Đo lường điện - Bài 2: Các cơ cấu đo lường điện cơ bản

© Mai Quốc Khánh - 04/2010 1/28 Môn học: Đo lường điện Bài 2 Các cơ cấu đo lường điện cơ bản Mai Quốc Khánh Khoa Vô tuyến điện tử Học viện KTQS Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 2/28 Nội dung  Nguyên lý hoạt động của CCĐ  Cơ cấu đo từ điện  Cơ cấu đo điện từ  Cơ cấu đo điện động  Cơ cấu đo tĩnh điện  Đo dòng điện và điện áp sử dụng cơ cấu đo Bộ m ô L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Vị trí của CCĐ trong dụng cụ đo đánh giá trực tiếp 3/28 Cơ cấu đo Y (I, U) Mạch đoX Thiết bị chỉ thị α = f(Y)  Mạch đo: biến đổi đại lượng X thành đại lượng điện Y (dòng điện hoặc điện áp)  Cơ cấu đo: chuyển đổi đại lượng điện thành chuyển dịch cơ học (sự thay đổi vị trí của phần động so với phần tĩnh)  Thiết bị chỉ thị: phản ánh độ lớn của đại lượng đo thông qua chỉ số trên thang đoBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Nguyên lý hoạt động của CCĐ 4/28  Biến đổi liên tục điện năng thành cơ năng làm quay phần động của nó. Trong quá trình quay lực sinh công cơ học, một phần thắng lực ma sát, một phần làm biến đổi thế năng phần động I (hoặc U) Wđtt  F Mq  α  Mô men quay dttq dWM dα =  Mô men phản kháng .pkM Dα=  Phương trình cân bằng mô men q pkM M=  Phương trình thang đo 1 dttdW D d α α =Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 5/30 C¬ cÊu ®o tõ điện  Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu với từ trường của khung dây có dòng điện chạy qua Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo từ điện Phần tĩnh:  Nam châm vĩnh cửu  Hai má cực từ  Lõi sắt từ Trong khe từ có từ trường đồng nhất hướng tâm Phần động:  Khung dây  Kim chỉ thị  Lò so phản kháng  Đối trọng 6/28 Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 7/30 C¬ cÊu ®o tõ ®iÖn  T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men: . . . .q pk B SM M In Dα= ⇔ = 0 . . . .B S n I I D Sα = =  Phương trình thang đo: So - độ nhạy của CCĐ B -Cảm ứng từ S - diện tích khung dây n - số vòng của khung dây D – hệ số lò so phản kháng Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo từ điện  Đặc điểm:  Chỉ đo ở mạch một chiều  Thang đo tuyến tính  Công suất tiêu thụ nhỏ  Chịu quá tải kém  Cấu tạo phức tạp  Ứng dụng: chế tạo ampemét, vônmét, dùng làm thiết bị chỉ thị cho các vônmét điện tử và cầu đo 8/28 CCĐ từ điện Volmet và ampemet từ điệnBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 9/30 C¬ cÊu ®o điện tõ  Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của cuộn dây (phần tĩnh) có dòng điện chạy qua với phần tử làm bằng vật liệu sắt từ (phần động) Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo điện từ 10/28 Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 11/30 C¬ cÊu đo ®iÖn từ  T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men: 21 . 2q pk dLM M I D d α α = ⇔ = 2 2 0 1 . 2 dL I S I D d α α = =  Đặc điểm:  Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều  Thang đo phi tuyến  Cấu tạo đơn giản  Chịu quá tải tốt  Ứng dụng: chế tạo ampe mét, vôn mét  Phương trình thang đo: Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 12/30 C¬ cÊu ®o điện động  Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa từ trường của các cuộn dây (động và tĩnh) khi có dòng điện chạy qua Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo điện động 13/28 ElectrodynamometerBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo điện động  Với dòng điện một chiều, tại thời điểm cân bằng mô men 14/28 12 1 2 .q pk dM M I I D d M α α = ⇔ = 1 2 0 1 2( .) 1 I If S I I D αα = =  Với dòng điện xoay chiều, tại thời điểm cân bằng mô men 1 2( ) cos .qtb pkM M f I I Dα ϕ α= ⇔ = Hàm của góc quay α 1 2 0 1 2 1 ( ) cos .f I I S I I D α α ϕ= = M12 - hỗ cảm giữa 2 cuộn dây  Phương trình thang đo:  Phương trình thang đo: φ - góc lệch pha giữa 2 dòng điệnBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 15/30 C¬ cÊu đo ®iÖn động  Đặc điểm:  Đo ở cả dòng một chiều và xoay chiều  Thang đo phi tuyến  Cấu tạo đơn giản  Ứng dụng: chế tạo ampe mét, vôn mét, pha mét, tần mét, oát mét Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 16/30 C¬ cÊu ®o tĩnh điện  Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa hai hoặc một số vật tích điện Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo tĩnh điện 17/28  T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men: 2 1 . 2q pk dC UM M D d α α = ⇔ = 2 2 0 1 . 2 dC U S U D d α α = =  Phương trình thang đo: C – điện dung giữa 2 cực U – điện áp giữa 2 cực Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Cơ cấu đo tĩnh điện  Đặc điểm:  Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều  Thang đo phi tuyến  Trở kháng vào lớn, năng lượng tiêu thụ nhỏ, dải tần rộng  Độ nhạy thấp  Ứng dụng: chế tạo vônmét 18/28 Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Đo dòng điện một chiều  Các cơ cấu đo từ điện, điện từ và điện động có thể đo dòng một chiều trực tiếp  ampe mét một chiều  Để đo các dòng điện lớn, cần mở rộng thang đo  Phương pháp mở rộng thang đo dòng điện một chiều là dùng điện trở shunt mắc song song với CCĐ 19/28 Bộ m ôn LT M -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Mở rộng thang đo dòng điện 20/28  Rm – điện trở trong của CCĐ  Imax – dòng điện tối đa của CCĐ  It – dòng điện tối đa của thang đoBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 21/28  Imax – dòng điện tối đa của CCĐ  It – dòng điện tối đa của thang đo với Imax = 50 μA; Rm = 1 kΩ; It = 1 mA Hãy tính điện trở shunt? Mở rộng thang đo dòng điện: Ví dụ Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 22/28  Đối với ampe mét có nhiều thang đo, cần dùng nhiều điện trở shunt Mở rộng thang đo dòng điện Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Đo dòng điện xoay chiều 23/28  Đối với cơ cấu đo từ điện:  Ampe mét xoay chiều thường sử dụng CCĐ từ điện (do độ chính xác cao)  Cần chỉnh lưu dòng AC thành dòng DC  Đối với cơ cấu đo điện từ và điện động:  Đo trực tiếp dòng AC, không cần chỉnh lưu  Mở rộng thang đo:  Sử dụng điện trở shunt  Sử dụng biến dòng đo lường Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Chỉnh lưu bằng điốt 24/28  Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu 0 1 ( ) T cltbI i t dtT = ∫ Chỉnh lưu cả chu kỳChỉnh lưu nửa chu kỳ Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 25/28 Mở rộng thang đo dòng điện xoay chiều Mở rộng thang đo dòng điện AC bằng shunt Mở rộng thang đo dòng điện AC bằng biến dòng đo lường Analog Clamp MeterBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 26/28 Mở rộng thang đo dòng xoay chiều: Ví dụ  Dòng tối đa của cơ cấu đo là Imax = 1 mA  Điện áp trên điốt là VD = 0,6 V  Điện trở trong của CCĐ là Rm = 50 Ω Hãy tính shunt để có thể đo được dòng (hiệu dụng) Iđo = 100 mA ?  Dòng qua điốt 0,318 2cltb hdI I=  Ta có max 1100 97,8 0,318 2s hd mAI I I mA mA   = − = − =    do Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Đo điện áp một chiều 27/28  Nguyên lý đo: biến đổi điện áp thành dòng điện đi qua cơ cấu chỉ thị  Mở rộng thang đo điện áp: sử dụng điện trở phụ mắc nối tiếp với CCĐ  Rm – điện trở trong của CCĐ  Imax – dòng điện tối đa của CCĐ  Iđo – dòng điện tối đa của thang đo mIdodo ax s m VI R R = ≤ + Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 28/28  CCĐ từ điện có Imax = 100μA; Rm = 0,5kΩ  Hãy tính điện trở phụ cho 3 thang đo V1 = 2,5V; V2 = 10V; V3 = 50V  Ở thang đo V1 = 2,5V  Để vôn mét có ĐCX cao, nên chọn sai số của điện trở R1, R2, R3 ≤ 1% độ nhạy Ω/VDC của vôn mét Mở rộng thang đo điện áp một chiều: ví dụ Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Mở rộng thang đo điện áp một chiều: ví dụ 29/28  Ở thang đo V2 = 10V  Ở thang đo V3 = 50V Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 Đo điện áp AC 30/28  Đối với cơ cấu đo từ điện:  Cần chỉnh lưu điện áp AC thành điện áp DC  Sử dụng bộ biến đổi nhiệt điện  Đối với cơ cấu đo điện từ, điện động:  Mở rộng thang đo dùng điện trở phụ như đo điện áp một chiều  Đối với cơ cấu đo tĩnh điện:  Thường không mắc điện trở phụ Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 31/28 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ... Cảm ơn Bộ m ôn L TM -Đ L