - Mc Hay: Mq - +. Quá trình phần động từ max về 0, do 2 trước khi về c. Phương tr Mc - Hay: Mc - Mq - M Từ đồ thị hình 1.11 ta có: ms = ms = Theo sự phân tích trên thì M phần động về vị trí cân b Mms thì kim dừng ở vị trí 1.3.2. Những bộ phận, chi ti a) Trục và trụ. (Hình 1.12). Trục quay Trục và trụ là hai b động quay (kim chỉ, lò xo ph do ma sát. - Trục: được làm b cùng bán kính 0,05 - Trụ: Làm b trụ có thể được điề ẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ ộng lên phần động để kéo phần động tr định là chiều của mô men có trị số nhỏ hơn. ới phần động dùng dây căng, dây treo c, trụ. hình 1.11: ừ  = 0 đến c do ợc c mà dừng lại + Mq = Mms Mc - Mms = 0 đại lượng đo giảm, ma sát nó dừng ở ình cân bằng: Mq = Mms ms = 0 c - 1 2 - c ôđ ngược với Mms; Môđ ằng, còn mô men ma sát có khuynh hướng ng  nào đó khác c ết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện. Tr Hình 1.12 ộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đ ản, khung quay,...). Chất lượng của chúng quy ằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm,  0,3mm; có độ cứng cao. ằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc u chỉnh lên xuống. N 9 ở về vị trí cân bằng không xét đến mô men có khuynh hướng kéo ựơc lại. Khi Môđ = ụ quay ảm bảo cho phần ết định sai số  = 45  600, tận đỉnh bằng 80o BÀI GIẢNG K b) Lò xo phản kháng. - Công dụng: + Đưa dòng vào khung dây (t + Tạo ra mômen cản cân b Yêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị đượ lò xo phải ổn định ( trị số của nó không thay đ nhiệt độ). Để đạt được yêu cầu trên lò xo thường được chế tạ - Đặc điểm: + Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13) + Đầu trong của lò xo gắn v kim cố định trên trục quay. + Trong một cơ cấu chỉ thị c) Kim chỉ thị (Hình 1.14). Công dụng: chỉ thị góc quay Yêu cầu: Kim phải nhẹ, b nên được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm ho bằng thuỷ tinh. Đặc điểm: Hình dạng củ chính xác của dụng cụ đo và khoả d) Thang đo. - Là mặt khắc độ: Trên m lại. Nếu dụng cụ dùng làm việc cả - Góc lệch của kim ph - Phía dưới của thang đo luôn luôn đ quan sát kim trùng với bóng của nó). e) Bộ phận cản dịu. - Công dụng: Dùng để nhan xác lập kết quả đo bằng cách hạ của kim xung quay vị trí cân bằng. - Cấu tạo: Có hai lo 1.15). +. Cản dịu không khí: gồm m có cánh chuyển động liền v tạo ra sự chênh lệch ở bên trong v +. Cản dịu cảm ứng từ: gồ trong khe hở của một nam châm v tương hỗ giữa dòng điện từ trường c của phần động. Ỹ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN ừ điện, điện động, sắt điện động) ằng với mômen quay. c chính xác mômen cản riêng D của ổi theo thời gian và o từ những vật liệu có khả năng đàn hồi l ới trục quay, đầu ngoài gắn với bộ điề có hai lò xo phản kháng ngược chiều nhau.  . ền vững, không bị han rỉ ặc có thể làm a kim phụ thuộc vào cấp ng cách để đọc kết quả đo. ặt màu trắng người ta khắc độ màu đen và ngư ngày lẫn đêm thì khắc vạch bằng chất phát quang. ụ thuộc vị trí đặt, độ chính xác. ặt một gương để tránh sai s h chóng chóng n chế sự dao động ại cản dịu (Hình ột hộp kín Hình 1.15 ới trục, khi phần động chuyển động thì cánh chuy ề áp suất và nhanh chóng dừng lại. m lá nhôm gắn liền phần động có hình qu ĩnh cửu tạo nên một dòng cảm ứng. Do s ủa nam châm tạo một lực chống lại s 10 Hình 1.13 ớn. u chỉnh O của Hình 1.14 ợc ố (khi đọc ển ạt di chuyển ự tác động ự chuyển động BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 11 1.3.3. Cơ cấu từ điện. a) Cấu tạo.(Hình 1.12) a b Hình 1.12 Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu 1, lõi sắt non 6. Đường sức từ qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm. Trong khe hở này từ cảm B đều tại mọi điểm Phần động: Khung quay 5 có lõi nhôm nhẹ và khối lượng rất nhỏ, trên quấn dây đồng 0,03 0.2mm, toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay 3, trục này tì vào trụ 9; Trên trục quay còn có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, lò xo cản 7 đồng thời có nhiệm vụ đưa điện vào khung dây, kim chỉ thị 2 và thang đo 8. Phía sau kim chỉ thị có mang đối trọng 4 để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo; b) Nguyên lý hoạt động. Khi cho dòng điện chạy qua, khung dây quay dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng một góc d. Mô men quay tạo ra được tính: Mq= d dWe Năng lượng điện từ We tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở làm việc  và dòng điện chạy trong khung dây I: We = .I Mà ta có:  = Bsw Trong đó: B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu. s: diện tích khung dây. w: số vòng của khung dây. : góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 12 Các giá trị B, s, w là những hằng số (không đổi khi khung dây quay) Do đó: Mq = d )I Ø(d =   d IBswd )( = BswI. Khi cân bằng: Mq = Mc. BswI = D Suy ra: I D Bsw  : Phương trình đặc tính thang đo cơ cấu từ điện. Ta thấy B, s, w, D là hằng số nên góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I. c) Đặc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện. - Góc quay  tỷ lệ thuận với dòng điện I nên chỉ sử dụng trong mạch đo một chiều. - Góc lệch  tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo đều. - Độ nhạy S = Bsw D 1 của cơ cấu cao vì có từ trường lớn; Thông thường người ta dùng hằng số của dụng cụ C theo dòng hoặc áp. Ví dụ hằng số theo dòng I I S C 1  A/mm, nó cho biết trị số dòng cần thiết qua cơ cấu để kim lệch được một vạch (hoặc 1mm) trên thang đo. - Độ chính xác cao vì các phần tử của cơ cấu có độ ổn định cao, ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể, công suất tiêu thụ nhỏ, độ cản dịu tốt. - Nhược điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện ở chỗ chế tạo phức tạp, chịu quá tải kém, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo. d) ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện. - Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng. - Dùng chế tạo các loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V) - Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng đo không điện. - Dùng để chế tạo ra các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmet điện tử, tần số kế điện tử - Dùng với bộ chỉnh lưu, cặp nhiệt có thể đo giá trị xoay chiều. 1.3.4. Cơ cấu điện từ a) Cấu tạo. - Loại cuộn dây dẹt: Phần tĩnh: là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc. Phần động: là một lõi thép (2) được gắn trên trục quay (5). Lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây. Bộ phận cản dịu không khí (4) được gắn vào trục BÀI GI quay. Kim 6 và đối trọng 7 c Mômen cản được tạo bởi hai lò xo 3 ng - Ngoài ra còn loại cu b) Nguyên lý hoạt động. Khi cho dòng điện I ch Mq= d dWe Năng lượng trong cu Do đó: M q Khi Mq = MC ở vị 2 1 d dL   c) Đặc điểm. - Góc quay  tỷ lệ với bình ph là không phụ thuộc vào chi cấu chỉ thị điện từ có thể một chiều. - Thang đo không đều do đ thang đo còn phụ thuộc vào t phi tuyến. Để làm cho đ d dL phải thay đổi theo quy lu của dòng điện, tổng hợp s 1.14). Để đạt được điều này c a) ẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ ũng được gắn lên trục quay. Kim quay trên b ược chiều nhau. ộn dây tròn (hình 1.13 b) ạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay đư ộn dây: We = 2 LI2 . 2 2 . 2 1 ) 2 . ( I d dL d IL d   trí cân bằng: .. 2 DI  2. 2 1 I d dL D  ; Phương trình đặc tính thang đo cơ c ương của dòng điện, tức ều của dòng điện do vậy cơ đo trong mạch xoay chiều và ặc tính bậc hai. Đặc tính của ỷ số d dL là một đại lượng ặc tính thang đo đều thì tỷ số ật ngược với bình phương ẽ có đường tuyến tính (hình ần phải tính toán mạch từ, Hình 1-13 b) N 13 ảng khắc độ 8. ợc xác định: ấu điện từ. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 14 kích thước, hình dáng, lõi động và vị trí đặt dây sao cho phù hợp. - Cản dịu thường bằng không khí, cảm ứng - Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn - Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ chính xác không cao nhất là khi đo dòng một chiều sẽ bị sai số do hiện tượng từ trế, từ dư. Độ nhấp nháy thấp bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài. d) ứng dụng - Dùng chế tạo Ampe mét, Vôn mét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp có cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5 và 1,0. ở tần số cao cần tính toán mạch bù. 1.3.5. Cơ cấu điện động a) Cấu tạo (hình 1-15) - Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua (được chia làm hai cuộn ghép lại có khe hở ở giữa để cho trục quay chui qua đồng thời để tiện lắp ghép). - Phần động: gồm khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây 2 được gắn với trục quay, trên trục còn có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị. Cả phần động và phần tĩnh được bao kín bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường ngoài. Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động thường dùng loại cảm ứng khi có màn chắn từ và dùng kiểu không khí khi không có màn chắn từ bảo vệ b) Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây động và tạo lên mômen quay làm phần động quay một góc  . Mq = d dw e ; We là năng lượng tích luỹ trong các cuộn dây Xét hai trường hợp:  Khi cho dòng điện một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào khung dây 2; Lúc này We có dạng: We = 2 1 L1I1 2 + 2 1 L2I2 2 + M12I1I2 Với: L1, L2: là điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 15 M1,2 : là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động I1, I2 : dòng DC trong cuộn tĩnh, động. Điện cảm L1, L2 = const khi khung dây quay trong cuộn tĩnh nên ta có: Mq = d dwe = d dM12 . I1I2 ở vị trí cân bằng Mq = Mc nên: d dM12 I1I2 = D. Suy ra:  = d dM D 1 12 I1I2  Khi cho dòng điện xoay chiều vào cuộn dây ta có Mômen quay tức thời là: mqt = d dM 12 i1i2 Phần động vì có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ: Mq =  t 0 qt dtm T 1 Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin(t-):   T mmq dt d dM ttII T M 0 12 21 )sin(sin 1   Do đó: Mq =   cosII d dM 21 12 Khi cân bằng thì: Mq = Mc:   cosII d dM 21 12 = D Suy ra:    cos. 1 21 12 II d dM D  c) Đặc điểm . - Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều - Góc lệch  phụ thuộc vào tích I1. I2 nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi dM12/d theo hàm ngược với I1I2 để đạt được thang đo đều. - Mô men quay tỷ lệ với dòng hiệu dụng và cos nên có thể sử dụng cơ cấu để chế tạo Wattmet đo công suất. - Ưu điểm : cơ bản của cơ cấu này là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều (không có vật liệu sắt từ nên không có dòng xoáy). - Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện có công suất nhỏ không thích hợp. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 16 - Mq của cơ cấu không lớn vì từ trường của bản thân các cuộn dây sinh ra nhỏ , từ thông khép kín mạch qua không khí có từ trở lớn nên tổn hao từ nhiều . Do đó cơ cấu điện động chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài. Để đảm bảo cho cơ cấu làm việc tốt phải có chắn từ. - Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu . d) ứng dụng Dùng để chế tạo Ampemet, Vônmet, Oatmet một chiều và xoay chiều có tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cos . 1.3.6. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng Hình 1.22 a) Cấu tạo: Hình 1.22 Gồm 2 phần: phần động và phần tĩnh . - Phần tĩnh là cuộn dây điện 2 và 3, cấu tạo của chúng làm sao để khi có dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động. Số lượng nam châm điện ít nhất là 2. - Phần động là một đĩa kim loại 1(thường có cấu tạo bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay quay trên trụ 5. Về nguyên tắc cơ cấu này hoạt động dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa phần động do đó cơ cấu này chỉ làm việc ở mạch xoay chiều. Để chỉ thị số vòng quay của đĩa người ta gắn vào trục của cơ cấu chỉ thị số cơ khí. b) Nguyên lý làm việc . Khi cho các dòng điện I1, I 2 vào cuộn dây phần tĩnh sẽ sinh ra các từ thông  1 ,  2 các từ thông này cũng như dòng điện lệch nhau một góc  (hình 1.22c). Các từ thông  1 ,  2 cắt đĩa nhôm làm xuất hiện trong đĩa nhôm các suất điện động tương ứng E1 , E 2 lệch pha với các từ thông một góc 2  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 17 Các dòng điện xoáy IX1, IX2 được sinh ra trong đĩa nhôm lệch pha với E 1 , E 2 bởi góc 1 , 2 vì ngoài điện trở thuần còn có thành phần cảm ứng. Do sự tác động tương hỗ giữa từ thông  1 ,  2 các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 mà sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng làm quay đĩa nhôm. Giá trị tức thời của mômen quay Mt do sự tác động tương hỗ giữa t1 và dòng điện tức thời ix1 là : Mt = C. t1 .ix1 C là hệ số tỷ lệ Nếu t1 = m1 sint và : ix1 = Ix1m.sin(t- );  góc lệch pha giữa t1 và ix1 thì: Mt = C. m1 .Ix1msint.sin(t- ) Vì phần động có quán tính lớn nên ta có mômen là đại lượng trung bình trong một chu kỳ T: M =   cos.I..Cdt)tsin(.tsinI..C T 1 dtM T 1 1x1 T 0 m1xm1 T 0 t Để đơn giản ta có thể coi đĩa nhôm chỉ có điện trở thuần do đó các góc: 21    0 và 2    . Vậy thì cos = cos 2  = 0. Do đó: M = 0 tức là mômen sinh ra giữa từ thông 1 và Ix1 sẽ bằng không. Ta cũng xét các mômen thành phần như sau: M11: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix1 M12: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix2 M21: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix1 M22: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix2 Tương tự cách tính ở trên ta có: M11= C11. 1.Ix1.cos 2  = 0 M12= C12. 1.Ix2.cos( 2  +) = - C12. 1.Ix2.sin M21= C21. 2.Ix1.cos( 2  - ) = C21. 2.Ix1.sin M22= C22. 2.Ix2.cos( 2  ) = 0 Như vậy mômen quay sẽ là tổng các mômen thành phần tức là tổng của M12 và M21 có dấu ngược nhau. Cũng chính nhờ có sự ngược dấu này mà mômen tổng sẽ kéo đĩa quay về một phía duy nhất. Nghĩa là mômen quay sẽ là: Mq = C12. 1.Ix2sin + C21. 2.Ix1sin Nếu dòng điện tạo ra 1, 2 là hình sin và đĩa đồng nhất( chỉ có điện trở thuần) thì các dòng điện xoáy sinh ra sẽ tỷ lệ với tần số f và từ thông sinh ra nó. Tức là: Ix1 = C3.f. 1 và Ix2 = C4.f. 2 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 18 Thay vào trên và gộp các hệ số lại với nhau ta có: Mq = C.f. 1. 2.sin Trong đó: C = C12C4 + C21C3 : là hệ số của cơ cấu chỉ thị cảm ứng. c) Đặc điểm. - Điều kiện để có mômen quay ít nhất phải có hai từ trường. - Mômen quay đạt được giá trị cực đại nếu như góc lệch pha giữa hai từ trường đó là:  = 2  . - Mq phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường. - Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều. Nhược điểm: Mq phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số. d) ứng dụng: Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng để chế tạo công tơ đo năng lượng. Đôi khi người ta còn sử dụng để đo tần số. 1.3.7. Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện a) Cấu tạo chung: như hình 5.10: có hai hoặc nhiều bản cực, bao gồm các bản cực tĩnh (bản cực 1 ở hình (a), bản cực 2 ở hình (b)) và ít nhất một bản cực là phần động (bản cực 2 ở hình (a), bản cực 1 ở hình (b)) được gắn với trục quay, kim chỉ thị, lò xo phản kháng Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện. b) Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật thể tích điện. Phần động của cơ cấu là một trong các vật thể đó, sự chuyển dịch của nó gây ra sự thay đổi năng lượng điện trường tạo bởi các vật thể tích điện. Khi đặt vào hai bản cực tĩnh và động một điện áp U, giữa chúng sinh ra một điện trường có năng lượng We được tính: với C là điện dung giữa các điện cực. Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực tích điện tạo ra mômen quay làm BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 19 quay điện cực động (phần động). Mômen quay được tính: Mômen cản: Mc = D.α Ở trạng thái cân bằng Mq = Mc tính được góc quay α của phần động: c) Các đặc tính chung: từ phương trình (5.2) suy ra các đặc tính cơ bản của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện: - Góc lệch α tỉ lệ với U2. - Đặc tính của thang đo không đều và phụ thuộc vào tỉ số dC / d là một đại lượng phi tuyến . - Ưu điểm: điện trở vào lớn; điện dung vào thay đổi nhỏ; công suất tiêu thụ nhỏ; không phụ thuộc hình dáng đường cong tín hiệu đo. - Nhược điểm: đặc tính thang đo không đều; độ nhạy thấp do điện trường yếu; độ chính xác không cao; có thể bị đánh thủng giữa các điện cực gây ngắn mạch vì thế cần có màn bảo vệ. 1.4. Thiết bị chỉ thị số Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng 1.4.1. Cơ cấu chỉ thị số bằng đèn khí: Thường thấy trong những thiết bị những năm 80. Đèn khí có cấu tạo gồm anốt là một cái lưới còn catốt là các con số từ 0-9 và các dấu +,-,V,A Khi có điện áp catốt nào thì kí hiệu tương ứng sáng lên. Nhược điểm của thiết bị hiện số bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ 200V) do vậy mà độ tin cậy thấp 1.4.2. Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh: Là loại thiết bị hiện số được sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ. Về cấu tạo: gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ a-g được sắp xếp như hình 5.21a, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tương ứng có các đầu ra để cấp tín hiệu cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung. Khi có tín hiệu cho phép điốt BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 20 nào hoạt động thì điốt đó sẽ sáng, phối hợp sự sáng tối của các điốt sẽ cho ra các con số: 0-9, các ký hiệu, các ký tự Tùy mục đích sử dụng còn có các loại LED 7 thanh có thêm các thanh hiển thị dấu chấm (.) thập phân, loại có nhiều hơn 7 thanh sắp xếp theo những hình dạng khác nhau Hình 5.21b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7 vạch - thường là gải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các bộ giải mã được chế thành các vi mạch: họ TTL là các vi mạch 7446, 7447; họ CMOS là các vi mạch 4511; các vi mạch 4543SN74247, TIL308 Điện áp thuận rơi trên mỗi điốt của mỗi thanh khoảng 1,2V và dòng thuận qua LED tương ứng với độ sáng thích hợp vào khoảng 20mA tùy độ lớn của LED. Nhược điểm chính của LED 7 thanh là yêu cầu dòng lớn. 1.4.3. Cơ cấu chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 21 Có cấu tạo như hình 5.22. Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học. Chúng được đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết hợp tủa ở mặt trong. Ở trạng thái bình thường không bị kích hoạt ô tinh thể lỏng trong suốt cho ánh sáng đi qua nên thanh hiển thị tương ứng trùng với mặt phông. Khi được kích hoạt (bởi điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung vuông tần số khoảng 50-60Hz) ô tinh thể lỏng phản xạ lại ánh sáng và thanh hiển thị tương ứng sẽ nổi trên mặt phông. Ưu điểm của thiết bị hiển thị tinh thể lỏng là tiêu thụ dòng rất nhỏ, cả 7 thanh của hiển thị tinh thể lỏng loại nhỏ chỉ yêu cầu dòng khoảng 80µA. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 22 CHƯƠNG 2. ĐO DÒNG ĐIỆN 2.1 Đo dòng điện một chiều Nguyên lý đo: cả ba cơ cấu từ điện, điện từ, điện động nói trên đều hoạt động với dòng DC nên được sử dụng làm chỉ thị của Ampemet DC. Nhưng cần mở rộng thang đo cho thích hợp. 2.1.1 Mở rộng thang đo: Mạch đo phải có sự mở rộng cho từng loại cơ cấu. 1) Mở rộng cho cơ cấu từ điện. Dòng điện cho phép qua cơ cấu này thường từ 10-1  10-2A với điện trở của cơ cấu từ 20  2000. Vì vậy khi sử dụng cơ cấu này để đo các dòng điện có trị số lớn hơn giới hạn này người ta phải mắc thêm các điện trở Sun Rs song song với điện trở cơ cấu. (Hình 2.1) Dòng điện đo: I = Im + IS Im : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị IS : dòng điện qua điện trở Sun Điện trở Sun RS được xác định: Rs = 0 0 0 0 . 1t I R R I I n    ; với n = 0 tI I n : hệ số mở rộng thang đo. It : dòng điện thang đo I0: dòng điện max của cơ cấu chỉ thị R0 : nội trở của cơ cấu. Trên cơ sở các điện trở shun mắc song song với cơ cấu người ta chế tạo các ampemet nhiều thang đo (hình 2.2): Hình 2.2 Để Ampemet có độ chính xác không thay đổi ở các thang cần chế tạo Sun có độ ổn định và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu chỉ thị ít nhất một cấp. Các điện trở shun được chế tạo bằng manganni và chỉnh định rất chính xác. Do đó điện trở Sun không thay đổi theo nhệt độ, trong khi đó điện trở cơ cấu thay đổi theo nhiệt độ: R0 = R0o (1 + t) R0 nội trở ở t 0C BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 23 R0o nội trở ở 0 0C  hệ số nhiệt độ của dây quấn trên khung (với đồng  = 0,4 %/ 0C) Ta có thể tính sai số do nhiệt độ của ampemet từ điện: I0 = I0o – I0t = 0 0 0 0 . . .. At S SA o o S S I R I R I RI R R R R R R R      Thay R0 = R0o (1 + t) ta có: I0 =   0 0 0 . . . . ( ) (1 ) S o o S o S I R R t R R R t R     Sai số do nhiệt độ của ampemet: t%= 0 0 100 I I     0 0 0 0 0 0 . . . (1 ) . . . . 100 100 .100 ( ) (1 ) . S o o S o o S o S S o I R R t R t R R t t R R R t R I R R             I : dòng qua ampemet RA : điện trở ampemet ở 0 0C RAt : điện trở ampemet ở t 0C RS : điện trở Sun của ampemet ứng với dòng I ở những dụng cụ chính xác cao sai số t thường lớn hơn sai số cơ cấu. Để khắc phục người ta loại trừ hoặc giảm do nhiệt độ. Người ta mắc thêm nhiệt điện trở RT nối tiếp với điện trở cơ cấu (Hình 2.3). 2) Mở rộng cho cơ cấu điện từ (Hình 2.4) Thay đổi số vòng dây quấn cho cuộn dây tĩnh với số sức từ động không đổi: F =I1.w1= I2.w2=... =In.wn. Hình 2.4 Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: cuộn dây tròn có số ampe vòng I.w = 200A.vòng, cuộn dây dẹt có I.w = 100  150A.vòng). Hình 2.4a đo dòng điện nhỏ I, hình 2.4b đo dòng điện bằng hai lần dòng điện đo ở hình 2.4a là 2I. 3) Mở rộng cho cơ cấu điện động. Ampemet điện động thường đo ở dòng điện tần số cao hơn tần số công nghiệp (400  2000Hz). Độ chính xác cao (0,2; 0,5). Có hai loại mạch Ampemet: - Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc nối tiếp. Khi dòng I  0,5A cuộn động và cuộn tĩnh mắc mắc song song với nhau (Hình 2.5): A: Cuộn tĩnh; B: Cuộn động. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 24 - Hoặc mắc điện trở Sun song song với cuộn động (tương tự cơ cấu từ điện), còn cuộn tĩnh mắc nối tiếp với cuộn động. Cách tính điện trở Sun tương tự như Ampemet từ điện (Hình bên). 2.2 Đo dòng xoay chiều. Nguyên lý đo: Cơ cấu điện từ, điện động đều hoạt động được với dòng xoay chiều. Do đó có thể dùng trực tiếp cơ cấu này hoặc mở rộng thang đo như đã nói ở trên. Riêng đối với cơ cấu từ điện cần biến đổi dòng AC thành đòng DC. Cơ cấu từ điện chính xác và được sử dụng nhiều trong phần lớn các Ampemet (đồng hồ vạn năng Multimeter – V.O.M) 2.2.1 Ampemet từ điện đo dòng AC 1) Ampemet chỉnh lưu. a/ Chỉnh lưu nửa chu kỳ (Hình 2.6). Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu: I*cltb = 0 0 1 T cli dt I T  Giả sử ta có dòng điện AC: iAC = ImaxSint; Khi đó: icl = ImaxSint với: 0  t  T/2 icl = 0 với: T/2  t  T Vậy: Icltb = 0,318. Imax = 0,318. 2 .Ihd (tín hiệu Sin) (Trường hợp dòng AC có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệu). b/ Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 2.7). Trị chỉnh lưu trung bình của dòng điện: I*cltb = 0 0 2 T cli dt I T  Giả sử ta có dòng điện AC: iAC = ImaxSint; Khi đó: Icltb = 2.0,318. Imax = 0,636.Imax = 0 ,636. 2 .Ihd BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 25 c/ Mở rộng thang đo: Dùng điện trở sun cho diode và cơ cấu từ điện. Diode mắc nối tiếp cơ cấu từ điện, do đó có dòng Icltb qua cơ cấu, còn dòng AC qua điện trở sun (Hình 2.8) Hình 2.8 Như vậy với cách bố trí sơ đồ chỉnh lưu như vậy, các ampemet sẽ chỉ giá trrị trung bình của dòng xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động, ... đo dòng xoay chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng. Vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng cụ đo dòng xoay chiều, các ampe điện từ dùng chỉnh lưu phải khắc độ theo trị hiệu dụng. Cách biến đổi để khắc độ ampe chỉnh lưu theo trị hiệu dụng: Mômen quay tức thời: Mt = B.S.W.i ; i = ImaxSin t Mô men quay trung bình trong một chu kỳ: Mtb = 0 0 1 1 . . . . . . T T t max cltbM dt B S W I Sin tdt B S W I T T    . . cltb B S W I D   Biến đổi: . . . . . .cltb cltb B S W I B S W I I ID I D I    ; d cltb I k I  : hệ số hình dáng của dòng điện Do đó: . . . d B S W I D k   (nếu dòng điện có dạng sin thì kd = 1,11) Nhận xét: - Ampemet chỉnh lưu có độ nhạy cao, tiêu thụ công suất nhỏ, làm việc ở tần số cao (dùng ở tần số 500 2000Hz); nếu tần số tăng cao hơn ( có thể đến 50kHz) thì hệ số chỉnh lưu giảm do ảnh hưởng của điện dung giữa hai tiếp giáp của diod nên để có ampemet chính xác cần có mạch bù tần số. - Các Ampemet chỉnh lưu có độ chính xác không cao do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ (do điện trở thuận ngược của diod thay đổi không giống nhau: nhiệt độ tăng thì điện trở ngược giảm nhiều hơn so với điện trở thuận dẫn đến hệ số chỉnh lưu sẽ giảm). Mạch bù như hình 2.9: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 26 Hình 2.9 Nếu cần đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị) thì mắc mạch chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo, không cần sun. Trường hợp cần đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị mắc cơ cấu song song với sun. ở đây sun vừa để mở rộng giới hạn đo vừa để bù sai số do tần số và nhiệt độ. Trong hình a: RCu dùng để bù nhiệt độ còn L dùng để bù tần số Trong hình b: C để bù sai số do tần số 2) Dùng biến đổi nhiệt điện. Ampemét nhiệt điện cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ cặp nhiệt ngẫu đã biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, cấu tạo như hình 2.10: 1. Sợi dây được dốt nóng nhờ dòng điện Ix 2. Cặp nhiệt ngẫu 3. Chỉ thị từ điện để đo sức điện động nhiệt điện Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện như sau: Khi có dòng xoay chiều Id chạy qua sợi dây dẫn, dây dẫn bị đốt nóng. Nhiệt độ của dây 20 o dk I  ( 0k là hằng số phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn) nhiệt độ này làm nóng đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ xuất hiện suất điện động: 0 2 21 1 0 2t d dE k k k I k I   ( 1k là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của loại cặp nhiệt ngẫu) Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với nhau thông qua cơ cấu chỉ thị từ điện, trong cơ cấu này có dòng điện đi qua và kim sẽ lệch đi một góc  0 t m n EBSW BSW I D D R R      Im: dòng điện đi qua cơ cấu Rn: điện trở cặp nhiệt ngẫu Ro: điện trở cơ cấu chỉ thị Từ đó ta suy ra: 2 22 0 d d n k IBSW KI D R R      BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 27 Để tăng sức điện động nhiệt Et dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị từ điện người ta thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua một bộ khuếch đại một chiều. Ampemét nhiệt điện có sai số lớn, khả năng quá tải kém, công suất tổn hao lớn Ưu điểm cơ bản của nó là cho phéo đo dòng điện ở tần số cao, giải tần làm việc rộng (từ một chiều đến hàng trăm MHz) 2.3 Đo dòng điện nhỏ Tức là đo dòng điện Id  I0 , để đo được dòng này cần phải có các thiết bị có độ nhạy cao. Ta thường gặp các dụng cụ đo dòng nhỏ như: điện kế cơ điện, điện lượng kế, các dụng cụ điện tử mà thành phần cơ bản là các là các bộ khuếch đại một chiều, xoau chiều, chỉnh lưu kết hợp với chỉ thị từ điện 2.4 Đo dòng điện lớn 2.4.1 Đo dòng một chiều lớn. 1) Ghép song song các sun (Hình 2.11). Id = I1+ I2 +... + Ii + ...+ In Với: I1; I2; ... dòng định mức ghi trên các sun R1; R2; ... điện trở sun tương ứng r1; r2;... được mắc tương ứng với R1; R2; ...trong mạch áp theo quan hệ: 1 2 1 2 ... i i rr r R R R   sao cho dòng qua các ri; ri , rất nhỏ so với dòng qua sun U0 : điện áp rơi trên các sun BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 28 Bằng phương pháp gián tiếp ta đo được dòng cần đo: 0 1 1n d i i I U R   2) Đo từ trường sinh ra quanh dây dẫn (Hình 2.12) 1. Mạch từ hình xuyến 2. Dây dẫn có dòng Iđ chạy qua. 3. Khe hở không khí Ta có: B = S  ; .d t t I WF R R    B : từ cảm  : từ thông S : tiết diện mà từ thông xuyên qua F : lực từ Rt : từ trở mạch từ Id : dòng điện trong cuộn dây tạo lực từ W : số vòng dây quấn trên mạch từ Rt = 0.S    : khoảng cách giữa hai cực của mạch từ hở (khe hở không khí) 0 : hệ số từ thẩm của không khí. S : tiết diện của cực từ Nếu W =1 thì ta có: B = 0 . dI   Khe hở không khí nhất định nên: 0 = const;  = const Ta đo B (bằng thiết bị đo hoặc chuyển đổi Hall) rồi suy ra Iđ. 3) Dùng biến dòng một chiều (Hình 2.13) Biến dòng một chiều dựa trên cơ sở bộ điều chế từ tức là dựa trên sự ảnh hưởng của từ trường DC trên lõi sắt từ mà lõi đó được kích thích bởi dòng AC. Biến dòng một chiều gồm hai lõi hình xuyến I và II làm bằng vật liệu sắt từ có hệ số thẩm từ lớn. Trên đó quấn hai cuộn dây W1 và W2, cuộn W2 W1 id A W2 W1 i2 U2 i2W2 i2W2 W1id W1id I II H×nh 2.13 W2 quấn trên lõi xuyến II ngược chiều với W2 quấn trên lõi xuyến I. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 29 W1 mắc vào mạch một chiều có dòng Id cần đo chạy qua; W2 mức vào mạch xoay chiều U2.Nguyên lý làm việc như sau: Dòng Id chạy trong W1 tạo ra sức từ động IdW1 trong cả hai lõi I và II theo chiều như hình vẽ. Dòng i2 chạy trong W2 tạo ra trong hai xuyến I và II sức từ động i2W2 (có chiều như hình vẽ nửa chu kỳ đầu). Cường độ từ trường trong hai lõi được xác định theo định luật dòng toàn phần: H1 = F1/l H2 = F2/l F1; F2 : sức từ động tổng trong từng lõi xuyến l : chiều dài trung bình của lõi xuyến Trong lõi I; sức từ động do hai cuộn sinh ra ngược nhau: 1 2 21 . .dI W i WH l   Trong lõi II; sức từ động do hai cuộn sinh ra cùng chiều: 1 2 22 . .dI W i WH l   Giả sử i2 biến thiên dạng sin nên khi i2 = 0 thì: H = H1 = H2 = 1 .dI W l Dựa vào mối quan hệ giữa H và B; giữa H và  để xét sự tác dụng của i2 trong lõi xuyến và ảnh hưởng của Id; tìm mối quan hệ giữa Id và i2. Xét nửa chu kỳ dương: Dòng i2 tăng, H2 tăng, H1 giảm . Do mối quan hệ H và  (hình vẽ) nên khi H2 tăng trong một phạm vi nào đó thì  sẽ là hằng (trong lõi II). Trong khi đó H1 sẽ giảm đến H0 (H0  0 tức IdW1  i2W2) ở phạm vi này  tăng rất nhanh làm cho điện cảm L2 của cuộn W2 (trong lõi I) cũng tăng: L2= 22 22 0 t SWW R l   L2 thay đổi làm xuất hiện sức điện động Ec trong cuộn dây: Ec = 22 dL i dt  ; có hướng ngược với U2 nên i2 không tăng được, chỉ thoả mãn điều kiện: IdW1  i2W2  12 2 d W i I W  Từ đây ta thấy rằng dùng Ampemet đo dòng i2 sẽ suy ra được Id Giống như biến dòng xoay chiều: tỷ số 1 2 W W là hệ số biến dòng một chiều Ưu điểm của phương pháp dùng biến dòng một chiều là đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thay đổi thang đo dễ dàng bằng cách thay đổi số lượng vòng dây. Ngày BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 30 nay người ta chế tạo được biến dòng một chiều với dòng định mức từ 15  70kA, cấp chính xác 0,5 2.4.2 Đo dòng điện xoay chiều lớn. Đo bằng phương pháp kết hợp biến dòng AC với các Ampemét. Trong các Ampemét điện từ, sức từ động tối đa F = I.W là 200 Ampe-vòng. Nếu số dây là một thì có thể đo được dòng tối đa là 200A. Muốn đo dòng lớn hơn 200A ta phải dùng các Ampemét điện từ, điện động kết hợp với biến dòng. Biến dòng thường có lõi hình xuyến bằng thép kỹ thuật điện, trên đó có quấn hai cuộn dây, sơ cấp W1 và thứ cấp W2 như hình Thông thường dòng sơ cấp I1 lớn nên số lượng vòng dây W1 ít hơn số vòng dây W2. Biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch vì RA nhỏ, ta có: I1W1 = I2W2 1 2 2 1 I I W k I W   ; hệ số biến dòng Người ta chế tạo sẵn các biến dòng có dòng thứ cấp I2 định mức và hệ số biến dòng thay đổi phụ thuộc vào dòng sơ cấp I1 với các thang biến dòng nhất định. V dụ: I2 = 5A còn I1 có thể là: 15A; 30A; 100A; 150A; 200A; 400A; 500A; 600A. ứng với mỗi dòng I1 sẽ có kI nhất định. Việc kết hợp biến dòng và Ampemet xoay chiều phải chọn phù hợp thang đo với dòng thứ cấp I2 của biến dòng. Ví dụ: I2đm = 5A thì chọn Ampemet có Iđm = 5A. Mắc biến dòng và Ampemet như hình b sau đó đọc kết quả trên Ampemét được I2 ,ta có dòng cần đo: I1 = kII2 2.5 Ampemet điện tử đo dòng AC - DC. 2.5.1 Đo dòng DC Nguyên lý đo là chuyển dòng đo Iđ thành điện áp đo bằng cách cho dòng đo đi qua điện trở RS như hình 2.15. 2.5.2 Đo dòng AC Nguyên lý đo: ta chuyển dòng AC thành điện áp AC qua RS như đo dòng DC; Sau đó huyển điện áp AC thành điện áp DC bằng những phương pháp đã biết. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 31 2.6 ảnh hưởng của Ampemet đến mạch đo. Ta thấy mỗi Ampemet đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi thang đo. Do đó thang đo càng lớn nội trở ampe RA càng nhỏ. Khi mắc nối tiếp với điện trở tải cần đo dòng thì sẽ ảnh hưởng đến mạch đo. Khi không có đồng hồ Ampe: I = U/Rt Khi mắc ampemet có nội trở RA vào mạch: Iđ = U/(Rt +RA) Sai số của ampemet: %100.%100.% 1R R I II A d d    BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 32 CHƯƠNG 3. ĐO ĐIỆN ÁP 3.1 Đo điện áp dùng dụng cụ đo tương tự 3.1.1 Đo điện áp một chiều Nguyên lý đo: Điện áp được chuyển thành dòng điện đo đi qua cơ cấu chỉ thị hình 3.1. Nếu cơ cấu chỉ thị có I0 và điện trở nối tiếp thì: 0 0 I RR U I P d d    R0: nội trở của cơ cấu ZV = RP + R0 :Tổng trở của vôn kế Với vôn mét từ điện: Cơ cấu từ điện được chế tạo có điện áp định mức khoảng 50  75mV. Muốn chế tạo các Vônmét đo điện áp có trị số lớn hơn phạm vi này, phải nối nối tiếp với cơ cấu các điện trở phụ bằng manganin (không thay đổi theo nhiệt độ). Tính điện trở phụ RP phù hợp với điện áp cần đo Ud : 0 0 0 0 d p U U I R R R    ; nên 0 0 1dp U R R U        Hay: RP = R0( m - 1) Với m là hệ số mở rộng thang đo: m 0 dU U Phương pháp mở rộng thang đo: Bằng cách trên để tạo thành Vônmét có nhiều thang đo ta nối nối tiếp nhiều điện trở phụ với cơ cấu (hình 3.2; hình 3.3): Với vôn mét điện từ, điện động: cũng bằng cách nối thêm điện trở phụ RP để hạn chế dòng qua cơ cấu theo biểu thức trên. Riêng đối với cơ cấu điện động thì cuộn tĩnh được nối tiếp với cuộn động (hình 3.4). 3.1.2 Đo điện áp xoay chiều BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 33 Nguyên lý đo: Đối với cơ cấu điện từ, điện động dùng làm vôn mét AC phải nối điện trở nối tiếp như trong vôn mét DC vì hai cơ cấu này hoạt động với trị hiệu dụng của dòng xoay chiều. Đối với cơ cấu từ điện thì phải chỉnh lưu hoặc biến đổi nhiệt. 1. Vônmét điện từ. Được dùng để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Vì yêu cầu điện trở trong của Vônmét lớn nên dòng điện chạy trong cuộn dây nhỏ. Số lượng vòng dây trên cuộn tĩnh là rất lớn khoảng 1000 đến 6000 vòng. Để mở rộng và tạo ra Vônmét nhiều thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ (giống Vônmét từ điện). Khi đo điện áp xoay chiều ở miền tần số cao hơn tần số công nghiệp sẽ xuất hiện sai số do tần số. Để khắc phục sai số này người ta mắc các tụ điện song song với các điện trở phụ (hình 3.5): 2. Vônmét điện động. Cấu tạo của Vônmét điện động số vòng dây cuộn tĩnh lớn, tiết diện dây nhỏ. Cuộn tĩnh A và cuộn động B luôn luôn nối nối tiếp với nhau, tức:  III 21 V U Z Phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu điện động:  1,2 1 2. . . dM I I cos D d   Nên có thể viết phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu cho vôn mét:  = 2 1,2 2 . .V U dM cos D Z d   Có thể tạo ra vônmét điện động nhiều thang đo bằng cách thay đổi cách mắc nối tiếp hoặc song song hai phân đoạn của cuộn tĩnh A1 và A2 với nhau. Ví dụ loại 2 thang đo (Hình 3.6). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 34 Khi khoá SW ở vị trí 1 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối song song với nhau ta có giới hạn đo 150V; Khi khoá SW ở vị trí 2 tức là hai phân đoạn A1, A2 nối nối tiếp với nhau có giới hạn đo 300V. Tụ C tạo mạch bù tần số cho Vôn mét. 3. Vônmét từ điện a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ. Cách xác định điện trở nối tiếp cho cơ cấu từ điện: Mạch đo hình 3.7: Diod D1 chỉnh lưu dòng điện xoay chiều i = ImaxSint ở bán kỳ dương Diod D2 bảo vệ cho diod D1 và cơ cấu khi điện áp ngược lớn. R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được xác định: UAC (RMS) = (R1 + R0)Ihd + UD (RMS) Mà: Icltb = I0 = 0,318Imax = 0,318 2 Ihd Nên ta có: 01 RR  = 0 ( ) ( ) / 0,318. 2 AC DU RMS U RMS I  b) Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình 3.8) R1 điện trở nối tiếp ở thang đo điện áp UAC được xác định: UAC (RMS) = (R1 + R0)Ihd + 2UD (RMS) Mà: Icltb = I0 = 0,636Imax = 0,636 2 Ihd Nên ta có: 01 RR  = 0 ( ) 2 ( ) / 0,636. 2 AC DU RMS U RMS I  Nhận xét: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 35 - Cùng một cơ cấu (từ điện) tổng trở vào của vôn mét AC sẽ nhỏ hơn tổng trở vào của vôn mét DC. - Khuyết điểm của vônmét AC chỉnh lưu là phụ thuộc vào dạng tín hiệu và tần số cao có ảnh hưởng tới tổng trở và điện dung ký sinh của diod. - Để khắc phục sự ảnh hưởng của dạng và tần số của tín hiệu đo AC ta dùng vôn mét có bộ biến đổi nhiệt điện (hình 3.9). 3.1.3 Đo điện áp bằng phương pháp so sánh a) Cơ sở của phương pháp so sánh. Các dụng cụ đo ở trên sử dụng cơ cấu cơ điện để hiển thị kết quả đo (dụng cụ đọc thẳng), vì vậy cấp chính xác không thể vượt quá cấp chính xác của cơ cấu. Muốn đo điện áp chính xác hơn phải dùng phương pháp so sánh với mẫu (tức là so sánh với điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu). Phương pháp này còn gọi là phương pháp bù. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được mô tả trên hình 3.10: Uk = I.Rk Uk là điện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện I ổn định chạy qua điện trở mẫu Rk khá chính xác. CT là thiết bị tự động phát hiện sự chêng lệch điện áp U = Ud – Uk gọi là cơ cấu chỉ không. Khi đo ngưới ta so sánh Ud và Uk, nếu kim chỉ khác không thì điều chỉnh con trượt D của biến trở Rk sao cho kim chỉ không thì đọc kết quả trên biến trở Rk đã khắc độ theo thứ nguyên của điện áp. Có nhiều loại dụng cụ bù điện áp khác nhau nhưng nguyên lý chung giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tạo điện áp mẫu Uk. b) Điện thế kế một chiều điện trở lớn Được chế tạo trên cơ sở giữ nguyên dòng điện ổn định, thay đổi điện trở Rk để thay đổi điện áp Uk bù với điện áp Ud cần đo. Để phép đo này đảm bảo độ chính xác cao thì cần phải đảm bảo các điều kiện sau. - Điện trở mẫu chính xác cao (do vật liệu, quy trình công nghệ, thiết bị mẫu quyết định). - Dòng điện qua điện trở mẫu chính xác cao (mạch hợp lý và nguồn ổn định) - Chỉ thị cân bằng đủ nhạy để phát hiện sự chênh lệch giữa tín hiệu đo và mẫu BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 36 Mạch điện thế kế DC cổ điển (Hình 3.11). Gồm hai bộ phận: Bộ phận tạo dòng công tác IP gồm: nguồn cung cấp U0, điện trở điều chỉnh, Ampemet và điện trở mẫu Rk. Bộ phận mạch đo gồm: Điện áp cần đo Ud, điện kế chỉ sự cần bằng và một phần điện trở mẫu Đầu tiên phải xác định dòng công tác IP nhờ nguồn U0 , điện trở điều chỉnh và Ampemét. Giữ giá trị IP cố định trong suốt thời gian đo, điều chỉnh con trượt của điện trở Rk đến khi điện kế chỉ không, đọc kết quả đo trên điện trở mẫu.Khi đó: Ud = Uk = IP.Rk Trong điện thế kế này còn tồn tại Ampemet, vậy độ chính xác không thể vượt quá độ chính xác của Ampemet. Để loại Ampemet ra khỏi mạch của điện thế kế người ta dùng pin mẫu để xác định dòng công tác với sơ đồ như hình 3.12. Sơ đồ gồm hai mạch: tạo dòng công tác IP và mạch đo. - Nối điện kế G vào hai đầu 1–1, để xác định dòng công tác, điều chỉnh Rđ/c để điện kế G chỉ không, tức là: EN = URn = IP.Rn  n N P R E I  - Sau đó không thay đổi Rđ/c, đưa điện kế G sang 2–2 để đo sức điện động Ed điều chỉnh con trượt Rk cho đến điện kế chỉ không. Lúc đó: Ed = URk = Uk = IP.Rk = k n N R R E . Giá trị pin mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ được tính theo công thức sau: ENt = EN 20 oC – 40.10-6(t - 20) – 10-6(t - 20)2 Trong đó: En20 oC: là giá trị của pin mẫu ở nhiệt độ chuẩn 20oC, thường En20 oC = 1,0186V; có độ chính xác khá cao 0,001%  0,01%. t: là nhiệt độ nơi sử dụng điện kế. Vì vậy khi sử dụng điện thế kế, trước tiên phải tính giá trị EN theo nhiệt độ nơi đặt điện thế kế và đặt pin mẫu đúng giá trị đã định. Pin mẫu có giá trị không tròn, nên khi tính có sai số đáng kể. Để khắc phục người ta cần làm tròn dòng công tác, do đó người ta mắc thêm vào một điện trở Rđ/ch Các bước thực hiện đo điện áp và sử dụng điện thế kế để đo các đại lượng điện khác: Bước 1: Điều chỉnh dòng công tác BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 37 - Mắc dụng cụ mạch điện thế kế theo đúng sơ đồ, nguồn cung cấp, pin mẫu và điện kế. - Tính toán giá trị pin mẫu và đặt đúng giá trị pin mẫu đã tính vào điện thế kế. - Đặt hai đầu đo của điện kế ở vị trí 1-1, điều chỉnh điện trở Rđ/c cho đến khi điện kế chỉ zero. Bước 2: Tiến hành đo - Đặt hai đầu đo của điện kế sang vị trí 2-2, giữ nguyên Rđ/c, điều chỉnh con trượt của Rk cho đến khi điện kế chỉ không, ta sẽ có: Ex = IP.Rk Chú ý: - Trường hợp đo điện áp nhỏ, rất nhỏ sẽ có sai số do tiếp xúc. Nên cần sử dụng điện thế kế một chiều điện trở nhỏ. - Muốn đo điện áp lớn cần dùng mạch phân áp và điện thế kế một chiều điện trở lớn. - Điện thế kế được chế tạo với độ chính xác cao hơn các dụng cụ đo cơ điện. Vì các đại lượng mẫu được chế tạo chính xác, điện kế tin cậy. c) Điện thế kế một chiều điện trở nhỏ. Nguyên tắc chế tạo: giữ nguyên điện trở mẫu RK; thay đổi dòng công tác IP qua RK để thay đổi UK = IP.RK bù lại với địên áp cần đo Ud: hình 3.13 3.1.4 Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở Mạch đo hình 3.14; trong đó: E1: nguồn cung cấp cho mạch đo. E2: nguồn chuẩn. R1: biến trở điều chỉnh dòng I. R2: nội trở của nguồn chuẩn G : điện kế từ điện. Biến trở AB là biến trở đo lường Khoá SW có hai vị trí dùng để chuẩn cho máy đo và đo đại lượng Uđ. Dòng trong mạch cần đo: ABRRK E I   11 1 0 ≤ K1 ≤ 1: phụ thuộc vào vị trí con chạy. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 38 Điện kế G dùng để xác định sự cân bằng của mạch đo. Dòng I được giữ không đổi (đã được định sẵn). Do đó trước khi đóng, khoá SW ở vị trí 1. Nguồn chuẩn E2 được đưa vào so sánh với UBC Tại vị trí con chạy C, điện kế G chỉ "0" hay: E2 = UBC = RBC. I  dòng I được xác định. Nếu G chỉ khác "0" thì dòng I định trước đã thay đổi. Khi đó điều chỉnh R1 để G chỉ "0"; nghĩa là K1 thay đổi, dòng I có trị số như cũ (vì E1 thay đổi do nguồn pin yếu hoặc mạnh quá quy định. Sau đó khoá SW được chuyển sang vị trí 2 là điện áp cần đo Uđ được so sánh với UBC; tiếp tục điều chỉnh con chạy C cho đến khi G chỉ không: U'BC = R ' BC. I Như vậy tại vị trí RBC ta có: U'BC = R ' BC. I = Uđ I đã được xác định; do đó UBC được xác định bởi điện trở R ' BC (thường người ta mã theo điện áp trên điện trở AB) ưu điểm của phương pháp này là không chịu ảnh hưởng của nội trở Uđ (vì dòng qua điện kế G bằng không, nên không có điện áp rơi trên nội trở của nguồn cần đo) 3.1.5 ảnh hưởng của Vonmét trên mạch đo điện áp Voltmét đã lấy một phần năng lượng của đối tượng đo nên gây ra sai số như sau: hình 3.15. Khi chưa mắc volt mét vào mạch đo. Điện áp rơi trên tải: t ngt t R RR E U .   Khi mắc voltmét vào mạch. Voltmét sẽ đo điện áp rơi trên tải: v ve t R RR E U .   ; ngt ngt e RR RR R   . Ta có sai số của phép đo điện áp bằng voltmét: v e ve e t vt U R R RR R U UU      Như vậy muốn sai số nhỏ thì điện trở của voltmét phải lớn (trong mạch xoay chiều, phải chú ý đến miền tần số làm việc của voltmét phù hợp với tần số của tín hiệu cần đo, nếu không sẽ dẫn đến sai số do tần số). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 39 3.2 Volt mét điện tử đo điện áp DC 3.2.1 Dùng transisto 1. Volt mét điện tử tải Emitơ (Lặp Emitơ; Colectơ chung) - Hình 3.16. Ta có: Ex = UBE+ UE UE = Ex - UBE Giả sử chọn transisto loại Si có : Điện áp UBE = 0,7V; hệ số khuếch đại  = 100. Nguồn cung cấp Ecc = 20V; dòng lệch toàn thang I0 = 1mA Đưa RP vào sao cho RP + R0 = 9,3k (Cho kết quả chẵn)  Đưa EX =10V vào mạch Ta có: UE = 10 – 0,7 = 9,3V IE = 0 9,3 1 9,3 E P U V mA R R k     Ta cũng có: IB = 1 10 100 C EI I mA A      Suy ra điịen trở Voltmet: RV = 10 1 10 X B E V M I A    Ta nhận thấy điện trở vào rất cao với mạch phi điện tử (Hình 3.17) chỉ có: RV = 0 10 10 1 XE V k I mA    Nhưng voltmét điện tử gây sai số: Giả sử đo: EX = 5V UE = 5V – 0,7V = 4,3V IE = Icc = 4,3 0,46 9,3 V mA k   Theo trên thì khi: EX = 10V phải có IE = Icc = 1mA EX = 5V phải có IE = Icc = 0,5mA Do lượng điện áo rơi trên tiếp giáp P – N mất 0,7V; dẫn đến sai số Icc = 0,04mA 2. Voltmet điện tử tải Emitơ khắc phục sai số do UBE. Sơ đồ hình 3.18 Bộ phân áp gồm R4; R5 ; R6 ; trong đó R5 là biến trở ( triết áp) - Mạch cơ cấu đo nằm trên đường chéo của cầu đo là transisto và R - Điện rở R1 tạo nên thế bazơ bằng 0 khi mà EX = 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 40 a. Xét trường hợp EX = 0 (ngắn mạch que đo – chưa đo) Ta thấy:UB = 0 UE = UB – UBE = 0 – 0,7 = - 0,7V UR2 = - 0,7 – (- Ecc2) = - 0,7 + Ecc2 Dẫn đến ta phải điều chỉnh R5 sao cho UP chỉ – 0,7V thì: U= UE – UP = - 0,7 – (- 0,7) = 0 Do đó giả sử đo: EX = 5V UE = 5 – 0,7 = 4,3V điện áp đặt nên cơ cấu đo: U = UE – UP = 4,3 – (- 0,7) = 5V Nếu điện áp EX = 10V thì: UE = 10 – 0,7 = 9,3 U = 9,3 – (- 0,7) = 10V Chú ý: - Khi EX  0 xuất hiện dòng Im ( dòng qua cơ cấu), để UP = const thì I4  Im dẫn đến mạch phân áp tiêu thụ công suất dáng kể của nguồn, do đó cần nâng cao công suất nguồn (việc này đôi khi gặp khó khăn). - Kho UP var do có dòng Im . Sai số được tính bởi tỉ số : 4 mI I Ta có: I4 = 4 5 0 2 CCE R R R  Và nhận thấy rằng sai số gặp phải khi tính UP (do bỏ qua Im) là:  = 4 100%m I I BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 41 3. Mạch đo dùng hai mối nối BJT – tải Emitơ. Sơ đồ mạch đo (Hình 3.19): Mạch đo là mạch cầu đo gồm tránasto T1 , T2, R2, R3 điện áp được lấy ra ở cực E1, E2 của T1, T2 ( hoặc cực C1, C2 ). Điện áp vào của mạch đo được đưa vào ở cực B1 ( hoặc 1 cực B2 của T2 ) của T1. Nếu theo cách lấy ngõ vào đơn cực và so với điểm mass ( điện thế bằng 0V ) , hoặc có thể đưa vào theo cách vi sai ở hai cực B1, B2. Nguyên lý hoạt động :  Khi đưa điện áp vào bằng 0V cực B1 nối với mass ( hoặc B1, B2 nối với mass nếu ngõ vào theo cách vi sai) . Theo điều kiện lý tưởng của mạch đo : IB1 = IB2 ; T1, T2 có đặc tính giống nhau ( 1 = 2 ) . Cho nên: IC1 = 1 IB1=I C2 = 2 IB2 IE1 = IE2, Ic = (1- ) IB , IC= (1-  ) IB/  Và RE1 = RE2 , cho nên UE1 = UE2. Khi đó dòng IM qua cơ cấu chỉ thị bằng không.  Khi điện áp vào: EX > 0 ; IB1 > IB2, suy ra IE1 > IE2 Cho nên UB1 > UB2 dòng IM qua cơ cấu chỉ thị phụ thuộc vào UE1 - UE2 nghĩa là phụ thuộc điện áp EX. Đối với mỗi mạch đo sẽ có EX cực đại khiến cho transisto đạt đến trạng thái bão hoà UE1 - UE2 cực đại. VD : EX = 1V, khiến cho UE1 - UE2= 1V ( mức điện áp bão hoà cầu đo).  Khi điện áp vào : EX IB2 ; suy ra UE1 < UE2 dẫn đến UE1 - UE2< 0 lúc đó dòng điện I M đo qua E2 đến E1 ( khi đó cực tính của đồng hồ phải đảo lại). Chú ý: Khi đo điện áp EX ( dương hay âm ) điểm mass của mạch đo bao giờ cũng được nối với điểm mass của mạch cần đo ( Nếu ngõ vào lấy theo kiểu đơn cực ngoại trừ ngõ vào lấy theo kiểu vi sai)  Khi cần đo điện áp VA- VB của một mạch cần khảo sát, chúng ta cần phải lần lượt đo VA so với điểm mass, VB so với điểm mass ( nếu ngõ vào theo kiểu đơn cực ). Còn nếu ngõ vào theo vi sai thì chúng ta đưa hai đầu đo vào 2 điểm A,B ( trong đó điểm mass của mạch đo được nối với mass mạch cần đo). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 42  Trong thực tế nếu mạch không thoả mãn điều kiện lý tưởng nghĩa làkhi: EX = 0V mà UE1  UE2 khi đó chúng ta dùng mạch đo (Hình 3.20) sau đây có biến trở R5 ( biến trở chỉnh 0 của mạch đo) điều chỉnh con chạy R5 để cho mạch đo phân cực lại sao cho IB1 = IB2 và UE1 = UE2.  Mạch đo điện áp có ngõ ra được lấy ở hai cực phát còn được gọi là mạch theo điện áp vì điện áp ra có hệ số khuếch đại bằng 1 so với điện áp vào. Nếu muốn điện áp ra lớn hơn điện áp vào ( mạch đo có hệ số khuếch đại lớn hơn 1) thì ngõ ra được lấy ở cực thu C1, C2 của T1, T2 như mạch (Hình 3.21): Transisto T1;T2; các điện trở R2; R5;R4 tạo thành mạch khuếch đại vi sai, R3 là điện trở điều chỉnh cân bằng nhờ đạt được trạng thái cân bằng tải do có UC1 = UC2 hay Ur = 0. Các điện trở R1; R6; R4 tạo nên dòng phân cực một chiều cho T1; T2 ở chế độ khuếch đại A; R4 còn gây hồi tiếp âm với hai transisto T1; T2 về dòng một chiều, cũng như dòng tín hiệu nhở đó mà nâng cao tính ổn định và điện trở vào của sơ đồ. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 43 Sơ đồ ta thấy với giả thiết UB2 = 0, điện áp vào EX tác dụng lên T1 thì hiệu số hai điện áp bazơ được khuếch đại và tác dụng tới đồng hồ. a. Trường hợp EX = 0; UB2 = 0 Thì sụt áp trên R4 là: UR4 = 0 – UBE – (- ECC) = ECC - UBE Dòng đi qua R4 là: IE1 + IE2 = 4 4 RU R (IE1 = IE2) IC1 = IC2  1 2 2 E EI I Sụt áp trên tai Rt1; Rt2: URt1 = IC1. Rt1 ( Rt1 = R2 + 1/2R3) URt2 = IC2. Rt2 ( Rt2 = R5 + 1/2R3) Điện áp trên mỗi Colectơ: UC1 = ECC – URt1 = ECC – IC1. Rt1 UC2 = ECC – URt2 = ECC – IC2. Rt2 Ta thấy: Ur = UC1 - UC2 Điện áp vào UV = EX = 0 suy ra IC1 = IC2 ; UC1 = UC2 hay Ur = 0 b. Khi EX  0; EX  0. IB1 tăng lên, IB2 giảm nên IC1. Rt1 tăng, dẫn đến UC1 giảm IC2. Rt2 giảm, dẫn đến UC2 tăng Hệ số khuếch đại: A = . t V R R Ta được: Ur = A. UV . UV = EX : Đơn cực UV = UB1 – UB2 : Vi sai 3.2.2 Mạch đo điện áp DC dùng transisto trường JFET. Mạch đo dùng transisto có khuyết điểm là tổng trở vào của bản thân transisto nhỏ (vài K ) . Do đó người ta thường dùng mạch đo có ngõ vào dùng JFET để có tổng trở vào lớn như (Hình 3.22) sau đây kết hợp với mạch phân thang đo điện áp: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 44 Tổng trở vào của mạch đo: tổng trở vào của vôn kế là tổng trở vào của mạch phân tầm đo: Zi = Ra+ Rb+Rc+ Rd = 800k + 100k + 60k + 40k = 1M Do đó mỗi thang đo (1V; 5V; 10V; 25V) tổng trở vào Zi không đổi là 1M Đặc điểm của mạch phân thang đo là mạch phân áp vào mạch đo. Thí dụ: ở thang đo 1V (đo điện áp  1V) được đưa vào mạch đo. Vì mạch đo có điện áp bão hoà ở 1V. Khi đo điện áp lớn hơn 1V thì khoá SW chuyển sang thang đo lớn hơn (ví dụ 10V) thì khi đó mạch phân áp sẽ tạo ra điện áp Ui vào mạch đo: UG = .( ) d c d a b c d U R R R R R R     Như vậy ở thang đo 10V ta có (Ud)max = 10V UG = .( ) d c d a b c d U R R R R R R     = 10 .100 1 1 V k V M    Như vậy R = 1M; UGmax = 1V. Nếu : +. EX = 20V thì UG = 20 .40 0,8 1000  V Tra sổ tay: UGS = 0  - 5V Ta có: UGS = UG – US Khi : UG = 0 có US = 0 – (-5V) = 5V UG = 1 có US = 1 – (- 5V) = 6V Do đó: (US)max = 5  6V Mà: US = UB1 nên khi UG = 0 thì UB1 = 5V; UE1 = UB1 – UBE = 4,3V Để UE2 = 4,3V thì UP = 5V do đó phải điều chỉnh R5 Tương tự khi UG = 1V thì US = 6V; UE1 = 6 - 0,7 = 5,3V Suy ra: Ur = UE1 – UE2 = 5,3 – 4,3 = 1V Ta được kết quả đo bằng số chỉ Voltmet nhân với hệ số suy giảm 3.2.3 Mạch đo điện áp DC dùng khuếch đại thuật toán (operational amplifier - OA) Đặc tính cơ bản: những tín hiệu đo lường thường có giá trị nhỏ hoặc rất nhỏ, nhất là những tín hiệu ngõ ra của cảm biến đo lường, cho nên cần phải khuếch đại nhưng tín hiệu này trước khi chế biến. Những nét đặc trưng quan trọng của mạch khuếch đại đo lường gồm những điểm sau: - Hệ số khuếch đại được lựa chọ phù hợp với độ chính xác và độ tuyến tính cao BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 45 - Ngõ vào vi sai có khả năng tốt nhất để có hệ số truất thải tín hiệu chung lớn nhất - Độ ổn định cho hệ số khuếch đại với sự thay đổi nhiệt độ hoạt động - Sai số do sự trôi và điện áp bù DC càng nhỏ càng tốt Hiện nay mạch khuếch đại đo lường dùng vi mạch khuếch đại thuật toán được chế tạo mang đặc tính cơ bản nói trên nên chúng ta không cần quan tâm đến việc thiết kế mạch khuếch đại đo lường như dùng từng con tranzito rời. Ngoài ra hệ số khuếch đại hoàn toàn phụ thuộc vào phần tử bên ngoài do chúng ta quyết định khi thiết kế. Chính vì lý do vậy nên chúng ta phân tích mạch đo lường dùng trong máy hiện số sử dụng OA. 1. Mạch đo không có khuếch đại điện áp (Hình 3.23): Ta thấy mạch khuếch đại ngăn cách tổng trở của mạch phân thang đo và đồng hồ chỉ thị. Trong trường hợp này là mạch KĐ không đảo dấu (vì tín hiệu vào ngõ + của OA): Ur = Uv 2. Mạch đo có khuếch đại điện áp (Hình 3.24): Trường hợp tín hiệu đo có giá trị nhỏ chúng ta dùng mạch khuếch đại không đảo dấu có hệ số lớn hơn 1: Ur = Uv . (1+ 2 1 R R ) Ví dụ: Cho Uv = 0,1V; R1 = 90k; R2= 10k; R0 = 1k; Dòng max qua cơ cấu I0 = 50A. Xác định RP để cho dòng qua đồng hồ chỉ thị cực đại. Giải: Điện áp ra: Ur = Uv . (1+ 1 2 R R ) = 0,1V.10k =1V Mà Ur = (R0 + RP).I0 = 1V Nên: RP = 1 1 50 V k A  = 19k BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 46 3. Mạch khếch đại chuyển đổi điện áp sang dòng điện (Hình 3.25): Ur = Uv . (1+ 1 0 R RR P ) Im= 101 10 10 1 . R U RRRR RRR U RRR U v P P v P r      Như vậy: (Uv)max = R1.I0 Ví dụ: Uv = 0,1V; xác định R1 để cho dòng Im bằng dòng max I0. Khi cơ cấu đo có I0 = 50A; R0 = 1k. Giải: Theo trên ta có: Uv = R1. I0 Nên tại Uv = 0,1V R1 =    k A V A V I Uv 2 10.50 10 50 1,0 6 1 0  . 4. Mạch khuếch đại dạng vi sai: Giới thiệu mạch trừ: Khi cần trừ hai điện áp ta thực hiện theo sơ đồ hình 3.26. Điện áp ra được tính theo: Ur = K1. U1 + K2. U2 Xác định K1; K2 theo phương pháp sau: a. Cho U2 = 0; mạch làm việc như khuếch đại đảo. Ta có: a ra aa R UU R UU    001 / ; (U0 = Ua – Ub ) Suy ra: Ura = - a. U1 = K1. U1 (do U0  0) b. Khi U1 = 0; mạch làm việc dạng khuếch đại không đảo Urb = U1. 2. (1 ) 1 b b a b b b b R U R R        Do đó ta có: Ur = Ura + Urb = 2. (1 ) 1 b a b U      - a. U1 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 47 Mạch ứng dụng hình 3.27: Ta có: Uo1 = 2 21 2 1 1 1 . . R R U U R R              Uo2 = 2 22 1 1 1 1 . . R R U U R R              Theo trên: Ur1 = - 1. U01 do 1 = 3 3 1 R R  nên: Ur1 = - U01 Và: Ur2 = 2 1 02 2 .(1 ). 1 U      Do 1 = 2 =  = 1 nên: Ur2 = U02 Ta được: Ur = Ur1+ Ur2 = U02 – U01 = 2 2 1 1 2 1 .( ) R U U R        3.2.4 Mạch đo điện áp DC giá trị nhỏ dùng phương pháp “Chopper” (Mạch đóng ngắt) Để đo điện áp DC có giá trị nhỏ (vài mV) phải dùng khuếch đại ghép nhiều tầng để tăng hệ số khuếch đại. Nếu ghép theo kiểu trực tiếp (ghép DC) thì sự trôi điểm phân cực tầng đầu sẽ được tầng sau khếch đại do đó sẽ lẫn tín hiệu. Vậy ta phải dùng cách ghép AC để sự trôi mỗi tầng khuếch đại độc lập với nhau. Như thế tín hiệu đo được chuyển từ DC sang AC, sau đó khuếch đại lên bằng mạch khuếch đại AC. Sơ đồ khối mạch đo hình 3.28:  Tín hiệu đo DC được đưa vào mạch khuếch đại theo điện áp có nhiệm vụ điều hợp tổng trở cho mạch phân thang đỏtước đó và mạch Chopper  Mạch Chopper: gồm mạch dao động điều khiển mạch khoá điện tử (thường dùng đóng ngắt bằng JFET) hoặc phương pháp quang. Đầu ra của Chopper là tín hiệu AC thay đổi (xung vuông) có biên độ bằng với tín hiệu đo và tần số là tần số của BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 48 tín hiệu dao động. Tín hiệu này đuqa vào tầng khuếch đại AC để khuếch đại lớn lên.  Tiếp theo tín hiệu được đưa vào giải điều chế để loại tín hiệu da động lấy tín hiệu DC.  Tín hiệu DC được đưa vào mạch đo điện áp . Xét mạch Chopper dùng phương pháp quang: Mạch dao động tạo ra tín hiệu điều khiển 2 diode phát quang D5; D6 tuần tự chớp sáng. Hai diode quang D1, D3 cùng nhận nguồn sáng từ D5; hai diode D2, D4 cùng nhận nguồn sáng từ D6. Khi D1, D2, D3 và D4 cùng nhận được ánh sáng thì xem như tiếp điểm mở, khi không có ánh sáng chiếu vào thì tiếp điểm hở. Sự dẫn của D1, D3 và không dẫn của D2, D4 hoặc Sự dẫn D2, D4, không dẫn D1, D3 tạo cho xung vuông xuất hiện ở ngõ ra D4. Tụ CS được nạp tới đỉnh của tín hiệu xung vuông. Sau đó mạch lọc sẽ loại bỏ tín hiệu dao động để cho ra tín hiệu U0 (DC). Xét mạch Chopper dùng phương pháp khoá điện tử bằng JFET: Khi: UGS = 0 thì JFET kênh P dẫn UGS  UP : JFET kênh P không dẫn (Với UP:điện áp nghẽn của kênh P) Ta thấy JFET hoạt động như một khoá điện tử (Hình 3.30). 3.3 Volt met điện tử đo điện áp xoay chiều (AC). 3.3.1 Khái quát. Điện áp biến đổi cần đo có các trị số biểu thị đặc tính là: trị số đỉnh (biên độ), trị số hiệu dụng, trị số trung bình: Trị số đỉnh Um là trị số tức thời cực đại của điện áp trong khoảng thời gian quan sát (hay trong một chu kỳ), như hình 3.31 . Đối với điện áp có cực tính không đối xứng thì có hai trị đỉnh: đỉnh dương và đỉnh âm (Hình 3.32 ). Với điện áp điều hoà thì trị số đỉnh chính là trị số biên độ. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 49 Trị số hiệu dụng URMS là giá trị trung bình bình phương của điện áp tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kỳ). 2 0 1 T RMS tU u dt T   Đối với điện áp có chu kỳ dạng không sin, thì bình phương trị số hiệu dụng của điện áp này bằng tổng bình phương điện áp thành phần một chiều và bình phương các thành phần điều hoà: U2 RMS = U0 2 + U1 2 + U2 2 +.... Hay là: 2 0 n RMS k k U U    Trị số trung bình UAV (Ucltb )(thành phần một chiều) là trị số trung bình cộng các giá trị tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kỳ) 0 1 ( ) T cltbU u t dt T   Trong trường hợp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, thì nó bằng trung bình cộng của trị số tuyệt đối các giá trị tức thời: 0 1 ( ) T cltbU u t dt T   Quan hệ giữa các trị số đỉnh, trị số hiệu dụng và trị số trung bình được biểu thị bằng các tỷ số: Hệ số biên độ của tín hiều điện áp: kb = m RMS U U Hệ số dạng của tín hiều điện áp: kd = RMS cltb U U Ví dụ: xác định hệ số kb; kd của các điện áp có dạng khác nhau: Dạng điện áp sin: u = Um Sint (Hình 3.33) Um = 2 .URMS Ucltb = 2  Um = 0,637.Um = 0,637. 2 URMS = 0,9.URMS Vậy: kb = 1,41; kd = 1,11 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 50 Dạng điện áp răng cưa: (Hình 3.34) Trị số điện áp tức thời: ( ) m U u t t T  2 2 0 1 . 3 T m m RMS UU U t dt T T   Ucltb = 2 mU Vậy: kb = 1,73; kd = 1,15 Dạng điện áp xung vuông góc đối xứng hai nửa chu kỳ (Hình 3.35): Giá trị điện áp tức thời: : 0 2 ( ) : 2 m m T U t u t T U t T          `Trị số điện áp: Ucltb = / 2 0 2 . T clu dt   = Um ; URMS = 1/ 2 2 0 1 T u dt T        = Um ; Vậy: kb = 1; kd = 1 Chú ý: - Phần lớn các Volt met điện tử đo tín hiệu xoay chiều được định chuẩn theo trị hiệu dụng của tín hiệu đo. - Trong trường hợp tín hiệu không Sin, trị số kd nhỏ hơn hoặc lớn hơn 1,11 phụ thuộc vào dạng và tần số tín hiệu. Nếu Voltmet AC đo các giá trị tín hiệu không Sin sẽ có sai số do thang đo được chuẩn theo giá trị hiệu dụng của dạng sin. Dễ nhận thấy tín hiệu xung vuông có: URMS = Umax Ucltb = Umax Hệ số dạng: kd = RMS cltb U U = 1 Trong đó nếu tín hiệu Sin hệ số dạng 1,11; Như vậy khi đo tín hiệu xung vuông dùng Voltmet định chuẩn theo trị hiệu dụng của tín hiệu sin: 1,11 1 % .100% 11% 1     (Giả sử trị hiệu dụng của xung vuông là 1V; Vôn định chuẩn sin đo sẽ sai đi : 11%.1V = 0,11V. Nghĩa là chỉ thị số 1,11V(RMS) Như vậy trong Vônmét điện tử để đo điện áp AC ngoài khối biến đổi điện áp đầu vào (phân áp, suy giảm, khuếch đại để tăng trở kháng của vôn mét ) thì khối chủ yếu nhất của vônmét là khối tách sóng (là chuyển đổi điện áp AC thành dòng DC hay điện áp DC) bằng ba phương pháp: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 51 - Phương pháp trị đỉnh (tách sóng đỉnh) - Phương pháp trị hiệu dụng thực (tách sóng hiệu dụng) - Phương pháp trị trung bình (tách sóng trung bình). 3.3.2 Phương pháp trị đỉnh. Là biến đổi trị số tín hiệu đo có thành phần xoay chiều thành tín hiệu DC, điện áp ở đầu ra trực tiếp tương ứng với trị số biên độ. Phần tử ghim giữ lại trị số biên độ của điện áp đo là tụ điện.Tụ điện được nạp tới trị số đỉnh của điện áp đo qua phần tử tách sóng. Ví dụ mạch tách sóng đỉnh thường gặp (Mạch nhân đôi điện áp hoặc mạch kẹp) (Hình 3.36): 1) Sơ đồ 3.36a: Nguyên lý làm việc như sau: Khi đưa vào bộ tách sóng điện áp hình sin: ux = Umsint; ban đầu điện áp đó hầu như hoàn toàn đặt lên diod, vì điện dung của tụ C lớn hơn nhiều so với điện dung CAK của diod (điện dung của tụ C khoảng hàng chục nghìn pF). Trong nửa chu kỳ dương đầu tiên, có xung dòng điện lớn qua diod làm cho tụ C nạp, tụ C được nạp điện nhưng chưa hoàn toàn. Sang nửa chu kỳ âm, tụ C phóng điện qua R, nhưng lượng phóng không được bao nhiêu vì R chọn rất lớn (khoảng 50  100M); hằng số thời gian phóng  = RC lớn hơn so với chu kỳ 2 T    của điện áp đo ux. Tiếp đến nửa chu kỳ dương khác, tụ C lại tiếp tục được nạp. Vì hằng số thời gian nạp  = Ri C ( Ri điện trở trong của diod) rất bé so với  = RC. Như vậy có nghĩa là tụ điện nạp thì rất nhanh mà phóng thì rất chậm, nên sau một vài chu kỳ điện áp của tụ UC có giá trị không đổi và gần bằng trị số biên độ Um của điện áp đầu vào ux. Giản đồ điện áp nạp cho tụ như hình 3.37: Khi uc tăng thì điện áp rơi trên diod giảm: ua = ux - uc : đèn tách sóng có thiên áp tự cấp UC , nhưng vì UC nhỏ hơn Um (do sự phóng điện qua R) nên trong nửa chu kỳ dương trị số tức thời của ux lớn hơn UC thì có dòng nạp cho tụ C. Dòng điện chỉ qua diod trong một phần nhỏ chu kỳ với góc cắt  càng nhỏ Điện áp UC của tụ điện được đo bằng một vônmét chỉ thị kim. Trị số này càng gần bằng trị số Um của điện áp ux khi góc cắt  càng nhỏ. Từ giản đồ i(t): UC  Umsin( 90 0 - ) = Umcos (*) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 52 Theo lý thuyết tách sóng diod, ta có mối quan hệ giữa góc cắt  và các thông số của mạch:  = 3 i R R  ; Ri điện trở diod; R điện trở tải. Ta thấy là: muốn UC = Um thì  = 0, điều này thực tế là không đạt được vì Ri  0 và R . Song nếu có Ri/R càng bé thì càng tốt, nên trong mạch tách sóng đỉnh thường chọn diod có Ri bé. Cũng cần chú ý khi mắc nối tiếp với diod một điện trở phụ nào đó thì tác dụng cũng như tăng Ri. Do đó khi tính toán sai số đo dùng công thức (*) trên phải cộng thêm Ri với điện trở của nguồn điện áp cần đo. Muốn giảm Ri/R bằng cách tăng R lớn lên cũng không được vì như vậy làm tăng hằng số thời gian phóng p, bộ tách sóng trở thành có quán tính, khi giảm điện áp ở đầu ra thì điện áp trên tụ vẫn không biến đổi kịp. Khuyết điểm này cũng tương tụ như khi mạch tách sóng dùng tụ C có trị số quá lớn, vì như vậy đã làm tăng hằng số p và n. Nếu điện áp đo có dạng không điều hoà: ux = U0 + Umsint, có cả thành phần DC và AC thì điện áp mà đồng hồ đo được không phải chỉ là Um mà còn có cả U0 của ux, vì mạch tách sóng này là mạch vào mở (xem kỹ thuật mạch) 2) Sơ đồ 3.36b ( Mạch kẹp đỉnh dương): Giả sử điện áp có dạng điều hoà ux = Umsint : ở nửa chu kỳ dương tụ C nạp qua diod, sau một vài chu kỳ trị số điện áp nạp gần bằng Um. Điện trở R lớn nên hằng số thời gian phóng lớn, do vậy UC biến đổi ít và gần như không đổi. Ta có thể coi tụ C được nạp điện như một nguồn điện áp một chiều UC  Um . Mạch tương đuơng của bộ mạch tách sóng mạch vào đóng như hình 3.38a. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 53 Điện áp trên tải của bộ tách sóng: uR = ux – UC = Umsint - UC Khi điện áp ux đạt cực đại dương thì uR  0. Khi điện áp ux đạt cực đại âm thì uR  -2Um , vì UC  Um (Hình 3.38b) Như vậy điện áp xung hạ trên R có thể đọc trực tiếp bằng đồng hồ từ điện. Giữa tải R và vônmét có đặt bộ lọc để chỉ cho qua thành phần DC UC của điện áp xung, đồng hồ chỉ thị được giá trị UC  Um. Mạch cụ thể hình 3.39. Nếu điện áp đo có cả thành phần một chiều U0 : ux = U0 + Umsint, thì UC được nạp điện áp lớn hơn U0, tức là UC = U0 + Um . Tất nhiên , cực tính của điện áp trên tị C được nạp với điện áp một chiều (- U0) thì ngược với thành phần một chiều (U0). Nếu trên tải R tổng đại số của hai điện áp này bằng không thì hầu như vônmét không có tác động đối với thành phần U0 của điện áp đầu vào. Hai sơ đồ trên chỉ đo được trị số đỉnh của điện áp có cực tính dương muốn đo điện áp có cực tính âm thì ta đảo ngược cách mắc diod. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 54 3.3.3 Phương pháp trị hiệu dụng thực. Là biến đổi điện áp xoay chiều thành dòng một chiều tỷ lệ với bình phương trị số hiệu dụng của điện áp đo. Ta có biểu thức xác định trị số điện áp hiệu dụng: 2 0 1 T RMS tU u dt T   Như vậy bộ tách sóng này bao gồm ba phần tử để thực hiện ba thao tác: bình phương, lấy trị trung bình và khai căn. - Phần tử tách sóng có dạng đặc tuyến bậc hai để thực hiện quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào là bình phương. - Phần tử làm nhiệm vụ lọc ở đầu ra của mạch tách sóng để lấy trị trung bình, tức thành phần một chiều của điện áp từ phần tử tách sóng đưa ra. - Phần tử chỉ thị là đồng hồ đo điện áp DC; khi khắc độ vôn mét này thực hiện cả khai căn bậc hai. Như vậy, đặc điểm của tách sóng loại này là cần một phần tử tách sóng có dạng đặc tuyến bậc hai (còn gọi là tách sóng bình phương). Nói chung phương trình biểu thị dạng đặc tuyến này là: i = u + u2 Muốn đo thành phần DC thì dùng micrôampemet mắc song song với tụ điện. Dòng điện này bằng: i0 = U 2 Ta thấy dòng điện tách sóng tỷ lệ với bình phương với điện áp hiệu dụng, nó không phụ thuộc vào dạng của điện áp đo. Nên các vônmet có tách sóng loại này được khắc độ theo trị hiệu dụng của điện áp hình sin thì đều có thể dùng được để đo các trị số hiệu dụng của các điện áp có dạng khác. Về cấu tạo chúng ta dùng mạch cho trị bình phương tín hiệu vào ở ngõ ra như sau: nối tiếp các mắt diode với nhau; một trong các kiểu mắc mạch tách sóng loại này như hình 3.40a. Các mắt diode gồm một diode và bộ phân áp bằng hai điện trở (hình 3.40b) Hình 3.40 Ta xét, giả sử diod có điện trở thuận Rth = 0 ; điện trở ngược Rng = . Như vậy sẽ không có dòng qua diod khi điện áp đặt vào diod bé hơn điện áp khoá của diod (hình BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 55 3.41). Các mắt được mắc nối tiếp nhau bằng các phân áp thì điện trở của chúng được cấu tạo sao cho trị số điện áp khoá của một diod sẽ lớn hơn cũng trị số điện áp này của diod trước đó. Với mạch trên thì U1< U2< U3. Do đó đặc tuyến vôn - ampe của tất cả các mắt có dạng gần như đường Parabol (hình 3.42). - Khi u(t) < U1 thì D1, D2, D3 tắt, dòng tách sóng bởi bộ tách sóng kiểu chỉnh lưu hai pha qua điện trở R1. - Khi U1 < u(t) < U2 thì có dòng i1 trong mạch từ: nguồn - D1 - điện trở R2 - đồng hồ chỉ thị - nguồn. - Khi U2 < u(t) < U3 thì có dòng i1 và i2 chạy qua D1, D2 và dòng i1 + i2 qua đồng hồ chỉ thị. - Khi U3 < u(t) thì dòng qua đồng hồ chỉ thị i = i1 + i2 + i3. Nếu các mắt càng tăng thì đặc tuyến càng gần đúng dạng bậc hai i1 uU1 i2 uU2 i3 uU3 i1+i2 u i1+i2+i3 i4 i1 H×nh 3.42 3.3.4 Phương pháp trị trung bình. Là biến đổi điện áp xoay chiều thành dòng một chiều tỷ lệ với trị trung bình của điện áp cần đo. Bộ tách sóng thường dùng là bộ chỉnh lưu điện áp một nửa chu kỳ hay hai nửa chu kỳ mắc theo kiểu cầu. Đồng hồ chỉ thị thường là đồng hồ từ điện. Gọi là chỉnh lưu điện áp vì phần đặc tuyến của phần tử tách sóng làm việc là phần đường thẳng. Khi đó trị số điện áp chỉnh lưu được tỷ lệ với trị số trung bình của điện áp đo. 1) Dạng chỉnh lưu trước rồi khuếch đại sau (Đối với tín hiệu AC có trị số lớn) - Hình 3.43. Điện áp chỉnh lưu trung bình được đưa vào mạch đo điện áp DC Ui : trị chỉnh lưu trung bình Ui = icltb . R1 Dòng qua cơ cấu: Im = (icltb . R1)/R2 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 56 2) Dạng khuếch đại trước rồi chỉnh lưu sau (Hình 3.44). Trong mạch đo này điện áp rơi trên diode không ảnh hưởng đến mạch đo Dòng chỉnh lưu trung bình: Icltb = 2 doU R . doU trị chỉnh lưu trung bình của Uđo bằng cầu. Ví dụ: Udo = 1V(RMS); R2 = 10k doU = 0,637. 2 .1V(RMS) = 0,9V Icltb = 0,9 90 10 V A k   . BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 57 CHƯƠNG 4. ĐO CÁC THÔNG SỐ MẠCH ĐIỆN 4.1 Phương pháp gián tiếp. 4.1.1 Đo điện trở bằng vônmét và ampemét (Hình 4.1). Đây là phương pháp xác định phần tử điện trở đang hoạt động theo yêu cầu. I A V U + - IxIv Rv Rx a) A V U + - IxIv Rv Rx RA UA b ) H×nh 4.1 Dựa vào số chỉ của ampe mét và vôn mét ta xác định được các giá trị điện trở R,x: ' x U R I  (4-1) Giá trị thực Rx của điện trở cần đo được xác định theo cách mắc ampe mét và vôn mét trong mạch như sau : Hình (4.1a) : x x v v U U U R UI I I I R      (4-2) Hình ( 4.1b) : A Ax x U U U IR R I I     (4-3) Như vậy tính R,x theo độ chỉ của ampe mét và vôn mét sẽ có sai số. Sai số trong sơ đồ hình 4.1a do chỉ của ampe mét là tổng dòng qua vôn mét và dòng qua Rx tức là sai số phụ thuộc điện trở trong của vôn mét (Rv). Sai số trong sơ đồ 4.1b) do độ chỉ của vôn mét là tổng điện áp rơi trên ampe mét và điện trở rơi trên Rx; tức là sai số phụ thuộc điện trở của ampe mét (RA). Sai số của phép đo điện trở theo sơ đồ a): % = 100. R RR x xx ,  (4-4) Thay các giá trị từ (4-2) và (4-3) vào biểu thức ta có : % = - 100. R R 100. RR R v x vx x   (4-5) Sai số của phép đo điện trở theo b): % = 100. R RR x xx ,  (4-6) Thay (4- 1) và (4-3) vào biểu thức (4-6): BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 58 % = 100. R R x A (4-7) Như vậy để đo điện trở tương đối nhỏ người ta thường dùng sơ đồ hình a). Còn đo R tương đối lớn thì dùng sơ đồ hình b) sẽ bảo đảm sai số yêu cầu. 4.1.2 Đo điện trở bằng vôn mét và điện trở mẫu Ro (Hình 4.2) Điện trở Rx cần đo mắc nối tiếp với điện trở mẫu Ro chính xác cao và nối vào nguồn U. Dùng vôn mét đo điện áp rơi trên Rx là Ux và điện áp rơi trên điện trở mẫu là Uo qua tính toán ta sẽ được : Rx = . x o o U R U (4-8) Sai số của phép đo điện trở ở đây bằng sai số của điện trở mẫu (Ro) và sai số của vôn mét ( hoặc dụng cụ đo điện áp ). 4.1.3 Đo điện trở RX bằng một Ampemet và địên trở mẫu R0 (Hình 4.3) Đo điện trở Rx cần đo nối song song với điện trở mẫu Ro và mắc vào nguồn cung cấp U. Dùng Ampe mét lần lượt đo dòng điện qua Rx là Ix và dòng qua Ro là Io; coi điện trở trong của Ampe mét rất nhỏ và Ampe met chính xác cao. Qua tính toán ta xác định được Rx: Rx = 0 0. x I R I (4-9) Sai số của phép đo Rx bằng tổng sai số của điện trở mẫu Ro và sai số của Ampe mét 4.2 Đo trực tiếp. 4. 2.1 Đo điện trở trực tiếp bằng các Ômmét Xuất phát từ định luật ôm: R = I U (4-10) Nếu giữ điện áp U không thay đổi ; dựa vào sự thay đổi dòng điện qua mạch khi điện trở thay đổi, người ta đo dòng điện sẽ khắc độ theo điện trở R có thể trực tiếp đo điện trở R. Trên cơ sở đó người ta chế tạo các ôm mét đo điện trở. Phụ thuộc vào cách xắp xếp sơ đồ mạch đo của Ôm mét người ta chia Ôm mét thành hai loại : Ôm mét nối tiếp và Ôm mét song song. a) Ôm mét sơ đồ nối tiếp là Ôm mét có điện trở cần đo (Rx) được nối tiếp với cơ cấu chỉ thị từ điện (Hình 4.4). Các Ôm mét sơ đồ nối tiếp thường dùng để đo các điện trở có gía trị cỡ ôm trở lên. Trong sơ đồ cấu tạo có RP dùng để bảo vệ cơ cấu chỉ thị tránh quá dòng khi Rx = 0 thì dòng qua cơ cấu chỉ thị là lớn nhất (lệch hết thang chia độ). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 59 Rp= o ct ctmax U r I  (4-11) Với một cơ cấu từ điện nhất định sẽ có Ictmax = Ictđ.m nhất định và rct = rctđ.m nhất định. Mỗi ôm mét cũng có điện trở trong nhất định, được tính như sau : R = rct + Rp = maxct 0 I U (4-12) Khi Rx = 0 Ictmax = pct 00 Rr U R U    (4-13) Khi RX  0 Xpct 0 ct RRr U I   (4-14) Khi Rx   thì Ict  0 Từ nhận xét trên ta nhận thấy rằng thang chia độ của Ôm mét ngược với thang chia độ của Vôn mét. Từ biểu thức (4-14) ta thấy rằng độ chỉ của Ôm mét rất phụ thuộc nguồn cung cấp nguồn cung cấp thường bằng pin và ắc quy. Nếu pin và ắc quy thay đổi giá trị sẽ gây sai số rất lớn. Ví dụ : nếu Rx = 0 (chập hai đầu que đo) vì U0 < U0 ban đầu thì kim Ôm mét không chỉ zê rô. Để khắc phục điều này người ta có thể thay đổi từ cảm B trong nam châm vĩnh cửu (dạng sun từ) sao cho B.U = const. Song trong các dụng cụ đo vạn năng không thể dùng biện pháp này được. Người ta đưa vào sơ đồ cấu trúc của đồng hồ đo một chiết áp hoặc biến trở RM để chỉnh zê zô (Rx=0) (Hình 2.5) . Hình 4-5a là sơ đồ Ôm mét nối tiếp với biến trở RM mắc nối tiếp với cơ cấu chỉ thị. Với sơ đồ này người ta tính các phần tử của mạch như sau : Xác định điện trở Rp sao cho khi Rx = 0 với U0= U0min thì kim chỉ thị lệch toàn thang đo. Lúc đó R = 0 (tức là không cần chiết áp ). RP = ct maxct min0 r I U  ( 4- 15) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 60 Khi làm việc, có thể U0 > U0min; dòng Ictmax có thể tăng nếu giữ nguyên các giá trị thông số của mạch như đã tính toán. Muốn cho Ictmax không thay đổi thì phải điều chỉnh RM sao cho R có giá trị phù hợp với các thông số đã tính. Vậy để thoả mãn yêu cầu thang đo của Ômmét, điện trở toàn phần của biến trở (RM) được tính : RM  maxct min0max0 U UU  (4 - 16) tức là phải bảo đảm điều kiện chỉnh zêrô khi U0 = U0max. Điện trở vào của Ômmét sẽ là: R = RP + R + rct = maxct 0 I U (4 - 17) Vậy điện trở vào của Ômmét thay đổi theo sự thay đổi của áp nguồn cung cấp. Mỗi thang đo của Ômmét phù hợp với một điện trở vào nhất định. Do đó khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi sẽ gây sai số phụ cho phép đo. Sai số này được xác định bởi bởi sự thay đổi của điện áp nguồn. H.4.5b là sơ đồ Ômmét nối tiếp có biến trở nối song song với cơ cấu chỉ thị. Tính toán các thành phần của mạch sao cho khi Rx = 0; Uo = U0min ; dòng qua chỉ thị lệch hết thang đo (Ictmax); phải điều chỉnh biến trở sao cho nó có trí trị lớn nhất (R = RM). Nếu U0 > U0min với điều kiện như trên thì Ictmax sẽ tăng (quá thang đo) phải chỉnh biến trở sao cho Ictmax không thay đổi tức là Ômmét chỉ zêrô. Điện trở vào của Ômmét theo sơ đồ này sẽ là: R = RP + ct ct rR r.R  (4-18) Từ biểu thức này ta thấy rằng trong quá trình điều chỉnh zêrô bằng biến trở RM ; điện trở vào của Ômmét có sự thay đổi. Song sự thay đổi này không thể vượt quá giá trị rct và RP << rct nên điện trở vào của Ômmét này ít phụ thuộc điện áp cung cấp và khi áp cung cấp thay đổi cỡ 20  30% thì sai số phụ chỉ vài % b) Ômmét sơ đồ nối tiếp nhiều thang đo (Hình 4.6). Cơ chế tạo Ômmét nhiều thang đo theo nguyên tắc: chuyển từ giới hạn đo này sang giới hạn đo khácbằng cách thay đổi điện trở vào của Ômmét một số lần xác định sao cho khi Rx = 0 kim chỉ thị vẫn đảm bảo lệch hết thang đo (nghĩa là dòng qua cơ cấu chỉ thị bằng giá trị định mức của cơ cấu từ điện đã chọn). CT Rx Rx = 0 U1 RP1 R RM RP2U2 B 1 2 H×nh 4.6a Người ta mở rộng giới hạn đo của Ômmét bằng cách dùng nhiều nguồn cung cấp hoặc dùng một nguồn cung cấp và điện trở phân nhánh dòng (điện trở sun) cho các thang đo khác nhau. Hình 4.6a là sơ đồ Ômmét nhiều thang đo dùng nhiều nguồn cung cấp (ví dụ ở đây có hai thang đo ứng với vị trí 1 và 2). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 61 Với giới hạn đo 1 (khoá chuyển mạch B đặt ở vi trí 1): RP1 = R1 – Rab nguồn cung cấp của thang đo này là U1. Điện trở Rab là điện trở tương đương của rct mắc song song với R (một phần của RM ). Thường chọn R  0,75 RM Khi chuyển từ giới hạn đo 1 sang giới hạn đo 2 (đo Rx lớn hơn ở giới hạn đo 1); đặt B ở vị trí 2. Lúc này R2 = 10R1. Từ đó điện trở phụ của mạch cũng thay đổi: Rp2 = R2 - Rab Với giá trị các thônng số như trên, để đảm bảo kim chỉ lệch hết thang đo, yêu cầu nguồn cung cấp U2cũng phải tăng tương ứng, tức là U2 = 10U1. Khi sử dụng nguồn điện áp cao và chỉ thị đủ nhạy thì R có thể đạt hàng trục Mêgôm hoặc lớn hơn. Có thể dùng sơ đồ này để mở rộng giới hạn đo về phía điện trở nhỏ với điều kiện có thể giảm nguồn cung cấp xuống N lần. Khi điện trở vào của Ômmét không lớn lắm (cỡ nghìn ôm hoặc nhỏ hơn) người ta tạo Ômmét nhiều thang đo chỉ dùng một nguồn cung cấp và điện trở phân nhánh dòng (H.4.6b). ở sơ đồ này vị trí 1 dùng để đo điện trở lớn và ở vị trí 2 dùng để đo điện trở nhỏ hơn; chuyển từ vị trí 1 sang vị trí 2, điện trở vào của Ômmét phải giảm đi N lần (ví dụ 10 lần) tức là R2 = 0,1R1. Lúc đó nếu Rx = 0 thì dòng trong mạch sẽ tăng lên 10 lần tức là I2 = 10I1. Để bảo đảm dòng qua chỉ thị không thay đổi người ta phải mắc các điện trở phân nhánh dòng (R1, R2) song song với cơ cấu chỉ thị. c) Ômmét mắc song song (Hình 4.7). Về cấu trúc: bộ phận chỉ thị của Ômmét nối song song với điện trở cần đo. Ômmét loại này dùng để đo điện trở tương đối nhỏ (cỡ k trở lại). Ưu điểm cơ bản là có thể thu được điện trở vào của Ômmét (R) nhỏ khi dòng từ nguồn cung cấp không lớn lắm. Vì điện trở cần đo Rx mắc song song với cơ cấu chỉ thị nên khi Rx =  (chưa mắc Rx vào mạch đo) thì dòng qua chỉ thị sẽ lớn nhất (Ict = Ictmax = Ictđ.m). Nếu Rx 0 thì hầu như không có dòng qua cơ cấu chỉ thị, tức là Ict = 0. Như vậy thang đo của Ômmét loại này chung chiều với thang đo của Vônmét. Để điều chỉnh thang đo của Ômmét khi nguồn cung cấp thay đổi(thường điều chỉnh ứng với Rx =  ( tức là hở mạch đo) người ta cũng dùng chiết áp RM. Xác định Rp và RM của Ômmét giống như trường hợp Ômmét sơ đồ nối tiếp. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 62 Điện trở vào của Ômmét song song được xác định như sau: R = RR r 1 r rRR r).RR( p ct ct ctp ctp      ; (4-19) Đặc tính khắc độ của Ômmét song song được xác định bởi tỷ số:        R R 1 R R RR R I I x x x x ct x (4 - 20) Khi Rx = R thì 2 1  ct x I I tức là điểm giữa của thang chia độ tương ứng với giá trị điện trở cần đo bằng điện trở vào của Ômmét (giống như Ômmét nối tiếp). Khi Rx > R thì các giá trị sẽ chạy về phía thang đo đến “”; còn Rx < R thì giá trị sẽ chạy về phía tría đến giá trị “0”. Điều này ngược với Ômmét nối tiếp. 4.2.2 Ômmét kiểu lôgômét (Hình 4.8) Cơ cấu đo kiểu lôgômét là cơ cấu có hai khung dây. Một khung dây tạo mômen quay và một khung dây tạo mômem phản kháng. Góc quay  của cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện chạy trong hai khung dây đó. Trên cơ sở này người ta dùng chỉ thị kiểu lôgômét cho Ômmét nên gọi là Ômmét kiểu lôgômét. I1: dòng chạy qua khung dây 1. I2: dong chạy qua khung dây 2. I1 = 11 0 rR U  (4-21) I2 = x232 0 RrRR U  (4-22) Từ cảm B của nam châm vĩnh cửu tác dụng với dòng I1 tạo ra mômem quay M1;Từ cảm B tác dụng với dòng I2 tạo ra mômem quay M2. ở thời điểm cân bằng M1 = M2 từ đó rút ra:                11 x232 2 1 rR RrRR F I I F (4-23) Trong một cơ cấu nhất định, các giá trị R1, R2, R3 và r1, r2 là hằng số; góc quay  không phụ thuộc điện áp cung cấp U0. Giới hạn đo của Ômmét được xác định bởi giá trị các trở R1, R2, và R3. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 63 Nếu đo điện trở Rx tương đối lớn thì dùng sơ đồ mắc nối tiếp (nối Rx vào hai đầu 1 và 2), đọc kết quả trên thang đo 1 Nếu đo điện trở Rx nhỏ thì dùng sơ đồ song song (nối Rx vào hai đầu 2 và 3); ngắn mạch 1 và 2 đọc kết quả trên thang đo 2. 4.3 Cầu đo điện trở. Để đo điện trở được chính xác hơn, chúng ta dùng cầu Wheatstone. Cầu đo điện trở thường gặp hai loại: Cầu đơn và cầu đôi. 4.3.1 Cầu đơn. Đo điện trở bằng hai phương pháp:  Phương pháp cân bằng.  Phương pháp không cân bằng. 1. Cầu cân bằng. Cầu gồm 4 nhánh thuần trở R1, R2, R3, R4. Một đường chéo cầu (cd) nối với nguồn cung cấp một chiều U0. Một đường chéo khác (ab) nối với chỉ thị cân bằng CT (Hình 4.9). Khi điện áp trên a và b bằng nhau tức là không có dòng qua cơ cấu chỉ thị (rct = ) thì cầu cân bằng; ta có: I1R2 = I2R3 I1R1 = I2R4 (4-24) Chia điều kiện thứ hai cho điều kiện đầu của (4-24): 1 4 2 3 R R R R  ; R1.R3 = R2.R4 (4-25) Như vậy khi cầu cân bằng thì tích điện trở chia nhánh cầu đối nhau thì bằng nhau; nếu một trong bốn nhánh cầu chưa biết; ta có thể xác định theo tương quan (VD: R4= Rx). 2 3 13 2 1 x R R .RR. R R R  (4-26) Kết quả đo không phụ thuộc vào nguồn cung cấp U0 ; đây cũng là ưu điểm của phép đo. Độ chính xác của sự xác định điện trở phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế. Phụ thuộc vào cách cân bằng cầu, người ta chia cầu đơn thành hai loại: cầu hộp và cầu biến trở. a) Cầu hộp (hình 4.10) ở cầu hộp, ta cân bằng cầu khi đo bằng cách chọn một tỷ số 2 3 R R và giữ cố định; thay đổi giá trị R1 cho đến khi cầu cân bằng (bộ phận chỉ thị zêrô); đọc kết quả trên nhánh R1 đem nhân với tỷ số 2 3 R R đã chọn sẽ được kết quả của phép đo. Từ (4-26 ) ta thấy rằng khi R3 = R2 thì Rx = R1(ở một mức điều chỉnh nào đó). Thông thường BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 64 điện trở R1 được chế tạo có dạng hộp điện trở hoặc biến trở chính xác cao, có nhiều mức điều chỉnh, khắc độ trực tiếp giá trị điện trở trên hộp này. Vì vậy nếu R3 = R2 thì giá trị điện trở Rx lớn nhất sẽ được xác địng bằng điện trở toàn phần của R1. Có thể mở rộng giới hạn đo của cầu hộp bằng cách tạo ra R3 có nhiều giá trị lớn nhỏ hơn nhau 10 lần (h.4.10); dùng chuyển mạch B thay đổi tỷ số 2 3 R R Các sai số của phép đo điện trở bằng cầu hộp phụ thuộc vào độ ổn định, độ chính xác của các điện trở nhánh cầu; phụ thuộc vào độ trễ của điện trở biến thiên (R1); độ chính xác và độ nhạy của chỉ thị cân bằng. Thông thường, cầu chế tạo bằng những điện trở mẫu chính xác cao, chỉ thị bằng điện kế gương, có độ nhạy cao nên sai số đo không vượt quá 0,1%. b) Cầu biến trở (hình 4.11) Trong cầu biến trở , khi đo, để cân bằng cầu người ta giữ cố định điện trở R1; điều chỉnh tỷ số 2 3 R R một cách đều đặn cho đến khi kim chỉ thị chỉ đến zêrô (tức là cầu đã cân bằng và lấy kết quả đo). Muốn vậy hai nhánh cầu R2 và R3 được tạo bởi một biến có con trượt, quấn trên ống thẳng hoặc đường tròn. Dây điện trở thường bằng Manganin. Tỷ số điện trở hai phần dây quấn hai bên con trượt D bằng tỷ số chiều dài hai phần ống này. 2 3 2 3 R R I I  (4-27) Thang chia độ giá trị tỷ số hai điện trở được mắc song song với ống dây điện trở này từ 0   (h.4.11) Điểm giữa của thang chia độ tương ứng với tỷ số: 2 3 2 3 R R I I  =1 (4-28) Điều chỉnh vị trí con trượt D trên biến trở để đạt được điều kiện cân bằng cầu. Giá trị điện trở cần đo Rx được xác định theo công thức: 2 3 1x R R .RR  (4-29) Mở rộng dài đo của cầu bằng cách chế tạo điện trở R1 thành nhiều điện trở có giá trị khác nhau và thông qua chuyển mạch B để thay đổi các giá trị này. Cầu biến trở có thể chế tạo gọn, nhẹ nhưng không chính xác bằng cầu hộp. Trong hai sơ đồ cầu đơn (hình 4.10) và (hình 4.11) có điện trở R5 dùng để điều chỉnh độ nhạy của chỉ thị. Nghĩa là có những lúc không thể cân băng được cầu vì có một BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 65 dòng điện tương đối lớn nào đó qua chỉ thị. Vì vậy sau khi điều chỉnh thô, để cân bằng cầu ta ấn khoá K để loại trừ R5 ra khỏi mạch đo và tiếp tục điều chỉnh tinh cân bằng cầu. Độ chính xác của cân bằng cầu phụ thuộc vào độ nhạy của chỉ thị và điện áp cung cấp. Vì vậy phải chọn điện áp cung cấp sao cho ở vị trí điều khiển nào và với bất kì điện trở Rx thì dòng qua chỉ thị không vượt quá dòng cho phép của chỉ thị. Giá trị điện trở cần đo càng lớn thì điện áp nguồn cung cấp (U0) càng lớn. Nhưng với U0 đã chọn để đo Rx lớn, khi đo Rx nhỏ cần phải giảm bớt U0 đưa vào mạch cầu. Người ta dùng R0 để thực hiện mục đích này (hình 4.11) 2. Cầu không cân bằng. Trong công nghiệp, người ta thường dùng nguyên lý cầu Wheatstone không cân bằng nghĩa là nhờ điện áp ra (hoặc dòng điện ra) ở ngõ ra của cầu để đo điện trở R hoặc sự thay đổi R của phần tử đo. Phương pháp này cần nguồn cung cấp cho cầu ổn định, vì điện áp ra có phụ thuộc vào nguồn U0; ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của các phần tử của cầu. Còn độ nhạy của cầu phụ thuộc vào nguồn cung cấp và nội trở của bộ chỉ thị (hoặc tổng trở vào của mạch khuếch đại nếu điện áp ở ngõ ra của cầu được đưa vào mạch khuếch đại). Từ mạch cầu hình 4.12 điện kế G được tháo ra khỏi cầu đo. Điện áp ở ngõ ra của cầu: 1 41 4 0 1 2 4 3 R R U U U R R R R          Tổng trở ngõ ra của cầu được xác định: = (//) + (//) Như vậy mạch tương đương Thevenin của cầu dược xác định như hình 4.13. Do đó dòng điện IG qua điện kế G khi cầu không cân bằng: 1 4G G U U I r r    ; rG: nội trở của điện kế G 4.3.2 Cầu đôi Kelvin