Giáo trình mô đun Đo các đại lượng điện và không điện

CỤC HẢNG HẢI VIỆT NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN

VÀ KHÔNG ĐIỆN

NGHỀ: ĐIỆN TÀU THỦY

TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCDN ngày .....tháng..... năm... của..........

Hải Phòng, năm 2017

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được

phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh

doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

LỜI GIỚI THIỆU

Đo các đại lượng điện và không điện là mô đun nghiên cứu và thực hành

các phương pháp đo, các dụng cụ đo các đại lượng điện như: Điện áp, dòng điện,

công suất, điện năng… và đại lượng không điện như: Đường kính, độ sâu, vận

tốc…

Giáo trꢀnh mô đun đo các đại lượng điện và không điện được biên soạn dựa

trên các giáo trình và tài liệu tham khảo đã có, và giáo trꢀnh này được dùng để

giảng dạy và làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điện tàu thủy . Nội dung

của giáo trꢀnh được trꢀnh bày trong 9 bài như sau:

Bài 1: Đại cương về đo lường điện - không điện

Bài 2: Đo dòng điện

Bài 3: Đo điện áp

Bài 4: Sử dụng các loại máy đo thông dụng

Bài 5: Đo công suất

Bài 6: Cảm biến nhiệt độ

Bài 7: Cảm biến mức

Bài 8: Đo vận tốc vòng quay và góc quay

Bài 9: Cảm biến quang điện

Giáo trình chắc chắn sẽ còn khiếm khuyết; rất mong các thầy cô giáo quan

tâm đóng góp để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng được mục tiêu đào

tạo của Mô đun nói riêng và ngành điện tàu thủy cũng như các chuyên ngành kỹ

thuật nói chung.

Hải Phòng, ngày 09 tháng 10 năm 2017

Tham gia biên soạn

Chủ biên: Đặng Thu Huyền

3

MỤC LỤC

TT

1

Nội dung

Trang

3

Lời giới thiệu

Mục lục

2

4

3

Danh mục bảng, biểu, hình ảnh

Nội dung

5

4

8

Bài 1 Đại cương về đo lường điện - không điện

Bài 2 Đo dòng điện

10

17

29

35

42

49

57

63

69

76

Bài 3 Đo điện áp

Bài 4 Sử dụng các loại máy đo điện thông dụng

Bài 5 Đo công suất

Bài 6 Cảm biến nhiệt độ

Bài 7 Cảm biến mức

Bài 8 Đo vận tốc vòng quay và góc quay

Bài 9 Cảm biến quang điện

Tài liệu tham khảo

5

4

Danh mục hình vẽ

Tên hình vẽ

TT

1

Trang

9

Hình 1.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo biến đổi thẳng

Hình 1.2. Sơ đồ khối thiết bị đo kiểu so sánh

Hình 1.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện

2

10

3

11

4

Hình 1.4. Cơ cấu chỉ thị điện từ cuộn dây dẹp(kiểu hút)và Cơ cấu

chỉ thị điện từ cuộn dây tròn(kiểu đẩy)

11

5

6

7

8

9

Hình 1.5. Cơ cấu chỉ thị điện động

12

13

16

17

Hình 1.6. Cơ cấu đo kiểu cảm ứng

Hình 2.1. Bù sai số do nhiệt độ và mꢀ rộng thang đo

Hình 2.2. Mꢀ rộng thang đo của ampe mét điện từ

Hình 2.3. Ampemet điện động

a, Hai cuộn dây mắc nối tiếp. b, Hai cuộn dây mắc song song

10 Hình 2.4. Mắc ampe đo dòng điện mạch một chiều

18

19

11 Hꢁnh 2.5a,b,c,d. Shunt 100mV-10A; Shunt 75mV-20A; Shunt

100mV-20A; Shunt 100mV-20A

12 Hình 2.6. Cách mắc điện trꢀ Shunt

21

22

23

24

25

13 Hình 2.7. Mạch đo kiểu Shunt Ayrton

14 Hꢁnh 2.8. Hꢁnh ảnh biến dòng trên thꢂc tế

15 Hꢁnh 2.9. Kꢃ hiệu chiều luồn dây biến dòng

16 Hꢁnh 2.10. Sơ đồ nguyên lꢃ mắc biến dòng đo dòng 1 pha

17 Hꢁnh 2.11. Sơ đồ mắc biến dòng đo dòng 1 pha

18 Hꢁnh 2.12. Số vòng quấn cuộn sơ cấp

19 Hình 2.13. Đo dòng 3 pha đối xứng

20 Hình 2.14.Tay đo dòng

21 Hình 2.15. Đo dòng 3 pha không đối xứng

22 Hình 2.16. Hình ảnh ampe kìm thꢂc tế của hꢄng KIORITSU Nhật

Bản

23 Hình 2.17. Ampe kìm model 200

26

27

24 Hình 2.18. Đo dòng xoay chiều bằng ampe kìm

5

25 Hình 3.1. Mắc thêm R_Pđể mꢀ rộng thang đo

26 Hình 3.2. Vôn mét từ điện đo điện áp xoay chiều:

a, Sơ đồ milivônmét chỉnh lưu; b, Sơ đồ vônmét chỉnh lưu

27 Hình 3.3. Mꢀ rộng thang đo vônmét điện từ

28 Hình 3.4. Cách nối các cuộn dây trong vônmét điện động

29 Hình 3.5. Mꢀ rộng thang đo của vônmét điện động

30 Hình 3.6. Dùng R_Pđể mꢀ rộng giới hạn đo

31 Hình 3.7. Mạch đo điện áp một chiều nhiều tầm đo

32 Hình 3.8. Mꢀ rộng thang đo bằng biến áp đo lường

33 Hình 3.9. Mắc vôn mét đo điện áp

28

29

30

31

32

33

34

35

36

38

39

40

41

42

44

34 Hình 3.10. Đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng

35 Hình 3.11. Tay đo vôn

36 Hình 3.12. Đo điện áp pha và điện áp dây

37 Hình 4.1. Mêgômmét từ điện

38 Hình 4.2. Kiểm tra đồng hồ mêgômmét

39 Hình 4.3. Đo cách điện giữa các cuộn dây

40 Hình 4.4. Đo cách điện giữa cuộn dây với vỏ

41 Hình 4.5. Mặt ngoài đồng hồ vạn năng

42 Hình 4.6. Đo điện xoay chiều bằng đồng vạn năng

43 Hình 4.7. Đo điện áp một chiều bằng đồng hồ vạn năng

44 Hình 4.8. Đo dòng điện một chiều bằng VOM

45 Hình 4.9. Chỉnh 0 đông hồ

46 Hình 4.10. Đo điện trꢀ

47 Hình 5.1. Mạch đo công suất dùng V-mét và A-mét

48 Hình 5.2. Đo công suất một chiều bằng Oatmét

49 Hình 5.3. Oát mét điện động

50 Hình 5.4. Hình ảnh thꢂc tế óat mét điện động

51 Hình 5.5. Sơ đồ dùng một Oátmét đo công suất mạch 3 pha đối

xứng

6

52 Hình 5.6. Sơ đồ dùng 2 Oátmét một pha đo công suất mạch ba pha

45

46

ba dây

53 Hình 5.7. Sơ đồ dùng Oátmét ba pha hai phần tử đo công suất

mạch ba pha ba dây

54 Hình 5.8. Sơ đồ dùng 3 Oátmét một pha đo công suất mạch ba pha

55 Hình 5.9. Cuộn áp mắc trước

46

47

51

56 Hình 5.10. Cuộn áp mắc sau

57 Hình 6.1. Đặc tính nhiệt a) và đặc tính vôn-ampe của nhiệt điện trꢀ

kim loại b).

58 Hình 6.2. Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn_ampe (b) của nhiệt

điện trꢀ bán dẫn

52

59 Hình 6.3. Cảm biến nhiệt PT100

52

53

54

56

57

60 Hình 6.4. Cấu tạo cảm biến nhiệt

61 Hình 6.5. Modul thí nghiệm cảm biến nhiệt độ

62 Hình 7.1. Đo mức bằng phương pháp thủy tĩnh kiểu phao

63 Hình 7.2. Đo mức bằng phương pháp đo chênh áp

a- Sử dụng áp kế; b- Phương pháp vi sai

64 Hình 7.3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo mức bằng cảm biến điện

58

dung

1-điện cꢂc; 2-vỏ thùng; MC-mạch cầu; CL-chỉnh lưu

65 Hình 7.4. Cảm biến siêu âm SRF05

59

61

62

63

64

65

66

67

71

66 Hình 7.5. Thí nghiệm cảm biến mức và điều khiển mức

67 Hình 8.1. Cấu tạo máy phát tốc 1 chiều

68 Hình 8.2. Cấu tạo máy phát tốc xoay chiều

69 Hình 8.3. Cấu tạo tốc kế từ trꢀ

70 Hình 8.4. Cấu tạo tốc độ kế quang

71 Hình 8.5. Động cơ Encoder 448

72 Hình 8.6. Mạch khuếch đại tốc độ kế quang

73 Hình 8.7. Modul thí nghiệm cảm biến tốc độ

74 Hình 9.1. Tế bào quang dẫn và sꢂ chuyển mức năng lượng của điện

7

tử

75 Hình 9.2. Phôtôtranzito

72

73

74

76 Hình 9.3. Cảm biến quang điện LDR

77 Hình 9.4. Cấu tạo Quang trꢀ

78 Hình 9.5. Modul thí nghiệm cảm biến quang điện

8

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: Đo các đại lượng điện và không điện

Mã mô đun: MĐ.6520228.20

Thời gian của mô đun: 90 giờ. (Lý thuyết: 26 tiết; Thꢂc hành: 60 tiết; Kiểm tra: 4

tiết).

Vị trí, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

- Vị trí mô đun: Mô đun được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học

chung, các môn học/ mô đun: An toàn lao động; Mạch điện; Vật liệu điện; Vẽ kỹ

thuật; Vẽ điện; Kỹ thuật điện tử cơ bản; Khí cụ điện hạ thế.

- Tính chất của mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề.

- Ý nghĩa, vai trò của mô đun: Mô đun hꢁnh thành kỹ năng đo các đại lượng

điện và không điện phục vụ việc đấu mắc, kiểm tra sửa chữa các thiết bị và hệ

thống điện.

Mục tiêu của mô đun:

- Kiến thức:

Mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng: từ

điện, điện từ, điện động, cảm ứng

Trꢁnh bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các dụng cụ đo thông dụng:

am-pe mét, vôn mét, oát mét, VOM, công tơ, mê-gôm mét, ter-rô mét, cầu đo

Wheastone, máy hiện sóng, stroboscope, pan-me, thước cặp

- Về kỹ năng:

Bảo quản tốt các loại dụng cụ đo theo các qui định kỹ thuật

Đọc và hiểu được các ký hiệu ghi trên các đồng hồ và dụng cụ đo lường

Sử dụng được các dụng cụ đo để đo các đại lượng về điện: điện áp, cường độ

dòng điện, điện trꢀ, công suất, điện năng, điện trꢀ cách điện, điện trꢀ tiếp đất, biên

độ, tần số

Sử dụng các dụng cụ đo để đo các đại lượng không điện: đường kính dây

dẫn, tốc độ, độ sâu.

- Năng lꢂc tꢂ chủ: Có tính tỉ mỉ, tuân thủ các nguyên tắc an toàn điện khi sử

dụng các dụng cụ đo lường.

Nội dung của mô đun:

9

BÀI 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN - KHÔNG ĐIỆN

MĐ 6520228.20.01

Giới thiệu:

Trong các hệ thống điện nói chung hay điện dân dụng nói riêng, thꢁ việc đo và

chỉ báo các thông số của mạch điện là vô cꢅng quan trong. Nó giꢆp cho người thợ

điện có thể biết được tꢁnh trạng của các thông số trong hệ thống hiện tại đang ꢀ

trạng thái bꢁnh thường hay sꢂ cố. Việc đo và chỉ báo đó được thꢂc hiện nhờ các

loại đồng hồ đo khác nhau. Nhưng nếu xét về mặt nguyên lꢃ thꢁ hầu hết các loại

đồng hồ đo đó đều được chế tạo từ một số loại cơ cấu đo cơ bản như: Cơ cấu đo

điện từ, cơ cấu đo từ điện, cơ cấu đo điện động, cơ cấu đo cảm ứng. Việc hiểu,

nắm bắt được các lợi cơ cấu đo cơ bản và một số các khái niệm ban đầu về đo

lường điện là tiền đề tối cần thiết sẽ giꢆp tiếp thu tốt các bài sau.

Mục tiêu:

- Giải thích được nguyên lý cấu tạo và làm việc của các cơ cấu đo thông dụng:

từ điện, điện từ, điện động, điện động, cảm ứng.

- Phân biệt được dụng cụ đo kiểu trꢂc tiếp, so sánh, đo đại lượng điện, đại

lượng không điện

- Trꢁnh bày được các dạng sai số, các thành phần cấu tạo cơ bản của dụng cụ

đo.

- Đọc đꢆng các kꢃ hiệu trên mặt dụng cụ.

Nội dung chính:

1. Khái quát chung về đo lường

1.1. Định nghĩa đo lường: Đo lường là một quá trꢁnh đánh giá định lượng về đại

lượng cần đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo.

1.2. Các phương pháp đo

1.2.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có

cấu trꢆc kiểu biến đổi

thẳng không có khâu phản

hồi.

Hình 1.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo biến đổi thẳng

Trong đó: BĐ là bộ biến đổi; A/D là bộ chuyển đổi tương tꢂ sang số; SS là bộ so

sánh; CT là cơ cấu chỉ thị. Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi

thành con số Nx. Đơn vị đo Xo cũng được biến đổi thành No sau đó so sánh giữa

đại lượng cần đo với đơn vị đo qua bộ so sánh. Kết quả đo được thể hiện bꢀi phép

10

chia Nx/No.

1.2.2. Phương pháp đo kiểu so sánh

Phương pháp này có sử dụng

khâu hồi tiếp và có sơ đồ khối như

hꢁnh bên. Trong đó: SS là bộ so

sánh; BĐ là bộ biến đổi; A/D là bộ

chuyển đổi tương tꢂ

Hình 1.2. Sơ đồ khối thiết bị đo kiểu so sánh

sang số; D/A là bộ chuyển đổi số sang tương tꢂ; CT là cơ cấu chỉ thị. Tín hiệu X

được đem so sánh với một tín hiệu X_ktỉ lệ với đại lượng mẫu Xo. Khi đó qua bộ so

sánh ta có



X = X – X_k.

1.3. Sơ đồ khối dụng cụ đo

1.3.1. Kiểu trực tiếp

Là cách đo mà kết quả nhận được trꢂc tiếp từ một phép đo duy nhất. Nghĩa là

kết quả đo được chính là trị số của đại lượng cần đo mà không phải tính toán thông

qua bất kỳ một biểu thức nào. Nếu không tính đến sai số thꢁ trị số đꢆng của đại

lượng cần đo X sẽ bằng kết quả đo được A. Phương pháp đo trꢂc tiếp có ưu điểm

là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ được sai số do tính toán. Ví dụ: Vônmet đo

điện áp, ampemet đo cường độ dòng điện, oatmet đo công suất…

1.3.2.Kiểu gián tiếp

Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sꢂ phối hợp kết quả của nhiều phép đo

dꢅng cách đo trꢂc tiếp. Kết quả đo không phải là trị số của đại lượng cần đo, các số

liệu cơ sꢀ có được từ các phép đo trꢂc tiếp sẽ được sử dụng để tính ra trị số của đại

lượng cần đo thông qua một phương trꢁnh vật lꢃ liên quan giữa các đại lượng này.

Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trꢂc tiếp được

tích luỹ lại. Vꢁ vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các trường hợp không thể

dꢅng dụng cụ đo trꢂc tiếp.

1.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cơ cấu đo thông dụng

1.4.1.Cơ cấu đo kiểu từ điện

a. Cấu tạo

Phần tĩnh : Nam châm vĩnh cữu, lõi sắt, cꢂc từ. Giữa cꢂc từ và lõi sắt có khe

hꢀ không khí hẹp.

Phần động : Khung dây được quấn bằng dây đồng, khung dây gắn trên trục,

quay trong khe hꢀ không khí. Ngoài ra còn một số bộ phận khác như : trục, trụ, 2

lò xo cản ꢀ hai đầu trục, kim chỉ …

11

b. Nguyên lꢃ hoạt động

Khi có dòng điện chạy trong khung

dây dưới tác động của từ trường nam

châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch

khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc là :

1

  B.S.W.I  K.I

D

Trong đó :

Hình 1.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện

+ B là độ từ cảm của nam châm

+ S là diện tích của khung dây

+ W là số vòng dây của khung dây

+ I là dòng điện chạy trong khung dây

+ D là mô men cản riêng của lò xo phản kháng

+ K là hệ số không đổi

c. Đặc điểm và ứng dụng

Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều do góc lệch α tỉ lệ với

dòng điện đưa vào theo một hằng số K. Chỉ đo được dòng một chiều và phân biệt

cꢂc tính, muốn đo dòng xoay chiều thꢁ phải kết hợp với bộ chỉnh lưu. Được ứng

dụng để chế tạo Vônmet, Ampemet, Ohmmet nhiều thang đo với dải đo rộng.

1.4.2.Cơ cấu đo kiểu điện từ

a. Cấu tạo

Hình 1.4.a. Cơ cấu chỉ thị điện từ cuộn

dây dẹp(kiểu hút)

Hình 1.4.b. Cơ cấu chỉ thị điện từ cuộn

dây tròn(kiểu đẩy)

12

Đối với loại cuộn dây dẹt: Phần tĩnh là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe

hꢀ không khí. Phần động là một lõi thép được gắn trên trục quay, lõi thép có thể

quay tꢂ do trong khe hꢀ không khí.

Đối với loại cuộn dây tròn: Phần tĩnh là cuộn dây có mạch từ khép kín, bên

trong có khe hꢀ không khí và 1 lá thép cố định nằm trong lòng cuộn dây, gọi là lá

tĩnh. Phần động là một lá thép có khả năng di chuyển tương đối với lá tĩnh trong

khe hꢀ không khí, gọi là lá động. và lá động được gắn với trục quay.

b. Nguyên lꢃ hoạt động

Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh, trong lòng cuộn dây sẽ có một từ

trường. Đối với cuộn dây dẹt từ trường này hút lá thép vào trong lòng cuộn dây

tĩnh, còn đối với cuộn dây tròn thì từ trường sẽ từ hoá các lá thép, khi đó các lá

thép trꢀ thành các nam châm có cùng cꢂc tính nên đẩy nhau. Cả hai trường hợp

trên sẽ làm cho phần động quay đi một góc α.

1

dL

  

I ²

2.D d

(1.13)

+ D: mô men cản riêng của lò xo phản kháng

+ I : Dòng điện đưa vào cuộn dây

+ L: Giá trị điện cảm của cuộn dây

c. Đặc điểm và ứng dụng

Góc lệch



không phụ thuộc vào chiều của I, thang đo không đều vꢁ tỉ lệ với

I². Cơ cấu chỉ thị điện từ không cần phân biệt cꢂc tính cho dây đo, có thể được

dꢅng để chế tạo dụng cụ đo dòng một chiều và dòng xoay chiều như Vônmet,

Ampemet tần số công nghiệp nhưng độ chính xác thấp.

1.4.3.Cơ cấu đo kiểu điện động

a. Cấu tạo

Hꢀnh 1.5 Cơ cấu chỉ thị điện động

13

Cuộn dây tĩnh được chia làm 2 phần nối tiếp nhau (quấn cꢅng chiều) để tạo thành

nam châm điện khi có dòng chạy qua. Cuộn dây động quay trong từ trường được

tạo ra bꢀi cuộn tĩnh. Các cuộn dây có lõi làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao để

tạo ra từ trường mạnh. Thông thường chꢆng sẽ được bọc kín bằng màn chắn từ để

tránh ảnh hưꢀng của từ trường bên ngoài. Kim chỉ thị được gắn trên trục quay của

phần động. Lò xo phản kháng tạo mô men cản và các chi tiết phụ trợ khác.

b. Nguyên lꢃ hoạt động

Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thꢁ từ trường của 2 cuộn dây tương tác

với nhau khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí 0.

dM₁₂

1

  .I₁.I₂.

D

(1.15)

d

+ I₁, I₂: Hai dòng điện đưa vào các cuộn dây

+ M₁₂: Hꢇ cảm giữa hai cuộn dây tĩnh và động

c. Đặc điểm và ứng dụng

Vꢁ góc lệch không tỉ lệ tuyến tính với dòng cần đo nên thang đo của cơ cấu

điện động là thang đo không đều. Cơ cấu điện động có thể được sử dụng để đo

dòng xoay chiều và một chiều. Tuy nhiên nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất

khá lớn.

1.4.4.Cơ cấu đo kiểu cảm ứng

a. Cấu tạo

Phần tĩnh: Gồm các cuộn dây 2 và 3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy

trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động.

Phần động: Gồm đĩa nhôm gắn trên trục quay, quay quanh trụ đỡ.

Hình 1.6. Cơ cấu đo kiểu cảm ứng

b. Nguyên lꢃ hoạt động: Dꢂa trên sꢂ tác động tương hꢇ giữa từ trường xoay chiều

và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa nhôm làm cho đĩa nhôm quay. Mômen quay

được tính theo biểu thức: M_q= C f Ф₁Ф₂sinψ

14

Với: C là hằng số

f là tần số của dòng điện I₁, I₂

ψ là góc lệch pha giữa I₁, I₂

Ф1, Ф2 la các từ thông sinh ra khi cho các dòng điện vào các khung dây.

c. Đặc điểm và ứng dụng

Cơ cấu này chỉ làm việc trong mạch xoay chiều. Nhược điểm là mômen quay

phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số. Chủ yếu để chế tạo công tơ đo

năng lượng.

2. Khái quát chung về các bộ cảm biến

2.1 Khái niệm

Đối tượng đo lường ngoài các đại lượng điện còn có các đại lượng vật lý

không điện như nhiệt độ, áp suất…. Là các đại lượng cần đo x. Sau khi tiến hành

các quá trình thꢂc nghiệm bằng cách sử dụng các phương tiện điện tử để xử lý tín

hiệu, ꢀ đầu ra ta được một đại lượng tương ứng. Sꢂ biến đổi của đại lượng này

chứa tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết x, việc đo lường đại lượng x thꢂc

hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến (sensor).

Định nghĩa cảm biến : Cảm biến là một thiết bị dꢅng để biến đổi từ đại

lượng vật lꢃ này sang đại lượng vật lý khác mang bản chất điện với một độ chính

xác nhất định. Quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào là quan hệ hàm đơn trị.

Trong đó : X là đại lượng không điện cần đo.

Y là đại lượng ra (đại lượng điện), là một hàm của đại lượng cần đo.

Y = f(x)

Việc đo lường y sẽ cho phép nhận biết giá trị của x; y = f(x) là dạng lý

thuyết của định luật vật lýbiểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số

biểu diễn sꢂ phụ thuộc của nóvào cấu tạo (kích thước và hình dạng), vật liệu chế

tạo cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi).

Vị trí của cảm biến trong thiết bị đo lường chính là phần chuyển đổi sơ cấp. lĩnh

vꢂc ứng dụng : Cảm biến được sử dụng ꢀ hầu hết các mặt của sản xuất cũng như

đời sống xꢄ hội.

15

Nguyên tắc : Cảm biến thường dꢂa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một

dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.

Trong các hệ thống đo lường-điều khiển mọi quá trꢁnh đều được đặc trưng

bꢀi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen....Các biến trạng thái

này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các

quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sꢂ biến thiên các biến trạng thái

của quá trình. Các bộ cảm biến thꢂc hiện chức năng này và được định nghĩa theo

nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Để hiểu

rõ về cảm biến ta cần nắm vững một số khái niệm và định nghĩa sau.

1. Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trꢂc tiếp của đại

lượng đo. Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được han chế bꢀi sai số của

thiết bị mà nó tham gia.

2. Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín

hiệu ra. Cơ sꢀ vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng.

3. Cảm biến đo lường(phần tử tự động): Là phương tiện (thiết bị) đo thꢂc hiện biến

đổi tín hiệu ꢀ đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho biến đổi tiếp theo hoặc truyền

đạt gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu giữ số liệu. Cảm biến có đặc tính đo lường

học, thꢂc hiện ꢀ dạng độc lập, có độ chính xác cao theo mô hình mạch điện, cảm

biến được coi như một mạng hai cửa: cửa vào là biến trạng thái cần đo x, cứa ra là

đáp ứng y

Phương trꢁnh được mô tả dưới dạng hàm số: y = f(x)

2.2 Phân loại cảm biến

- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

Hiện tượng

Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ,

quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ,…

Hiện tượng vật lꢃ

Hóa học

Sinh học

Biến đổi hoá học , Biến đổi điện hoá , Phân tích

phổ,…

Biến đổi sinh hoá , Biến đổi vật lꢃ , Hiệu

ứng trên cơ thể sống,…

- Theo dạng kích thích

Kích thích

Các đặc tính của kích thích.

Âm thanh

-Biên pha, phân cꢂc-Phổ-Tốc độ truyền

16

sóng…

Điện

Từ

-Điện tích, dòng điện-Điện thế, điện áp-Điện

trường-Điện dẫn, hằng số điện môi…

-Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ

từ thẩm…

Cơ

-Vị trí-Lꢂc, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng suất,

độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọng-

Độ nhớt…

Quang

Nhiệt

-Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khꢆc xạ…

-Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt…

-Kiểu-Năng lượng-Cường độ…

Bức xạ

- Theo tính năng

+ Độ nhạy

+ Khả năng quá tải

+ Tốc độ đáp ứng

+ Độ ổn định

+ Độ chính xác

+ Độ phân giải

+ Độ tuyến tính

+ Tuổi thọ

+ Công suất tiêu thụ

+ Dải tần

+ Điều kiện môi trường

+ Kích thước,trọng lượng

+ Độ trễ

- Theo phạm vi sử dụng

+ Công nghiệp

+ Nông nghiệp

+ Dân dụng

+ Nghiên cứu khoa học

+ Môi trường, khí tượng

+ Thông tin, viễn thông

+ Giao thông vận tải...

- Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế

+ Cảm biến tích cꢂc (có nguồn) : Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chꢆng

cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại cꢂc

tính thꢁ không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C...tuyến tính hoặc

phi tuyến.

17

BÀI 2: ĐO DÒNG ĐIỆN

MĐ 6520228.20.02

Giới thiệu:

Dòng điện là một trong các thông số của mạch điện mà thường xuyên được

đo và kiểm tra tꢅy theo từng mục đích khác nhau trong từng trường hợp cụ thể. Có

những trường hợp dòng điện được đo để chỉ bóa bằng các đồng hồ dòng. Nhưng

cũng có những trường hợp dòng điện được đo để phục vụ cho việc bảo vệ hệ thống

tránh khỏi các sꢂ cố như ngắn mạch, quá tải, …Việc nắm bắt được các dụng cụ đo,

cách chọn và cách sử dụng chꢆng là một điều quan trọng đối với những một người

thợ điện.

Mục tiêu:

- Trꢁnh bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm của am-pe-mét kiểu từ

điện, kiểu điện từ.

- Chọn đꢆng các loại am pe mét phù hợp yêu cầu công việc đo.

- Sử dụng thành thạo các loại am-pe-mét để đo dòng điện một chiều và xoay

chiều.

Nội dung chính:

1. Cấu tạo, đặc điểm, nguyên lý hoạt động của các am pe mét

1.1.Am pe mét từ điện

Chế tạo dꢂa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, có đặc điểm là rất nhạy, tiêu thụ ít năng

lượng nên thường dꢅng để chế tạo ampemet có cấp chính xác (1,5; 1; 0,5; 0,2;

0,05). Đối với ampemet từ điện, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho điện trꢀ của cuộn

dây thay đổi dẫn tới sai số. Để giảm sai số người ta thường dꢅng phương pháp bꢅ

nhiệt, tức là dùng một nhiệt điện trꢀ có hệ số nhiệt điện trꢀ âm mắc nối tiếp trong

mạch của ampemet, vì vậy sẽ làm cho điện trꢀ của ampemet gần như không thay

đổi theo nhiệt độ. R_Tlà nhiệt điện trꢀ âm, thường là nhiệt điện trꢀ bán dẫn.

Hình 2.1. Bù sai số đo nhiệt độ và mở rộng thang đo

Ampemet từ điện chỉ có thể đo dòng điện một chiều nhỏ từ 20mA ÷ 100mA. Do đó

khi đo dòng điện lớn hơn thì phải mꢀ rộng thang đo bằng điện trꢀ sun.

18

1.2. Am pe mét điện từ

Được chế tạo dꢂa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Loại này có độ chính xác thấp

hơn nhưng nó bền chắc, dễ sử dụng và rẻ tiền nên được sử dụng rộng rꢄi hơn trong

công nghiệp. Ampemet điện từ có thể đo được cả dòng một chiều và dòng xoay

chiều nhưng chủ yếu là đo dòng xoay chiều. Có nhiều loại ampemet điện từ, chúng

giống nhau về nguyên lý làm việc song chỉ khác nhau về hình thức, số vòng dây và

kích thước cuộn dây đặt ꢀ phần tĩnh. Mꢇi cơ cấu điện từ được chế tạo với số Ampe

và số vòng nhất định.

Ví dụ: Cuộn dây tròn có IW = 200A vòng, cuộn dẹp có IW = 100÷150A vòng. Do

đó khi mꢀ rộng thang đo chỉ cần thay đổi sao cho IW là hằng số, bằng cách chia

đoạn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách nối ghép các đoạn đó để đo

dòng điện nhỏ, điện trung bình, dòng điện lớn.

Hình 2.2. Mở rộng thang đo của ampe mét điện từ

1.3. Am pe mét điện động

Có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nên chỉ dùng trong những trường hợp cần độ chính

xác cao, hoặc tín hiệu đo có tần số cao hơn.

a,

b,

Hình 2.3. Ampemet điện động

a, Hai cuộn dây mắc nối tiếp. b, Hai cuộn dây mắc song song

Sai số tần số trong dải từ một chiều tới 3000Hz được xem như không đáng kể. Với

các ampemet điện động khi dòng định mức I ≤ 0,5A thì cuộn dây động và cuộn dây

tĩnh nối tiếp nhau, còn khi dòng định mức lớn hơn thꢁ cuộn dây động và cuộn dây

tĩnh mắc song song với nhau.

2. Thực hành đo dòng điện

19

- Bước 1: Chuẩn bị đồng hồ ampemet (tꢅy theo dòng điện là 1 chiều hay xoay

chiều mà chọn ampe met cho phù hợp).

- Bước 2: Mắc ampemet nối tiếp với mạch điện cần đo

+ Với đồng hồ ampe 1 chiều thì phải đấu đꢆng chân “+” sau đồng hồ vào

dương nguồn, và chân “- ” vào âm nguồn.

+ Với đồng hồ ampe đo dòng xoay chiều thì không có cꢂc tính nên mắc chiều

nào cũng được.

- Bước 3: Đọc kết quả đo được trên mặt đồng hồ

Hình 2.4: Mắc ampe đo dòng điện mạch một chiều

3. Phương pháp mở rộng giới hạn đo

3.1. Dùng điện trở shunt

3.1.1. Giới thiệu điện trở Shunt và cách tính

a. Giới thiệu về điện trꢀ Shunt

Cơ cấu chỉ thị từ điện dùng chế tạo các ampemet cho mạch một chiều.

Khung dây được quấn bằng dây đồng có kích thước nhỏ từ 0,02 ÷ 0,04 mm. Vì vậy

dòng điện chạy qua khung dây thông thường chỉ nằm trong khoảng 20mA÷100mA.

Khi cần đo dòng điện lớn hơn ta phải dung điện trꢀ Shunt. Đó là điện trꢀ được chế

tạo bằng hợp kim của maganin có độ ổn định cao so với nhiệt độ.

Trên điện trꢀ Shunt thường có các thông số sau:

+ Dòng điện định mức trên hai cꢂc dòng, ví dụ: 100A; 200A; 10A; 20A;…

+ Điện áp định mức trên hai cꢂc áp, vị dụ: 50mV; 75mV; 100mV;…

+ Cấp chính xác của điện trꢀ Shunt, ví dụ: 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; …

Trên hꢀnh 2.5a là hꢁnh ảnh của một điện trꢀ Shunt có dòng điện chạy trên 2

20

cꢂc dòng thay đổi từ 0÷10A thꢁ điện áp ra trên 2 cꢂc áp sẽ là từ 0÷100mV. Trên

Giáo trình mô đun Đo các đại lượng điện và không điện - Nghề: Điện tàu thủy