Giáo trình mô đun tích hợp Đo lường điện - Nghề: Vận hành nhà máy thuỷ điện

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ

MÔ ĐUN TÍCH HỢP: ĐO LƯỜNG ĐIỆN

NGHỀ: VẬN HÀNH NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP

Lào Cai, năm 2019

- 1 -

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................... 3

BÀI 1: CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ..................................................... 4

1. ĐỊNH NGHĨA ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO. ....................................... 9

2. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG..…………………………………………….6

3. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO…………………………………………………………….6

4. KHÁI NIỆM VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG…..……………………………………………….6

BÀI 2: CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN.................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

1. Cơ sở chung.. ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

2.Cơ cấu chỉ thị từ điện........................................................... Error! Bookmark not defined.

3.Cơ cấu chỉ thị điện từ........................................................... Error! Bookmark not defined.

4. Cơ cấu chỉ thị điện động. .................................................... Error! Bookmark not defined.

5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng....................................................... Error! Bookmark not defined.

BÀI 3: ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP ............................................................................ 21

1. NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA VIỆC ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP......................................... 22

2. Đo dòng điện. .................................................................................................................. 22

3. Đo điện áp. ...................................................................................................................... 28

BÀI 4: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG....................................................................... 22

1. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch một pha. ............................................. 56

2. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch ba pha ................................................ 63

BÀI 5: ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ.................................................................................. 65

1. Đo góc pha .......................................................................... Error! Bookmark not defined.

2. Đo tần số. ........................................................................................................................ 35

BÀI 6: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN........................................................... 42

1. ĐO ĐIỆN TRỞ. ............................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

2. Đo điện cảm. ....................................................................... Error! Bookmark not defined.

3. Đo điện dung....................................................................... Error! Bookmark not defined.

PHẦN V. TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO........................................................................ 66

- 2 -

Lời nói đầu

Môn học kỹ thuật đo lường trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo dùng trong

ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho Vận hành nhà

máy thuỷ điện.

Kỹ thuật Đo lường Điện là môn học nghiên cứu các cơ cấu đo, các phương

pháp đo các đại lượng vật lý: đại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất…

Bài giảng Kỹ thuật Đo lường Điện được biên soạn dựa trên các giáo trình và tài

liệu tham khảo mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các

ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Cơ điện nông thôn, ...

Cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về kỹ thuật đo

lường trong ngành Vận hành nhà máy thuỷ điện. Trình bày các dụng cụ đo, nguyên lý

đo và phương pháp đo các thông số. Trên cơ sở đó, người học biết cách sử dụng dụng

cụ đo và xử lý kết quả đo trong công việc sau này.

Trong quá trình biên soạn, đã được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến,

mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách được hoàn chỉnh hơn, song chắc

chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế.

Mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc.

- 3 -

CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN ĐÀO TẠO ĐO LƯỜNG ĐIỆN

Mã số mô đun: MĐ 19

Thời gian mô đun: 60 giờ;

(Lý thuyết: 25 giờ; Thực hành: 35 giờ)

I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:

- Đo lường điện là mô đun chuyên môn nghề dùng để đào tạo nghề Vận hành nhà

máy thủy điện trình độ Trung cấp nghề; được bố trí sau khi học xong các môn kỹ thuật

cơ sở;

- Mô đun Đo lường điện cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về các

phương pháp đo lường được sử dụng trong nhà máy thuỷ điện.

II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN:

Học xong mô đun này, người học có khả năng:

- Trình bày được khái niệm về đo lường điện và sai số của phép đo;

- Chỉ ra được các phương pháp đo đại lượng điện bằng phương pháp đo trực tiếp

hoặc gián tiếp;

- Trình bày được cấu tạo của các loại cơ cấu đo thông dụng;

- Nhận biết được phạm vi ứng dụng của các loại cơ cấu đo;

- Đo được các đại lượng điện R, L, C, U, I, f, công suất và điện năng;

- Đo được các đại lượng điện bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp;

- Lựa chọn các loại máy đo, thiết bị đo thích hợp cho từng trường hợp đo cụ thể;

- Sử dụng thành thạo các loại máy đo điện thông dụng.

III. NỘI DUNG MÔ ĐUN:

1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:

Thời gian

STT

Tên các bài trong mô đun

Tổng

số

8

Lý

Thực Kiểm

thuyết

hành

tra *

1

2

3

4

5

6

Cơ sở chung về kỹ thuật đo lường.

Các cơ cấu chỉ thị cơ điện.

Đo dòng điện và điện áp.

Đo công suất và điện năng.

Đo góc pha và tần số

4

6

4

8

15

10

8

1

4

6

4

5

3

5

Đo các thông số của mạch điện.

Tổng cộng:

9

4

1

60

25

32

3

* Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành được tính

vào giờ thực hành

2. Nội dung chi tiết:

Bài 1: Cơ sở chung về kỹ thuật đo lường

Thời gian: 8 giờ

Mục tiêu của bài:

- 4 -

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được các kiến thức chung về kỹ thuật đo lường;

- Định nghĩa, phân loại được cách thực hiện phép đo;

- Nhận biết được sơ đồ cấu trúc của các dụng cụ đo, các đặc tính tĩnh và đặc tính

động của thiết bị đo;

- Trình bày được khái niệm, phân loại các bộ chuyển đổi đo lường.

Nội dung:

1. Định nghĩa đo lường và phân loại thiết bị đo:

1.1. Định nghĩa;

1.2. Phân loại cách thực hiện phép đo;

1.3. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường;

1.4. Phân loại thiết bị đo.

2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo lường:

2.1. Phân loại dụng cụ đo;

2.2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo.

3. Các đặc tính của thiết bị đo:

3.1. Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo;

3.2. Các đặc tính động của thiết bị đo.

4. Khái niệm về chuyển đổi đo lường:

4.1. Khái niệm;

4.2. Định nghĩa về chuyển đổi đo lường;

4.3. Phân loại chuyển đổi đo lường;

4.4. Một số chuyển đổi thường gặp.

Bài 2: Các cơ cấu chỉ thị cơ điện

Thời gian: 15 giờ

Mục tiêu của bài:

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được nguyên lý làm việc, các chi tiết cơ khí chung của chỉ thị cơ điện;

- Mô tả được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại cơ cấu chỉ thị.

Nội dung:

1. Cơ sở chung:

1.1. Nguyên lý làm việc của các cơ cấu chỉ thị cơ điện;

1.2. Các chi tiết cơ khí chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện;

1.3. Các ký hiệu quy ước trên mặt dụng cụ đo.

2. Cơ cấu chỉ thị từ điện:

2.1. Cấu tạo;

2.2. Nguyên lý làm việc;

2.3. Đặc tính và ứng dụng.

3. Cơ cấu chỉ thị điện từ:

- 5 -

3.1. Cấu tạo;

3.2. Nguyên lý làm việc;

3.3. Đặc tính và ứng dụng.

4. Cơ cấu chỉ thị điện động:

4.1. Cấu tạo;

4.2. Nguyên lý làm việc;

4.3. Đặc điểm và ứng dụng;

4.4. Cơ cấu sắt điện động.

5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng :

5.1. Cấu tạo;

5.2. Nguyên lý làm việc;

5.3. Đặc điểm và ứng dụng.

6. Kiểm tra.

Bài 3: Đo dòng điện và điện áp

Thời gian: 10 giờ

Mục tiêu của bài:

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo dòng điện, điện áp;

- Tóm tắt được nội dung các phương pháp đo dòng điện và điện áp.

Nội dung:

1. Những yêu cầu cơ bản của việc đo dòng điện và điện áp:

1.1. Yêu cầu về điện trở;

1.2. Yêu cầu về đặc tính tần.

2. Đo dòng điện:

2.1. Phương pháp đo;

2.2. Các phương pháp đo mở rộng thang đo.

3. Đo điện áp:

3.1. Đặc điểm cấu tạo và phương pháp sử dụng;

3.2. Phương pháp mở rộng giới hạn đo.

Bài 4: Đo công suất và điện năng

Thời gian: 10 giờ

Mục tiêu của bài:

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo công suất, điện năng;

- Tóm tắt được nội dung các phương pháp đo công suất và điện năng.

Nội dung:

1. Đo công suất và điện năng trong mạch một pha:

1.1. Đo công suất tác dụng bằng oát mét điện động;

1.2. Đo công suất phản kháng một pha;

1.3. Đo điện năng tác dụng bằng công tơ cảm ứng một pha.

- 6 -

2. Đo công suất và điện năng tác dụng trong mạch ba pha:

2.1. Đo công suất phản kháng trong mạch ba pha;

2.2. Đo điện năng phản kháng trong mạch ba pha.

3. Kiểm tra.

Bài 5: Đo góc pha và tần số

Thời gian: 8 giờ

Mục tiêu của bài:

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo góc pha, tần số;

- Tóm tắt được nội dung các phương pháp đo góc pha và tần số.

Nội dung:

1. Đo góc pha:

1.1. Phương pháp dùng am pe mét và vol mét (đo cos  gián tiếp);

1.2. Phương pháp dùng Fa zô mét điện động (đo trực tiếp);

1.3. Fazômét điện tử;

1.4. Fazômét chỉ thị số.

2. Đo tần số:

2.1. Phương pháp đo dùng vol mét, am pe mét (gián tiếp);

2.2. Tần số mét (kế) cộng hưởng điện từ;

2.3. Tần số kế điện động;

2.4. Tần số mét điện tử;

2.5. Tần số kế chỉ thị số.

Bài 6: Đo các thông số của mạch điện

Thời gian: 9 giờ

Mục tiêu của bài:

Học xong bài này, người học có khả năng:

- Trình bày được những yêu cầu cơ bản của việc đo các thông số của mạch điện;

- Tóm tắt được nội dung các phương pháp đo các thông số của mạch điện.

Nội dung:

1. Đo điện trở:

1.1. Ý nghĩa và yêu cầu của việc đo điện trở;

1.2. Phương pháp gián tiếp;

1.3. Đo điện trở bằng phương pháp trực tiếp;

1.4. Đo điện trở bằng cầu đơn và cầu kép (phương pháp so sánh).

2. Đo điện cảm:

2.1. Phương pháp trực tiếp;

2.2. Phương pháp gián tiếp.

3. Đo điện dung:

3.1. Các phương pháp đo;

3.2. Đo tổn thất điện môi bằng cầu xoay chiều.

- 7 -

4. Kiểm tra.

IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔ ĐUN:

- Giáo trình, tài liệu tham khảo;

- Điện trở; Tụ điện; cuộn cảm các loại;

- Dây nối;

- Các loại đồng hồ đo;

- Phòng học, phấn bảng.

V. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ:

- Phương pháp đánh giá: Đánh giá kết quả học tập thông qua việc kiểm tra nhận

thức của người học bằng các hình thức theo đúng quy chế thi, kiểm tra và công nhận

tốt nghiệp hiện hành do Bộ Lao động Thương binh và Xã hội ban hành.

- Nội dung đánh giá:

+ Kiến thức: thông qua các bài kiểm tra bằng hình thức trắc nghiệm hoặc tự

luận những nội dung về cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại cơ cấu đo lường điện;

+ Kỹ năng: Đánh giá thông qua việc lắp đặt các mạch đo, kỹ năng thực hành đo

điện bằng các thiết bị đo lường điện;

+ Thái độ: Thông qua việc theo dõi về

- Ý thức chấp hành nội quy học tập

- Tác phong và trách nhiệm trong công việc

VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ ĐUN:

1. Phạm vi áp dụng chương trình:

Chương trình dùng dạy nghề trình độ Trung cấp.

2. Hướng dẫn một số điểm chính thực hiện chương trình:

- Bám sát chương trình đã đề ra, theo nội dung môn học đã đề ra;

- Ứng dụng các phương tiện thiết bị giảng dạy mới để góp phần làm phong phú

thêm nội dung bài giảng;

- Chuẩn bị đầy đủ các trang thiết bị cho người học thực hành.

3. Những trọng tậm chương trình cần chú ý:

- Các cơ cấu chỉ thị cơ điện;

- Đo dòng điện và điện áp;

- Đo công suất và điện năng.

4. Tài liệu tham khảo:

-

Đo lường và điều khiển bằng máy tính- Ngô Diên Tập - NXB khoa học kỹ

thuật, 1997

Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện- Nguyễn Văn Hòa - Vụ

trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo Dục, 2002

Kỹ thuật đo- Nguyễn Ngọc Tân - NXB khoa học kỹ thuật

Cảm biến và ứng dụng - Dương Minh Trí - NXB khoa học kỹ thuật

-

- 8 -

BÀI 1: CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các quá trình

công nghệ… đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng để có các quyết định

phù hợp. Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng nghiên cứu được thực

hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho các thông số đó.

1. ĐỊNH NGHĨA ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO:

1.1 Định nghĩa

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả

bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa

bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo):

X

Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: A =

và ta có X = A.X₀

X ₀

Trong đó: X - đại lượng đo

X₀- đơn vị đo

A - con số kết quả đo.

Từ (1.1) có phương trình cơ bản của phép đo: X = A_x. X_o, chỉ rõ sự so sánh X

so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần đo X phải có tính chất là các giá

trị của nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh

được thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được.

1.2 Phân loại cách thực hiện phép đo

Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao

gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả

hay chỉ thị. Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận

thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số,

yêu cầu…

Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo

mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá

trình đo lường. Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường

phân thành 2 loại phương pháp đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương

pháp đo kiểu so sánh.

1.2.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng,

nghĩa là không có khâu phản hồi.

- Quá trình thực hiện:

* Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số N_X, đồng thời

đơn vị của đại lượng đo X_Ocũng được biến đổi thành con số N_O.

* Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia

N_X/N_O),

* Thu được kết quả đo: A_X= X/X_O= N_X/N_O.

- 9 -

Hình 1.1. Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng.

Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá

trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị X_Osau khi

qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi

tương tự - số A/D để có N_Xvà N_O, qua khâu so sánh có N_X/N_O.

Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các

khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này

thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm.

1.2.2.Phương pháp đo kiểu so sánh:

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa

là có khâu phản hồi.

- Quá trình thực hiện:

+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật

lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh.

+ Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá

trìnhđo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo.

Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá

trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù).

Hình 1.2. Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh.

* Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo X và

đại lượng tỉ lệ với mẫu X_K, qua bộ so sánh có: Δ_X= X - X_K. Tùy thuộc vào cách so

sánh mà sẽ có các phương pháp sau:

- So sánh cân bằng:

Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu X_K= N_K.X_O

được so sánh với nhau sao cho Δ_X= 0, từ đó suy ra X = X_K= N_K.X_O

suy ra kết quả đo: A_X= X/X_O= N_K. Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X

thay đổi để được kết quả so sánh là Δ_X= 0 từ đó suy ra kết quả đo.

Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ

thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết Δ_X= 0).

Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng

- 10 -

- So sánh không cân bằng:

Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trước, qua

bộ so sánh có được Δ_X= X - X_K, đo Δ_Xsẽ có được đại lượng đo X = Δ_X+ X_Ktừ đó có

kết quả đo: A_X= X/X_O= (Δ_X+ X_K)/X_O.

Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của X_Kquyết

định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ΔX, giá trị của ΔX so với

X (độ chính xác của phép đo càng cao khi Δ_Xcàng nhỏ so với X).

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo

ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ…

- So sánh không đồng thời:

Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị

đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu X_K, khi

hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = X_K.

Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo,

sau đó thay X bằng đại lượng mẫu X_Kthích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng thái

như khi X tác động, từ đó suy ra X = X_K. Như vậy rõ ràng là X_Kphải thay đổi khi X

thay đổi.

Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của X_K. Phương pháp này chính xác

vì khi thay X_Kbằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên. Thường thì

giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá

trị của đại lượng đo X. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực

tiếp như vônmét, ampemét chỉ thị kim.

- So sánh đồng thời:

Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và đại

lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo.

Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu),

thước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các điểm

trùng nhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:1 inch = 127/5 =

254/10 = 25,4 mm

Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của

các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng.

Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là:

- Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo

- Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp

- Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ

phương trình mới có kết quả

- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả

2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo lường:

2.1. Phân loại dụng cụ đo;

* Theo cách biến đổi có thể phân thành:

- 11 -

+ Dụng cụ đo biến đổi thẳng: là dụng cụ đo đại lượng cần đo X được biến đổi thành

lượng ra Y theo một đường thẳng không có khâu phản hổi

+ Dụng cụ đo kiểu biến đổi bù: là loại dụng cụ đo có mạch phản hồi với các chuyển

đổi ngược biến đổi đại lượng ra Y thành đại lượng bù X_Kđể bù với tín hiệu đo X

* Theo phương pháp so sánh

+ Dụng cụ đo đánh giá trực tiếp: là dụng cụ được khắc độ theo đơn vị của đại lượng đo

từ trước, khi đo đại lượng đo so sánh với nó để cho ra kết quả đo

+ Dụng cụ đo kiểu so sánh: Là dụng cụ đo thực hiện việc so sánh qua mỗi lần đo

* Theo phương pháp đưa ra thông tin

+ Dụng cu đo tương tự là dụng cụ có chỉ số là một hàm liên tục của đại lượng đo:

Dụng cụ đo tương tự bao gồm dụng cụ đo có kim chỉ, dụng cụ đo kiểu tự ghi (kết quả

đo được ghi lại dưới dạng đường cong phụ thuộc thời gian)

+ Dụng cụ đo chỉ dố: Là dụng cụ trong đó đại lượng đo liên tục được biến đổi thành

rời rạc và kết quả đo thể hiện dưới dạng số

* Theo đại lượng đo: Các dụng cụ được mang tên đại lượng đo như Vônmét,

Ampemét, Oátmét..

* Theo điều kiện đo: Đo ngoài trời, trong nhà, dưới nước...

* Theo kết cấu: đo 1 chiều, đo xoay chiều

* Theo loại dòng điện: Đo 1 chiều, đo xoay chiều

* Theo điện áp: hạ áp, cao áp

2.2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo.

Mỗi dụng cụ đo thường gồm ba khâu chính: Chuyển đổi sơ cấp, mạch đo, cơ

cấu chỉ thị

CT

MĐ

CĐSC

- Chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện, là

khâu quan trọng nhất của thiết bị do.

- Mạch đo là khâu gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán

và thực hiện sơ đồ mạch. Mạch đo thường là mạch điện tử vi xử lý để nâng cao đặc

tính của dụng cụ đo

- 12 -

- Cơ cấu chỉ thị là khâu cuối cùng của dụng cụ thể hiện kết quả đo dưới dạng con số so

với đơn vị. Có 3 cách thể hiện kết quả đo: chỉ thị bằng kim, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi,

chỉ thị bằng con số. Có ba cách thể hiện kết quả đo

+ Chỉ thị bằng kim

+ Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi

+ Chỉ thị dưới dạng con số

3. Các đặc tính của thiết bị đo:

3.1. Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo;

a. Sai số

b. Điện trở đầu vào, đầu ra

3.2. Các đặc tính động của thiết bị đo.

4. Khái niệm về chuyển đổi đo lường:

4.1. Khái niệm;

Là chuyển đổi từ tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện được ứng dụng trong

hệ thống cảm biến: quang nhiệt, lưu lượng, áp suất....

4.2. Định nghĩa về chuyển đổi đo lường;

Là chuyển đổi từ tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện được ứng dụng trong

hệ thống cảm biến: quang nhiệt, lưu lượng, áp suất....

4.3. Phân loại chuyển đổi đo lường;

* Định nghĩa chuyển đổi đo lường: * Phân loại chuyển đổi đo lường:

- Theo biến đổi: Biến đổi thẳng, biến đổi bù (là loại dụng cụ có mạch phản hồi với các

biến đổi ngược biến đổi đại lượng ra Y thành X_kđể bù với tín hiệu đo).

- Theo phương pháp so sánh: dụng cụ đánh giá trực tiếp, dụng cụ đo kiểu so sánh

- Phương pháp đưa ra thông tin: Dụng cụ đo tương tự, dụng cụ đo kiểu kim chỉ, dụng

cụ đo tự ghi (kết quả đo đưa ra kiểu đường cong phụ thuộc thời gian), dụng cụ đo chỉ

thị số

4.4. Một số chuyển đổi thường gặp.

Một số chuyển đổi thường gặp: chuyển đổi điện trở, chuyển đổi điện cảm,

chuyển đổi hỗ cảm, chuyển đổi áp từ, chuyển đổi điện dung, chuyển đổi nhiệt điện

- 13 -

BÀI 2: CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN

Dụng cụ đo tương tự có số chỉ là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên

tục. Thường sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu vào là dòng điện, tín hiệu ra là góc

quay của kim chỉ hoặc bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi). Những dụng cụ đo này là

dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lượng cần đo X như điện áp, dòng điện, tần số, góc pha

… được biến đổi thành góc quay α của phần động (so với phần tĩnh), tức là biến đổi từ

năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học.

Từ đó có biểu thức quan hệ: α = f ( X )

với X là đại lượng điện.

Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong các dụng cụ đo các đại lượng: dòng

điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở…của mạch điện một chiều và xoay

chiều tần số công nghiệp.

1. CƠ SỞ CHUNG

1.1. Nguyên lý làm việc của các cơ cấu chỉ thị cơ điện

Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác động của từ trường

(do nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu

đo sẽ sinh ra mômen quay M_qtỷ lệ với độ lớn của dòng điện I đưa vào cơ cấu:

dW_e

M_q

d

Trong đó:

W_e: năng lượng điện từ trường

α: góc lệch của phần động

Nếu đặt vào trục của phần động một lò xo cản, khi phần động quay lò xo bị

xoắn lại sinh ra mômen cản M_ctỷ lệ thuận với góc lệch α và được tính:

M_c= D . 

Trong đó D là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước lò xo.

Khi mômen cản bằng mômen quay, phần động của cơ cấu dừng lại ở vị trí cân

bằng:

1 dW_e

D d

dW_e

  

M_q M_c

 D.

(1)

d

Phương trình (1) là phương trình đặc tính thang đo, cho biết đặc tính thang đo

và tính chất của cơ cấu chỉ thị.

M

Mq₁

Mc

Mq₂



_c1

_c2

- 14 -

Hình 2.2. Xác định vị trí cân bằng α_cbằng đồ thị.

Vị trí cân bằng α_ccó thể xác định bằng đồ thị như hình 5.2: ứng với các dòng

điện I khác nhau có các góc lệch α khác nhau tương ứng với giá trị đo được.

Ngoài hai mômen cơ bản trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ thị cơ

điện còn chịu tác dụng của nhiều mômen khác: mômen ổn định, mômen ma sát,

mômen cản dịu, mômen động lượng…với các tính chất và tác dụng khác nhau.

1.2. Các chi tiết cơ khí chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

Hình 2.1. Các bộ phận và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện.

- Trục và trụ: đảm bảo cho phần động quay trên trục như: khung dây, kim chỉ,

lò xo cản…

- Lò xo phản kháng hoặc dây căng và dây treo: tạo ra mômen cản (có mômen

cản riêng D) và dẫn dòng điện vào khung dây. Dây căng và dây treo được sử dụng khi

cần giảm mômen cản để tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ thị.

- Kim chỉ: được gắn vào trục quay, độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ

với góc quay α.

- Thang đo: là mặt khắc độ khắc giá trị của đại lượng đo.

- Bộ phận cản dịu: có tác dụng rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác

lập vị trí cân bằng nhanh chóng.

1.3. Các ký hiệu quy ước trên mặt dụng cụ đo.

+

: Cơ cấu đo kiểu điện từ

+ ∩ : Cơ cấu đo kiểu từ điện

: Đặt vuông góc

+

+ 2,5 or 1,5… Cấp chính xác của dụng cụ đo

+ 5A (or 10A; 30A; 100A...) giới hạn đo lớn nhất của đồng hồ.

2.CƠ CẤU CHỈ THỊ TỪ ĐIỆN

2.1. Cấu tạo

- 15 -

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình

thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở

làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.

- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng. Khung dây

được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7

mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 2.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện.

2.2 Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ

trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay M_qlàm khung dây lệch

khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo biểu thức:

dW_e

M_q

 B.S.W.I

d

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

Với:

W: số vòng dây của khung dây.

Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:

1

M_q M_c B.S.W.I  D.    B.S.W.I  S_I.I

D

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc

nhất với dòng điện I chạy qua khung dây.

2.3 Các đặc tính và ứng dụng

Từ biểu thức (5.1) suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

- Chỉ đo được dòng điện một chiều.

- Đặc tính của thang đo đều.

1

- Độ nhạy S_I .B.SW là hằng số.

D

- Ưu điểm: độ chính xác cao; ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể

(do từ trường là do nam châm vĩnh cửu sinh ra); công suất tiêu thụ nhỏ nên ảnh hưởng

không đáng kể đến chế độ của mạch đo; độ cản dịu tốt; thang đo đều (do góc quay

- 16 -

tuyến tính theo dòng điện).

- Nhược điểm: chế tạo phức tạp; chịu quá tải kém (do cuộn dây của khung quay

nhỏ); độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ, chỉ đo dòng một

chiều.

- Ứng dụng: Cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo ampemét vônmét, ômmét

nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5).

. Chế tạo các loại ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo, dải đo rộng.

. Chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao có thể đo được: dòng đến 10^-12A, áp

đến 10^-4V, đo điện lượng, phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay trong

điện thế kế.

. Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị

tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15kHz; được sử dụng để chế tạo các

đầu rung.

. Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau.

. Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử,

pha kế điện tử…

. Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo

được dòng, áp xoay chiều.

3. Cơ cấu chỉ thị điện từ

3.1 Cấu tạo: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:

- Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc).

- Phần động: là lõi thép 2 được gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do

trong khe làm việc của cuộn dây. Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không khí 4,

kim chỉ 6, đối trọng 7.

Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ 8.

Hình 2.5. Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ.

3.2 Nguyên lý làm việc

Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện hút

lõi thép 2 (phần

động) vào khe hở không khí với mômen quay:

dWe

d

L.I ²

M _q

với W_e

2

Với L là điện cảm của cuộn dây, suy ra:

- 17 -

1

M_q I ²

2

dL

d

Tại vị trí cân bằng có:

1 dL

M_q M_c  

I ²

2D 

là phương trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ.

3.3 Các đặc tính và ứng dụng

- Góc quay α tỉ lệ với bình phương của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào

chiều của dòng điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều.

- Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dα là một đại lượng

phi tuyến.

- Cản dịu thường bằng không khí hoặc cảm ứng.

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn.

- Nhược điểm: độ chính xác không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị

sai số (do hiện tượng từ trễ, từ dư…); độ nhạy thấp; bị ảnh hưởng của từ trường

ngoài(do từ trường của cơ cấu yếu khi dòng nhỏ).

Ứng dụng: thường được sử dụng đẻ chế tạo các loại ampemét, vônmét trong

mạch xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2. Ít dùng trong các mạch

có tần số cao.

4. Cơ cấu chỉ thị điện động

4.1 Cấu tạo: như hình vẽ gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động:

- Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1 (được chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra

từ trường khi có dòng điện chạy qua. Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn

dây tĩnh.

- Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây 2

được gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị.

Cả phần động và phần tĩnh được bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh

hưởng của từ trường ngoài.

4.2 Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện I₁chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trường

trong lòng cuộn dây. Từ trường này tác động lên dòng điện I₂chạy trong khung dây 2

- 18 -

(phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α.

Mômen quay được tính:

dWe

M_q

d

Với: W_elà năng điện điện từ trường.

Có hai trường hợp xảy ra:

- I₁, I₂là dòng điện một chiều:

dM₁₂

1

 

I₁.I₂

D d

Với: M₁₂là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động.

- I₁và I₂là dòng điện xoay chiều:

dM₁₂

1

 

I₁.I₂.Cos

D d

Với: ψ là góc lệch pha giữa I₁và I₂.

Hình 2.7. Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động.

4.3 Các đặc tính và ứng dụng

- Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều.

- Góc quay α phụ thuộc tích (I₁.I₂) nên thang đo không đều

- Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha ψ giữa hai dòng điện

nên có thể ứng dụng làm Oátmét đo công suất.

- Ưu điểm cơ bản: có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều.

- Nhược điểm: công suất tiêu thụ lớn nên không thích hợp trong mạch công suất

nhỏ. Chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ.

Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu.

Ứng dụng: chế tạo các ampemét, vônmét, óatmét một chiều và xoay chiều tần

số công nghiệp; các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ.

Trong mạch có tần số cao phải có mạch bù tần số (đo được dải tần đến 20KHz).

5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng.

5.1 Cấu tạo chung:

- 19 -

Như hình 2.11: gồm phần tĩnh và phần động.

- Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 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, có ít nhất là 2

nam châm điện.

- Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trụ 5.

Hình 2.10. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng.

5.2 Nguyên lý làm việc

Dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều (được tạo ra bởi dòng

điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó

cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều:

Khi dòng điện I₁, I₂vào các cuộn dây phần tĩnh → sinh ra các từ thông Ф₁, Ф₂

(các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tương

ứng), từ thông Ф₁, Ф₂cắt đĩa nhôm 1 (phần động) → xuất hiện trong đĩa nhôm các

π/2) → xuất hiện các dòng

sức điện động tương ứng E₁, E₂(lệch pha với Ф₁, Ф₂góc

điện xoáy I_x1, I_x2(lệch pha với E₁, E₂góc α₁, α₂).

Các từ thông Ф₁, Ф₂tác động tương hỗ với các dòng điện I_x1, I_x2→ sinh ra các

lực F₁, F₂và các mômen quay tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động).

Mômen quay được tính:

M_q= C.f.₁.₂.Sin

Với: C là hằng số

f là tần số của dòng điện I₁, I₂

ψ là góc lệch pha giữa I₁, I₂

5.3 Các đặc tính và ứng dụng

- Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trường.

- Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha ψ giữa I₁, I₂bằng π/2.

- Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra các từ trường.

- Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều.

- Nhược điểm: mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số.

Ứng dụng: chủ yếu để chế tạo côngtơ đo năng lượng; có thể đo tần số…

- 20 -