Bài giảng Kỹ thuật đo lường điện tử

134 trang vanle 1920

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật đo lường điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_do_luong_dien_tu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật đo lường điện tử

Đỗ L−ơng Hùng Phạm Thanh Huyền Đào Thanh Toản Ω + - Bài giảng kỹ thuật đo l−ờng điện tử Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT Hμ nội 6/ 2005
BomonKTDT-ĐHGTVT Lời nói đầu: Kỹ thuật Đo l−ờng Điện tử là môn học nghiên cứu các ph−ơng pháp đo các đại l−ợng vật lý: đại l−ợng điện: điện áp, dòng điện, công suất, và đại l−ợng không điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc Bài giảng Kỹ thuật Đo l−ờng Điện tử đ−ợc biên soạn dựa trên các giáo trình và tài liệu tham khảo mới 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 2
DTT_PTH_DLH 3
BomonKTDT-ĐHGTVT 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: X A = → X = A.Xo Xo 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. 4
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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. 5
BomonKTDT-ĐHGTVT 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 von V động 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 6
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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. 7
BomonKTDT-ĐHGTVT X X Nx Nx/No Xo BĐ A/D SS CT Xo No 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 Nx Kết qủa đo: X = .Xo No 2. Ph−ơng pháp đo kiểu so sánh Ph−ơng pháp này có sử dụng khâu hồi tiếp X Nk SS BĐ A/D CT Xk D/A 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 Δ X = 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 Δ X = 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 + Δ X Nghĩa là kết qủa đo đ−ợc đánh giá thông qua Δ X 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 8
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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) 9
BomonKTDT-ĐHGTVT 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 13. Điện trở 2. Góc 14. Điện dung 3. Khối l−ợng 15. Điện cảm 4. Khối l−ợng riêng 16. Công suất 5. Dung tích 17. Điện năng 6. Độ nhớt 18. Điện áp cao tần 7. pH 19. Công suất cao tần 8. Lực 20. Mức 9. Độ cứng 21. Độ suy giảm 10. áp suất 22. Thời gian 11. Điện áp DC 23. Tần số 12. Dòng DC 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 10
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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. 11
BomonKTDT-ĐHGTVT ΔX * = a − X 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 ΔX * = ΔX max 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. ΔX δX = .100% sai số t−ơng đối chân thực X ΔX δX = .100% sai số t−ơng đối danh định a 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). ΔXm γ % = .100% x Xm ΔXm 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 . n ν = 1 1 n Lập tỉ số: n ν = 2 2 n . gọi là tần suất các lần đo có sai số ngẫu nhiên nằm trong khoảng t−ơng ứng. Biểu đồ phân bố tần suất x nh− hình bên 12
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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. p(x) p(x) = limν (x) n→∞ Hàm p(x) còn h1 đ−ợc gọi là hàm Gausse với công thức sau: h2 h1 > h2 > h3 h3 h 2 2 p(x) = .e −h x π x 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: x2 x2 h −h2 x2 p(x1 ≤ x ≤ x2) = ∫ p(x)dx = ∫ e dx x1 π x1 (đây chính là diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong p(x) và 2 đ−ờng x1, x2) x1 x1 2h 2 2 p( x ≤ x1) = 2∫ p(x)dx = ∫ e −h x dx 0 π 0 p( x ≥ x1) = 1− p( x ≤ x1) 13
BomonKTDT-ĐHGTVT 4. Sai số trung bình bình ph−ơng và sai số trung bình a. Sai số trung bình bình ph−ơng σ n 2 ∑ xi σ = i=1 với x là sai số của phép đo thứ i n i x2 − 1 2 khi đó p(x) = .e 2σ 2πσ p(x) x h biểu thị độ cao của đồ thị còn σ biểu thị độ rộng của đồ thị p(−σ ,σ ) ≈ 68,3% p(−2σ ,2σ ) ≈ 95% p(−3σ ,3σ ) ≈ 99,7% 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 n x ∑ i 1 2 phép đo. d = i=1 = = σ n h π π 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 E = (V ± ΔV ) + (V ± ΔV ) 1 1 2 2 = (V1 + V2 ) ± (ΔV1 + ΔV2 ) b. Sai số của hiệu các đại l−ợng E = (V ± ΔV ) − (V ± ΔV ) 1 1 2 2 = (V1 − V2 ) ± (ΔV1 + ΔV2 ) ví dụ: E1 = 100V ± 2V = 100V ± 2% E2 = 80V ± 4V = 80V ± 5% E1 + E2 = 180V ± 6V = 180V ± 3,3% 14
Ch−ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL 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 E = (V1 ± ΔV1 )(V2 ± ΔV2 ) = V1.V2 ±V1.ΔV2 ±V2 .ΔV1 ± ΔV1.ΔV2 ≈ V1.V2 ± (V1.ΔV2 +V2 .ΔV1 ) V .ΔV +V .ΔV ΔV ΔV δE = ±( 1 2 2 1 ).100% = (± 1 ± 2 ).100% V1V2 V1 V2 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 δ (E α ) = α.δE d. Th−ơng của hai đại l−ợng V ± ΔV V E = 1 1 ≈ 1 V2 ± ΔV2 V2 δE = ±(δV1 + δV2 ) Ví dụ minh hoạ: 1. Một điện trở có giá trị trong khoảng 1,14k Ω – 1,26k Ω Tính sai số của điện trở này Biết R = 1,2k Ω tại 250C, tính giá trị lớn nhất tại 750C, hệ số nhiệt là 500ppm/0C ΔR = 0,06kΩ → R = 1,2 ± 0,06 = 1,2kΩ ± 5% 1,26.103.500 Khi nhiệt độ tăng 10C R tăng một l−ợng: = 0,63Ω 106 Vậy giá trị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10-3 = 1,2915k Ω 2. Một nguồn 12V đ−ợc mắc với một điện trở 470 Ω ± 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 U 2 Ta có: P = R Vì Vôn kế có độ chính xác là 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối lớn nhất gặp phải là ΔU đ−ợc tính bằng: ΔU = 25V.3% = ±0,75V → U = 12V ± 0,75V = 12V ± 6,25% → δ (U 2 ) = 2.6,25% = 12,5% U 2 → δ ( ) = 12,5% +10% = 22,5% R 15
BomonKTDT-ĐHGTVT 122 Vậy: P = ± 22,5% 470 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 ΔU = 30V.4% = 1,2V ⇒ U = 25V ±1,2V = 25V ± 4,8% ΔI = 100mA.1% = 1mA ⇒ I = 90mA ±1mA = 90mA ±1,1% U 25 → R = = ± (4,8 +1,1)% = 277,78Ω ± 5,9% I 0,09 → P = U.I = 25.0,09 ± (4,8 +1,1)% = 2,25W ± 5,9% = 2,25W ± 0,13W P min = 2,25 − 0,13 = 2,12W = 2,25.(1− 0,059) Vậy: P max = 2,25 + 0,13 = 2,38W = 2,25.(1+ 0,059) 16
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 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 MĐ CT + 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: X Y1 Y2 Yn CĐ1 CĐ2 CĐn CT 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: Y Y X 1 n CĐ1SS CĐ1 CĐn CT Xk CĐNm CĐN1 CĐ: bộ chuyển đổi CĐN: bộ chuyển đổi ng−ợc CT: cơ cấu chỉ thị SS: bộ so sánh ΔX = X – Xk 17
BomonKTDT-ĐHGTVT Chú ý: + Nếu quá trình hồi tiếp đ−ợc đ−a về bộ so sánh liên tục tới khi ΔX = 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 ΔX ≠ 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: α = F(X ) 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: dWe Mq = với We là năng l−ợng từ tr−ờng và α là góc quay của phần động dα 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: dWe 1 dWe Mc = Mq ⇒ = D.α ⇒ α = . dα D dα 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. 18
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 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 Lò xo Lò xo momen cản, đ−a kim chỉ thị về vị trí 0 khi Kim chỉ Thang ch−a đại l−ợng cần đo vào và dẫn dòng điện đo vào khung dây (trong tr−ờng hợp cơ cấu chỉ thị từ điện hoặc điện động). Lò xo đ−ợc chế tạo dạng xoắn ốc bằng đồng berili hoặc đồng phốt pho để có độ đàn hồi tốt và dễ hàn. Lò xo Thông th−ờng sẽ có hai lò xo đối xứng ở hai đầu khung dây, chúng có kích th−ớc rất mảnh Khung dây nên rất dễ hỏng. + Dây căng và dây treo: để tăng độ nhạy cho chỉ thị ng−ời ta thay lò xo bằng dây căng hoặc dây treo. + Kim chỉ th−ờng đ−ợc chế tạo bằng Lò xo nhôm, hợp kim nhôm và có thể là cả bằng thuỷ tinh với nhiều hình dáng khác nhau. Hình dáng của kim chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ để quan sát. Kim chỉ đ−ợc gắn vào trục nh− hình bên. + Thang đo là bộ phận để khắc độ các giá trị của đại l−ợng cần đo. Có nhiều loại thang đo tuỳ vào độ chính xác của chỉ thị cũng nh− bản chất của cơ cấu chỉ thị Thang đo th−ờng đ−ợc chế tạo từ nhôm lá, đôi khi còn có cả g−ơng phản chiếu phía G−ơng d−ới thang đo. + Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động và xác định vị trí cân bằng. Quá trình này còn gọi là quá trình làm nhụt. Có hai loại cản dịu là cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ. Cản dịu không khí đơn giản nhất là làm hộp kín có nắp đậy bên trong có cánh cản dịu (xem hình bên). Cản dịu cảm ứng từ có thể thực hiện nhờ lợi dụng chính dòng xoáy (dòng Fuco) xuất hiện trong phần động khi phần động quay. Ngoài ra để tránh ảnh h−ởng của các tác động từ bên ngoài, toàn bộ cơ cấu có thể đ−ợc đặt trong một màn chắn từ. a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (TĐNCVC) Dụng cụ đo từ điện còn gọi là dụng cụ đo kiểu D’Arsonval với cấu tạo bao gồm: 19
BomonKTDT-ĐHGTVT Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cữu (nam châm hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ (bằng sắt non). Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất hẹp. Phần động: Khung dây đ−ợc quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục, nó quay trong khe hở không khí. Kim chỉ Ngoài ra còn một số bộ phận khác nh−: trục, trụ, 2 lò xo cản ở hai đầu trục, kim chỉ Nguyên tắc hoạt động: Khi có dòng điện chạy trong khung dây, d−ới tác động của từ tr−ờng nam châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc α . Momen quay do từ tr−ờng của nam châm t−ơng tác với từ tr−ờng của khung dây tạo ra đ−ợc tính bằng: dWe Mq = với We là năng l−ợng điện từ tỉ lệ với độ lớn của từ thông trong dα khe hở không khí và độ lớn của dòng điện chạy trong khung dây. We = Φ.I = B.S.W.α.I với B là độ từ cảm của nam châm S là diện tích của khung dây W là số vòng dây của khung dây d(B.S.W.α.I) ⇒ Mq = = B.S.W.I dα I mà ta có : Mc = D.α ⇒ Mc = Mq ⇔ D.α = B.S.W.I 1 ⇒ α = B.S.W.I = K.I D 20
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Từ ph−ơng trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có thang đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K. Dụng cụ đo kiểu từ điện th−ờng có cơ cấu chỉnh zero để đ−a kim chỉ về vị trí 0 tr−ớc khi tiến hành phép đo. Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và kim chỉ khi không có dòng điện vào. Việc làm nhụt đ−ợc thực hiện nhờ lợi dụng sự xuất hiện dòng cảm ứng Fuco khi khung dây quay. Từ tr−ờng do dòng này tạo ra sẽ hạn chế sự dao động của kim chỉ để nó nhanh chóng đạt vị trí cân bằng, khi khung dây dừng dòng Fuco sẽ mất và nh− thế cũng không còn lực làm nhụt. Muốn vậy ng−ời ta th−ờng tạo khung dây bằng cách quấn dây đồng trên một khung bằng nhôm, một vật liệu dẫn điện rất tốt nh−ng lại không có đặc tính từ. Dòng cần đo đ−a vào cơ cấu chỉ đ−ợc phép theo một chiều nhất định, nếu đ−a dòng vào theo chiều ng−ợc lại kim chỉ sẽ bị giật ng−ợc trở lại và có thể gây hỏng cơ cấu. Vì vậy, phải đánh dấu + (dây màu đỏ) và - (dây màu xanh) cho các que đo. Tính chất này đ−ợc gọi là tính phân cực của cơ cấu chỉ thị, nghĩa là chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng điện nên các đại l−ợng xoay chiều (tần số từ 20Hz – 100KHz) muốn chỉ thị bằng cơ cấu từ điện phải chuyển thành đại l−ợng một chiều và đ−a vào cơ cấu theo một chiều nhất định Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều nên đ−ợc ứng dụng để chế tạo Vônmet, Ampemet, Ohmmet nhiều thang đo với dải đo rộng. b. Cơ cấu chỉ thị điện từ Dụng cụ đo điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc khi hai chi tiết bằng sắt kề nhau bị từ hoá bởi dòng điện chạy qua một cuộn dây thì xuất hiện một lực đẩy giữa các cực cùng cực tính (N hoặc S). Cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện từ đ−ợc cho ở hình d−ới đây (bên trái là hình chiếu đứng, bên phải là hình chiếu xiên) Phần tĩnh: Cuộn dây bên trong có khe hở không khí, Kim chỉ một lá thép cố định nằm trong lòng cuộn dây, gọi là lá tĩnh. Phần động: lá thép có khả năng di chuyển t−ơng đối với lá tĩnh trong khe hở không khí, gọi là lá động. Dòng điện chạy qua cuộn dây bao quanh phần động sẽ từ hoá các lá thép với cùng I một cực do đó chúng đẩy nhau. Lực đẩy tổng hợp sẽ làm cho lá động dịch ra xa khỏi lá tĩnh, đây chính là lực làm lệch. Kim chỉ gắn với trục quay khi đó sẽ bị lệch một góc t−ơng ứng. Lò xo dây quấn tạo ra momen cản hay lực điều khiển để dừng kim chỉ. Momen quay do từ tr−ờng của nam châm điện tạo ra đ−ợc tính bằng: dWe Mq = dα 1 We = L.I 2 2 1 dL ⇒ Mq = I 2 2 dα 21
BomonKTDT-ĐHGTVT với L là điện cảm của cuộn dây Momen cản vẫn do lò xo tạo ra nên Mc = D.α Khi kim chỉ dừng ở vị trí cân bằng, nghĩa là khi Mc = Mq 1 dL ⇒ D.α = I 2 2 dα 1 dL ⇒ α = I 2 2.D dα Vậy, độ lệch α không phụ thuộc vào chiều của I, thang đo không đều vì tỉ lệ với I2. Cơ cấu chỉ thị điện từ không cần phân biệt cực tính cho dây đo, có thể đ−ợc dùng để chế tạo dụng cụ đo dòng một chiều và dòng xoay chiều nh− Vônmet, Ampemet tần số công nghiệp nh−ng độ chính xác thấp và có tiêu thụ điện năng. c. Cơ cấu chỉ thị điện động Cấu tạo: Cuộn dây tĩnh hay còn gọi là cuộn kích thích đ−ợc chia làm 2 phần nối tiếp nhau (quấn theo cùng chiều) để tạo thành nam châm điện khi có dòng chạy qua. Cuộn dây động quay trong từ tr−ờng đ−ợc tạo ra bởi cuộn tĩnh. Các cuộn dây có lõi làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao để tạo ra từ tr−ờng mạnh. Thông th−ờng chúng sẽ đ−ợc bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh h−ởng của từ tr−ờng bên ngoài. Kim chỉ thị đ−ợc gắn I trên trục quay của phần động. 1 I2 Lò xo tạo momen cản và các chi tiết phụ trợ khác. Hoạt động: 22
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thì từ tr−ờng của 2 cuộn dây t−ơng tác với nhau khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí zero. Các lò xo xoắn tạo ra lực điều khiển và đóng vai trò dẫn dòng vào cuộn động. Việc tạo ra sự cân bằng của hệ thống động (điều chỉnh zero) đ−ợc thực hiện nhờ điều chỉnh vị trí lò xo . Dụng cụ đo kiểu điện động th−ờng làm nhụt bằng không khí vì nó không thể làm nhụt bằng dòng xoáy nh− dụng cụ đo kiểu từ điện. Do không có lõi sắt trong dụng cụ điện động nên môi tr−ờng dẫn từ hoàn toàn là không khí do đó cảm ứng từ nhỏ hơn rất nhiều so với ở dụng cụ từ điện. Điều này đồng nghĩa với việc để tạo ra momen quay đủ lớn để quay phần động thì dòng điện chạy trong cuộn động cũng phải khá lớn. Nh− vậy, độ nhạy của dụng cụ đo điện động nhỏ hơn rất nhiều so với dụng cụ đo từ điện. Momen quay do 2 từ tr−ờng t−ơng tác nhau đ−ợc tính bằng: dWe 1 1 Mq = với We = I 2 .L + .I 2 .L + I .I .M dα 2 1 1 2 2 2 1 2 12 vì các cuộn dây có hệ số tự cảm L riêng không phụ thuộc vào góc lệch trong quá dL dM trình hoạt động (tức là = 0 ) nên: ⇒ Mq = I .I . 12 dα 1 2 dα Vậy độ lệch của kim chỉ thị đ−ợc tính theo biểu thức: 1 dM α = .I .I . 12 D 1 2 dα 2 Nếu mắc các cuộn dây nối tiếp nhau, nghĩa là I1 = I2 ⇒ α = C.I với C là hằng số. Trong tr−ờng hợp này cần chú ý rằng để có lực đẩy làm quay phần động thì chiều quấn dây trên phần động phải ng−ợc với chiều quấn dây trên hai phần của cuộn kích. Vì 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 đ−ợc sử dụng để đo dòng xoay chiều và một chiều. Tuy nhiên nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất khá lớn. 2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi Trong kỹ thuật đo l−ờng vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy hiện sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia điện tử – CRT (Cathode Ray Tube). D−ới đây là cấu tạo cơ bản của một CRT. L−ới A1 A2 A3 23
BomonKTDT-ĐHGTVT CRT là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh quang, chùm electron do katot phát ra sẽ đ−ợc h−ớng tới màn hình theo sự điều khiển từ bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào. Cấu tạo: + Phần 3 cực (triot) gồm Katot, l−ới và anot Katot làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử. Một sợi đốt nằm bên trong katot có nhiệm vụ nung nóng katot để tăng c−ờng thêm số điện tử phát xạ. Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V nh−ng katot có điện thế xấp xỉ –2kV. L−ới là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy katot. Thế của l−ới xấp xỉ từ - 2kV đến – 2,05kV để điều khiển dòng electron từ katot h−ớng tới màn hình. Khi thế của l−ới thay đổi sẽ điều chỉnh l−ợng electron bắn ra khỏi katot, tức là làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau. Vì vậy thành phần điều khiển thế của l−ới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói. Anot gồm 3 anot A1, A2 và A3. A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một đầu kín có lỗ ở giữa cho electron đi qua. A1 tiếp đất nên có thế d−ơng hơn katot, electron đ−ợc gia tốc từ katot qua l−ới và anot để đến màn hình. Các anot này đ−ợc gọi là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện tử. Vì các electron cùng mang điện tích âm nên chúng có xu h−ớng đẩy nhau, nghĩa là chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra và khi đập vào màn huỳnh quang sẽ tạo ra một vùng sáng, nghĩa là hình ảnh hiển thị bị nhoè. Nhờ có các điện cực điều tiêu, chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron h−ớng tới 1 điểm nhỏ trên màn hình, tức là hình ảnh hiển thị đ−ợc rõ nét. A2 có thế –2kV để tạo ra các đ−ờng đẳng thế làm cho electron chuyển động qua anot có tốc độ ổn định. Phần 3 cực trên đôi khi còn đ−ợc gọi là súng điện tử. + Hệ thống làm lệch (hay còn gọi là lái tia) Khi các tấm làm lệch ngang và đứng đ−ợc tiếp đất hoặc không nối thì chùm electron có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình. Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có thế d−ơng và bị đẩy ra xa khỏi tấm có thế âm. Để tác dụng của các điện áp làm lệch + / - gây ra những khoảng lệch nh− nhau thì thế +E/2 phải đ−a vào một tấm và thế –E/2 đi vào tấm còn lại (với E là thế chênh lệch giữa hai tấm). . Điện áp cần thiết để tạo ra 1 vạch chia độ lệch ở màn hình đ−ợc gọi là hệ số làm lệch đứng của ống, đơn vị là V/cm . Độ lệch do 1V tạo ra trên màn hình gọi là độ nhạy lái tia, đơn vị là cm/V Ngoài ra, để tránh ảnh h−ởng của điện tr−ờng giữa các cặp lái tia ng−ời ta đôi khi còn sử dụng một màn chắn cách điện giữa cặp lái tia ngang và cặp lái tia đứng. + Màn hình của CRT đ−ợc mạ một lớp Photpho ở mặt trong của ống, khi chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển lên mức năng l−ợng cao và khi trở về trạng thái bình th−ờng sẽ phát ra ánh sáng. Sự l−u sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s nên mắt ng−ời mới nhìn thấy hình dạng sóng hiện. Lớp than chì có tác dụng thu hồi các electron thứ cấp vì nếu không thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra một thế âm ở màn hình và thế âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng electron tiến đến màn hình. Ngoài ra, ng−ời ta có thể sử dụng màng nhôm để thu góp electron và dẫn tới đất. Màng nhôm này còn có tác dụng tăng c−ờng độ chói của lớp sáng do phản xạ ánh sáng về phía màn thuỷ tinh và tản nhiệt cho màn hình. Đ−ờng xoắn ốc làm bằng chất có điện trở cao kết tủa trong ống thuỷ tinh từ chỗ tấm lái tia tới màn hình có tác dụng gia tốc cho electron sau khi làm lệch để có đ−ợc độ chói cần thiết. (nếu gia tốc tr−ớc lúc làm lệch thì sẽ làm giảm khả năng điều chỉnh dòng electron của các tấm làm lệch). 24
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Chú ý: với các máy hiện sóng nhiều kênh (nhiều tia) thì có thể thực hiện theo 2 cách nh− sau: + Sử dụng cho mỗi kênh một súng điện tử và cặp làm lệch đứng riêng nh−ng cùng chung cặp làm lệch ngang + Sử dụng một súng điện súng, tách chùm tia điện tử thành nhiều phần tr−ớc khi cho qua các cặp làm lệch đứng (ứng với số kênh) và tất cả cùng qua một cặp làm lệch ngang. Nguyên tắc hiện hình của CRT: Katot phát ra electron và đ−ợc các hệ thống điện cực điều khiển để có số l−ợng hạt, vận tốc và độ hội tụ cần thiết. Hệ thống làm lệch sẽ làm cho chùm tia điện tử di chuyển trên màn hình theo ph−ơng ngang và ph−ơng đứng để hiện dạng của tín hiệu. ở chế độ hiển thị dạng sóng thông th−ờng tín hiệu cần hiển thị đ−ợc đ−a vào cặp làm lệch đứng còn một tín hiệu dạng răng c−a đ−ợc đ−a vào cặp lệch ngang (xem hình trên). Khi đó với tần số răng c−a (còn gọi là tần số quét) phù hợp trên màn hình sẽ có một sóng đứng có dạng sóng cần hiển thị. Y Tín hiệu răng c−a đ−a Tín hiệu đ−a vào vào cặp làm lệch X cặp làm lệch Y 0 X Tín hiệu hiển thị trên màn hình 3. Cơ cấu chỉ thị số 25
BomonKTDT-ĐHGTVT Nguyên tắc chỉ thị số Sơ đồ khối của bộ chỉ thị số Trong đó: x(t) BĐX BĐ GM CT BĐX: Bộ biến đổi xung có nhiệm vụ biến đổi đại l−ợng cần đo x(t) thành các xung t−ơng ứng, số xung N tỉ lệ với độ lớn của x(t) sẽ đ−ợc đ−a vào bộ đếm (BĐ) BĐ: Bộ đếm đếm số xung N theo một hệ đếm nhất định và đ−a kết quả sang bộ giải mã (GM). GM: Bộ giải mã có nhiệm vụ đổi loại mã của bộ đếm sang kiểu phù hợp với chỉ thị (CT) CT: chỉ thị số có thể d−ới dạng đèn thập phân, LED 7 vạch hay LCD Hiển thị 7 vạch Đèn hiển thị 7 vạch bao gồm các vạch nhỏ. Chúng có thể biểu diễn tới 16 ký tự trong đó có 10 số và 6 chữ cái nh− hình d−ới đây: Các mã đầu vào từ 0 -9 hiển thị các chữ số của hệ thập phân. Các mã đầu vào từ 9-14 ứng với các ký hiệu đặc biệt nh− đã nêu, còn mã 15 sẽ tắt tất cả các vạch. II. Các mạch đo l−ờng vμ gia công tín hiệu Mạch đo l−ờng và gia công tín hiệu làm nhiệm vụ biến đổi, gia công tính toán, phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất. Có thể coi mạch đo l−ờng là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu của thiết bị đo. Mạch đo có nhiều loại khác nhau với các chức năng và thông số cụ thể, d−ới đây là một số mạch thông dụng nhất. 1. Mạch tỉ lệ Đây là mạch rất thông dụng trong các mạch đo l−ờng, có hai loại là mạch tỉ lệ về dòng và mạch tỉ lệ về áp. a. Mạch tỉ lệ về dòng Để biến đổi dòng trong mạch một chiều ng−ời ta mắc các điện trở sun còn trong mạch xoay chiều ng−ời ta sử dụng các biến dòng điện. * Điện trở sun là điện trở mắc song song với cơ cấu chỉ thị dùng để chia dòng một chiều. Điện trở sun có cấu trúc đặc biệt với 4 đầu (xem hình Rct Rct Rs = Ict n −1 I I 26 n = Rs Ict Is
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng bên). Hai đầu dòng để đ−a dòng Is vào còn hai đầu áp sẽ lấy áp ra mắc với cơ cấu chỉ thị. Điện trở sun đ−ợc chế tạo với dòng từ mA đến 10.000A và điện áp khoảng 60, 75, 100, 150 và 300mV. Muốn dùng điện trở sun có nhiều hệ số chia dòng khác nhau ng−ời ta mắc nh− hình d−ới đây, Rct Ict I R1 R2 R3 Is I3 K I2 I1 khi đó: Rct + R2 + R3 I1 Rs1 = R1 = ,n1 = n1−1 Ict Rct + R3 I 2 Rs2 = R1+ R2 = ,n2 = n2 −1 Ict Rct I3 Rs3 = R1+ R2 + R3 = ,n3 = n3 −1 Ict Chú ý: Dòng xoay chiều nếu muốn dùng điện trở sun để chia thì tải phải là thuần trở. * Biến dòng điện Biến dòng là một biến áp mà thứ cấp đ−ợc ngắn mạch, sơ cấp nối tiếp với mạch có dòng điện chạy qua. Nếu biến dòng lý t−ởng và không có tổn hao thì: I 2 W1 K I = = I W Rt 1 2 ~ với I1, I2 là dòng qua cuộn sơ cấp và thứ cấp I1 L1 L2 W1, W2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp . Biến dòng đ−ợc sử dụng nhằm lấy đ−ợc dòng I2 nhỏ ở bên thứ cấp tỉ lệ với bên sơ cấp nên số vòng K dây W2 lớn hơn rất nhiều so với số vòng dây W1. Biến dòng th−ờng đ−ợc làm bằng lõi thép silic hình chữ E, O hay Π có tiết diện dây quấn lớn hơn và số vòng nhỏ hơn biến áp động lực. Biến dòng cần có tổn hao lõi thép nhỏ và điện trở tải (Rct) càng nhỏ càng tốt. Biến dòng đ−ợc chế tạo với điện áp từ 0,5 – 35kV; dòng sơ cấp định mức từ 0,1 – 25.000A; dòng thứ cấp định mức là 1A hoặc 5A; cấp chính xác là 0,05 – 0,5 Cuộn thứ cấp th−ờng nối đất để tránh tr−ờng hợp cuộn thứ cấp hở gây ra điện áp cực lớn (hàng chục V tới hàng kV) vì biến dòng thực chất là một biến áp tăng áp. b. Mạch tỉ lệ về áp Có hai mạch phân áp cơ bản là mạch sử dụng điện trở và mạch sử dụng tụ điện 27
BomonKTDT-ĐHGTVT * Mạch phân áp điện trở U1 Gọi hệ số phân áp là: m = . Khi đó: U 2 U1 I(R1+ R2) R1 m = = = 1+ R1 U 2 I.R2 R2 u1 u2 R2 Khi tải là những cơ cấu chỉ thị có điện trở không đổi, ng−ời ta dùng R2 là điện trở của ngay bản thân chỉ thị. R1 gọi là điện trở phụ. R1 = R2.(m −1) ⇒ Rp = Rct.(m −1) Để tăng thêm độ chính xác ng−ời ta sử dụng biến trở tr−ợt đ−ợc gắn thang chia độ, trên ấy có khắc hệ số phân U3 áp t−ơng ứng hoặc các hệ số phân áp nhảy cấp. R3 Điện áp vào U1 cố định, điện áp ra U2 có thể từ U2 0,0001U1 đến 0,9999U1. Khi muốn có nhiều hệ số chia áp khác nhau ng−ời ta R2 có thể mắc điện trở phụ nh− sau: U1 Trong đó: R1 U1 Rp1 = R1 = Rct(m1−1) với m1 = Uct Rct U2 Uct Rp2 = R1+ R2 = Rct(m2 −1) với m2 = Uct U3 Rp3 = R1+ R2 + R3 = Rct(m3 −1) với m3 = Uct Mạch phân áp điện trở th−ờng đ−ợc sử dụng trong các mạch vào của các dụng cụ đo, ví dụ nh− hình bên nó đ−ợc sử dụng trong vôn kế xoay chiều 28
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng * Mạch phân áp điện dung Mạch này đ−ợc sử dụng trong mạch xoay chiều. Hệ số phân áp: C1 R1 Khi tần số ω khá lớn thì có thể tính m nh− sau: U1 Z1 U1 m = = 1 + R2 U 2 Z 2 C2 U2 1 với Z1 = R1//C1 = 1/R1 + jωC1 1 Z2 = R2//C2 = 1/R2 + jωC2 1 C2 + 1/ R2 + jωC2 jωR2 ⇒ m = 1 + = 1 + 1 1/ R1 + jωC1 C1 + jωR1 C2 m = 1+ C1 Nghĩa là chỉ phụ thuộc vào tụ điện. Do đó, mạch phân áp điện dung th−ờng đ−ợc sử dụng trong mạch có tần số cao. ví dụ: trong Vôn kế tần số cao hoặc máy hiện sóng ng−ời ta dùng mạch phân áp điện dung nh− hình bên. Để sử dụng đ−ợc trong một dải tần rộng ng−ời ta mắc song song tụ điện và điện trở sao cho R1/R2 = C2/C1 * Mạch phân áp điện cảm Có thể coi mạch nh− một biến áp tự ngẫu, đầu vào và đầu ra đ−ợc nối với nhau cả về phần điện lẫn phần từ. Khi đó hệ số phân áp là: L U1 W1 U1 W1 m = = W2 U 2 W 2 U2 Để đảm bảo điều kiện biến áp lý t−ởng lõi thép phải chế tạo kiểu mạch từ kín, từ thông móc vòng đều trên toàn cuộn phân áp, từ thông tản vừa nhỏ vừa đều. Muốn vậy lõi thép phải là hình xuyến bằng những lá thép mỏng (dày cỡ 0,03mm). Cuộn dây đ−ợc quấn đồng đều và chia làm nhiều đoạn ứng với số cấp của phân áp. Mạch phân áp điện cảm sẽ có sai số nhiều khi tần số thay đổi nh−ng lại có −u điểm là khi tải đầu ra thay đổi m hầu nh− không đổi. * Mạch biến áp đo l−ờng Đầu vào / ra có thể liên hệ với nhau bằng điện và từ (trong tr−ờng hợp biến áp tự ngẫu) hoặc chỉ bằng từ và cách điện với nhau. U~ U1 W1 W1 Hệ số phân áp là: m = = U 2 W 2 W2 Mạch biến áp này dùng để đo điện áp xoay chiều có điện áp rất cao ở cuộn sơ cấp bằng một Vôn kế có khả năng đo điện 29
BomonKTDT-ĐHGTVT áp nhỏ hơn rất nhiều mắc ở cuộn thứ cấp. Khi đó hệ số phân áp m đã biết nên có thể tính U1 = m.U 2 Vôn kế phải có điện trở rất lớn, ngoài ra, để đề phòng dòng lớn xuất hiện khi hai đầu cuộn thứ cấp bị chập ng−ời ta mắc một đầu xuống đất. Sai số của biến áp giống của biến dòng, nó gồm sai số về modun và pha. Cấp chính xác của biến áp là 0,05; 0,1; 0,2 và 0,5. D−ới đây là một mạch đo nguồn xoay chiều có dòng và áp rất lớn bằng cách sử dụng biến dòng và biến áp 2. Mạch khuếch đại đo l−ờng Mạch khuếch đại cho tín hiệu ra có công suất lớn hơn rất nhiều so với đầu vào. ở ph−ơng tiện gia công tin tức thì Xr = K.Xv Mạch khuếch đại đo l−ờng còn có khả năng mở rộng đặc tính tần của thiết bị đo và đặc biệt là tăng độ nhạy lên nhiều lần cũng nh− tăng trở kháng đầu vào của thiết bị. Mạch khuếch đại có thể đ−ợc thực hiện bởi đèn điện tử, đèn bán dẫn và vi mạch. a. Mạch khuếch đại dòng (lặp điện áp) Mạch này có nhiệm vụ khuếch đại dòng điện lên giá trị lớn hơn còn điện áp có lặp lại nh− đầu vào hoặc suy giảm chút ít. Ví dụ một số sơ đồ lặp điện áp nh− hình d−ới đây: +Ec +Ec Uv Q1 Uv U1 NPN Q2 OPAMP5 NJFET Uv Ur Ur Ur + R R b. Mạch khuếch đại công suất 30
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng +15V Rc R1 C3 C1 Ur Uv Rt R2 Re C2 Đây là mạch kết hợp cả khuếch đại dòng và khuếch đại áp để có công suất lớn. Ví dụ: hình bên là sơ đồ khuếch đại công suất dùng transistor mắc kiểu emito chung. c. Mạch khuếch đại điều chế Khi cần khuếch đại các thành phần một chiều, ng−ời ta phải sử dụng các bộ Uv= ~ Ur ơ ~ ơ ~ = mpts khuếch đại vi sai nh−ng hiện t−ợng trôi điểm lệch 0 và lệch điện áp ra là không thể tránh khỏi. Do đó, ng−ời ta th−ờng biến đổi tín hiệu một chiều thành tín hiệu xoay chiều, sau đó khuếch đại tín hiệu xoay chiều này và cuối cùng lại biến đổi về tín hiệu một chiều. Sơ đồ khối của bộ khuếch đại điều chế nh− sau: Bộ =/~ : chuyển từ tín hiệu một chiều sang tín hiệu xoay chiều t−ơng ứng Bộ ~/=: chuyển từ tín hiệu xoay chiều sang tín hiệu một chiều Máy phát tần số (MP ts) có nhiệm vụ đóng mở 2 khoá điện tử ở đầu vào và ra của bộ khuếch đại d. Mạch khuếch đại cách li Khi cần khuếch đại một điện áp hoặc dòng điện nh−ng yêu cầu phải cách li về điện ng−ời ta sử dụng các biến áp hoặc ghép quang. 3. Mạch gia công tính toán Bao gồm các mạch cộng, trừ, nhân, chia , tích phân, vi phân, logarit Thông th−ờng các mạch này sử dụng các bộ KĐTT để làm phần tử tích cực. (xem lại phần KĐTT) 4. Mạch so sánh Trong kỹ thuật đo l−ờng điện tử ng−ời ta sử dụng rất nhiều những bộ so sánh để phát hiện thời điểm bằng nhau của 2 đại l−ợng vật lý nào đó. Ví dụ về một số mạch so sánh thông dụng. a. Mạch so sánh các tín hiệu khác dấu bằng KĐTT mắc theo một đầu vμo Sơ đồ trong hình bên có Uc(t) là điện áp cần so sánh với điện áp chuẩn một chiều Ech. Uc và Ech ng−ợc dấu nhau. +E OPAMP5 R1 + - R2 Uc + Ura + Ech R3 - 31 -E
BomonKTDT-ĐHGTVT R1 + Khi độ lớn của Uc nhỏ hơn độ lớn của Ech thì Ech sẽ quyết định chế độ R2 làm việc của bộ KĐTT. Do đó điện áp ra: Ur ≈ -E vì Ech > 0 đi vào cửa đảo và bộ KĐTT làm việc ở chế độ bão hoà R1 + Khi độ lớn của Uc lớn hơn độ lớn của Ech thì Uc sẽ quyết định chế độ R2 làm việc của bộ KĐTT. Khi đó điện áp ra: Ur ≈ +E vì Uc(t) Ech ta có: Ura = -E c. Mạch so sánh 2 mức U Uc(t) Ech +E U1 OPAMP5 0 t R1 + E + + Ura Uc Ech - - 0 t -E 32 -E
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Mạch đ−ợc sử dụng trong hệ thống kiểm tra hay điều chỉnh tự động một thông số nào đó luôn phải nằm trong khoảng giữa 2 mức cho tr−ớc (Ux1 Ux2 tín hiệu ra Ura = Ur1 và giá trị này đ−ợc giữ nguyên tới khi Uc(t) giảm xuống Ux1 + Khi Uc(t) = Ux1 có sự thay đổi trạng thái của Ura = Ur2 và giá trị Ur2 đ−ợc giữ tới khi Uc(t) giảm xuống đỉnh âm và tăng tới Ux2 d. Mạch so sánh cực đại R3 Mạch đ−ợc sử dụng để chọn giá D1 trị cực đại trong số các giá trị đầu vào. Uc1 R1 + OA1 Giả sử có mạch nh− hình bên. Các đầu katot của các diode bị ghim ở R2 một mức xác định phụ thuộc vào giá trị của U. Nếu Uc nào có giá trị v−ợt giá R4 trị chuẩn cho phép thì diode t−ơng ứng Uc2 D2 với nó sẽ thông. Tuy nhiên nếu có R6 + OA2 Uramax nhiều Uc cùng v−ợt giá trị chuẩn thì diode ứng với giá trị Ucmax sẽ thông R5 và đầu ra sẽ là hàm của Ucmax đó, nghĩa là mạch đã chọn đ−ợc giá trị cực R9 đại trong số các đầu vào v−ợt giá trị Uc3 R7 + D3 chuẩn. OA3 Mạch bên có giá trị Ura max ứng R10 với Ucmax(Uc1, Uc2, Uc3) R8 e. Mạch cầu đo -U Đây là một mạch rất thông dụng để đo chính xác các giá trị của điện trở, điện cảm hay điện dung và là dụng cụ để phát hiện độ lệch áp rất nhỏ. Tại thời điểm cầu cân bằng Ucd = 0 và giá trị trở kháng trên các nhánh phải thoả mãn điều kiện: Z1.Z4 = Z2.Z3 Chỉ thị th−ờng là chỉ thị lệch không, điện thế kế hoặc máy hiện sóng để phát hiện trạng thái mất cân bằng của cầu. 33
BomonKTDT-ĐHGTVT c d Hình trên là một ví dụ về mạch đo nhiệt độ bằng cách đo điện trở của một điện trở nhiệt R(T) f. Mạch điện thế kế Đây là mạch đo dựa trên ph−ơng pháp so sánh cân bằng giữa 2 điện áp: điện áp cần đo là Ux và điện áp mẫu Uk. D−ới đây là sơ đồ khối và sơ đồ thực tế của một điện thế kế E+ N K Ux Ux 1 2 CT zero SS RN Uk Rk IP + Uk Rdc Uo Trong đó: RN và EN là điện trở mẫu và pin mẫu đ−ợc chế tạo với độ chính xác cao. Điện thế kế hoạt động nh− sau: + Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh chiết áp Rđc để chỉ thị chỉ zero. Khi đó: E Ip = N RN + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con tr−ợt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero, nghĩa là dòng qua chỉ thị bằng 0, điện áp mẫu bằng điện áp cần đo. E Khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk = N .Rk RN E N = 10n Nếu: RN ⇒ Ux = 10n.Rk Với n là số tự nhiên 1, 2 khi đó ta có thang đo theo hệ số mũ thập phân 34
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Chỉ thị của điện thế kế th−ờng là cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy cao (10-6 – 10-9 A/vạch) 5. Mạch tạo hàm Trong kỹ thuật đo l−ờng, chuyển đổi sơ cấp th−ờng cho tín hiệu ra d−ới dạng phi tuyến trong khi các bộ chuyển đổi chuẩn hoá th−ờng làm việc với tín hiệu tuyến tính để giảm thiểu sai số. Do vậy, mạch thực hiện tuyến tính hoá các đặc tính phi tuyến là rất cần thiết. a. Mạch tạo hμm bằng biến trở Biến trở có thiết diện đ−ợc chế tạo theo hệ số mong muốn U Ur = .Rx = K1.Rx R U Giả sử độ di chuyển của con chạy là l, tỉ lệ với đại l−ợng vào X theo biểu thức: l = K2.X Nếu Rx = f (l) thì hàm Ur sẽ là một hàm của X theo biểu thức: Rx l Ur = K1.Rx = K1. f(l) = Ur X K1.f(K2.X) = K1.K2.f(X) = K.f(X) Với K1, K2, K là hằng số. b. Mạch tạo hμm bằng diode bán dẫn Với mạch nh− hình d−ới đây ta thấy nhờ có các diode mạch đ−ợc tuyến tính hoá theo từng đoạn. Các điện trở R01, R02 tạo thành mạch phân áp với điện áp tổng là U0. Khi A Ux - + R01 R Ur D1 R1 U01 Ux1 R02 Uo4 D2 R2 Uo3 Uo2 Ux2 Uo2 R03 Uo1 D3 R3 Uo3 Ux3 Ux R04 0 Ux1 Ux2 Ux3 U x4 D4 R4 Uo4 Ux4 R05 RN B +Uo Ura đó katot của các diode có điện áp U01, U02 Ux là điện áp vào cần đ−ợc tuyến tính hoá. R + Khi 0 < Ux < Ux1 các diode đều khoá Ura = Ux. N RN + R + Khi Ux1 < Ux < Ux2 diode D1 dẫn, các diode còn lại khoá RN Ura = Ux. * RN + R 35
BomonKTDT-ĐHGTVT R (Ro1+ R1) với R* = R + N RN + Ro1+ R1 Quá trình tiếp tục với các đoạn gấp khúc khác Hiện nay các hàm th−ờng đ−ợc tạo bằng vi xử lý. c. Mạch tạo hμm logarit vμ đối logarit Ví dụ hai sơ đồ mạch tạo hàm logarit và đối logarit nh− sau: D R R D Uv + Ur Uv + Ur a) b) Sơ đồ a) có: Uv Ur = −U T .ln I S .R Sơ đồ b) có: Uv ( ) U T Ur = IS .R.e trong đó: UT là điện thế nhiệt (UT = 26mV tại nhiệt độ phòng) IS là dòng ng−ợc qua diode Nh− vậy điện áp ra là hàm logarit (hoặc đối logarit) đối với điện áp vào 6. Các bộ chuyển đổi t−ơng tự – số A/D và số – t−ơng tự D/A Trong các dụng cụ đo l−ờng chỉ thị số hoặc xử lý tín hiệu d−ới dạng số ng−ời ta phải sử dụng các bộ biến đổi từ tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số A/D và đôi khi phải chuyển đổi ng−ợc để khôi phục lại tín hiệu t−ơng tự từ tín hiệu số ng−ời ta phải sử dụng các bộ chuyển đổi D/A. a. Các bộ biến đổi A/D Có 3 ph−ơng pháp khác nhau + Ph−ơng pháp song song: điện áp vào đ−ợc so sánh đồng thời với n điện áp chuẩn và xác định chính xác xem nó đang ở giữa 2 mức nào. Kết quả là ta có 1 bậc của tín hiệu xấp xỉ. Ph−ơng pháp này có tốc độ cao nh−ng do phải sử dụng nhiều bộ so sánh nên giá thành rất cao. + Ph−ơng pháp trọng số: việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân. Cách thực hiện: . Xác định điện áp vào có v−ợt điện áp chuẩn của bit già nhất hay không. Nếu nhỏ hơn mang giá trị 0 và giữ nguyên giá trị, nếu v−ợt mang giá trị “1” và lấy điện áp vào trừ điện áp chuẩn t−ơng ứng. . Phần d− đ−ợc đem so sánh với bit trẻ lân cận và lại thực hiện nh− trên. . Tiếp tục tiến hành tới bit trẻ nhất. Nh− vậy, trong số nhị phân có bao nhiêu bit thì có bấy nhiêu b−ớc so sánh và điện áp chuẩn. 36
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng + Ph−ơng pháp số: tiến hành so sánh lần l−ợt với từng đơn vị của bit trẻ nhất. Ph−ơng pháp này rất đơn giản nh−ng mất nhiều thời gian hơn ph−ơng pháp song song Các bộ chuyển đổi A/D trong công nghiệp Các bộ chuyển đổi A/D hiện nay đều đ−ợc sản xuất d−ới dạng IC theo công 1 nghệ CMOS. Ví dụ: MC 14433 – bộ biến đổi A/D 3 bit của Motorolar; A/D 2 1 3 bit 7106 2 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 37
BomonKTDT-ĐHGTVT + 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: X ΔX Y K Xk β ta có: Xk = βY Y = K.ΔX = K(X – Xk) ⇒ Y = K.X − K.β.Y K ⇒ Y = .X 1+ K.β 1 Nếu K rất lớn thì khi đó có thể coi Y ≈ .X , nghĩa là độ chính xác của phép β 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) 38
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng Hiệu ứng nhiệt điện đ−ợc ứng dụng để chế tạo Vôn kế, Ampe kế và cả Oat kế. a Cặp nhiệt b + 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. 39
BomonKTDT-ĐHGTVT 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 40
Ch−ơng 2. Cấu trúc vμ các phần tử chức năng 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: VH = K H .I.B.sinθ 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 Cực điện áp Cực dòng điện Cực dòng điện 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. 41
BomonKTDT-ĐHGTVT 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) 42
Ch−ơng 3: Đo dòng điện 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: RCT I RS = với n = gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe n −1 I CT 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: Mắc điện trở sun kiểu nối tiếp Mắc điện trở sun kiều song song Rct Rct1 Ict Ict R1 I R1 R2 R3 K R2 K R3 I R4 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) I1 Rct + R2 + R3 n1 = RS1 = R1 = n1−1 I CT Rct + R3 với I 2 RS 2 = R1+ R2 = n2 = n2 −1 I CT Rct R = R1+ R2 + R3 = I3 S3 n3 −1 n3 = I CT ở hình b) 43
BomonKTDT-ĐHGTVT I1 RCT n1 = RS1 = n1−1 I CT RCT I 2 RS 2 = n2 = n2 −1 với I CT RCT I3 RS 3 = n3 = n3 −1 I CT Rct I 4 RS 4 = n4 = n4 −1 Ict 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: R3 R1 R2 R1, 3: điện trở bằng Mn R2: điện trở bằng Cu I Rs 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 44
Ch−ơng 3: Đo dòng điện 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 VCT = RCT .I CT = 1kΩ.100μA = 100mV I S = I − I CT = 100mA −100μA = 99,9mA VCT 100 RS = = = 1,001Ω I S 99,9 + Độ lệch thang đo 1A VCT = RCT .I CT = 1kΩ.100μA = 100mV I S = I − I CT = 1A −100μA = 999,9mA VCT 100 RS = = = 0,10001Ω I S 999,9 45
BomonKTDT-ĐHGTVT 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 I CT = 0,1mA −3 −3 U CT = I CT .RCT = 0,1.10 .99 = 9,9.10 V = 9,9mV −3 U CT 9,9.10 −3 I S = = = 9,9.10 A RS 1 I = I CT + I S = 0,1+ 9,9 = 10mA + Lệch 1/2 thang đo 0,1 I = = 0,05mA CT 2 −3 −3 U CT = I CT .RCT = 0,05.10 .99 = 4,95.10 V −3 U CT 4,95.10 −3 I S = = = 4,95.10 A RS 1 0,1 I = I + I = + 4,95 = 5mA CT S 2 + Lệch 1/4 thang đo 0,1 I = = 0,025mA CT 4 −3 −3 U CT = I CT .RCT = 0,025.10 .99 = 2,475.10 V = 2,475mV U 2,475.10−3 I = CT = = 2,475.10−3 A S R 1 S 0,1 I = I + I = + 2,475 = 2,5mA CT S 4 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 RS = R1+ R2 + R3 = 5Ω −6 3 I CT .RCT 50.10 .10 I S = = = 10mA RS 5 khoả ng do của ampe kế là 10mA + Khi khoá K ở vị trí I2 46
Ch−ơng 3: Đo dòng điện RS = R1+ R2 = 0,5Ω −6 3 I CT .RCT 50.10 .(4,5 +10 ) I S = = = 100mA RS 0,5 khoả ng do của ampe kế là 100mA + Khi khoá K ở vị trí I1 RS = R1 = 0,05Ω −6 3 I CT .RCT 50.10 .(0,45 + 4,5).10 I S = = = 1A RS 5 khoả ng do của ampe kế là 1A 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: Rct.Ict Rct.Ict 100.15.10−3 RS1 = = = −3 = 1.52Ω I S1 I1 − Ict 1−15.10 + Để đo dòng 2A cần sử dụng Rs2 có giá trị nh− sau: Rct.Ict Rct.Ict 100.15.10−3 RS 2 = = = −3 = 0.76Ω I S 2 I 2 − Ict 2 −15.10 + Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh− sau: Rct.Ict Rct.Ict 100.15.10−3 RS 3 = = = −3 = 0.3Ω I S 3 I 3 − Ict 5 −15.10 47
BomonKTDT-ĐHGTVT 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 Rm D1 T1 Rct DIODE 10TO1 RL D2 DIODE R1 Chỉnh l−u nửa chu kỳ Chỉnh l−u hai nửa chu kỳ 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: I trb = 0,637.I P I p I rms = = 0,707.I P 2 I rms = 1,11.I trb 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. 48
Ch−ơng 3: Đo dòng điện 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: U 2 rms RL = I L rms U 2 rms = 0,707.U 2 p U 2 p = I 2 p.(Rm + Rct) + 2.VD Itrb 1mA I p = = = 1,57mA 2 0,637 0,637 ⇒ U 2 rms = 0,707(1,57mA.21,7kΩ + 2.0,7) = 25,08V I L rms = I 2 rms − I ct rms N1 4 I 2 rms = .I1rms = .250mA = 2mA N 2 500 I ct rms = 1,11.I ct trb = 1,11.1mA = 1,11mA ⇒ I L rms = 2 −1,11 = 0,89mA 25,08V ⇒ R = = 28,18kΩ L 0,89mA 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: RCu C RCu RCu RMn L RMn 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. 49
BomonKTDT-ĐHGTVT T4 L7 L5 T5 L1 L2 L3 10TO1 L6 10TO1 L R3 L4 R4 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. L10 L8 L9 L11 L12 L13 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 Et = k1.θ 0 θ 0 = t1− t0 Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì: 0 2 θ = k2.I x 2 2 ⇒ Et = k1.k2.I x = k.I x 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: 50
Ch−ơng 3: Đo dòng điện J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt Đầu nối cách nhiệt Cặp 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 51
BomonKTDT-ĐHGTVT 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: E U = .Rt Rng t Rt + Rng + Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: Rt Rv E E Uv = .Re - Re+ Rng Rv.Rt Re = Rv // Rt = Rv + Rt Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là: Ut −Uv Uv 1 γ = = 1− = 1− u Ut Ut Rt.Rng 1+ Rv(Rt + Rng) 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: Uv = (1+ γ u ).Ut 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: Rp Rct Ict Uct Ux 52
Ch−ơng 4: Đo điện áp trong đó: Uct Ux Ict = = Rct Rp + Rct ⇒ (Rp + Rct).Uct = Rct.Ux Ux −Uct Ux ⇒ Rp = Rct. = Rct( −1) = (m −1).Rct Uct Uct Ux với m = gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp Uct Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ đ−ợc mắc nh− sau: Rct Rp1 Rp2 Rp3 Sơ đồ mắc nối tiếp: Trong đó: Uct U2 U1 U3 U1 m1 = Rp1 = Rct(m1−1) Uct U 2 Rp1+ Rp2 = Rct(m2 −1) với m2 = Uct Rp1 Rp2 Rp3 Rct(m3 1) + + = − U3 m3 = Uct Hoặc sơ đồ mắc song song: R1 = Rct(m1−1) R2 = Rct(m2 −1) với R1 U1 R3 = Rct(m3 −1) Rct R2 U2 U1 R3 m1 = U3 Uct U 2 m2 = Uct U3 m3 = Uct 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) U U 100 Với m = = = = 1000 Uct Ict.Rct 100.10−6.103 ⇒ Rp = (1000 −1).1kΩ = 999kΩ + Với ĐLTT Ict = 100μA 53
BomonKTDT-ĐHGTVT 3 3/4 ĐLTT sẽ có Ux = .Ict.(Rct + Rp) = 75V 4 1 1/2 ĐLTT sẽ có Ux = .Ict.(Rct + Rp) = 50V 2 1 1/4 ĐLTT sẽ có Ux = .Ict.(Rct + Rp) = 25V 4 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 Rm Dòng qua chỉ thị có dạng: T4 10TO1 Rc Vp Vrm Vtrb Trong đó đối với sóng đầu vào hình sin thì các giá trị điện áp đ−ợc tính nh− sau: Vrms = 0,707.Vp Vtrb = 0,637.Vp Vrms = 1,11.Vtrb 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. 54
Ch−ơng 4: Đo điện áp 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 Vp − 2.V 141,44 − 2.0,7 ⇒ Rm + Rct = D = = 892.103 Ω Ip 156,99.10−6 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: Vp = 2.Vrms = 2.75 Vp − 2.V 2.75 − 2.0,7 100μA ⇒ Itrb = 0,637.Ip = 0,637. D = 0,637. . ≈ 75μA Rm + Rct 2.100 − 2.0,7 0,637 Khi điện áp đầu vào là 50V ta có: Vp = 2.Vrms = 2.50 Vp − 2.V 2.50 − 2.0,7 100μA ⇒ Itrb = 0,637.Ip = 0,637. D = 0,637. . ≈ 50μA Rm + Rct 2.100 − 2.0,7 0,637 + 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 Vrms 100 R = = V Irms 1,11.100.10−6 Rv độ nhạy = = 90 9kΩ /V Vrms b. Sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng 55
BomonKTDT-ĐHGTVT R1 D1 Dòng qua chỉ thị có dạng: Rct D2 Khi đó ta có mối liên hệ giữa các đại l−ợng nh− sau: 1 Itrb = .0,637.Ip 2 1 Irms = .Ip 2 Ví dụ : Một dụng cụ TĐNCVC với ĐLTT là 50 μA 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 2.Itrb 2.50 Ict( p) = = =157μA 0,637 0,637 100% I p = .100 = 500μA = Ict + I D 20% 2 ⇒ I 2 p = 500 −157 = 343μA Uct( p) = Ict( p).Rct = 157.10−6.1,7.103 = 266,9.10−3 = 266,9mV Uct 266,9 ⇒ R2 = = .103 = 778kΩ I 2 343 xét ở bán kỳ d−ơng, D1 thông và D2 ngắt ta có: dòng thuận đỉnh = (điện áp đỉnh – VD – Uct(p)) / R1 Uct( p) = 1,414.Uct(rms) = 1.414.50 = 70,7V 70,7 − 0,7 − 0,2669 ⇒ R1 = = 139,5kΩ 500.10−6 + Tính độ nhạy Khi có D2 ta có: I F ( p) = 500μA 1,414.Vrms −V 1,414.50 − 0,7 I ( p) = D = = 501,8μA R R1 139,5.103 Nh− vậy, cả hai bán kỳ thì dòng qua dụng cụ xấp xỉ nhau, do đó 56
Ch−ơng 4: Đo điện áp Irms = 0,707.500μA = 353,5μA ⇒ độ nhạy = 106/ 353,5 = 2,83kΩ/V Khi không có D2 ta có: I F ( p) = 500μA I R ( p) = 0 ⇒ Irms = 0,5.I F ( p) = 250μA ⇒ độ nhạy = 106 / 250 = 4kΩ/V c. Sơ đồ chỉnh l−u nửa cầu toμn sóng D1 R1 Dòng qua chỉ thị có dạng: Rct D2 ~ R2 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 C1 C2 C3 Rct Rp1 Rp2 Rp3 Uct U1 U2 U3 tần số lớn hơn tần số công nghiệp. 57
BomonKTDT-ĐHGTVT 3. Vôn kế điện động Cuộn kích đ−ợc chia làm 2 phần nối tiếp nhau Rp và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ A1 lệ với I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 tức T1 giá trị tức thời rms. 10TO1 B Đặc điểm của Vôn kế điện động + Tác dụng của dòng rms giống nh− trị số dòng A2 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 Ct zero đ−ợc tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu I Rk. Khi đó: + Uk = I.Rk + Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch U Rk Ux Uk giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux - ΔU = Ux −Uk Khi ΔU ≠ 0 điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, nghĩa là làm cho ΔU = 0 ; 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) Ux Chỉ thị Zero EN Ux + - K + 1 2 CT zero Ip Uk RN Rk Uk Rk AA Rdc Rdc Uo + a) + b) Uo + 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 58
Ch−ơng 4: Đo điện áp + 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. E Khi đó: Ip = N RN + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con tr−ợt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero. E Khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk = N .Rk RN 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: Thang đo I1 B Rp R3 R1 Uo EN Rdc D + C + RN Đầu nối R2 A I2 BA Uk role KĐ ~ M Role NS điện Bộ điều chế K Ex ĐO KT 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 ΔU = EN − I 2 .RN 59
BomonKTDT-ĐHGTVT ΔU 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 làm thay đổi I2 tới khi ΔU =0. Đồng thời nó cũng kéo con tr−ợt của Rp về vị trí cân bằng. + Khi K ở vị trí ĐO ta có: ΔU = Ex – Uk với Uk = I1 (R1 +Rp1) – I2.R2 Nếu Ex > Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để tăng Uk tới khi ΔU =0 Nếu Ex < Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để giảm Uk tới khi ΔU = 0 Vị trí của con chạy và kim chỉ sẽ xác định giá trị của Ex Ưu điểm của điện thế kế một chiều tự động cân bằng là tự động trong quá trình đo và có khả năng tự ghi kết quả trong một thời gian dài 3. Điện thế kế xoay chiều Nguyên tắc hoạt động chung giống nh− điện thế kế một chiều, nghĩa là, cũng so sánh điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu khi có dòng công tác chạy qua. Tuy nhiên, do không sử dụng pin mẫu mà sử dụng dòng xoay chiều nên việc điều chỉnh cho Ux và Uk bằng nhau là rất phức tạp. Muốn U x và Uk cân bằng nhau thì phải thoả mãn 3 điều kiện: + Ux và Uk cùng tần số + Ux và Uk bằng nhau về trị số + Ux và Uk ng−ợc pha nhau (1800) V. Vôn kế số Vôn kế số là dụng cụ chỉ thị kết quả bằng con số mà không phụ thuộc vào cách đọc của ng−ời đo. Tuỳ thuộc vào ph−ơng pháp biến đổi ng−ời ta phân thành: + Vôn kế số chuyển đổi thời gian + Vôn kế số chuyển đổi tần số + Vôn kế số chuyển đổi bù 1. Vôn kế số chuyển đổi thời gian Nguyên tắc hoạt động: Biến đổi điện áp cần đo (Ux) thành khoảng thời gian (t) sau đó lấp đầy khoảng thời gian bằng các xung có tần số chuẩn (f0). Bộ đếm đ−ợc dùng để đếm số l−ợng xung (N) tỉ lệ với Ux để suy ra Ux. Sơ đồ khối: 60
Ch−ơng 4: Đo điện áp Ux SS MFR MFX K BĐ CT C Tr Stop Start Trong đó: SS: Bộ so sánh MFRC: mạch phát tín hiệu răng c−a MFX: mạch phát xung chuẩn tần số f0 Trigo: mạch lật K: Khóa điện tử đ−ợc điều khiển bởi trigo BĐ: bộ đếm CT: bộ chỉ thị số (bao gồm cả mạch mã hoá, giải mã và hiển thị) Hoạt động: Khi mở máy (Start) xung khởi động tác động lên Trigo để mở khoá K và khởi động MFRC làm việc. Tại thời điểm t1, K mở thông để đ−a xung tần số chuẩn từ MFX tới bộ đếm và chỉ thị số. Đồng thời, MFRC đ−a điện áp mẫu Uk đến bộ so sánh để so sánh với điện áp cần đo. U Biểu đồ thời gian: Um Ux t1 t2 t3 t4 t tm t Trg tx K t N xung 61
BomonKTDT-ĐHGTVT Tới thời điểm t2 khi Ux = Uk, mạch so sánh đ−a xung Stop tới trigo, trigo chuyển trạng thái làm đóng khoá K. Trong suốt thời gian khoá K mở (từ t1 đến t2) bộ đếm đếm đ−ợc N xung t2 − t1 N = T0 ⇒ N = f 0 .tx với T0 là chu kỳ của xung chuẩn f0 = 1 / T0 tần số của xung chuẩn tx = t2 - t1 thời gian đóng mở của khoá K Mặt khác, từ biểu đồ điện áp ta có: tx Ux = tm Um Um N.Um ⇒ Ux = tx. = = C.N tm f0.tm với tm: thời gian lớn nhất để Uk = Um Um: điện áp lớn nhất của xung do MFRC phát ra Từ biểu thức trên ta thấy Ux tỉ lệ với số xung đếm đ−ợc (C là hằng số) Chú ý: sai số của dụng cụ chủ yếu là do: + Sai số l−ợng tử phụ thuộc vào tx / T0 + Sai số do MFRC không ổn định (tức làm thay đổi Um và tm, nghĩa là thay đổi hằng số C) Thông th−ờng Vôn met loại này có sai số ± 0,05% 2. Vôn mét số chuyển đổi tần số Nguyên tắc: Biến đổi điện áp cần đo Ux thành tần số fx, sau đó đo tần số fx để suy ra Ux. VI. Vôn met vμ Ampe met điện tử t−ơng tự Ngày nay, nhờ sự phát triển của Kỹ thuật điện tử, các dụng cụ đ−ợc kết hợp giữa các bộ khuếch đại (transistor hoặc khuếch đại thuật toán) với các chỉ thị cơ điện để khắc phục các nh−ợc điểm của dụng cụ cơ điện thuần tuý. Khi đó sẽ làm tăng độ nhạy, tăng điện trở đầu vào và có cấu trúc nhỏ gọn. Các thiết bị nh− vậy gọi là các thiết bị điện tử. Sơ đồ khối của Vôn met và ampe met điện tử nh− sau: Ux~ CT = Ux= Ux~ CT ~ 62
Ch−ơng 4: Đo điện áp Sơ đồ a) có thể đo dòng một chiều hoặc xoay chiều tần số từ 20Hz đến hàng MHz, tuy nhiên, độ ổn định của sơ đồ kém. Sơ đồ b) có dải tần hạn chế nh−ng tính ổn định cao. 1. Vôn met bán dẫn một chiều +Ucc Giả sử cho mạch nh− hình bên Ucc = 20V; Rp =9kΩ; Rct = 0,3kΩ; Q1 NPN h = 100 + E FE UBE Chỉ thị thuộc loại TĐNCVC có ĐLTT R1R1 là 1mA. Xác định E là điện áp cần đo. R2Rct UE Rõ ràng qua chỉ thị ta sẽ xác định đ−ợc dòng IE = Ict ⇒ E = U BE +U E = U BE + Ict(Rp + Rct) ⇒ E = 0,7 + 9,3.103.Ict E max Điện trở vào Rv của mạch trên có thể tính nh− sau: Rv = I B max ứng với ĐLTT ta có Ict = 1mA ⇒ E max = 0,7 + 9,3.103.1.10−3 = 10V I E 1mA 10 6 và khi đó I B max = = = 10μA ⇒ Rv = −5 = 10 Ω hFE 100 10 Vậy nếu sử dụng làm Vôn kế thì mạch có điện trở vào khá lớn. Tuy nhiên, sự bất ổn của UBE khi nhiệt độ và dòng vào thay đổi sẽ gây sai số cho Vôn kế, do đó ng−ời ta th−ờng sử dụng các sơ đồ sau đây: Trong đó: Ucc = +12V +Ucc R4 Q2 NPN E Rp Rct R5 R1 R2 U2 U R6 -Uee Uee = -12V R1 đảm bảo cho Bazo ở thế đất khi điện áp vào bằng 0 R4, R5 và R6 là bộ phân áp có Up điều chỉnh đ−ợc Rp là điện trở phụ mở rộng thang đo + Khi E = 0 ta có: UB = 0 ⇒ U = U − U = −U E B BE BE U R2 = U E − Uee = −U BE − 12 63
BomonKTDT-ĐHGTVT Chiết áp R5 đ−ợc điều chỉnh để Up = -UBE khi đó U = UE – Up = 0 (kim chỉ về vị trí 0). Giữ nguyên vị trí của con chạy + Khi E ≠ 0 ta có: U B = E ⇒ U E = U B −U BE = E −U BE ⇒ U = U E −Up = E −U BE − (−U BE) = E nh− vậy kim lệch ở vị trí t−ơng ứng với giá trị của E Chú ý: ngoài cách trên ra ng−ời ta còn có thể mắc transistor có cực B nối với con chạy của R5 để giữ nguyên giá trị Up ở một giá trị thích hợp, hoặc có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai hoặc mắc FET ở đầu vào để tăng điện trở đầu vào. ví dụ nh− sơ đồ d−ới đây: +Ucc R4 Q1 Q2 Rp1 R5 E Rp2 Rct R1 R3 R6 U2 R2 U -Uee 2. Vôn met điện tử một chiều dùng IC KĐTT ví dụ sơ đồ của một Vôn met lặp lại điện áp, sử dụng IC có hệ số khuếch đại 200.000. Điện áp trực tiếp tác động ở đầu vào không đảo lớn nhất là E = 1V Bộ suy giảm đầu vào Mạch lặp điện áp chỉ thị R1 O PAMP5 R2 + R5 R6 E R3 Rp R7 R4 Để đo các điện áp nhỏ hơn ng−ời ta sử dụng vôn met khuếch đại nh− hình sau: 64
Ch−ơng 4: Đo điện áp Khuếch đại không đảo Chỉ thị OPAMP5 Ura + Ev R1 R3 Rp+Rct R2 R4 3. Vôn met điện tử xoay chiều Thông th−ờng các bộ chỉ thị của Vôn mét điện tử là cơ cấu từ điện, nghĩa là có tính phân cực. Do đó khi cần đo điện áp xoay chiều có thể sử dụng các mạch chỉnh l−u tr−ớc khi đ−a vào các dụng cụ đo. Chỉnh l−u có thể thực hiện chỉnh l−u nửa chu kỳ và cả chu kỳ. D−ới đây là một số ví dụ: Sơ đồ chỉnh l−u nửa chu kỳ C2 U2 Dòng máy đo: OPAMP5 D5 Ev~ + R2 Rct1 R3 R4 Sơ đò chỉnh l−u cả chu kỳ D1 D3 Dòng máy đo: C1 U1 Rct OPAMP5 Ev~ + Rp1 R1 D2 D4 Rp2 65
BomonKTDT-ĐHGTVT Nguyên tắc làm việc của Vôn met điện tử xoay chiều hoàn toàn giống nh− Vôn met điện tử một chiều. Đặc điểm và dải đo cũng t−ơng tự nh− loại dụng cụ một chiều. Tuy nhiên, nh−ợc điểm của các dụng cụ này là độ chính xác không cao, dải tần hẹp, độ ổn định thấp do đặc tính phi tuyến của các diode và ảnh h−ởng của nhiệt độ môi tr−ờng. 66
Ch−ơng 5: Đo công suất Ch−ơng 5: Đo công suất I. Khái niệm chung Công suất là đại l−ợng cơ bản của các hiện t−ợng và quá trình vật lý nói chung và của các hệ thống điện tử nói riêng, do vậy việc xác định công suất là phép đo quan trọng và phổ biến. Trong thực tế, ng−ời ta phân công suất thành các loại nh− sau: + Công suất thực (công suất hữu công): P + Công suất phản kháng (công suất vô công): Q + Công suất biểu kiến (công suất danh định): S Dải đo của công suất từ 10-20 W đến 1010 W và dải tần từ 0 tới 109 Hz * Đối với mạch điện một chiều công suất thực P đ−ợc tính theo một trong các công thức sau đây: P = U.I P = I2.R P = U2 / R P = k.q Trong đó: I là dòng trong mạch U là điện áp rơi trên phụ tải có điện trở R q là l−ợng nhiệt toả ra trên phụ tải trong một đơn vị thời gian k là hệ số * Đối với mạch điện xoay chiều một pha 1 T 1 T P = .∫ pdt = ∫u.idt T 0 T 0 trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng T là chu kỳ Nh− vậy công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha đ−ợc xác định nh− là một giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T Nếu dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất đ−ợc tính theo công thức: P = U.I.cosϕ Q = U.I.sinϕ S = U.I Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng ϕ là góc lệch pha giữa dòng và áp trên phụ tải cosϕ đ−ợc gọi là hệ số công suất II. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha Từ công thức tính P ta có thể thấy ngay rằng để đo công suất của mạch một chiều trên phụ tải R thì có thể sử dụng các cặp dụng cụ nh− sau: + Ampe kế và Vôn kế Khi đó P = U.I với U và I là kết quả chỉ thị trên Vôn kế và Ampe kế 67
BomonKTDT-ĐHGTVT + Ampe kế và Ohm kế Khi đó P = I2.R Chú ý: Phép đo R thực hiện khi không nối nguồn (đo nguội) + Vôn kế và Ohm kế Khi đó P = U2/R Tuy nhiên, do sử dụng nhiều dụng cụ nên sai số của phép đo khá lớn. Trên thực tế ng−ời ta sử dụng cách đo trực tiếp công suất bằng đồng hồ Oat kế (Wattmeter). D−ới đây là một số loại Oat kế phổ biến đo công suất một chiều và xoay chiều một pha. 1. Oat kế điện động Oat kế điện động (hoặc sắt điện động) là dụng cụ cơ điện để đo công suất thực trong mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu tạo Cuộn Cuộn chủ yếu của Oat kế điện động là cơ dòng dòng cấu chỉ thị điện động. Hình bên là cấu tạo về mặt Nguồn Cuộn áp Nguyên tắc và hình dạng thực tế của Tải một oat kế. * B A * Ru Iu Ux R Rp Hoạt động: xét sơ đồ Nguyên tắc của Oat kế điện động nh− hình trên A là cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp với điện trở tải R B là cuộn dây động mắc song song với nguồn cung cấp Rp là điện trở phụ Ru là điện trở của bản thân cuộn động 68
Ch−ơng 5: Đo công suất Khi có điện áp U đặt lên cuộn dây động (tức là dòng qua cuộn động là I2 tỉ lệ với U) và dòng điện I đi qua phụ tải R (tức là dòng qua cuộn tĩnh I1 chính là dòng I). Sự t−ơng tác giữa các tr−ờng từ đ−ợc tạo ra bởi các cuộn dây sẽ làm kim của Oatmet lệch đi một góc α * Đối với mạch điện một chiều, theo công thức tính góc lệch của dụng cụ điện động ta có: 1 dM α = .I .I . 12 D 1 2 dα trong đó: I1 = I U I = 2 Ru + Rp dM g / s : 12 = const dα ⇒ α = K.U.I = K.P 1 dM K = . 12 = const D.(Ru + Rp) dα Với: D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I1, I2: dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M12: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K đ−ợc gọi là hệ số của Oat met với dòng một chiều * Đối với mạch điện xoay chiều ta có: U 1 dM α = .I.Iu. 12 cosδ Iu D dα I U ϕ Iu = .cosγ Ru + Rp γ δ = ϕ − γ δ 1 U.I ⇒ α = . .cosγ .cos(ϕ − γ ) D Ru + Rp Nếu ϕ = γ ⇒ α = K.U.I.cosϕ = K.P , nghĩa là số chỉ của Oatmet tỉ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải. Chú ý: + Do Oatmet điện động có cực tính nên khi đảo pha của 1 trong 2 cuộn dây Oatmet sẽ quay ng−ợc, vì vậy, các cuộn dây đ−ợc đánh dấu (*). Khi nối các đầu dây cần nối các đầu dây có dấu (*) với nhau. + Oatmet điện động th−ờng có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo dòng là 5A và 10A, theo áp là 150V và 300V + Dải tần số từ 0 tới KHz + Độ chính xác đạt 0,1 tới 0,2% với tần số d−ới 200Hz 2. Đo công suất bằng ph−ơng pháp điều chế tín hiệu Nguyên tắc: 69
BomonKTDT-ĐHGTVT Giả sử Uu là tín hiệu tỉ lệ với điện áp U rơi trên phụ tải và Ui tỉ lệ với dòng điện I chạy qua phụ tải. Khi đó ph−ơng pháp điều chế tín hiệu dựa vào việc nhân các tín hiệu Uu và Ui trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung là điều chế độ rộng xung (ĐRX) và biên độ xung (BĐX). D−ới đây là sơ đồ cấu trúc của Oatmet làm việc dựa trên ph−ơng pháp điều chế tín hiệu và biểu đồ thời gian của nó. Hoạt động: Máy phát tần số chuẩn (MF f0) tạo ra các xung có biên độ và độ rộng nh− Ui MF f0 Uu Utrb=K.P Ui 0 t ĐRX BĐX TP ĐRX 0 t Uu MF f0 : máy phát xung tần số chuẩn f0 ĐRX: bộ điều chế độ rộng xung BĐX: bộ điều chế biên độ xung 0 t TP: bộ tích phân Utrb P 0t nhau, các xung này đ−ợc đ−a vào bộ biến đổi độ rộng xung. Khi đó độ rộng xung sẽ phụ thuộc vào biên độ điện áp của Ui. Đầu ra của bộ điều chế có các xung với độ rộng ti = k1.Ui. Dãy xung sau khi đ−ợc điều chế độ rộng xung sẽ đ−ợc điều chế biên độ nhờ Uu, do đó diện tích của mỗi xung đầu ra sẽ tỉ lệ với công suất tức thời theo biểu thức sau: S(t) = k2.Uu.ti = k1.k2.Uu.Ui = K.Uu.Ui Nh− vậy, đầu ra của bộ tích phân tỉ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên tải Utrb = K.P Oat met loại này có sai số khoảng ± 0,1% 3. Oatmet nhiệt điện Các dụng cụ đo dùng cặp nhiệt điện có thể hoạt động ở tần số rất cao, do đó ng−ời ta dùng cặp nhiệt điện để chế tạo Oatmet đo công suất ở khu vực tần số ngoài khoảng đo của Oatmet điện động. Mạch cơ bản của Oatmet nhiệt điện nh− hình d−ới đây. Trong đó: Biến áp có điện áp thứ cấp tỉ lệ với điện áp U và tạo ra dòng iu tỉ lệ với U và biến dòng có dòng thứ cấp tỉ lệ với dòng điện I và tạo dòng ii tỉ lệ với dòng tải I. Với sơ đồ nh− trên ta có dòng đốt nóng R1 là (ii + iu) và dòng đốt nóng R2 là (ii – iu) Theo công thức của cặp nhiệt điện ta có: 2 2 e1 = k.(ii +iu) và e2 = k.(ii – iu) (giả sử 2 cặp nhiệt điện có hệ số k nh− nhau) Số chỉ của milivonmet khi đó là Era = e1 – e2 = 4kiuii 70