Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Đo thông số của mạnh điện - Nguyễn Thanh Hường (Tiếp theo)

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Đo thông số của mạnh điện - Nguyễn Thanh Hường (Tiếp theo)

1. Kỹ thuật Đo lường Nguyen Thanh Huong, PhD 2020
2. Chương 6: Đo thông số của mạch điện ◼ Thông số của mạch điện bao gồm điện trở R, điện cảm L, điện dung C, góc tổn hao của tụ điện và hệ số phẩm chất của cuộn dây. ◼ Có 2 phương pháp đo thông số của mạch là đo trực tiếp và đo gián tiếp. + Đo gián tiếp là sử dụng ampe kế và vôn kế đo dòng và áp để từ các phương trình và định luật suy ra thông số cần đo. + Đo trực tiếp là dùng các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo như Ohmmet, Henrimet, Faramet 1/14/20221
3. Các phương pháp đo điện trở (Đo gián tiếp) Sử dụng Ampe kế và Vôn kế U R = ◼ Dựa vào định luật Ohm ta xác định được I ◼ Có thể mắc Itheo một trong hai sơ đồ sau: A Ix + Ix + A U V U V Rx - - Rx UUU R ' =v = v = v UUUIR−−. x U R ' ==v A v A A IIIx A− v v x I A − IIAA Rv Do đó ta thấy phép đo đạt giá trị Rõ ràng để R’x tiến tới giỏ chính xác cao khi Rv càng lớn trị của Rx thỡ RA càng nhỏ càng tốt (Rv >> Rx). Sơ đồ này càng tốt (RA << Rx). Sơ đồ được dùng để đo điện trở có giá b thường dựng để đo điện trị nhỏ. trở Rx lớn 1/14/2022 2
4. Các phương pháp đo điện trở (Đo gián tiếp) Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu U Io Ix + Ro Rx R0 Rx + U - - 1 2 Uo + + Ux V A Uo Ux = Io.Ro = Ix.Rx Ro Rx Ux Io Rx = .Ro Rx = .Ro Uo Ix 1/14/20223
5. Các phương pháp đo điện trở (Đo trực tiếp) Đo điện trở trực tiếp bằng Ohmmet ◼ Ohmmet là dụng cụ đo có cơ cấu chỉ thị từ điện với nguồn cung cấp là pin và các điện trở chuẩn ◼ Dựa vào định luật Ohm ta có R=U/I,, nếu giữ U không đổi thì dòng điện I qua mạch đo sẽ thay đổi khi điện trở thay đổi (tức là kim sẽ lệch những góc khác nhau khi giá trị của điện trở thay đổi). ◼ Có hai loại Ohmmet là Ohmmet nối tiếp Ohmmet song song. 1/14/20224
6. Ohmmet nối tiếp ◼ Đây là Ohmmet trong đó điện trở cần đo mắc nối tiếp với cơ cấu Rp chỉ thị. Uo + ◼ Ohmmet loại này thường để đo 1 giá trị điện trở Rx cỡ từ Ohm trở 2 lên. Rx ◼ Rp là điện trở phụ đảm bảo khi Rx = 0 dòng điện qua cơ cấu đo Uo là lớn nhất (hết thang chia độ) và Rx = 0 Ict max = để bảo vệ cơ cấu chỉ thị. Rct+ R p U ◼ Điện trở trong của Ohmmet Rx 0 I = o được xác định là ct RRR++ Uo ct p x R = Rct + Rp = Ict max R = x Ict = 0 Như vậy thang đo của Ohmmet song song có dạng nghịch 1/14/20225
7. Ohmmet nối tiếp ◼ Ngoài ra số chỉ của Ohmmet còn Rp phụ thuộc vào nguồn pin cung R Rm cấp bên trong. Khi Uo giảm thì Uo + sai số khá lớn. Để điều chỉnh sai 1 số này (hay còn gọi là điều chỉnh 2 zero) người ta mắc thêm chiết Rx áp Rm như hình bên: ◼ Cách chỉnh zero: mỗi lần sử dụng Ohmmet ta ngắn mạch đầu vào (cho Rx = 0 bằng cách chập hai đầu que đo với nhau), vặn núm điều chỉnh của Rm để kim chỉ zero trên thang đo. ◼ Bằng cách làm như trên ta sẽ có kết quả đo chính xác hơn dù nguồn pin bị yếu đi. 1/14/20226
8. Ohmmet song song ◼ Loại Ohmmet này có điện trở cần đo Rx mắc song song với cơ cấu chỉ thị như hình dưới đây ◼ Ohmmet loại này dùng để đo điện trở R khá nhỏ, nó có thang đo thuận chiều vì khi không có Rx (tức là Rx = ) dòng qua chỉ thị là lớn nhất còn khi Rx = 0 dòng qua chỉ thị xấp xỉ 0. Rp R U o Rm Ict = Uo + 11 Rx RRct 1++ p Rct Rx ◼ Như vậy thang đo của Ohmmet song song có dạng thuận 1/14/20227
9. Ohmmet nhiều thang đo Việc mở rộng nhiều chØnh lÖch kh«ng thang đo cho Ohmmet sẽ tuân R2 R1 theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn R3 R4 R5 R6 đo này sang giới hạn đo khác bằng cách R7 R8 R9 R10 R11 thay đổi điện trở vào Rx1k Rx100 Rx10 của Ohmmet với một Rx10k Rx1 số lần nhất định sao + + cho khi Rx = 0 kim 9V 1.5V chỉ vẫn đảm bảo lệch c«ng t¾c hết thang đo tức là Rx dòng qua cơ cấu đo bằng giá trị định Ohmmet nhiÒu thang ®o mức đã chọn 1/14/20228
10. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Wheatstone (cầu đơn) ◼ Để xác định điện trở Rx người ta R2 R3 điều chỉnh con chạy của R1 để chỉ + Uo thị chỉ 0, khi đó cầu ở trạng thái a b cân bằng, tức là Uab = 0 R1 Rx ◼ Theo công thức phân áp ta có: R R R 1 1 x CÇu Wheatstone VUao= . Va = Vb = RR12+ RRRR1++ 2 3 x R Đưa điện trở Rx vào x =RRRR1 3 2 x VUbo= . cầu và điều chỉnh con RRx + 3 chạy của R1 sao cho R3 =RR. kim chỉ thị chỉ 0, khi x 1 R R2 đó 3 RRx = . 1 R2 Hệ số R3 / R2 biết trước nên thang khắc độ có thể khắc trực tiếp giá trị của điện trở cần đo tuỳ thuộc vào vị trí con chạy của R1 1/14/20229
11. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Wheatstone (cầu đơn) ◼ Thông thường để mở rộng thang đo R2 K 1 R3 người ta + x1 x10 2 x100 x1k Giữ nguyên R2 Uo a R3 được thay bởi R5 b một dãy các điện R1 Rx trở có giá trị hơn kém nhau 10 lần ◼ khi đó ta sẽ có hệ CÇu Wheatstone nhiÒu thang ®o số nhân là bội của R5 là chiết áp điều chỉnh độ nhạy của 10. chỉ thị. Cách điều chỉnh -Cho K ở vị trí 1 để chỉnh thô, bảo vệ quá dòng cho chỉ thị -Cho K ở vị trí 2 để chỉnh tinh sao cho cầu cân bằng hoàn toàn 1/14/202210
12. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Kelvin (cầu kép) ◼ Đây là dụng cụ dùng để đo điện trở nhỏ và rất nhỏ mà cầu đơn ở trên không đo được hoặc có sai số quá lớn do điện trở dây nối và điện trở tiếp xúc. ◼ Dưới đây là mạch nguyên lý và sơ đồ thông thường của cầu kép: R1 I1 R2 I1 R3 R4 I Rx I2 R I2 Ro I + A Uo Rdc 1/14/202211
13. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Kelvin (cầu kép) ◼ Khi cầu cân bằng ta có chỉ thị chỉ 0, dòng qua chỉ thị bằng 0 nên dòng qua R1, R2 là dòng I1, dòng qua R3 , R4 là dòng I2 Vòng 1 R1 I1 R2 I1 IRIRIR1. 1 =+ .x 2 . 3 IRIR.x = 1. 1 – I 2 .R3 Vòng 1 R3 R4 Vòng 2 R 3 I Rx I2 R I2 Ro I −IRRII.(.x = 1 1 2 ) R1 Vòng 2 + A IRIRIR1. 2 =+ .o 2 . 4 Uo Rdc R IRIR.o = 1. 2 – I 2 .R4 3 R R II12− . Neu 3 = 4 Rx RR11R R R4 =. 12 −IRRII.(.o = 2 1 2 ) R R RRo 2 4 R1 2 II12− . = R R . R xoR 2 2 12
14. Cầu dòng xoay chiều (Đo C, L) ◼ Đây là dụng cụ dựa trên cầu đơn để đo điện cảm, điện dung, góc tổn hao và hệ số phẩm chất Q. ◼ Nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều tần số công nghiệp (50 – 60Hz), âm tần hoặc cao tần từ máy phát tần. ◼ Chỉ thị zero là dụng cụ xoay chiều như điện kế điện tử, máy hiện sóng ◼ Trong đó Z là tổng trở của các nhánh, Z = R +jX với R là phần thực Z1 Z2 và X là phần ảo. Uo ~ ◼ Điều kiện cân bằng của cầu là: Z4 Z3 Z1.Z3 = Z2.Z4 ◼ Điều kiện trên thoả mãn khi các điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng M¹ch cÇu dßng xoay chiªu pha được thoả mãn. 1/14/202213
15. Cầu xoay chiều đo điện dung ◼ Tụ điện lý tưởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không qua tụ) nhưng trong thực tế vẫn có thành phần dòng rò đi qua lớp điện môi vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Để đặc trưng cho sự tổn hao này người ta sử dụng thông số góc tổn hao tg Với tụ có tổn hao nhỏ tg= R   C Với tụ có tổn hao lớn tg=1 ( R   C) ◼ Trong đó R, C là hai thành phần đại diện cho phần thuần trở và phần thuần dung của tụ điện. 1/14/202214
16. a. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ ◼ Tụ điện có tổn hao nhỏ được biểu Cx diễn bởi một tụ điện lý tưởng Rx R1 mắc nối tiếp với một điện trở. Khi Uo ~ đó người ta mắc cầu như hình R2 bên Rm Cm Cx, Rx là nhánh tụ điện cần đo Cm, Rm là nhánh tụ mẫu điều chỉnh CÇu ®o tô ®iÖn cã tæn hao nhá Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ: Zx.Z2 = Z1.Zm 11 1 (RRRR+ ). = ( + ) ZR=+ xm21 xx j Cxm j C jC x R 1 1 RRxm= . ZRmm=+ RRRR = R jC 21xm 2 m RCRCR//= ZRZR==, 2xm 1 CC= 2 . 1 1 2 2 xm R1 1/14/202215
17. b. Cầu đo tụ điện tổn hao lớn ◼ Cầu cân bằng ta có điều kiện: Cx Zx.Z2=Z1.Zm 1 R1 R . x jC 1 Rx Z ==x Uo ~ x 1 1/ R+ j C Rx + xx Rm R2 jC x 1 R . Cm m jC 1 Z ==m m 1 CÇu ®o tô ®iÖn cã tæn hao lín 1/ Rmm+ j C Rm + jCm ZRZR1 == 1 2 2 R1 RR12 Rx= . Rm RR12 = R2 = Rx Rm R2 1/Rm++ j Cm 1/ Rx j Cx R1. Cx= R 2. Cm Cx= . Cm R1 R1(1/ Rx + j Cx ) = R 2.(1/ Rm + j Cm ) 1/14/202216
18. Cầu đo điện cảm ◼ Cuộn cảm lý tưởng là cuộn dây chỉ có thành phân điện kháng là (XL = L) hoặc chỉ thuần khiết là điện cảm L, nhưng trong thực tế các cuộn dây bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất của cuộn dây càng kém. Q là thông số đặc trưng cho phẩm chất của cuộn dây, nó được tính bằng: X Q = L RL ◼ Để đo các thông số của cuộn dây người ta thường dùng mạch cầu xoay chiều. 1/14/202217
19. Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Lx Rx R1 Zx.Z2 = Z1.Zm Uo ~ Lm R2 Zx =+ R x j L x Rm Zm =+ R m j L m ZRZR == , 1 1 2 2 CÇu ®o ®iÖn c¶m (Rx + j Lx ). R 2 = ( Rm + j Lm ). R 1 R1 Rx= . Rm w Lx w Lm Rx. R 2= Rm . R 1 R2 Q = = x Lx. R 2= Lm . R 1) R 1 Rx Rm Lx= . Lm R2 1/14/202218
20. Cầu điện cảm Maxwell ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Lx Rx Zx.Zm = Z1.Z2 R1 Z =+ R j L Uo ~ x x x Rm 1 Z = R2 m Cm 1Rmm + j C ZRZR1 == 1 , 2 2 CÇu ®iÖn c¶m Maxwell 1 (Rxx + j L ). = R12 . R RR. 1/ R+ j C 12 mm Rx = R 1 m R+ j L = R.() R + j C x x12 m LRRCxm= 12 Rm .Lx QCRx== m m Rx 1/14/202219
21. Cầu điện cảm Hay ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Rx Zx.Zm = Z1.Z2 Lx R1 Rxx  j L Z x = Uo ~ Rxx + j L 1 R2 Cm Rm ZRmm =+ jC m Cầu điện cảm Hay ZRZR1 == 1 , 2 2 LRRCxm= 12 Rxx. j L 1 ().RRRm + =12 RR. R = 12 Rx+ j L x j C m x Rm .Lx QCRx== m m Rx 1/14/202220
22. Chương 12: Đo tần số và góc pha ◼ Tần số và góc pha là các đại lượng đặc trưng cho các quá trình dao động có chu kỳ. ◼ Phép đo tần số sử dụng tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao nhất so với các phép đo khác (10-13 – 10-12) + Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó U(t) = U(t + T) + Tần số f(Hz) được xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong một đơn vị thời gian. + Tần số góc của tín hiệu được xác định bởi biểu thức  = 2 f Tần số, góc pha và chu kỳ liên quan với nhau theo biểu thức:  = .2 Với  là khoảng thời gian chênh lệch T giữa hai tín hiệu 1/14/202221
23. Đo tần số và góc pha ◼ Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng bao gồm các loại sau: Tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện động). Loại tần số kế này dùng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz – 2,5kHz với cấp chính xác không cao (0,2; 0,5; 1,5 và 2,5) và tiêu thụ điện năng khá lớn Tần số kế điện dung tương tự để đo tần số trong dải từ 10Hz – 500kHz Tần số kế chỉ thị số có thể đo khá chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz – 50GHz. Ngoài ra nó còn được sử dụng để đo tỉ số giữa các tần số, chu kỳ, độ dài xung và khoảng thời gian. 1/14/202222
24. Đo tần số và góc pha ◼ Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm: Tần số kế trộn tần dùng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu điều chế biên độ trong khoảng 100kHz – 20GHz Tần số kế cộng hưởng để đo tần số trong dải tần 50kHz – 10GHz Cầu xoay chiều phụ thuộc vào tần số để đo tần số trong khoảng 20Hz – 20kHz Máy hiện sóng (oscilloscope) để so sánh tần số cần đo với tần số của máy phát chuẩn, dải tần đo có thể từ 10Hz – 100MHz (loại hiện đại nhất hiện nay có thể lên tới 500MHz) 1/14/202223
25. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng Tần số kế cộng hưởng điện từ ◼ Cấu tạo Nam châm điện Thanh rung bằng các lá thép có tần số cộng hưởng riêng. Một đầu của thanh rung bị gắn chặt còn một đầu dao động tự do. Tần số dao động riêng của mỗi thanh bằng 2 lần tần số cần đo. Thang đo khắc độ theo tần số, có thể dạng đĩa hoặc dạng thanh 1/14/202224
26. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng Tần số kế cộng hưởng điện từ ◼ Dưới tác động của từ trường tạo ra bởi nam châm điện các thanh rung bị hút vào nam châm 2 lần trong một chu kỳ của dòng đưa vào nam châm, do đó tạo nên dao động với tần số gấp 2 lần tần số của dòng đưa vào nam châm. Khi thanh rung có tần số dao động riêng bằng 2 lần tần số cần đo thì nó sẽ dao động với biên độ lớn nhất (hiện tượng cộng hưởng xảy ra) và qua đó xác định được tần số cần đo 1/14/202225