Đo lường điện - Bài 5: Đo điện áp

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/31 Mụn học: Đo lường điện Bài 5 Đo điện ỏp Mai Quốc Khỏnh Khoa Vụ tuyến điện tử Học viện KTQSBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 2/31 Nội dung  Khỏi niệm chung về phộp đo điện ỏp  Vụn một điện tử loại tương tự  Vụn một số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/31 Khái niệm chung về phép đo điện áp  Là một trong những phép đo thông dụng và quan trọng nhất trong đo lường.  Cú thể dùng để đo gián tiếp nhiều đại lượng vật lý khác (ví dụ như cường độ điện trường, công suất, dòng điện...)  Phạm vi đo rộng: từ 10-9V đến hàng trăm KV  Dải tần đo rộng (tới 3.109 Hz)  Đối với điện áp xoay chiều người ta đo các giá trị biên độ, trung bình và hiệu dụng Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/31 Cỏc giỏ trị đặc trưng cho điện ỏp xoay chiều  Giá trị biên độ (P): giá trị lớn nhất của điện áp xoay chiều trong một chu kỳ  Phõn biệt giỏ trị đỉnh - đỉnh (P-P) với giỏ trị đỉnh (P)  Giá trị trung bình (AVG): trung bình của các giá trị tức thời trong một chu kỳ  Với điện ỏp hỡnh sin đú là giỏ trị “trung bỡnh chỉnh lưu”  Giá trị hiệu dụng (RMS): trung bình bình phương của các giá trị tức thời trong một chu kỳ  Đối với điện áp có chu kỳ không sin với n hài 0 1 | ( ) | T tbU U t dtT = ∫ 2 0 1 ( ) T U U t dt T = ∫ ∑ = = n i iUU 0 2 Giỏ trị biờn độ đỉnh-đỉnh Giỏ trị biờn độ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/31 Cỏc giỏ trị đặc trưng cho điện ỏp xoay chiều  Mối quan hệ giữa các giá trị của điện áp xoay chiều :  Hệ số biên độ Kb = Um/U  Hệ số dạng tín hiệu Kd = U/Utb  Đối với điện áp dạng hình sin:  Kb = 1,41, Kd = 1,11  Đối với điện áp hình chữ nhật  Kb = Kd = 1  Đối với điện ỏp hỡnh tam giỏc:  Kb = 1,73, Kd = 1,15 Cỏc giỏ trị của điện ỏp hỡnh sinBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/31 Sai số phương pháp của phép đo điện áp  Vôn mét được mắc song song với phụ tải Zt có điện áp cần đo  Giá trị thực của điện áp trên tải (trước khi mắc vôn mét):  Mắc vôn mét vào mạch, vôn mét sẽ chỉ giá trị điện áp:  Sai số tương đối của phép đo do ảnh hưởng của trở kháng vào của vôn mét  Để giảm sai số cần chọn vôn mét có trở kháng vào lớn t x o t Z U E Z Z = + E ZZZZZ ZZZZU tvvt tvvt x .)/( )/( 0 , ++ + = , 1 .100 [%] .100 [%] 1 x x x u v vx o t U U Z ZU Z Z δ − = = − + + ~ Z0 Zt E VZV Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/31 Các phương pháp đo điện áp  Phương pháp đánh giá trực tiếp: đo trực tiếp bằng các vôn mét  vôn mét nhiệt điện  vôn mét tĩnh điện  vôn mét điện động  vôn mét điện từ  vôn mét điện tử  Nhóm phương pháp so sánh  Phương pháp vi sai  Phương pháp chỉnh “0"  Phương pháp bù  Phân loại vôn mét  Theo dạng chỉ thị (vôn mét tương tự, vôn mét hiện số)  Theo giá trị điện áp cần đo (vôn mét biên độ, vôn mét trung bình, vôn mét hiệu dụng)  Theo phạm vi đo (vôn mét, milli vôn mét), dải tần công tác (vôn mét cao tần, vôn mét thấp tần), cấu trúc mạch (vôn mét biến đổi thẳng, vôn mét biến đổi cân bằng)...Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/31 Vôn mét điện tử loại tương tự  Vôn mét điện tử (VMĐT) loại tương tự được xây dựng trên cơ sở kết hợp các bộ tách sóng, bộ khuếch đại và cơ cấu đo từ điện Sơ đồ khối của VMĐT Cơ cấu đo từ điện Bộ tách sóng trong VMĐT Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/31 Sơ đồ khối của VMĐT loại tương tự  VMĐT một chiều Khuếch đại một chiều I- Biến đổi 1C  XC Khuếch đại xoay chiều Chỉ thị Ux- Tách sóng I- Chỉ thị ~Ux- ~ ưu điểm: đơn giản Nhược điểm: hiện tượng trôi điểm “0” ưu điểm: khắc phục được hiện tượng trôi điểm “0” Nhược điểm: phức tạpBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/31 Sơ đồ khối của VMĐT loại tương tự  VMĐT xoay chiều  Chỉ thị của VMĐT thường dùng cơ cấu đo từ điện Khuếch đại một chiều I- Khuếch đại xoay chiều Chỉ thị - Tách sóng I- Chỉ thị ~ Tách sóngUx~ Ux~ ưu điểm: Dải tần rộng Nhược điểm: độ nhạy kém ưu điểm: độ nhạy cao Nhược điểm: dải tần hẹp Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/31 Cơ cấu đo từ điện  Là cơ cấu đo 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 CCĐ từ điện Cỏc bộ phận CCĐTĐ: (1) nam chõm vĩnh cửu (2) lũ xo phản khỏng (3) chốt giữ lũ xo. (4) thang chia độ (5) cuộn dõy dẫn điện (6) kim. Volmet từ điện (điện cơ)Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/31 Cơ cấu đo từ điện  Mô men quay . φ α α = =dtt cq dw dM I d d  Trong khe hở của cơ cấu đo cú từ trường đồng nhất, do vậy  Do vậy, mô men quay . . .qM B S n I= với - biến thiên từ thông móc vòng qua khung dây vòng - là dòng điện qua cuộn cảm φcd n I . .φ α=cd S B nd 2S S rl r l B n =       - diện tích của khung dây - bán kính quay - chiều dài khung dây - cảm ứng từ trong khe hở không khí - số vòng của khung dây với Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/31 Cơ cấu đo từ điện  Tại thời điểm cân bằng mô men: . . . .q pkM M B S n I Dα= ⇔ =  Do đó với S0 là độ nhạy của cơ cấu đo từ điện  Đặc điểm của cơ cấu đo từ điện:  Thang đo tuyến tính  Độ nhạy cao  Tiêu thụ dòng điện nhỏ  Chịu tải kém  Thường dùng để chế tạo ampe mét, vôn mét, ôm mét, làm thiết bị chỉ thị cho vôn mét điện tử và các cầu đo 0 . . . .B S n I S I D α = = Bộ m ụn LT M -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/31 Phương trình thang đo của VMĐT 2 0 1 ~[ . . . ( . )]KD MD PA xN F K K S F K U= αPhân áp Tách sóng Khuếch đại Mạch đo KPA F1(U~) I- CCĐ Ux~ U- U’- KKĐ KMĐ F2( ) S0  Theo cấu trúc mạch đơn hướng, phương trình thang đo của VMĐT có thể viết như sau: α U’x~  P/T thang đo của VMĐT phụ thuộc chủ yếu vào hàm tỏch súng.  Ba loại BTS thường gặp trong VMĐT BTS biờn độ BTS trung bỡnh BTS hiệu dụng N Bộ m ụn L T -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/31 Bộ tách sóng biên độ  Bộ tách sóng biên độ (TSBĐ) có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều về một chiều với giá trị trung bình bằng giá trị biên độ của điện áp xoay chiều. tT 0 Ux Uc U Đ C Rt Đ C Rt TSBĐ đầu vào mở TSBĐ đầu vào đóng Ux Ux + - + - . .Hằng số thời gian nạp ( ) Hằng số thời gian phóng ( )n d p tR C R Cτ τ += =Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/31 Bộ TSBĐ với đầu vào mở  Sau một khoảng thời gian nhất định URt = Uc = Um  Đặc điểm:  “Mở” với thành phần điện áp một chiều ở đầu vào Độ nhạy thấp Dải tần rất rộng Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/31 Bộ TSBĐ với đầu vào đóng  Sau một thời gian, tụ C được nạp tới giá trị biên độ của điện áp hình sin: Uc ≈ Um  Điện áp trên tải: URt = Ux + Uc = Umsin (ωt) + Um = Um [sin (ωt) + 1]  Khi Ux ở các thời điểm dương cực đại Um+ thì URt = 2Um  Khi Ux ở các thời điểm âm cực đại Um- thì URt = 0  Như vậy, giá trị trung bình của điện áp trên tải trong một chu kỳ tín hiệu bằng giá trị biên độ Um của điện áp vào Ux. Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/31 Ứng dụng của bộ TSBĐ  Bộ TSBĐ dựng để chế tạo:  VMĐT đo cỏc giỏ trị biờn độ, trung bỡnh và hiệu dụng của điện ỏp hỡnh sin  Cỏc đầu đo trong cỏc VMĐT, cỏc mỏy hiện súng và cỏc thiết bị khỏc RF MillivolmeterBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/31 Bộ tách sóng trung bình  Bộ tỏch súng trung bỡnh (TSTB) trong vụn một điện tử làm nhiệm vụ chỉnh lưu điện ỏp xoay chiều  Chỉnh lưu cú thể thực hiện trong nửa chu kỳ và cả chu kỳ điện ỏp Ux~ Rt Rt Rt Ux~ Ux~ CCĐ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/31 Bộ TSTB 0 0 0 0 1. ( ) . . Góc quay phần động cơ cấu đo: = T tbS I S K U t d t S K UT α = =∫  Ứng dụng của TSTB:  Chế tạo cỏc đồng hồ vạn năng và cỏc AVO đo giỏ trị điện ỏp hiệu dụng của điện ỏp xoay chiều hỡnh sin Digital MultimeterBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/31 Bộ TSTB  Cỏc mạch TSTB thực hiện theo kiểu mạch cầu  Mạch TSTB thường mắc thờm bộ phận bự tần số: khi tần số điện ỏp đo tăng, trở khỏng a-b giảm, trở khỏng b-c cũng giảm (do C0), phõn bố điện ỏp a-b và c-d khụng thay đổi Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/31 Bộ tỏch súng hiệu dụng  Ba thao tỏc biến đổi khi đo giỏ trị hiệu dụng:  bỡnh phương điện ỏp  lấy giỏ trị trung bỡnh  khai căn  Bộ tỏch súng hiệu dụng (TSHD) làm nhiệm vụ bỡnh phương điện ỏp, cơ cấu đo từ điện cú gúc quay phần động tỷ lệ thuận với giỏ trị trung bỡnh của bỡnh phương điện ỏp, cũn việc khai căn thực hiện nhờ khắc độ thang đo  Trong thực tế, sử dụng phương phỏp gấp khỳc gần đỳng để chế tạo bộ TSHD 2 0 1 ( ) T U U t dt T = ∫ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/31 Phương phỏp gấp khỳc gần đỳng CCĐ Đ1 Đ2 Đ3 R’2 R2 R’3 R3 R’4 R4 Đ4 Đ5 R1R5 C U U1 U2 U3 + - Đ3 R’2 R2 U1U + U1 i u i1 u U1 i2 u U2 i3 u U3 i4 ui1 i1+i2 i1+i2+i3 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/31 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 25/31  Vụn một điện tử loại hiện số được xõy dựng theo những nguyờn tắc sau: Biến đổi thời gian xung Biến đổi tần số Biến đổi cõn bằng Vôn mét số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/31 Vôn mét số tích phân hai lần R C UX KĐ ĐAM 2 1 CM U 0 K ĐK SS TXC K BĐX HTS TX f0 NX Bộ tích phân ĐK1 T1 UĐK ĐK3ĐK2 TX UĐK T0UTXC t Un Up TX NXUĐX Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/31 Hoạt động của vôn mét số tích phân hai lần  Bước 1: Bộ điều khiển đưa ra tín hiệu ĐK1  chuyển bộ đếm BĐX về trạng thái ban đầu  đóng khóa K  chuyển CM về vị trí 1. Điện áp Ux nạp cho tụ C  Bước 2: Bộ điều khiển đưa ra tín hiệu ĐK2  chuyển CM về vị trí 1  mở khóa K  BĐX bắt đầu đếm Điện áp U0 nạp cho tụ C 1 10 1 T KD n KD x x KU K U dt U T RC RC = =∫ 0 1 .x T x p o o TU U dt U RC RC = =∫Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/30 Hoạt động của vôn mét số tích phân hai lần  Vỡ Un = Up  Hay là  Như vậy mó thiết lập trờn bộ đếm Nx sau thời điểm ĐK3 tỷ lệ với điện ỏp cần đo, thụng qua hệ số tỷ lệ 1 .KD x x o K UT T U = x o oKD oxx UU TfKfTN .1== Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/31 Sai số của vôn mét số tích phân hai lần  Sai số của vụn một tớch phõn hai lần phụ thuộc sai số của bộ khuếch đại vào sự ổn định của cỏc tham số T1, fo, Uo sai số lượng tử húa  Khụng phụ thuộc vào tham số bộ tớch phõn Digital Millimeter Digital Millimeter Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/31 Sai số của vôn mét số tích phân hai lần  Nếu chọn T1 = n Tnh thì vôn mét giảm hoặc loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu có chu kỳ, trong đó có nhiễu nguồn nuôi 50Hz  Với nhiễu nguồn nuôi Unhsinωt thì ở đầu vào vôn mét tín hiệu có dạng:  Trong bước tích phân thứ nhất ở vôn mét ta có:  Khi T1 bằng số nguyên lần chu kỳ nhiễu thì  do đó tUUU nhxx ωsin , += ∫∫ ∫ += =+= 11 1 00 0 sin1 )sin(1 T nh KDT xKD T nhKDxKDn dttU RC KdtUK RC dttUKUK RC U ω ω 1 0 sin 0 T t dtω =∫ 1TURC KU xKDn =Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 31/31 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ... CẢM ƠN Bộ m ụn L TM -Đ L