Bài giảng Kỹ thuật đo lường điện tử

ới nhất hiện nay, đ−ợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã đ−ợc các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách đ−ợc hoàn chỉnh hơn, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Chúng tôi mong nhận đ−ợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc. Xin liên hệ: daothanhtoan@uct.edu.vn DTT_PTH_DLH 3 BomonKTDT-ĐHGTVT 4 Ch−ơng 1: Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo l−ờng I. Định nghĩa vμ khái niệm cHung về đo l−ờng 1. Định nghĩa về đo l−ờng, đo l−ờng học và KTĐL a. Đo l−ờng Đo l−ờng là một quá trình đánh giá định l−ợng về đại l−ợng cần đo để có đ−ợc kết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo đ−ợc biểu diễn d−ới dạng: XoAX Xo XA .=→= trong đó: A: con số kết quả đo X: đại l−ợng cần đo Xo: đơn vị đo b. Đo l−ờng học Đo l−ờng học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại l−ợng khác nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo. c. Kỹ thuật đo l−ờng (KTĐL) KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết quả của đo l−ờng học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội. 2. Phân loại cách thực hiện phép đo a. Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận đ−ợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Nghĩa là, kết quả đo đ−ợc chính là trị số của đại l−ợng cần đo mà không phải tính toán thông qua bất kỳ một biểu thức nào. Nếu không tính đến sai số thì trị số đúng của đại l−ợng cần đo X sẽ bằng kết quả đo đ−ợc A. Ph−ơng pháp đo trực tiếp có −u điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ đ−ợc sai số do tính toán. ví dụ: Vônmet đo điện áp, ampemet đo c−ờng độ dòng điện, oatmet đo công suất . b. Đo gián tiếp là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Nghĩa là, kết quả đo không phải là trị số của đại l−ợng cần đo, các số liệu cơ sở có đ−ợc từ các phép đo trực tiếp sẽ đ−ợc sử dụng để tính ra trị số của đại l−ợng cần đo thông qua một ph−ơng trình vật lý liên quan giữa các đại l−ợng này. X = f(A1, A2, An) Trong đó A1, A2 An là kết quả đo của các phép đo trực tiếp. ví dụ: để đo công suất (P) có thể sử dụng vôn met để đo điện áp (U), ampe met đo c−ờng độ dòng điện (I), sau đó sử dụng ph−ơng trình: P = U.I ta tính đ−ợc công suất Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trực tiếp đ−ợc tích luỹ lại. Vì vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các tr−ờng hợp không thể dùng dụng cụ đo trực tiếp mà thôi. c. Đo t−ơng quan là ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp cần đo các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa các đại l−ợng là các thông số của các quá trình nghiên cứu. Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 5 d. Đo hợp bộ là ph−ơng pháp có đ−ợc kết quả đo nhờ giải một hệ ph−ơng trình mà các thông số đã biết tr−ớc chính là các số liệu đo đ−ợc từ các phép đo trực tiếp. e. Đo thống kê là ph−ơng pháp sử dụng cách đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình để đảm bảo kết quả chính xác. Cách này đ−ợc sử dụng khi đo tín hiệu ngẫu nhiên hoặc kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo. II. Các đặc tr−ng của KTĐL KTĐL gồm các đặc tr−ng sau: đại l−ợng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, thiết bị đo và ng−ời quan sát hay thiết bị nhận kết quả đo 1. Khái niệm về tín hiệu đo và đại l−ợng đo a. Tín hiệu đo l−ờng là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại l−ợng đo l−ờng. b. Đại l−ợng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nh−ng trong mỗi tr−ờng hợp cụ thể ng−ời ta chỉ quan tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định. ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một trong các thông số nh−: biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung Có nhiều cách để phân loại đại l−ợng đo, d−ới đây là một số cách thông dụng. * Phân loại theo tính chất thay đổi của đại l−ợng đo: Có hai loại đại l−ợng đo là: + Đại l−ợng đo tiền định là đại l−ợng đo đã biết tr−ớc quy luật thay đổi theo thời gian của chúng. + Đại l−ợng đo ngẫu nhiên là đại l−ợng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nhất định nào. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu ta đều nhận đ−ợc đại l−ợng ngẫu nhiên. Chú ý: Trên thực tế, đa số các đại l−ợng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, có thể giả thiết rằng trong suốt thời gian tiến hành phép đo đại l−ợng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết tr−ớc, nghĩa là tín hiệu ở dạng biến đổi chậm. Còn khi đại l−ợng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh thì cần sử dụng ph−ơng pháp đo l−ờng thống kê. * Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo Có hai loại tín hiệu đo là tín hiệu đo liên tục hay t−ơng tự và tín hiệu đo rời rạc hay số. Khi đó ứng với 2 loại tín hiệu đo này có hai loại dụng cụ đo là dụng cụ đo t−ơng tự và dụng cụ đo số. * Phân loại theo bản chất của đại l−ợng đo + Đại l−ợng đo năng l−ợng là đại l−ợng mà bản thân nó mang năng l−ợng. ví dụ: điện áp, dòng điện, sức điện động, công suất + Đại l−ợng đo thông số là đại l−ợng đo các thông số của mạch ví dụ: điện trở, điện dung, điện cảm + Đại l−ợng phụ thuộc vào thời gian ví dụ: tần số, góc pha, chu kỳ + Đại l−ợng không điện. Để đo các đại l−ợng này bằng ph−ơng pháp điện cần biến đổi chúng thành các đại l−ợng điện ví dụ: để đo độ co giãn của vật liệu có thể sử dụng tenzo để chuyển sự thay đổi của hình dạng thành sự thay đổi của điện trở và đo giá trị điện trở này để suy ra sự biến đổi về hình dạng. 2. Điều kiện đo Các thông tin đo l−ờng bao giờ cũng gắn với môi tr−ờng sinh ra đại l−ợng đo. Môi tr−ờng ở đây có thể điều kiện môi tr−ờng tự nhiên và cả môi tr−ờng do con ng−ời tạo ra. BomonKTDT-ĐHGTVT 6 Khi tiến hành phép đo cần tính đến ảnh h−ởng của môi tr−ờng tự nhiên đến kết quả đo và ng−ợc lại. Ví dụ: các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung Khi sử dụng dụng cụ đo phải không làm ảnh h−ởng đến đối t−ợng đo. Ví dụ với phép đo c−ờng độ dòng điện thì cần sử dụng ampe kế có điện trở trong càng nhỏ càng tốt nh−ng khi đo điện áp thì cần dùng vôn kế có điện trở trong càng lớn càng tốt. 3. Đơn vị đo Mỗi một quốc gia có một tập quán sử dụng các đơn vị đo l−ờng khác nhau. Để thống nhất các đơn vị này ng−ời ta thành lập Hệ đơn vị đo l−ờng quốc tế. Ngày 20- 1-1950 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã ký sắc lệnh số 8/SL quy định hệ thống đo l−ờng Việt nam theo hệ SI, và ngày 20/1 hằng năm là ngày Đo L−ờng Việt nam. Theo Pháp lệnh Đo l−ờng ngày 06 tháng 10 năm 1999, đơn vị đo l−ờng hợp pháp là đơn vị đo l−ờng đ−ợc Nhà n−ớc công nhận và cho phép sử dụng. Nhà n−ớc Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam công nhận Hệ đơn vị đo l−ờng quốc tế (viết tắt là SI). Chính phủ quy định đơn vị đo l−ờng hợp pháp phù hợp với Hệ đơn vị đo l−ờng quốc tế. Hệ đơn vị đo l−ờng quốc tế SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản: Đơn vị chiều dài met m Đơn vị khối l−ợng kilogram kg Đơn vị thời gian second s Đơn vị c−ờng độ dòng điện Ampe A Đơn vị nhiệt độ Kelvin K Đơn vị c−ờng độ sáng Candela Cd Đơn vị số l−ợng vật chất mol mol Các đơn vị khác đ−ợc định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản gọi là các đơn vị dẫn xuất. (xem chi tiết trong Nghị định của chính phủ số 65/2001 NĐ-CP về việc Ban hành hệ thống đơn vị đo l−ờng hợp pháp của n−ớc Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam) D−ới đây là một số đơn vị dẫn xuất điện và từ Đơn vị Đại l−ợng Tên Ký hiệu Công suất oát W Điện tích, điện l−ợng culông C Hiệu điện thế, điện thế, điện áp, suất điện động von V Điện dung fara F Điện trở ôm Ω Điện dẫn simen S Độ tự cảm Henry H Thông l−ợng từ (từ thông) vebe Wb Mật độ từ thông, cảm ứng từ tesla T C−ờng độ điện tr−ờng von trên met V/m C−ờng độ từ tr−ờng ampe trên met A/m Năng l−ợng điện electronvon eV Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 7 Ước và bội thập phân của các đơn vị SI Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân yotta Y 1024 zetta Z 1021 exa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hecto h 102 deka da 10 deci d 10-1 centi c 10-2 milli m 10-3 micro μ 10-6 nano n 10-9 pico p 10-12 femto f 10-15 atto a 10-18 zepto z 10-21 yocto y 10-24 4. Thiết bị đo và ph−ơng pháp đo Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho ng−ời quan sát. Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo l−ờng, dụng cụ đo l−ờng, tổ hợp thiết bị đo l−ờng và hệ thống thông tin đo l−ờng. (xem chi tiết ở phần sau) Ph−ơng pháp đo đ−ợc chia làm 2 loại chủ yếu là ph−ơng pháp đo biến đổi thẳng và ph−ơng pháp đo so sánh. (xem chi tiết ở phần sau) 5. Ng−ời quan sát Là ng−ời tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo. Yêu cầu nắm đ−ợc ph−ơng pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo (phải nằm trong chuẩn cho phép để sai số chấp nhận đ−ợc) và biết cách gia công số liệu thu đ−ợc sau khi đo. 6. Kết quả đo Giá trị xác định bằng thực nghiệm đ−ợc gọi là −ớc l−ợng của đại l−ợng đo, giá trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực. Sử dụng các ph−ơng pháp đánh giá sai số để đánh giá kết quả đo. (xem chi tiết ở phần sau) III. Các ph−ơng pháp đo 1. Ph−ơng pháp đo biến đổi thẳng Là ph−ơng pháp đo có cấu trúc kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi. Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng. BomonKTDT-ĐHGTVT 8 BĐ là bộ biến đổi; SS là bộ so sánh; A/D là bộ chuyển đổi t−ơng tự / số; CT là cơ cấu chỉ thị. Đại l−ợng cần đo X đ−ợc đ−a qua các khâu biến đổi và thành con số Nx. Đơn vị đo Xo cũng đ−ợc biến đổi thành No sau đó so sánh giữa đại l−ợng cần đo với đơn vị đo qua bộ so sánh. Kết quả đo đ−ợc thể hiện bởi phép chia Nx/No Kết qủa đo: Xo No NxX .= 2. Ph−ơng pháp đo kiểu so sánh Ph−ơng pháp này có sử dụng khâu hồi tiếp Trong đó: SS là bộ so sánh; BĐ là bộ biến đổi; A/D là bộ chuyển đổi t−ơng tự / số; D/A là bộ chuyển đổi số / t−ơng tự; CT là cơ cấu chỉ thị. Tín hiệu X đ−ợc đem so sánh với một tín hiệu Xk tỉ lệ với đại l−ợng mẫu Xo. Khi đó qua bộ so sánh ta có ΔX = X – Xk Có hai cách so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng. a. So sánh cân bằng Phép so sánh đ−ợc thực hiện sao cho ΔX = 0 và khi đó: X = Xk = Nk.Xo Nh− vậy đại l−ợng mẫu Xk chính là một đại l−ợng thay đổi bám theo X sao cho khi X thay đổi luôn đ−ợc kết quả nh− trên. Phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng (đôi khi ng−ời ta còn gọi ph−ơng pháp này là ph−ơng pháp cân). Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của Xk và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (th−ờng là thiết bị chỉ thị 0) Các dụng cụ đo theo ph−ơng pháp so sánh cân bằng th−ờng là các cầu đo và điện thế kế cân bằng. b. So sánh không cân bằng Nếu Xk là đại l−ợng không đổi, khi đó ta có: X = Xk + ΔX Nghĩa là kết qủa đo đ−ợc đánh giá thông qua ΔX với Xk là đại l−ợng mẫu đã biết tr−ớc. Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng để đo các đại l−ợng không điện nh− nhiệt độ, áp suất . c. So sánh không đồng thời SS BĐ A/D CT D/A X Nk Xk BĐ A/D SS X Xo X Xo Nx No Nx/No CT Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 9 Với ph−ơng pháp này, đại l−ợng X và Xk không đ−ợc đ−a vào thiết bị cùng một lúc. Xk đ−ợc đ−a vào tr−ớc để xác định giá trị trên thang khắc độ, sau đó thông qua thang độ xác định đại l−ợng đo. ví dụ: các thiết bị đánh giá trực tiếp nh− ampe kế, vôn kế . chỉ thị kim d. So sánh đồng thời Là ph−ơng pháp so sánh cùng một lúc đại l−ợng cần đo X và đại l−ợng mẫu Xk. Khi X và Xk trùng nhau thì thông qua Xk sẽ xác định đ−ợc giá trị của X. 3. Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo 1) Thao tác tạo mẫu: là quá trình lập đơn vị tạo ra mẫu biến đổi hoặc khắc trên thang đo của thiết bị đo. 2) Thao tác biến đổi: là quá trình biến đổi đại l−ợng đo (hay đại l−ợng mẫu) thành những đại l−ợng khác tiện cho việc đo hay xử lý, thực hiện các thuật toán, tạo ra các mạch đo và gia công kết quả đo 3) Thao tác so sánh: là quá trình so sánh đại l−ợng đo với mẫu hay giữa con số tỉ lệ với đại l−ợng đo và con số tỉ lệ với mẫu. 4) Thao tác thể hiện kết quả đo: là quá trình chỉ thị kết quả đo d−ới dạng t−ơng tự hoặc con số, có thể ghi lại kết qủa đo trên giấy hay bộ nhớ. 5) Thao tác gia công kết quả đo: là quá trình xử lý kết qủa đo bằng tay hoặc máy tính. IV. Phân loại thiết bị đo Thiết bị đo là sự thể hiện ph−ơng pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể. Thiết bị đo gồm các loại sau: 1. Mẫu Là thiết bị để khôi phục một đại l−ợng vật lý nhất định. Những dụng cụ mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tuỳ theo từng cấp chính xác và từng loại thiết bị. Mẫu đ−ợc sử dụng để chuẩn hoá lại các dụng cụ đo l−ờng. * Chuẩn hoá thiết bị đo l−ờng: Yêu cầu chuẩn hoá thiết bị đo l−ờng là rất quan trọng và cần thiết vì mỗi quốc gia có tập quán sử dụng các đơn vị đo l−ờng riêng và có rất nhiều công ty sản xuất các thiết bị đo l−ờng. Hơn nữa, việc sử dụng các đơn vị đo l−ờng khác nhau, kiểu mẫu khác nhau sẽ đem lại những bất tiện không thể tránh khỏi cho ng−ời dùng. Ngoài ra, vì mục đích sử dụng của các thiết bị đo l−ờng rất khác nhau nên ngoài việc quy −ớc sử dụng một hệ thống quốc tế chung (hệ SI) thì độ chính xác của các thiết bị cũng đ−ợc quy định một cách chặt chẽ. Nếu lấy tiêu chí là độ chính xác thì thiết bị đo l−ờng đ−ợc chia làm 4 cấp: + Cấp 1- chuẩn quốc tế (International standard), các thiết bị đo chuẩn quốc tế đ−ợc đặt tại trung tâm đo l−ờng quốc tế- tại PARIS -Pháp + Cấp 2- chuẩn quốc gia (National standard) là chuẩn đo l−ờng có độ chính xác cao nhất của quốc gia đ−ợc dùng làm gốc để xác định giá trị các chuẩn còn lại của lĩnh vực đo l−ờng. Chuẩn quốc gia đ−ợc đặt tại các viện đo l−ờng quốc gia, chúng đ−ợc chuẩn hoá định kỳ theo chuẩn quốc tế hoặc qua các chuẩn quốc gia của n−ớc ngoài. + Cấp 3- chuẩn khu vực (Zone standard) là chuẩn cho các trung tâm khu vực, nó tuân theo chuẩn quốc gia. + Cấp 4- chuẩn phòng thí nghiệm (Lab-standard) đây là cấp chuẩn để chuẩn hoá các thiết bị đo l−ờng dùng cho sản xuất công nghiệp, nó tuân theo cấp nào thì sẽ mang chuẩn cấp đó (cấp 2,3) BomonKTDT-ĐHGTVT 10 Cấp chính xác của thiết bị đo Các thiết bị đo l−ờng trên thị tr−ờng là các thiết bị đã đ−ợc kiểm nghiệm chất l−ợng theo các cấp nh− trên, kết quả kiệm nghiệm sẽ xác định đ−ợc cấp chính xác. Chúng th−ờng đ−ợc ghi trên vỏ máy, cataloge giới thiệu sản phẩm, hoặc tra trong sổ tay kỹ thuật, thông th−ờng chỉ những tr−ờng hợp đặc biệt ta mới quan tâm tới thông số này. Tại Trung tâm đo l−ờng Nhà n−ớc Việt Nam có đại l−ợng chuẩn: 1. Độ dài 2. Góc 3. Khối l−ợng 4. Khối l−ợng riêng 5. Dung tích 6. Độ nhớt 7. pH 8. Lực 9. Độ cứng 10. áp suất 11. Điện áp DC 12. Dòng DC 13. Điện trở 14. Điện dung 15. Điện cảm 16. Công suất 17. Điện năng 18. Điện áp cao tần 19. Công suất cao tần 20. Mức 21. Độ suy giảm 22. Thời gian 23. Tần số 24. Nhiệt độ Tại Cục Tiêu chuẩn - Đo l−ờng - Chất l−ợng Bộ Quốc Phòng có 2 đại l−ợng chuẩn: 1. C−ờng độ sáng 2. Quang thông. Tại Viện năng l−ợng nguyên tử Việt Nam có 2 đại l−ợng chuẩn: 1. Hoạt độ phóng xạ 2. Liều l−ợng phóng xạ. Cơ quan quản lý Nhà n−ớc về đo l−ờng các cấp có trách nghiệm tổ chức xây dựng các cấp có trách nhiệm tổ chức xây dựng các cơ sở có đủ điều kiện thực hiện việc kiểm định, ta đã có các đơn vị kiểm định từ Trung −ơng đến địa ph−ơng bao gồm các cơ sở kiểm định thuộc các cơ quan quản lý nhà n−ớc về đo l−ờng và các cơ sở đ−ợc uỷ quyền kiểm định. Trung tâm đo l−ờng nhà n−ớc và các trung tâm tiêu chuẩn kỹ thuật đo l−ờng chất l−ợng ba miền Bắc, Trung, Nam thực hiện việc kiểm định đối với chuẩn đo l−ờng, những ph−ơng tiện đó có yêu cầu kỹ thuật cao nhất. Các cơ sở kiểm định thuộc Chi cục Tiêu chuẩn, Đo l−ờng, Chất l−ợng tỉnh, thành phố thực hiện việc kiểm định đối với những ph−ơng tiện thông dụng, phổ biến đ−ợc sử dụng với số l−ợng lớn gắn với đời sống nhân dân. Cơ sở pháp lý là các văn bản: Pháp lệnh đo l−ờng số 16/1999/PL - UBTVQH 10, nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP Ban hành hệ thống đơn vị đo l−ờng hợp pháp của Việt Nam, các thông t− h−ớng dẫn các vấn đề cụ thể về quy chế và quy trình kiểm định ph−ơng tiện đo, duyệt mẫu, công nhận khả năng và uỷ quyền kiểm định... 2. Thiết bị đo l−ờng điện Là thiết bị đo l−ờng bằng điện để gia công các thông tin đo l−ờng, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại l−ợng vật lý cần đo. Dựa vào cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị ng−ời ta phân dụng cụ đo điện thành 2 loại là: * Dụng cụ đo t−ơng tự: là dụng cụ đo mà giá trị của kết qủa đo thu đ−ợc là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại l−ợng đo. Dụng cụ đo chỉ thị kim và dụng cụ đo kiểu tự ghi (có thể ghi trên giấy, màn hình, băng đĩa từ ) là hai loại dụng cụ đo t−ơng tự. * Dụng cụ đo số: là dụng cụ đo mà kết qủa đo đ−ợc thể hiện bằng con số 3. Chuyển đổi đo l−ờng Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 11 Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo l−ờng để tiện cho việc biến đổi, đo, gia công và l−u giữ kết quả Có hai loại chuyển đổi đo l−ờng là: * Chuyển đổi từ đại l−ợng không điện thành đại l−ợng điện * Chuyển đổi từ đại l−ợng điện thành đại l−ợng điện khác 4. Hệ thống thông tin đo l−ờng Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ trợ để tự động thu thập kết qủa từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo l−ờng để phục vụ việc đo và điều khiển. Có thể phân thành nhiều nhóm nh− sau: * Hệ thống đo l−ờng: đo và ghi lại kết quả đo * Hệ thống kiểm tra tự động: kiểm tra đại l−ợng đo * Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật * Hệ thống nhận dạng: kết hợp giữa việc đo và kiểm tra để phân loại * Tổ hợp đo l−ờng tính toán V. Định giá sai số trong đo l−ờng 1. Nguyên nhân và phân loại sai số a. Nguyên nhân gây sai số Đo l−ờng là một ph−ơng pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu đ−ợc những tin tức về đặc tính số l−ợng của một quá trình cần nghiên cứu. Nó đ−ợc thực hiện bằng cách so sánh một đại l−ợng cần đo với đại l−ợng đo tiêu chuẩn. Kết quả đo có thể biểu thị bằng số hay biểu đồ. Tuy nhiên, kết qủa đo đ−ợc chỉ là một trị số gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số. Vấn đề là cần đánh giá đ−ợc độ chính xác của phép đo. Khi tính toán sai số cần tính tới tr−ờng hợp các sai số kết hợp với nhau theo h−ớng bất lợi nhất với các nguyên nhân: * Nguyên nhân chủ quan: do lựa chọn ph−ơng pháp đo và dụng cụ đo không hợp lý, trình độ của ng−ời sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo * Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoàn hảo, đại l−ợng đo bị can nhiễu do môi tr−ờng bên ngoài nh− nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất b. Phân loại sai số * Phân loại theo nguyên nhân gây ra sai số: + Sai số chủ quan + Sai số khách quan * Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số: + Sai số hệ thống là do những yếu tố th−ờng xuyên hay các yếu tố có quy luật tác động. Nó khiến cho kết quả đo có sai số của lần đo nào cũng nh− nhau, nghĩa là kết quả của các lần đo đều lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực của đại l−ợng đo. Nhóm các sai số hệ thống th−ờng do các nguyên nhân sau: . Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo . Do ph−ơng pháp đo, cách xử lý kết quả đo hoặc bỏ qua các yếu tố ảnh h−ởng. . Do khí hậu + Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất th−ờng, không có quy luật tác động. Do vậy, sai số hệ thống có thể xử lý đ−ợc nhờ lấy lại chuẩn nh−ng sai số ngẫu nhiên không thể xử lý đ−ợc vì không biết quy luật tác động. * Phân loại theo biểu thức + Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa 2 trị số tuyệt đối của giá trị đo đ−ợc và giá trị thực của đại l−ợng cần đo. BomonKTDT-ĐHGTVT 12 XaX −=Δ * với a là giá trị đo đ−ợc và X là giá trị thực vì ch−a biết X nên thông th−ờng ng−ời ta lấy max* XX Δ=Δ của một loạt các phép đo. + Sai số t−ơng đối là tỷ số của sai số tuyệt đối và trị số thực của đại l−ợng đo. Sai số t−ơng đối biểu thị đầy đủ hơn sai số tuyệt đối. %100. X XX Δ=δ sai số t−ơng đối chân thực %100. a XX Δ=δ sai số t−ơng đối danh định Cấp chính xác của dụng cụ đo: là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Ng−ời ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số t−ơng đối quy đổi của dụng cụ đo và đ−ợc nhà n−ớc quy định cụ thể. (đôi khi ng−ời ta còn gọi đây là sai số t−ơng đối chiết hợp, nó đ−ợc ghi trực tiếp lên mặt dụng cụ đo). %100. Xm Xm% Δ=xγ XmΔ là sai số tuyệt đối cực đại Xm là giá trị lớn nhất của thang đo (giới hạn cực đại của l−ợng trình thang đo) 3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số Để đánh giá kết quả phép đo ta cần xét giới hạn và định l−ợng đ−ợc sai số ngẫu nhiên. Nếu ta xét kết quả của các lần đo riêng biệt, sau khi loại bỏ sai số hệ thống thì nó hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên. Muốn đánh giá sai số ngẫu nhiên ta phải tìm đ−ợc quy luật phân bố sai số ngẫu nhiên thông qua lý thuyết xác suất thống kê. Để loại bỏ sai số hệ thống thì các lần đo phải tiến hành với cùng một độ chính xác nh− nhau (cùng một máy đo, cùng một điều kiện đo, cùng một ph−ơng pháp đo ). Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số Giả sử đo đại l−ợng X n lần với các sai số lần luợt là x1, x2, xn Sắp xếp các sai số theo độ lớn thành từng nhóm riêng biệt n1, n2 nm ví dụ: có n1 sai số nằm trong khoảng 0 – 0,01 có n2 sai số nằm trong khoảng 0,01 – 0,02 có n3 sai số nằm trong khoảng 0,02 – 0,03 . Lập tỉ số: n n n n 2 2 1 1 = = ν ν . gọi là tần suất các lần đo có sai số ngẫu nhiên nằm trong khoảng t−ơng ứng. Biểu đồ phân bố tần suất nh− hình bên x Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 13 Diện tích các hình chữ nhật biểu thị xác suất xuất hiện các sai số ngẫu nhiên ở những khoảng t−ơng ứng trên trục hoành. Khi thực hiện phép đo nhiều lần, n tiến tới vô cùng, theo quy luật tiêu chuẩn của lý thuyết xác suất biểu đồ trên sẽ tiến đến một đ−ờng cong trung bình p(x) gọi là hàm phân bố tiêu chuẩn sai số. ∞→ = n xxp )(lim)( ν Hàm p(x) còn đ−ợc gọi là hàm Gausse với công thức sau: p(x) = 22 . xheh −π với h là tham số về độ chính xác Nhận xét: + Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số có dạng hình chuông đối xứng qua trục tung, h càng lớn đ−ờng cong càng cao và càng hẹp, tức là độ chính xác càng cao. + Xác suất xuất hiện các sai số có giá trị bé lớn hơn xác suất xuất hiện các sai số có giá trị lớn + Xác suất xuất hiện không phụ thuộc vào dấu, tức là các sai số có giá trị tuyệt đối nh− nhau sẽ có xác suất xuất hiện nh− nhau. + Khi biết p(x) thì có thể xác định đ−ợc xác suất xuất hiện sai số trong một khoảng bất kỳ nh− sau: dxe hdxxpxxxp x x xh x x ∫∫ −==≤≤ 2 1 2 1 22 )()21( π (đây chính là diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong p(x) và 2 đ−ờng x1, x2) dxehdxxpxxp x xh x ∫∫ −==≤ 1 0 1 0 222)(2)1( π )1(1)1( xxpxxp ≤−=≥ x p(x) h1 h2 h3 h1 > h2 > h3 BomonKTDT-ĐHGTVT 14 4. Sai số trung bình bình ph−ơng và sai số trung bình a. Sai số trung bình bình ph−ơng σ n x n i i∑ == 1 2 σ với xi là sai số của phép đo thứ i khi đó p(x) = 2 2 2. 2 1 σ σπ x e − h biểu thị độ cao của đồ thị còn σ biểu thị độ rộng của đồ thị %7,99)3,3( %95)2,2( %3,68),( ≈− ≈− ≈− σσ σσ σσ p p p b. Sai số trung bình d d là trị số trung bình cộng của tất cả các trị số tuyệt đối của các sai số của phép đo. σππ 211 === ∑ = hn x d n i i 5. Sự kết hợp của các sai số ở những phép đo có sử dụng nhiều dụng cụ đo hay nhiều phép đo thì các sai số hệ thống có xu h−ớng tích tụ lại, khi đó sai số của toàn bộ hệ thống th−ờng lớn hơn bất kỳ sai số của phép đo đơn lẻ nào. Khi tính toán cần giả định rằng sai số kết hợp với nhau theo h−ớng bất lợi nhất. a. Sai số của tổng các đại l−ợng )()V( )()( 2121 2211 VVV VVVVE Δ+Δ±+= Δ±+Δ±= b. Sai số của hiệu các đại l−ợng )()V( )()( 2121 2211 VVV VVVVE Δ+Δ±−= Δ±−Δ±= ví dụ: E1 = 100V ± 2V = 100V ± 2% E2 = 80V ± 4V = 80V ± 5% E1 + E2 = 180V ± 6V = 180V ± 3,3% x p(x) Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 15 E1 – E2 = 20V ± 6V = 20V ± 30% từ đó ta thấy sai số % trong hiệu của các đại l−ợng rất lớn nên cần tránh các phép đo có bao hàm phép hiệu của các đại l−ợng. c. Tích của hai đại l−ợng )..(. .... ))(( 122121 21122121 2211 VVVVVV VVVVVVVV VVVVE Δ+Δ±≈ ΔΔ±Δ±Δ±= Δ±Δ±= %100).(%100)...( 2 2 1 1 21 1221 V V V V VV VVVVE Δ±Δ±=Δ+Δ±=δ Nhận xét: sai số t−ơng đối của tích hai đại l−ợng bằng tổng sai số t−ơng đối của từng thành phần. Tr−ờng hợp riêng, khi nâng lên luỹ thừa EE δαδ α .)( = d. Th−ơng của hai đại l−ợng )( 21 2 1 22 11 VVE V V VV VVE δδδ +±= ≈Δ± Δ±= Ví dụ minh hoạ: 1. Một điện trở có giá trị trong khoảng 1,14kΩ – 1,26kΩ Tính sai số của điện trở này Biết R = 1,2kΩ tại 250C, tính giá trị lớn nhất tại 750C, hệ số nhiệt là 500ppm/0C %52,106,02,1 06,0 ±Ω=±=→ Ω=Δ kR kR Khi nhiệt độ tăng 10C R tăng một l−ợng: Ω= 63,0 10 500.10.26,1 6 3 Vậy giá trị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10-3 = 1,2915kΩ 2. Một nguồn 12V đ−ợc mắc với một điện trở 470Ω ± 10%. Điện áp của nguồn đ−ợc đo bằng một vôn kế có khoảng đo 25V và độ chính xác là 3%. Tính công suất của điện trở và sai số của phép đo Ta có: R UP 2 = Vì Vôn kế có độ chính xác là 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối lớn nhất gặp phải là UΔ đ−ợc tính bằng: %5,22%10%5,12)( %5,12%25,6.2)( %25,61275,012 75,0%3.25 2 2 =+=→ ==→ ±=±=→ ±==Δ R U U VVVU VVU δ δ BomonKTDT-ĐHGTVT 16 Vậy: %5,22 470 122 ±=P 3. Một Vôn kế có thang đo 30V và độ chính xác 4%, ampe kế có thang đo 100mA và độ chính xác 1% đ−ợc sử dụng để đo điện áp và dòng điện qua điện trở R. Kết quả đo là 25V và 90mA. Hãy tính giá trị R và Pmin và Pmax WWWIUP mAmAmAImAmAI VVVUVVU 13,025,2%9,525,2)%1,18,4(09,0.25. %9,578,277)%1,18,4( 09,0 25 I U R %1,1901901%1.100 %8,4252,1252,1%4.30 ±=±=+±==→ ±Ω=+±==→ ±=±=⇒==Δ ±=±=⇒==Δ Vậy: )059,01.(25,238,213,025,2max )059,01.(25,212,213,025,2min +==+= −==−= WP WP Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 17 Ch−ơng 2: Cấu trúc vμ Các phần tử chức năng của thiết bị đo I. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo 1. Sơ đồ khối của thiết bị đo + CĐSC - Chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại l−ợng đo thành tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo. + MĐ - Mạch đo: là khâu gia công tính toán sau CĐSC, nó làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện phép tính trên sơ đồ mạch. Đó có thể là mạch điện tử thông th−ờng hoặc bộ vi xử lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo + CT - Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị kết quả đo d−ới dạng con số so với đơn vị đo. Có 3 cách hiển thị kết quả đo: . Chỉ thị bằng kim trên vạch chia độ . Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (màn hình, giấy từ, băng đĩa từ ) . Chỉ thị bằng số 2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng Dụng cụ đo sử dụng ph−ơng pháp đo biến đổi thẳng có cấu trúc nh− sau: CĐ: bộ chuyển đổi CT: cơ cấu chỉ thị X: đại l−ợng cần đo Yi: đại l−ợng trung gian (cho tiện quan sát và chỉ thị) 3. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh Dụng cụ đo theo ph−ơng pháp so sánh có sơ đồ cấu trúc nh− sau: CĐ: bộ chuyển đổi CĐN: bộ chuyển đổi ng−ợc CT: cơ cấu chỉ thị SS: bộ so sánh XΔ = X – Xk CĐSC MĐ CT CĐ1 CĐ2 CĐn CT X Y1 Y2 Yn CĐ1 SS CĐ1 CĐn CT X Y1 Yn CĐN1CĐNm Xk BomonKTDT-ĐHGTVT 18 Chú ý: + Nếu quá trình hồi tiếp đ−ợc đ−a về bộ so sánh liên tục tới khi XΔ = 0 thì dụng cụ đo gọi là dụng cụ đo so sánh cân bằng. + Nếu qúa trình hồi tiếp đ−a Xk về so sánh và cho XΔ 0≠ thì dụng cụ đo gọi là dụng cụ đo so sánh không cân bằng. II. Các cơ cấu chỉ thị Đây là khâu hiển thị kết quả đo d−ới dạng con số so với đơn vị của đại l−ợng cần đo. Có 3 kiểu chỉ thị cơ bản là chỉ thị bằng kim chỉ (còn gọi là cơ cấu đo độ lệch hay cơ cấu cơ điện); chỉ thị kiểu tự ghi (ghi trên giấy, băng đĩa từ, màn hình ...) và chỉ thị số. D−ới đây ta sẽ xem xét những cơ cấu điển hình nhất cho mỗi kiểu thị trên. 1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện Với loại chỉ thị cơ điện, tín hiệu vào là dòng điện hoặc điện áp, còn tín hiệu ra là góc quay của phần động (có gắn kim chỉ). Những dụng cụ này là loại dụng cụ đo biến đổi thẳng. Đại l−ợng cần đo nh− dòng điện, điện áp, điện trở, tần số hay góc pha ... đ−ợc biến đổi thành góc quay của phần động, nghĩa là biến đổi năng l−ợng điện từ thành năng l−ợng cơ học: )(XF=α với X là đại l−ợng điện, α là góc quay (hay góc lệch) Nguyên tắc làm việc của các chỉ thị cơ điện: Chỉ thị cơ điện bao giờ cũng gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động. Khi cho dòng điện vào cơ cấu, do tác động của từ tr−ờng giữa phần động và phần tĩnh mà một mômen quay xuất hiện làm quay phần động. Momen quay này có độ lớn tỉ lệ với độ lớn dòng điện đ−a vào cơ cấu: αd dWeMq = với We là năng l−ợng từ tr−ờng và α là góc quay của phần động Nếu gắn một lò xo cản (hoặc một cơ cấu cản) với trục quay của phần động thì khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại và sinh ra một momen cản, momen này tỉ lệ với góc lệch α và đ−ợc biểu diễn qua biểu thức: Mc = D.α với D là hệ số momen cản riêng của lò xo, nó phụ thuộc vào vật liệu, hình dáng và kích th−ớc của lò xo. Chiều tác động lên phần động của hai momen kể trên ng−ợc chiều nhau nên khi momen cản bằng momen quay phần động sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng. Khi đó: αααα d dWeDMqMc .. D 1 d dWe =⇒=⇒= Ph−ơng trình trên đ−ợc gọi là ph−ơng trình đặc tính của thang đo, từ ph−ơng trình này ta biết đ−ợc đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị. Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 19 Những bộ phận chính của cơ cấu chỉ thị cơ điện + Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục nh− khung dây, kim chỉ, lò xo cản ... Trục th−ờng đ−ợc làm bằng loại thép cứng pha irini hặc osimi, còn trụ đỡ làm bằng đá cứng. + Lò xo phản kháng hay lò xo cản là chi tiết thực hiện nhiệm vụ là tạo ra momen...ản xuất d−ới dạng IC theo công nghệ CMOS. Ví dụ: MC 14433 – bộ biến đổi A/D 3 2 1 bit của Motorolar; A/D 3 2 1 bit 7106 b. Các bộ biến đổi D/A Có 2 ph−ơng pháp cơ bản để biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu t−ơng tự nh− sau: + Ph−ơng pháp lấy tổng các dòng trọng số + Ph−ơng pháp dùng khoá đổi chiều Chuyển đổi ADC, xem thêm ở bài giảng Kỹ thuật Mạch Điện rử Ví dụ: A/D 8 bit 7520, 7527; A/D 10bit 7533; A/D 12bit 7541 III. Chuyển đổi đo l−ờng sơ cấp 1. Khái niệm chung a. Định nghĩa + Chuyển đổi đo l−ờng: là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa 2 đại l−ợng vật lý với một độ chính xác nhất định. Nghĩa là chuyển đổi đo l−ờng làm nhiệm vụ biến đổi từ đại l−ợng vật lý này sang đại l−ợng vật lý khác. Mối quan hệ có thể là tuyến tính hay phi tuyến. Khi quan hệ này là hàm phi tuyến ng−ời ta sử dụng mạch tạo hàm để tuyến tính hoá nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo. + Chuyển đổi sơ cấp: là chuyển đổi thực hiện chuyển từ đại l−ợng không điện thành đại l−ợng điện Y = f (X) Với X là đại l−ợng không điện, và Y là đại l−ợng điện sau chuyển đổi + Sensor / bộ cảm biến / đầu đo là dụng cụ để thực hiện chuyển đổi sơ cấp b. Đặc tính của chuyển đổi sơ cấp + Tính đơn trị + Đặc tuyến chuyển đổi ổn định + Có khả năng thay thế + Thuận tiện trong việc ghép nối với dụng cụ đo và máy tính + Sai số nằm trong khoảng cho phép + Đặc tính động / độ tác động nhanh / trễ nhỏ + Tác động ng−ợc lên đại l−ợng đo + Kích th−ớc và trọng l−ợng của đầu đo c. Phân loại các chuyển đổi sơ cấp Phân loại dựa trên Nguyên tắc của chuyển đổi + Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi trong đó đại l−ợng không điện X biến đổi làm thay đổi điện trở của nó + Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi làm việc dựa trên các quy luật về lực điện. X làm thay đổi các thông số của mạch từ nh− điện cảm L, hỗ cảm M, độ từ thẩm μ và từ thông Φ BomonKTDT-ĐHGTVT 38 + Chuyển đổi tĩnh điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện t−ợng tĩnh điện. X làm thay đổi điện dung C hoặc điện tích Q + Chuyển đổi hoá điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện t−ợng hoá điện. X làm thay đổi điện dẫn Y, điện cảm L, sức điện động + Chuyển đổi nhiệt điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiệu ứng nhiệt điện. X làm thay đổi sức điện động hoặc điện trở + Chuyển đổi điện tử và ion: là chuyển đổi mà X làm thay đổi dòng điện tử hoặc dòng ion chạy qua nó + Chuyển đổi l−ợng tử: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện t−ợng cộng h−ởng từ hạt nhân Phân loại theo tính chất nguồn điện: + Chuyển đổi phát điện hay chuyển đổi tích cực: là chuyển đổi trong đó đại l−ợng ra có thể là điện tích, điện áp, dòng điện hoặc sức điện động + Chuyển đổi thông số hay chuyển đổi thụ động: là chuyển đổi trong đó đại l−ợng ra là các thông số của mạch điện nh− điện trở, điện cảm, hỗ cảm hay điện dung Phân loại theo ph−ơng pháp đo + Chuyển đổi biến đổi trực tiếp là các chuyển đổi trong đó đại l−ợng không điện đ−ợc biến đổi trực tiếp thành đại l−ợng điện + Chuyển đổi bù: đại l−ợng cần đo đ−ợc so sánh với đại l−ợng mẫu. Sơ đồ cấu trúc nh− hình bên: ta có: Xk = βY Y = K.ΔX = K(X – Xk) X K KY YKXKY . .1 ... β β +=⇒ −=⇒ Nếu K rất lớn thì khi đó có thể coi Y X.1β≈ , nghĩa là độ chính xác của phép đo chỉ phụ thuộc vào chuyển đổi ng−ợc. d. Các hiệu ứng đ−ợc ứng dụng trong các cảm biến tích cực + Hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Seebek) Khi 2 thanh kim loại a, b có bản chất hoá học khác nhau đ−ợc hàn với nhau tại một đầu làm việc t1, hai đầu còn lại là 2 đầu tự do có nhiệt độ t0, nếu t1 # t0 thì sẽ xuất hiện sức điện động giữa 2 đầu tự do Eab (t1, t0) = Eab (t1) – Eab (t0) Nếu giữ cho t0 không đổi còn t1 phụ thuộc vào môi tr−ờng đo nhiệt độ thì Eab (t1, t0) = Eab (t1) – C Với C là hằng số C = Eab (t0) K β X ΔX Y Xk Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 39 Hiệu ứng nhiệt điện đ−ợc ứng dụng để chế tạo Vôn kế, Ampe kế và cả Oat kế. + Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể nh− sulfate triglycine gọi là tinh thể hoả điện có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các bề mặt đối diện xuất hiện những điện tích trái dấu có độ lớn tỉ lệ với độ phân cực điện Hiệu ứng hoả điện đ−ợc ứng dụng để đo thông l−ợng của bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hoả điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện. Sự phân cực này có thể xác định đ−ợc bằng cách đo sự biến thiên của điện áp trên 2 cực của tụ điện + Hiệu ứng áp điện (piezo) Khi tác dụng một lực cơ học lên 1 vật làm bằng vật liệu áp điện (nh− thạch anh, muối tualatine ) sẽ gây ra biến dạng cho vật đó và làm xuất hiện l−ợng điện tích trái dấu trên hai mặt đối diện của vật. Hiệu ứng này đ−ợc ứng dụng để xác định lực hoặc các đại l−ợng gây nên lực tác dụng lên vật liệu áp điện (nh− áp suất, gia tốc ) thông qua việc đo điện áp trên 2 bản cực tụ. Hình d−ới đây là ví dụ về mạch đo áp suất nhờ hiệu ứng áp điện + Hiệu ứng cảm ứng điện từ Trong một dây dẫn chuyển động trong từ tr−ờng không đổi sẽ xuất hiện một sức điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn. D−ới đây là hình mô phỏng việc tạo ra sức điện động một chiều khi phần nôí với mạch ngoài là ngắt quãng và sức điện động xoay chiều khi phần nối mạch ngoài là liên tục. Cặp nhiệt a b BomonKTDT-ĐHGTVT 40 Hiện t−ợng xảy ra t−ơng tự khi một khung dây dẫn chịu tác động của từ tr−ờng biến thiên, lúc này trong khung dây sẽ xuất hiện một sức điện động bằng và ng−ợc dấu với sự biến thiên của từ thông. Hiện t−ợng cảm ứng điện từ đ−ợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật. Hiệu ứng cảm ứng từ còn thể hiện trong tr−ờng hợp khi độ cảm ứng từ thay đổi dòng điện trong cuộn dây cũng thay đổi. Đo sự biến thiên dòng này sẽ xác định đ−ợc sự thay đổi của cảm ứng từ. D−ới đây là sơ đồ đơn giản của một cảm biến vị trí. Khi vị trí thay đổi lõi của cuộn dây dịch chuyển và làm cho dòng trên thứ cấp thay đổi. + Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng này có nhiều biểu hiện khác nhau nh−ng đều chung một bản chất: đó là hiện t−ợng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu d−ới tác dụng của bức xạ điện từ có b−ớc sóng nhỏ hơn giá trị ng−ỡng đặc tr−ng cho vật liệu (phụ thuộc vào độ rộng dải cấm của vật liệu). Hiệu ứng quang điện có 3 biểu hiện cụ thể nh− sau: . Hiệu ứng quang điện phát xạ điện tử: là hiện t−ợng khi đ−ợc chiếu sáng các điện tử đ−ợc giải phóng thoát khỏi bề mặt của vật và tạo thành dòng đ−ợc thu lại nhờ điện tr−ờng. . Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: khi một chuyển tiếp P-N đ−ợc chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 41 tử – lỗ trống. Chúng di chuyển về hai phía của chuyển tiếp d−ới tác động của điện tr−ờng. . Hiệu ứng quang điện từ: khi tác dụng một từ tr−ờng B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo h−ớng vuông góc với từ tr−ờng B và với h−ớng bức xạ ánh sáng. + Hiệu ứng Hall Trong vật mỏng (th−ờng làm bằng bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ tr−ờng B có ph−ơng tạo thành góc θ với dòng điện I, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo h−ớng vuông góc với B và I. VH đ−ợc tính theo công thức sau: θsin... BIKV HH = với KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích th−ớc hình học của mẫu Hiệu ứng Hall đ−ợc ứng dụng đo công suất (xem ở phần sau) hoặc xác định vị trí của vật chuyển động. Vật này đ−ợc ghép nối cơ học với một thanh nam châm. Vị trí của nam châm sẽ xác định từ tr−ờng B và θ, nghĩa là VH là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. Cực điện áp Cực dòng điện Cực dòng điện BomonKTDT-ĐHGTVT 42 Ch−ơng 3: Đo dòng điện I. Khái niệm chung Dụng cụ đ−ợc sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet Ký hiệu là: Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có: + Ampe kế từ điện + Ampe kế điện từ + Ampe kế điện động + Ampe kế nhiệt điện + Ampe kế bán dẫn Nếu chia theo loại chỉ thị ta có: + Ampe kế chỉ thị số (Digital) + Ampe kế chỉ thị kim (kiểu t−ơng tự / Analog) Hình bên là hai loại đồng hồ vạn năng số và kim. Nếu chia theo tính chất của đại l−ợng đo, ta có: + Ampe kế một chiều + Ampe kế xoay chiều Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là: . Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý t−ởng là bằng 0. . Làm việc trong một dải tần cho tr−ớc để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo . Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình d−ới) Ch−ơng 3: Đo dòng điện 43 II. Ampe kế một chiều Ampe kế một chiều đ−ợc chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Nh− đã biết, độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nh−ng độ lệch kim đ−ợc tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu dòng rất kém. Thông th−ờng, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10-4 đến 10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20Ω đến 2000Ω với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; và 0,05 Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) ng−ời ta mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị nh− sau: 1−= n R R CTS với CTI In = gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe kế I là dòng cần đo và ICT là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng đ−ợc (độ lệch cực đại của thang đo) Chú ý: Khi đo dòng nhỏ hơn 30A thì điện trở sun nằm ngay trong vỏ của ampe kế còn khi đo dòng lớn hơn thì điện trở sun nh− một phụ kiện kèm theo. Khi ampe kế có nhiều thang đo ng−ời ta mắc sun nh− sau: Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo đ−ợc xác định theo công thức nh− trên nh−ng với n khác nhau. ở hình a) 13 321 12 321 11 321 3 2 1 −=++= − +=+= − ++== n RctRRRR n RRctRRR n RRRctRR S S S với CT CT CT I In I In I In 33 22 11 = = = ở hình b) K Mắc điện trở sun kiểu nối tiếp Mắc điện trở sun kiều song song Ict I Ict I K R4 R3 R2 R1 Rct1 R3R2R1 Rct BomonKTDT-ĐHGTVT 44 14 13 12 11 4 3 2 1 −= −= −= −= n RctR n R R n R R n R R S CT S CT S CT S với Ict In I In I In I In CT CT CT 44 33 22 11 = = = = Chú ý: điện trở sun đ−ợc chế tạo bằng Manganin có độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu đo ít nhất là 1 cấp Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị đ−ợc quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi tr−ờng thay đổi và sau một thời gian làm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo ra nhiệt độ. Để giảm ảnh h−ởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, ng−ời ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ nh− sau: D−ới đây là ví dụ thực tế của một sơ đồ mắc điện trở sun của một dụng cụ đo cả dòng và áp R1, 3: điện trở bằng Mn R2: điện trở bằng Cu I Rs R3 R2 R1 Ch−ơng 3: Đo dòng điện 45 Một số bài tập minh hoạ Ví dụ 1: Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100μA và điện trở cuộn dây RCT = 1kΩ. Tính điện trở sun cần thiết để biến dụng cụ thành 1 ampekế có độ lệch thang đo 100mA và độ lệch thang đo 1A. Bài giải: + Độ lệch thang đo 100mA Ω=== =−=−= =Ω== 001,1 9,99 100 9,99100100 100100.1. S CT S CTS CTCTCT I VR mAAmAIII mVAkIRV μ μ + Độ lệch thang đo 1A Ω=== =−=−= =Ω== 10001,0 9,999 100 9,9991001 100100.1. S CT S CTS CTCTCT I VR mAAAIII mVAkIRV μ μ BomonKTDT-ĐHGTVT 46 Ví dụ 2: Một ampe kế từ điện có dòng điện cực đại chạy qua chỉ thị là 0,1mA; điện trở khung dây chỉ thị RCT = 99Ω. Điện trở sun RS = 1Ω. Xác định dòng đo đ−ợc khi kim của ampe kế ở vị trí: + Lệch toàn thang đo + Lệch 1/2 thang đo + Lệch 1/4 thang đo Bài giải: + Lệch toàn thang đo mAIII A R UI mVVRIU mAI SCT S CT S CTCTCT CT 109,91,0 10.9,9 1 10.9,9 9,910.9,999.10.1,0. 1,0 3 3 33 =+=+= === ==== = − − −− + Lệch 1/2 thang đo mAIII A R UI VRIU mAI SCT S CT S CTCTCT CT 595,4 2 1,0 10.95,4 1 10.95,4 10.95,499.10.05,0. 05,0 2 1,0 3 3 33 =+=+= === === == − − −− + Lệch 1/4 thang đo mVVRIU mAI CTCTCT CT 475,210.475,299.10.025,0. 025,0 4 1,0 33 ==== == −− mAIII A R UI SCT S CT S 5,2475,2 4 1,0 10.475,2 1 10.475,2 33 =+=+= === − − Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05Ω; R2=0,45Ω; R3=4,5Ω mắc nối tiếp. RCT = 1kΩ; ICT = 50μA Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 tr−ờng hợp đó. Bài giải: + Khi khoá K ở vị trí I3 10mAlà kếampecủa do ngkhoả mA R RII RRRR S CTCT S S 10 5 10.10.50. 5321 36 === Ω=++= − + Khi khoá K ở vị trí I2 Ch−ơng 3: Đo dòng điện 47 100mAlà kếampecủa do ngkhoả mA R RII RRR S CTCT S S 100 5,0 )105,4.(10.50. 5,021 36 =+== Ω=+= − + Khi khoá K ở vị trí I1 1Alà kếampecủa do ngkhoả A R RII RR S CTCT S S 1 5 10).5,445,0.(10.50. 05,01 36 =+== Ω== − Ví dụ 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là C=0.1mA; Rct = 100Ω. Tính giá trị Rs để đo đ−ợc các giá trị dòng tối đa là 1A, 2A và 3A Bài giải: Miliampe kế có dòng qua chỉ thị khi kim chỉ mức cực đại (còn gọi là tại độ lệch toàn thang - ĐLTT) là Ict = số vạch x độ chia = 150 x 0.1 = 15 mA + Để đo dòng 1A cần sử dụng Rs1 có giá trị nh− sau: Ω=−=−== − − 52.1 10.151 10.15.100.. 3 3 11 1 IctI IctRct I IctRctR S S + Để đo dòng 2A cần sử dụng Rs2 có giá trị nh− sau: Ω=−=−== − − 76.0 10.152 10.15.100.. 3 3 22 2 IctI IctRct I IctRctR S S + Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh− sau: Ω=−=−== − − 3.0 10.155 10.15.100.. 3 3 33 3 IctI IctRct I IctRctR S S BomonKTDT-ĐHGTVT 48 III. Ampemet xoay chiều Để đo c−ờng độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp ng−ời ta th−ờng sử dụng ampemet từ điện chỉnh l−u, ampemet điện từ, và ampemet điện động. 1. Ampemet chỉnh l−u Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh l−u bằng diode Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là W1 và W2. Khi đó tỉ số dòng thứ cấp trên dòng sơ cấp đ−ợc tính bằng: Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động RL đ−ợc chọn để gánh phần dòng d− thừa giữa I2trb và Ict Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình ph−ơng Irms của sơ đồ mạch chỉnh l−u cầu nh− sau: trbrms P p rms Ptrb II I I I II .11,1 .707,0 2 .637,0 = == = Chú ý: giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nh−ng thang khắc độ th−ờng theo giá trị rms. R1 D2 DIODE D1 DIODE Chỉnh l−u nửa chu kỳ Rct RL Rm T1 10TO1 Chỉnh l−u hai nửa chu kỳ Ch−ơng 3: Đo dòng điện 49 Ví dụ: Một ampe kế chỉnh l−u hai nửa chu kỳ (sơ đồ nh− hình trên) có ĐLTT với dòng sơ cấp là 250mA. Máy đo TĐNCVC có ĐLTT là 1mA; Rct là 1,7kΩ. Biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là 500 và 4 vòng; sụt áp trên diode là 0,7V; Rm là 20kΩ. Xác định RL Bài giải: VkmArmsU mAmAItrbpI VRctRmpIpU pUrmsU rmsI rmsUR D L L 08,25)7,0.27,21.57,1(707,0 57,1 637,0 1 637,0 .2).( .707,0 2 2 22 22 2 =+Ω=⇒ === ++= = = Ω==⇒ =−=⇒ === === −= k mA VR mArmsI mAmAtrbIrmsI mAmArmsI N NrmsI rmsIrmsIrmsI L L ctct ctL 18,28 89,0 08,25 89,011,12 11,11.11,1.11,1 2250. 500 4. 1 2 1 2 2 Chú ý: Nói chung các ampe kế chỉnh l−u có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do hệ số chỉnh l−u thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số. Có thể sử dụng sơ đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho ampe kế chỉnh l−u nh− sau: 2. Ampemet điện động Th−ờng đ−ợc sử dụng để đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 – 2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 – 0,2) Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A ng−ời ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song. C RCu RMnLRMnRCu RCu BomonKTDT-ĐHGTVT 50 L7 L6 L5T410TO1 T510TO1 L2LL1 L3 R3 R4L4 Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt (th−ờng làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau) Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2 nên máy đo chỉ giá trị rms. Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng nh− trị số dòng một chiều t−ơng đ−ơng nên có thể đọc thang đo của dụng cụ nh− dòng một chiều hoặc xoay chiều rms. 3. Ampemet điện từ Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ đ−ợc chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W là một hằng số) Khi đo dòng có giá trị nhỏ ng−ời ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn ng−ời ta mắc các cuộn dây song song. L13 L12 L11 L10 L9L8 4. Ampemet nhiệt điện Là dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện (hay còn gọi là cặp nhiệt ngẫu) gồm 2 thanh kim loại khác loại đ−ợc hàn với nhau tại một đầu gọi là điểm làm việc (nhiệt độ t1), hai đầu kia nối với milivonkế gọi là đầu tự do (nhiệt độ t0). Khi nhiệt độ đầu làm việc t1 khác nhiệt độ đầu tự do t0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra sức điện động 01 .1 0 0 tt kEt −= = θ θ Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì: 22 20 ..2.1 .2 xx x IkIkkEt Ik ==⇒ =θ Nh− vậy kết quả hiển thị trên milivon kế tỉ lệ với dòng cần đo Vật liệu để chế tạo cặp nhiệt điện có thể là sắt – constantan; đồng – constantan; crom – alumen và platin – platin/rodi Ampemet nhiệt điện có sai lớn do tiêu hao công suất, khả năng chịu quá tải kém nh−ng có thể đo ở dải tần rất rộng từ một chiều tới hàng MHz. Thông th−ờng để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, ng−ời ta sử dụng một bộ khuếch đại áp nh− sơ đồ d−ới đây: Ch−ơng 3: Đo dòng điện 51 J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt Chú ý: Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều ng−ời ta cũng làm nh− trên vì khi đó nhiệt độ đo đ−ợc tỉ lệ với dòng qua điện trở nhiệt mà dòng này lại tỉ lệ với áp trên hai đầu điện trở, do vậy cũng xác định đ−ợc giá trị của điện áp thông qua giá trị nhiệt độ. Đây chính là nguyên tắc để chế tạo Vônkế nhiệt điện Cặp nhiệt Đầu nối cách nhiệt BomonKTDT-ĐHGTVT 52 Ch−ơng 4: đo điện áp I. Mở đầu Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter) Ký hiệu là Khi đo điện áp bằng Vôn kế thì Vôn kế luôn đ−ợc mắc song song với đoạn mạch cần đo nh− hình d−ới đây Khi ch−a mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: Rt RngRt EUt .+= Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: RtRv RtRvRtRv Rng EUv +== += .//Re Re. Re Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là: )( .1 111 RngRtRv RngRtUt Uv Ut UvUt u ++ −=−=−=γ Nh− vậy, muốn sai số nhỏ thì yêu cầu Rv phải càng lớn càng tốt và lý tuởng là Rv ≈ ∞ Kết quả đo nếu muốn tính chính xác thì phải sử dụng công thức: UtUv u ).1( γ+= Để đo điện áp của một phần tử nào đó ng−ời ta mắc Vôn kế nh− hình bên: II. Vôn kế một chiều Nguyên tắc hoạt động Độ lệch của dụng cụ đo TĐNCVC tỉ lệ với dòng qua cuộn dây động. Dòng qua cuộn dây tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây nên thang đo của máy đo TĐNCVC có thể đ−ợc chia để chỉ điện áp. Nghĩa là, Vôn kế chỉ là ampe kế dòng rất nhỏ với điện trở rất lớn. Điện áp định mức của chỉ thị vào khoảng 50 – 75mV nên cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (còn gọi là điện trở nhân) với chỉ thị để làm tăng khoảng đo của Vôn kế. Sơ đồ mắc nh− sau: Rt Rng + - E Rv RctRp Uct Ux Ict Ch−ơng 4: Đo điện áp 53 trong đó: Rctm Uct UxRct Uct UctUxRctRp UxRctUctRctRp RctRp Ux Rct UctIct ).1()1(. .).( −=−=−=⇒ =+⇒ +== với Uct Uxm = gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ đ−ợc mắc nh− sau: Sơ đồ mắc nối tiếp: Trong đó: Hoặc sơ đồ mắc song song: )13(3 )12(2 )11(1 −= −= −= mRctR mRctR mRctR với Uct Um Uct Um Uct Um 33 22 11 = = = Ví dụ: Một dụng cụ đo TĐNCVC với ĐLTT là 100μA và Rct = 1kΩ đ−ợc sử dụng để làm Vôn kế. + Xác định điện trở nhân cần thiết nếu muốn đo điện áp 100 V trên toàn thang. + Tính điện áp đặt vào khi kim chỉ 3/4; 1/2 và 1/4 ĐLTT Bài giải: + Để đo điện áp 100V trên toàn thang thì phải sử dụng điện trở Rp có giá trị nh− sau: Rp =Rct. (m - 1) Với 1000 10.10.100 100 . 36 ==== −RctIct U Uct Um Ω=Ω−=⇒ kkRp 9991).11000( + Với ĐLTT Ict = 100μA Rp3Rp2Rp1Rct Uct U1 U2 U3 Uct Um Uct Um Uct Um 33 22 11 = = = )13(321 )12(21 )11(1 −=++ −=+ −= mRctRpRpRp mRctRpRp mRctRp với Rct R1 R2 R3 U1 U2 U3 BomonKTDT-ĐHGTVT 54 3/4 ĐLTT sẽ có VRpRctIctUx 75).(. 4 3 =+= 1/2 ĐLTT sẽ có VRpRctIctUx 50).(. 2 1 =+= 1/4 ĐLTT sẽ có VRpRctIctUx 25).(. 4 1 =+= Nhận xét: thang đo có vạch chia đều (tính chất của cơ cấu từ điện) III. Vôn kế xoay chiều 1. Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều Sử dụng cơ cấu từ điện thì dụng cụ có tính phân cực và phải mắc đúng sao cho độ lệch d−ơng (trên thang đo). Khi dòng xoay chiều có tần số rất thấp chạy qua dụng cụ TĐNCVC thì kim có xu h−ớng chỉ theo giá trị tức thời của dòng xoay chiều. Nh− vậy, khi giá trị dòng tăng theo chiều + thì kim cũng tăng tới giá trị cực đại sau đó giảm tới 0 và xuống bán kỳ âm thì kim sẽ bị lệch ngoài thang đo. Tr−ờng hợp này xảy ra khi tần số của dòng xoay chiều cỡ 0,1Hz hoặc thấp hơn. Khi dòng xoay chiều có tần số công nghiệp (50 / 60Hz) hoặc cao hơn thì cơ cấu làm nhụt và quán tính chuyển động của cơ cấu động (toàn máy đo) không biến đổi theo mức dòng tức thời mà thay vào đó kim của dụng cụ sẽ dừng ở vị trí trung bình của dòng chạy qua cuộn động. Với sóng sin thuần tuý kim lệch sẽ ở vị trí zero mặc dù dòng Irms có thể có giá trị khá lớn và có khả năng gây hỏng dụng cụ. Do đó, để sử dụng dụng cụ TĐNCVC làm thành dụng cụ đo xoay chiều ng−ời ta phải sử dụng các bộ chỉnh l−u (nửa sóng hoặc toàn sóng) để các giá trị của dòng chỉ gây ra độ lệch d−ơng. a. Sơ đồ chỉnh l−u cầu Trong đó đối với sóng đầu vào hình sin thì các giá trị điện áp đ−ợc tính nh− sau: VtrbVrms VpVtrb VpVrms .11,1 .637,0 .707,0 = = = với Vp là giá trị đỉnh, Vrms là giá trị trung bình bình ph−ơng và Vtrb là giá trị trung bình Với các sóng không phải dạng sin thì các công thức sẽ khác vì khi đó phải tính thêm các yếu tố hình dạng. T4 10TO1 Rc Rm Dòng qua chỉ thị có dạng: Vp Vrm Vtrb Ch−ơng 4: Đo điện áp 55 Ví dụ: Một dụng cụ đo TĐNCVC với ĐLTT là 100μA và Rct = 1kΩ đ−ợc dùng nh− một Vôn kế xoay chiều có ĐLTT là 100V bằng cách sử dụng sơ đồ chỉnh l−u cầu diode nh− hình trên. + Xác định giá trị của điện trở nhân cần thiết + Xác định số chỉ của kim khi điện áp vào Vrms là 75V và 50V + Tính độ nhạy của Vôn kế trên Bài giải: + Xác định điện trở nhân điện trở toàn phần của mạch = (điện áp đỉnh đặt vào - độ sụt áp chỉnh l−u)/dòng đỉnh chạy trong mạch ĐLTT của cơ cấu chỉ thị TĐNCVC là 100μA ⇒ Itrb = 100μA ĐLTT của Vôn kế là 100V ⇒ Vrms = 100V Từ đó ta có công thức tính các đại l−ợng liên quan là: Vp = Vrms / 0,707 =100V / 0,707 = 141,44V VD = 0,7V (giả sử mạch cầu sử dụng diode Si) Ip = Itrb / 0.637 = 156,99μA ⇒ Ω=−=−=+ − 36 10.89210.99,156 7,0.244,141.2 Ip VVpRctRm D vì Rct = 1kΩ ⇒ Rm = 892 –1 = 891kΩ + Xác định số chỉ của kim, nghĩa là xác định giá trị dòng trung bình ứng với các điện áp đầu vào là 75V và 50V Khi điện áp đầu vào là 75V ta có: AA RctRm VVpIpItrb VrmsVp D μμ 75 637,0 100. 7,0.2100.2 7,0.275.2.637,0 .2 .637,0.637,0 75.2.2 ≈− −=+ −==⇒ == Khi điện áp đầu vào là 50V ta có: AA RctRm VVpIpItrb VrmsVp D μμ 50 637,0 100. 7,0.2100.2 7,0.250.2.637,0 .2 .637,0.637,0 50.2.2 ≈− −=+ −==⇒ == + Tính độ nhạy của Vôn kế độ nhạy = 1 / giá trị dòng rms trên toàn thang đo = điện trở của Vôn kế / giá trị điện áp rms trên toàn thang đo Vôn kế trên có dòng trb ứng với ĐLTT là 100μA ⇒ Irms = 1,11.Itrb = 1,11.100μA = 111μA ⇒ độ nhạy của Vôn kế là 1 / 111μA = 9.009kΩ/V Có thể tính cách khác nh− sau: Vrms = 100V 610.100.11,1 100 −== Irms VrmsRV độ nhạy = Vk Vrms Rv /9..90 Ω= b. Sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng BomonKTDT-ĐHGTVT 56 Khi đó ta có mối liên hệ giữa các đại l−ợng nh− sau: IpIrms IpItrb . 2 1 .637,0. 2 1 = = Ví dụ : Một dụng cụ TĐNCVC với ĐLTT là 50 Aμ và Rct = 1,7kΩ. D1 phải có dòng thuận minh 100μA khi điện áp cần đo là 20% ĐLTT. Vôn kế chỉ 50V tại toàn thang. + Xác định R1 và R2 + Tính độ nhạy của Vôn kế ở trên khi có D2 và không có D2 Bài giải: + Xác định R2 và R1 ApI IIctApI AItrbpIct D μ μ μ 343157500 500100. %20 %100 157 637,0 50.2 637,0 .2)( 2 2 =−=⇒ +=== === Ω===⇒ ==== −− k I UctR mVRctpIctpUct 77810. 343 9,2662 9,26610.9,26610.7,1.10.157).()( 3 2 336 xét ở bán kỳ d−ơng, D1 thông và D2 ngắt ta có: dòng thuận đỉnh = (điện áp đỉnh – VD – Uct(p)) / R1 Ω=−−=⇒ === − kR VrmsUctpUct 5,139 10.500 2669,07,07,701 7,7050.414.1)(.414,1)( 6 + Tính độ nhạy Khi có D2 ta có: A R VVrmspI ApI D R F μ μ 8,501 10.5,139 7,050.414,1 1 .414,1)( 500)( 3 =−= −= = Nh− vậy, cả hai bán kỳ thì dòng qua dụng cụ xấp xỉ nhau, do đó Dòng qua chỉ thị có dạng: D2 D1 Rct R1 Ch−ơng 4: Đo điện áp 57 Irms = 0,707.500μA = 353,5μA ⇒ độ nhạy = 106/ 353,5 = 2,83kΩ/V Khi không có D2 ta có: ApIIrms pI ApI F R F μ μ 250)(.5,0 0)( 500)( ==⇒ = = ⇒ độ nhạy = 106 / 250 = 4kΩ/V c. Sơ đồ chỉnh l−u nửa cầu toμn sóng Sơ đồ trên chỉ sử dụng 2 diode (nửa cầu) nh−ng cả 2 nủa chu kỳ đều có dòng qua máy đo. Tuy nhiên dòng qua diode khá lớn nên nó phải làm việc ở ngoài điểm uốn, nghĩa là có khả năng bù trừ những chênh lệch có thể xảy ra trong đặc tuyến của diode. Chú ý: để bù sai số do nhiệt và khi tần số thay đổi ng−ời ta mắc thêm vào mạch các điện trở làm bằng đồng hoặc maganin để bù nhiệt kết hợp với cuộn cảm và tụ bù tần số. 2. Vôn kế điện từ Là dụng cụ để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Cuộn dây tĩnh có số vòng dây rất lớn từ 1000 – 6000 vòng. Để mở rộng thang đo ng−ời ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ. Các tụ C đ−ợc mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp. C3C2C1 Rct Rp3Rp2Rp1 Uct U1 U2 U3 Dòng qua chỉ thị có dạng: D1 D2 R1 R2 Rct ~ BomonKTDT-ĐHGTVT 58 3. Vôn kế điện động Cuộn kích đ−ợc chia làm 2 phần nối tiếp nhau và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 tức giá trị tức thời rms. Đặc điểm của Vôn kế điện động + Tác dụng của dòng rms giống nh− trị số dòng một chiều t−ơng đ−ơng nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều + Dụng cụ điện động th−ờng đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho ĐLTT nên Vôn kế điện động có độ nhạy thấp hơn nhiều so với Vôn kế từ điện (chỉ khoảng 10Ω/V) + Để giảm thiểu sai số chỉ nên dùng ở khu vực tần số công nghiệp IV. Đo điện áp bằng ph−ơng pháp so sánh 1. Cơ sở lý thuyết Các dụng cụ đo điện đã trình bày ở trên sử dụng có cấu cơ điện để chỉ thị kết quả đo nên cấp chính xác của dụng cụ không v−ợt quá cấp chính xác của chỉ thị. Để đo điện áp chính xác hơn ng−ời ta dùng ph−ơng pháp bù (so sánh với giá trị mẫu). Nguyên tắc cơ bản nh− sau: + Uk là điện áp mẫu với độ chính xác rất cao đ−ợc tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu Rk. Khi đó: Uk = I.Rk + Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux UkUxU −=Δ Khi 0≠ΔU điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, nghĩa là làm cho 0=ΔU ; chỉ thị chỉ zero. + Kết quả đ−ợc đọc trên điện trở mẫu đã đ−ợc khắc độ theo thứ nguyên điện áp. Chú ý: Các dụng cụ bù điện áp đều có nguyên tắc hoạt động nh− trên nh−ng có thể khác nhau phần tạo điện áp mẫu Uk 2. Điện thế kế kế một chiều Sơ đồ mạch: Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a) + Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U0, Rđc và Ampe kế. + Giữ nguyên giá trị của Ip trong suốt thời gian đo + Điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk cho đến khi chỉ thị chỉ zero A1 A2 B T1 10TO1 Rp Ct zero Uk I U UxRk + - Uk K Ux CT zero NR NE 21 b)a) UkIp Chỉ thị Zero A + + Uo Rdc Rk + - Ux + Uo Rdc Rk A Ch−ơng 4: Đo điện áp 59 + Đọc kết quả trên điện trở mẫu, khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk Trong sơ đồ a, vì sử dụng Ampe kế nên độ chính xác của điện thế kế không thể cao hơn độ chính xác của Ampe kế. Ng−ời ta cải tiến mạch bằng cách sử dụng nguồn pin mẫu (EN) và điện trở mẫu (Rk) có độ chính xác cao nh− ở hình b. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ b) + Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh Rđc để chỉ thị chỉ zero. Khi đó: N N R EIp = + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con tr−ợt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero. Khi đó: Rk R ERkIpUkUx N N .. === Chú ý: trên thực tế, ng−ời ta th−ờng sử dụng điện thế kế một chiều tự động cân bằng (để đo sức điện động của các cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ) Sơ đồ mạch của điện thế kế một chiều tự động cân bằng: Trong đó: RN , EN là điện trở và nguồn điện mẫu có độ chính xác cao U0 là nguồn điện áp ổn định Động cơ thuận nghịch hai chiều để điều chỉnh con chạy của Rp và Rđc Bộ điều chế làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều (ΔU) thành điện áp xoay chiều để điều khiển động cơ Hoạt động: + Tr−ớc khi đo, khoá K đ−ợc đặt ở vị trí KT (kiểm tra) khi đó dòng I2 qua điện trở mẫu RN và NN RIEU .2−=Δ + ENRdc RN R3 R2 R1 + Uo Role KĐ ~ M Đầu nối + + + + Ex Uk NS điện Bộ điều chế Thang đo KTĐO K I1 I2 role BAA B Rp C D BomonKTDT-ĐHGTVT 60 UΔ qua bộ điều chế để chuyển thành tín hiệu xoay chiều (role đ−ợc điều khiển bởi nam châm điện nên có tần số đóng / cắt phụ thuộc vào dòng chạy trong nam châm điện). Tín hiệu xoay chiều này th−ờng có giá trị rất nhỏ nên phải qua bộ khuếch đại để tăng tới giá trị đủ lớn có thể điều khiển động cơ thuận nghịch hai chiều. Động cơ này quay và kéo con chạy của Rđc để là...uyên tắc làm việc: Dựa trên các hiệu ứng nhiệt độ. Có một số vật liệu (Cu,Ni) khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của nó cũng thay đổi theo, từ đó ng−ời ta chế tạo ra các nhiệt điện trở. RT = R0(1 + αt) R0 là điện trở của dây ở 00c; α là hệ số nhiệt độ: Đồng là 4,3.10-3 1/ 0C Niken là 5.10-3 1/ 0C Nhiệt điện trở chia làm 2 loại: Nhiệt điện trở không đốt nóng: Dòng điện đi qua nó rất nhỏ, để đo nhiệt độ -500C ữ 1500C. Nhiệt điện trở đốt nóng: Dòng đi qua nó rất lớn làm cho nhiệt điện trở lớn lên từ vài chục đến vài trăm độ. Các nhiệt điện trở bán dẫn làm bằng các chất bán dẫn CuO, CoO, MnO... +Cấu tạo: Đ−ợc chế tạo từ một số oxit kim loại khác nhau nh− CuO, CoO, MnO... nh− hình vẽ trang bên. + Nguyên tắc làm việc: Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nó RT = Ae β/T A là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích th−ớc hình dáng của nhiệt điện trở, β là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn T là nhiệt độ tuyệt đối, sức điện động là cơ số logarit tự nhiên. Hệ số nhiệt α của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị từ 0,02 ữ 0,08 [1/0C] lớn gấp 8 ữ 10 lần kim loại và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Điện trở suất lớn do đó kích th−ớc của nó rất nhỏ. ống xuyến cách điện Hộp đầu ra Vỏ bảo vệ Dây nhiệt điện trở Cấu tạo của nhiệt điện trở dây BomonKTDT-ĐHGTVT 116 + Mạch đo: thông th−ờng hay dùng mạch cầu không cân bằng chỉ có chỉ thị là logôm mét (hình trang bên) + ứng dụng: Đo nhiệt độ Đo các đại l−ợng không điện nh− đo di chuyển, đo áp suất. Dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí. dẫn chứng đo dịch chuyển: Ví dụ đo dịch chuyển: 1. Tấm chắn. 2. Màng rung. 3. Bộ rung điện từ. R1, R2 là các nhiệt điện trở. Cấu tạo của một số cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn c) 2,5 Φ5 Φ1 9 20 ,5 Φ6 3 4 1 2 3 a) 1 1, 2 1,4 3 3 b) 1 2 4 3 d) 1.Dây dặt trong ống sứ. 2.Vỏ bảo vệ. 3.Đầu ra. 4.Giá đỡ. XV R2 Uxc R1 2 1 Ch−ơng 9: Đo l−ờng các đại l−ợng không điện 117 + Nguyên tắc đo: Khi ch−a có di chuyển XV thì lá chắn ở giữa, hai khe hở thổi vào hai cảm biến là nh− nhau. Khi có XV tác động, lá chắn di chuyển hai lá chắn là khác nhau, l−ợng gió thổi vào hai cảm biến là khác nhau → hai điện trở có giá trị khác, gắp 2 điện trở này vào 2 nhánh cầu để chỉ thị. 7. Cảm biến quang + Cấu tạo: Các cảm biến quang đ−ợc sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện Phần cảm biến quang ta đã xem xét kỹ l−ỡng ở phần Cầu kiện Điện tử, ở đây không xét lại + ứng dụng: Trong thực tế, các tế bào quang dẫn th−ờng đ−ợc ứng dụng trong hai tr−ờng hợp: - Phát hiện tín hiệu quang. - Tế bào quang dẫn có thể đ−ợc sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đ−ợc phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang đến sẽ đ−ợc thể hiện trên xung điện. Ng−ời ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm hoặc đo tốc độ quay của đĩa. - Đo nhiệt độ - Xác định vị trí - Đo vận tốc .... Sau đây là 2 ví dụ Ví dụ 1: Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ Hình d−ới là sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. Đĩa mã hoá gắn trên trục động cơ gồm các lỗ, trên hình có tám lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia hồng ngoại do điôt phát quang LED cung cấp và đầu thu là tranzito quang (hình b). Khi đĩa quay tranzito quang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, tranzito quang thẳng hàng. Khi đó tranzito đ−a điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tranzito bị khoá, kết quả điện áp trên R2 về mức cao. Kết quả là khi đĩa mã hoá quay, ứng với hình a trên đầu ra R2 ta đ−ợc tám xung chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa. Mạch lôgômmét RT w2 w1 Rd1 R1 R2 RB EB Rd3 Rd2 α = f(I1/I2) BomonKTDT-ĐHGTVT 118 Nếu ta muốn duy trì tốc độ quay của rôto ở tốc độ không đổi nào đó ứng với chu kỳ tín hiệu do bộ cảm biến tốc độ tạo nên, chu kỳ này xác định điểm đặt tốc độ. Để xác định chiều quay (thuận hoặc nghịch) cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có hai LED và hai tranzito quang, hai đĩa mã hoá. Khi đĩa quay ta nhận đ−ợc hai xung chữ nhật lệch nhau 90o. Chiều quay đ−ợc xác định bằng vị trí t−ơng đối của hai tín hiệu ra. Tốc độ bằng 0 có nghĩa là xung tiếp theo không bao giờ tới. Trong thực tế áp dụng ta sử dụng bộ thời gian tràn khi các xung đến lớn hơn 65536 bằng bộ đếm thời gian thanh ghi. Thông th−ờng các bộ cảm biến quang tốc độ còn kèm theo khả năng xử lý s−ờn các xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số l−ợng vạch đếm trong một vòng đĩa lên bốn lần. Chuỗi xung A hoặc B đ−ợc đ−a tới cửa vào của khâu đếm tiến, biết số xung trong một chu kỳ, ta tính đ−ợc tốc độ quay của động cơ: n [vòng/phút] = nTN N 04 60 trong đó: Tn là chu kỳ điều chỉnh tốc độ, ở đây chu kỳ đếm xung tính bằng giây. N0 là số xung trong một vòng, còn gọi là độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ. N là số xung trong thời gian Tn. Để nâng cao độ phân giải của phép đo tốc độ ta có giải pháp là tăng số lỗ trong một rãnh, ta có đĩa mã hoá gồm nhiều rãnh, mỗi rãnh có số lỗ tăng dần theo quan hệ 2n, n là số rãnh . Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá a) Sơ đồ cảm biến quang tốc độ. b) Sơ đồ nguyên lý tranzito quang. LED Phototranzito Đ−ờng tâm ánh sáng Đĩa mã hoá Tâm trục cơ khí Đĩa mã hoá a) b) R 2 2, 2k Ω R 1 18 0Ω +5V+5V Ch−ơng 9: Đo l−ờng các đại l−ợng không điện 119 Ví dụ 2: Tốc kế sợi quang (vấn đề này khá phức tạp, ở đây chỉ trình bày Nguyên tắc) Tốc kế laser sử dụng hiệu ứng Doppler là dụng cụ đo tốc độ của các đối t−ợng bằng cách truyền dẫn (đối với dòng chất lỏng) hoặc bằng phản xạ (đối với vật rắn chuyển động d−ới đầu laser). Dải đo rất rộng từ 10-6 - 105 m/s. Phép đo không làm thay đổi chuyển động của hệ. Nguyên tắc hoạt động của tốc kế sợi quang là chiếu sáng đối t−ợng cần đo tốc độ bằng một l−ới các vân sáng. ánh sáng sáng khuyếch tán từ đối t−ợng tuân theo hiệu ứng Doppler nghĩa là tần số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn. Độ lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật. Trong tr−ờng hợp cần đo tốc độ dòng chảy nên cho vào dòng chảy các hạt kích th−ớc đủ nhỏ để không làm ảnh h−ởng tới tốc độ của dòng chảy. Các hạt này sẽ khuyếch tán ánh sáng khi có nguồn sáng cắt qua. Tín hiệu quang do các hạt phát ra đ−ợc điều biến c−ờng độ các vân tối, sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy. Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuyếch tán là: f = | V | / y với | V | là thành phần tốc độ của các hạt vuông góc với vân sáng, y là khoảng cách giữa các vân sáng. Theo một ph−ơng pháp khác, hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song song đến từ một nguồn laser He,Ne. Ta nhận đ−ợc hai tia khuyếch tán từ hạt, mỗi tia đ−ợc đặc tr−ng bằng tần số Doppler. Giao thoa của hai tia này tạo nên một số f (phách tần ) có thể suy ra gia tốc của tốc độ nh−ng không biết chiều chuyển động. Có thể khắc phục điều này bằng cách sử dụng hai tốc độ kế vuông góc. Ta đã biết hai thành phần tốc độ do vậy có thể xây dựng đ−ợc vectơ V. Ta cũng có thể điều pha Φ của một trong hai tia ở tốc độ dΦ/dt nhờ khối Bragg. Các vân lệch pha với tốc độ V0: dt dyV Φ= . 20 π và ánh sáng khuyếch tán bị điều biến ở tần số f = | V – V0 | /y a) Bộ cảm biến quang tốc độ chiều quay; b) Xác định chiều quay bằng so sánh pha 2 tín hiệu a) b) 360o(1) 90o(1) B A BomonKTDT-ĐHGTVT 120 Ta chọn dΦ/dt sao cho V0 luôn lớn hơn vận tốc V của các hạt. Theo ph−ơng pháp này ta biết cả độ lớn và chiều của tốc độ. Một điot laser có thể sử dụng tr−ớc khối laser Bragg dùng để điều biến dòng phát. Các sợi quang phối hợp với một điot quang để tạo nên thiết bị đo hoàn chỉnh (hình vẽ), với điot laser b−ớc sóng 850 nm, công suất 5 mW, F1 sợi đơn mode dài 5m, F2 sợi đa mode dài 5m. Đo tốc độ kế Doppler diode laser và sợi quang; a) Chùm tia chiếu qua vật đo vận tốc bằng hệ thống thông th−ờng; b) Chia chùm tia bằng bộ nối ghép quang a) F2 Đối t−ợng chuyển động L2 L1 F1 Diode laser L1, L2 là thấu kính Máy phân tích phổ Thấu kính Bộ ghép nối b) Ch−ơng 9: Đo l−ờng các đại l−ợng không điện 121 Một số gợi ý: + Đo nhiệt độ: có thể sử dụng: cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt + Đo tốc độ tròn: dùng cảm biến quang + Đo tốc độ dài, có phạm vi di chuyển nhỏ: dung cảm biến điện cảm. + Đo tốc độ dài, phạm vi di chuyển và tốc độ lớn, có thể dùng cảm biến quang + Đo lực dùng cảm biến kiểu áp điện. + Đo độ rung có thể dùng tenzômét BomonKTDT-ĐHGTVT 122 Phụ lục I. Các phép đo cơ bản trong kỹ thuật điện tử 1. Đo điện áp và dòng điện bằng đồng hồ vạn năng(ĐHVN)™ Đây là hai đại l−ợng cơ bản nhất, chúng có điểm khác biệt là: - Đo điện áp: là đo điện áp giữa hai điểm A và B nào đó của mạch điện, khi đó ĐHVN mắc song song với điện trở tải DC + - V R + V Để phép đo chính xác, lý t−ởng RM=∞ UX A B mA + - A R + V Đo dòng điện, để phép đo chính xác, lý t−ởng RM=0 IX A B Phụ lục 123 - Đo dòng điện là đo dòng điện chạy qua một điểm nào đó của mạch điện, khi đó ĐHVN đ−ợc mắc nối tiếp với điện trở tải tại điểm A huặc B: Khi đo điện áp và dòng điện DC cần chú ý tới cực tính của nguồn điện: + Que đỏ, đặt ở điểm có điện thế huặc dòng điện cao hơn + Que đen, đặt ở điểm có điện thế huặc dòng điện thấp hơn. Khi không khẳng định đ−ợc điểm có thế thấp, điểm có thế cao thì tiến hành đo nhanh, nếu thấy kim quay ng−ợc thì đảo đầu que đo Ví dụ: Khi đo một vài thông số của một mạch KĐ dùng Transistor, nh− điện áp cung cấp: Vcc, dòng áp tiêu thụ trên toàn mạch: Itt, Vb, Ve, Vc, UBE, IB, IC, IE... bố trí mạch đo có dạng: 2. Đo điện trở bằng ĐHVN Do điện trở là phần tử thụ động, không mang năng l−ợng, vì vậy để đo R ng−ời ta phải dùng nguồn PIN, nguồn có thể là 3V, 12V tuỳ theo các thang đo, thông th−ờng: + Thang :x1; x10; x100; x1K dùng nguồn 3V + Thang: x10K; x100K; dùng nguồn 12V - Tr−ớc khi đo ta phải tiến hành chuẩn đồng hồ, bằng cách, chập 2 que đo, rồi quan sát xem kim chỉ thị đã về ‘0’ ch−a?. Nếu ch−a về phải chỉnh núm ADJ để kim về “0”. Nếu chỉnh núm này mà không về “0” phải thay nguồn PIN: Chỉnh đồng hồ x1 + - Ω ADJ 0 C3 R6 R5 Q3 C2 R4 R3 Q2 R2 R1 C1 Vcc mA V mA mA V Itt Vcc IB UB I BomonKTDT-ĐHGTVT 124 - Khi đo l−u ý không chạm tay vào hai đầu điện trở, làm nh− vậy phép đo sẽ không chính xác - Giá trị R đ−ợc xác định bằng số vạch trên ĐHVN x giá trị thang đo Chú ý: Đo kiểm tra ngắn mạch giữa 2 điểm, thì kết quả đo là 0Ω, còn đo hở mạch giữa 2 điểm, kết quả đo là ∞Ω Ω + - Phép đo điện trở RX A B x10 + - 20 Kết quả=10x20=200Ω RX A B Phụ lục 125 3. Đo và kiểm tra biến trở: + Đo R1-3= giá trị ghi trên thân biến trở + Đo R1-2 Kim chỉ thị phải chuyển động 4. Đo kiểm tra xác định cực tính D Để xác định cực tính của D ta sử dụng trực tiếp nguồn PIN của ĐHVN để phân cực. - Chuyển về đo Ω, chọn thang x1, ta tiến hành đảo que đo 2 lần. Nếu quan sát thấy một lần kim đồng hồ không lên =∞(hết vạch ), và một lần chỉ thị khoảng vài chục Ω(10-15Ω), thì D còn tốt. - Khi đó đầu nối với que đen là Anốt, và đầu nối với que đỏ là Catot Chú ý: khi đo, kiểm tra và xác định cực tính của LED, ta chọn thang đo x10, vì khả năng chịu đựng dòng của LED là <10mA, khi thực hiện phân cực thuận cho LED thì đèn sẽ sáng. con tr−ợt 1 2 3 2 3 1 2 31 Ω + - BomonKTDT-ĐHGTVT 126 Ω + - Lần đo 1 CatotAnot Ω + - Vài chục CatotAnot Lần đo 2 Phụ lục 127 5. Đo xác định các cực của Transistor - Tr−ớc hết, xác định cực B, dùng Ω_kế, vặn thang x1, - Sau đó tiến thành lấy một que đo giữ cố định với 1 chân bất kỳ của que đo. - Que còn lại lần l−ợt đ−a vào đo 2 chân còn lại - Tiếp tục đảo que đo, cho đến khi ta nhận đ−ợc 2 giá trị điện trở R liên tiếp bằng nhau R=(10ữ15)Ω, khi đó que nối với chân cố định là B: + Nếu que cố định(lần đo cuối- trong loạt đo đầu tiên) là que đỏ, thì đây là Transistor loại N-P-N + Nếu que cố định(lần đo cuối- trong loạt đo đầu tiên) là que đen, thì đây là Transistor loại P-N-P - Để xác định nốt 2 chân còn lại C & E, ta dùng Ω_kế chọn thang x100- 1K,hai que đo đ−a vào 2 chân còn lại, sau đó dùng ngón tay chạm nối cực B với từng chân, nếu không thấy kim chỉ thị giá trị R khoảng từ 10K-100K thì ta đảo que đo, và làm lại các động tác đo trên, khi đó ta sẽ đ−ợc giá trị R=(10-100)K, khi đó que chạm với B là cực C cực còn lại là E E B C E B C D1 D1 B CE E D2 C B D1 NPN PNP BomonKTDT-ĐHGTVT 128 L−u ý: với tất cả các ĐHVN: + Que đen bao giờ cũng nối với (+) nguồn + Que đỏ bao giờ cũng nối với (-) nguồn Chỉ trừ các loại Vônkế điện tử thì: + Que đen nối với (-) nguồn + Que đỏ nối với (+) nguồn Ω + - B C PNP B C E Rtay NPN * E B C NPN Ω + - * E B C PNP Rtay Phụ lục 129 Tμi liệu tham khảo 1. Kỹ thuật đo l−ờng các đại l−ợng vật lý. Tập I, II. Phạm Th−ợng Hàn. Nhà xuất bản Giáo dục 2. Dụng cụ và đo l−ờng điện tử. David A.Bell. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 3. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo l−ờng và điều khiển. Lê Văn Doanh. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 4. Pháp lệnh đo l−ờng ngày 06 tháng 10 năm 1999 số 16/1999/PL – UBTVQH 10 5. Nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP 6. Electrical Measurements anh Measuring Instruments- Rajendra Prasad, ISBN Editor 1999. 7. Cơ sở kỹ thuật Đo l−ờng- Vũ Quý Điềm, NXB KHKT 2001 8. Omron: www.omron.com.vn 9. Simens: www2.automation.siemens.com BomonKTDT-ĐHGTVT 130 Phụ lục Ch−ơng1.Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo l−ờng.................. 4 I. Định nghĩa và khái niệm cHung về đo l−ờng ................ 4 1. Định nghĩa về đo l−ờng, đo l−ờng học và KTĐL.. 4 a. Đo l−ờng............................................................................... 4 b. Đo l−ờng học..................................................................... 4 c. Kỹ thuật đo l−ờng (KTĐL)............................................ 4 2. Phân loại cách thực hiện phép đo .................................. 4 II. Các đặc tr−ng của KTĐL....................................................................... 5 1. Khái niệm về tín hiệu đo và đại l−ợng đo.................. 5 2. Điều kiện đo........................................................................................... 5 3. Đơn vị đo................................................................................................... 6 4. Thiết bị đo và ph−ơng pháp đo ............................................ 7 5. Ng−ời quan sát ................................................................................... 7 6. Kết quả đo............................................................................................... 7 III. Các ph−ơng pháp đo................................................................................ 7 1. Ph−ơng pháp đo biến đổi thẳng ......................................... 7 2. Ph−ơng pháp đo kiểu so sánh ............................................... 8 a. So sánh cân bằng............................................................. 8 b. So sánh không cân bằng ............................................. 8 c. So sánh không đồng thời ........................................... 8 d. So sánh đồng thời ......................................................... 9 3. Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo............ 9 IV. Phân loại thiết bị đo ............................................................................. 9 1. Mẫu ................................................................................................................ 9 2. Thiết bị đo l−ờng điện .............................................................. 10 3. Chuyển đổi đo l−ờng .................................................................. 10 4. Hệ thống thông tin đo l−ờng............................................ 11 V. Định giá sai số trong đo l−ờng................................................. 11 1. Nguyên nhân và phân loại sai số .................................... 11 a. Nguyên nhân gây sai số ............................................. 11 b. Phân loại sai số ............................................................. 11 3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số ............................. 12 4. Sai số trung bình bình ph−ơng và sai số trung bình ........ 14 a. Sai số trung bình bình ph−ơng σ ......................... 14 b. Sai số trung bình d...................................................... 14 5. Sự kết hợp của các sai số ........................................................ 14 a. Sai số của tổng các đại l−ợng ............................... 14 Phụ lục 131 b. Sai số của hiệu các đại l−ợng ................................ 14 c. Tích của hai đại l−ợng............................................... 15 d. Th−ơng của hai đại l−ợng ....................................... 15 Ch−ơng2Cấu trúc và Các phần tử chức năng của thiết bị đo..17 I. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo................................................. 17 1. Sơ đồ khối của thiết bị đo ..................................................... 17 2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng . 17 3. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh ....... 17 II. Các cơ cấu chỉ thị ..................................................................................... 18 1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện................................................................ 18 a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (TĐNCVC).......................................................................... 19 b. Cơ cấu chỉ thị điện từ................................................. 21 c. Cơ cấu chỉ thị điện động........................................... 22 2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi................................................................... 23 3. Cơ cấu chỉ thị số............................................................................. 25 II. Các mạch đo l−ờng và gia công tín hiệu....................... 26 1. Mạch tỉ lệ.............................................................................................. 26 a. Mạch tỉ lệ về dòng........................................................ 26 b. Mạch tỉ lệ về áp .............................................................. 27 2. Mạch khuếch đại đo l−ờng................................................... 30 a. Mạch khuếch đại dòng (lặp điện áp) .................. 30 b. Mạch khuếch đại công suất.................................... 30 c. Mạch khuếch đại điều chế ....................................... 31 d. Mạch khuếch đại cách li.......................................... 31 3. Mạch gia công tính toán........................................................ 31 4. Mạch so sánh...................................................................................... 31 a. Mạch so sánh các tín hiệu khác dấu bằng KĐTT mắc theo một đầu vào......................................... 31 b. Mạch so sánh các tín hiệu cùng dấu bằng KĐTT mắc 2 đầu vào............................................................ 32 c. Mạch so sánh 2 mức ...................................................... 32 d. Mạch so sánh cực đại.................................................. 33 e. Mạch cầu đo ..................................................................... 33 f. Mạch điện thế kế ........................................................... 34 5. Mạch tạo hàm.................................................................................... 35 a. Mạch tạo hàm bằng biến trở .................................. 35 b. Mạch tạo hàm bằng diode bán dẫn ..................... 35 c. Mạch tạo hàm logarit và đối logarit.............. 36 BomonKTDT-ĐHGTVT 132 6. Các bộ chuyển đổi t−ơng tự – số A/D và số – t−ơng tự D/A............................................................................................. 36 a. Các bộ biến đổi A/D ........................................................ 36 b. Các bộ biến đổi D/A ........................................................ 37 III. Chuyển đổi đo l−ờng sơ cấp........................................................ 37 1. Khái niệm chung ............................................................................. 37 a. Định nghĩa......................................................................... 37 b. Đặc tính của chuyển đổi sơ cấp ............................ 37 c. Phân loại các chuyển đổi sơ cấp.......................... 37 d. Các hiệu ứng đ−ợc ứng dụng trong các cảm biến tích cực ........................................................................ 38 Ch−ơng3.Đo dòng điện42 I. Khái niệm chung ........................................................................................... 42 II. Ampe kế một chiều .................................................................................... 42 II. Ampe kế một chiều .................................................................................... 43 III. Ampemet xoay chiều............................................................................. 48 1. Ampemet chỉnh l−u...................................................................... 48 2. Ampemet điện động...................................................................... 49 3. Ampemet điện từ ............................................................................. 50 4. Ampemet nhiệt điện..................................................................... 50 Ch−ơng4.đo điện áp52 I. Mở đầu....................................................................................................................... 52 II. Vôn kế một chiều........................................................................................ 52 III. Vôn kế xoay chiều.................................................................................... 54 1. Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều.......................... 54 a. Sơ đồ chỉnh l−u cầu................................................. 54 b. Sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng .................................... 55 c. Sơ đồ chỉnh l−u nửa cầu toàn sóng ............... 57 2. Vôn kế điện từ.................................................................................... 57 3. Vôn kế điện động ............................................................................ 58 IV. Đo điện áp bằng ph−ơng pháp so sánh............................. 58 1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................ 58 2. Điện thế kế kế một chiều......................................................... 58 3. Điện thế kế xoay chiều.............................................................. 60 V. Vôn kế số............................................................................................................... 60 1. Vôn kế số chuyển đổi thời gian ........................................ 60 2. Vôn mét số chuyển đổi tần số ............................................ 62 VI. Vôn met và Ampe met điện tử t−ơng tự.......................... 62 1. Vôn met bán dẫn một chiều.................................................. 63 Phụ lục 133 2. Vôn met điện tử một chiều dùng IC KĐTT ................. 64 3. Vôn met điện tử xoay chiều.................................................. 65 Ch−ơng5.Đo công suất67 I. Khái niệm chung ........................................................................................... 67 II. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha.............. 67 1. Oat kế điện động............................................................................. 68 2. Đo công suất bằng ph−ơng pháp điều chế tín hiệu.................................................................................................................. 69 3. Oatmet nhiệt điện......................................................................... 70 4. Oatmet dùng chuyển đổi Hall .......................................... 71 Ch−ơng6.Đo tần số và góc pha73 I. Khái niệm chung ........................................................................................... 73 II. Đo tần số và pha bằng ph−ơng pháp biến đổi thẳng.............................................................................................................................. 73 1. Tần số kế cộng h−ởng điện từ............................................ 73 2. Tần số kế cơ điện............................................................................. 74 a. Tần số kế và Fazo kế điện động ............................. 74 b. Tần số kế điện từ............................................................ 76 3. Tần số kế và Fazo kế điện tử................................................. 77 4. Tần số kế và Fazo kế chỉ thị số .......................................... 78 III. Đo tần số bằng ph−ơng pháp so sánh............................... 82 1. Tần số kế trộn tần......................................................................... 82 2. Tần số kế cộng h−ởng ................................................................ 82 3. Các ph−ơng pháp khác .............................................................. 82 Ch−ơng7.đo thông số của mạch điện84 I. Các ph−ơng pháp đo điện trở........................................................ 84 1. Đo gián tiếp.......................................................................................... 84 a. Sử dụng Ampe kế và Vôn kế ....................................... 84 b. Đo điện trở bằng ph−ơng pháp so sánh với điện trở mẫu ......................................................................... 84 2. Đo điện trở trực tiếp bằng Ohmmet............................. 85 a. Ohmmet nối tiếp............................................................. 86 b. Ohmmet song song ....................................................... 86 c. Ohmmet nhiều thang đo ........................................... 86 3. Cầu đo điện trở................................................................................ 87 a. Cầu Wheatstone (cầu đơn)....................................... 87 b. Cầu Kelvin (cầu kép) .................................................... 88 4. Đo điện trở bằng chỉ thị số: ................................................ 89 BomonKTDT-ĐHGTVT 134 II. Cầu dòng xoay chiều.............................................................................. 91 1. Cầu xoay chiều đo điện dung.............................................. 91 a. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ .................................... 91 b. Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn .............................. 92 2. Cầu đo điện cảm............................................................................... 92 a. Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu .................... 92 b. Cầu điện cảm Maxwell ............................................... 93 c. Cầu điện cảm Hay ........................................................... 93 Ch−ơng8.Máy hiện sóng điện tử.95 I. Mở đầu....................................................................................................................... 95 II. Sơ đồ khối của một máy hiện sóng thông dụng..... 97 III. Thiết lập chế độ hoạt động và Cách điều khiển một máy hiện sóng..................................................................................................................................... 98 1. Thiết lập chế độ hoạt động cho máy hiện sóng98 2. Các phần điều khiển chính.................................................... 99 a. Điều khiển màn hình.................................................... 99 b. Điều khiển theo trục đứng ..................................... 99 c. Điều khiển theo trục ngang................................. 100 IV. ứng dụng của máy hiện sóng trong kỹ thuật đo l−ờng............................................................................................................................ 100 1. Quan sát tín hiệu.......................................................................... 100 2. Đo điện áp ............................................................................................ 101 3. Đo tần số và khoảng thời gian........................................ 101 4. Đo tần số và độ lệch pha bằng ph−ơng pháp so sánh............................................................................................................... 102 Ch−ơng9.Đo l−ờng các đại l−ợng không điện104 I. khái niệm chung ......................................................................................... 104 II. Các loại cảm biến..................................................................................... 104 1. Cảm biến kiểu biến trở............................................................. 104 2. Cảm biến điện trở lực căng (tenzômet).................. 105 3. Cảm biến kiểu điện cảm ........................................................... 107 4. Cảm biến kiểu áp điện................................................................ 109 5. Cặp nhiệt điện ................................................................................. 111 6. Nhiệt điện trở................................................................................. 114 7. Cảm biến quang .............................................................................. 117 Một số gợi ý:........................................................................................... 121 + Đo độ rung có thể dùng tenzômét .............................. 121 Tài liệu tham khảo..................................................................................................... 129