Kỹ thuật đo điện điện tử.Bản tóm tắt bài giảng

Trường Đại học Công nghệ Tôn Đức Thắng
Khoa Điện – Điện tử

TÓM TẮT BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
GVC. TS. Đinh Sơn Tú
Tài liệu giảng dạy lưu hành noäi boä
Tp HCM – 2002


Nội dung.
Chương
Chương
Chương
Chương
Chương
Chương
Chương
Chương
Chương

1: Khái niệm về đo lường
2: Chỉ thị đo lường
3: Đo điện áp và dòng điện
4: Đo điện trở
5: Đo điện dung, điện cảm, hỗ cảm
6: Đo công suất và điện năng
7: Dao động ký
8: Thiết bị phân tích tín hiệu
9: Cơ cấu đo hiện số

Sách tham khảo chính:
Kỹ thuật đo – Nguyễn Ngọc Tân – Nhà xuất bản


Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG
§1-1: ĐẠI LƯNG ĐO LƯỜNG
Có 2 loại cơ bản:
Đại lượng điện.
Đại lượng không điện.
1. Đại lượng điện:
Đại lượng điện tác động (active – có nguồn)
Đại lượng điện thụ động (passive)
Tác động: V, I, P năng lượng của nó sẽ cung cấp cho mạch
đo. Nếu năng lượng lớn phải phân áp dòng trước khi đo.
Còn năng lượng nhỏ, phải khuyếch đại trước khi đo.
Thụ động: R, L, C, M (hổ cảm): không mang năng lượng
nên phải cung cấp năng lượng ngoài.
Đo nóng
Đo nguội
2. Đại lượng không điện: ví dụ như nhiệt độ, áp suất, trọng
lượng, độ ẩm, độ pH, tốc độ, gia tốc… thường đổi sang đại
lượng điện bằng bộ cảm biến rồi đo.

§1-2:

CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA
THIẾT BỊ ĐO

1. Chức năng:

Cho kết quả đo
Kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống tự động điều
khiển ⇒ “đo lường quá trình” trong công nghiệp. Đây
cũng là môn học trong ngành tự động hóa.
2. Đặc tính thiết bị đo:
Có thể chia:
Thiết bị đo điện
Trang 3


Thiết bị đo điện tử
Hoặc chia:
Thiết bị kim chỉ thị (analog)
Thiết bị hiện số
Hoặc :
Đo lường điều khiển từ xa.

§1-3: CHUẨN HOÁ TRONG ĐO LƯỜNG.
1. Cấp chuẩn hoá:
Cấp 1: chuẩn quốc tế: tại trung tâm đo lường quốc tế đặt
tại Paris.
Cấp 2: chuẩn quốc gia: tại các viện định chuẩn quốc gia
được chuẩn hoá theo quốc tế.
Cấp 3: chuẩn khu vực: theo các khu vực địa lý.
Cấp 4: chuẩn phòng thí nghiệm.
2. Cấp chính xác thiết bị đo:
Được ghi trên máy hoặc sổ tay kỹ thuật (cataloge) thiết
bị đo: 0.1%, 0.5%, 1%….
§1-4: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG
1. Sai số tuyệt đối:

e = yn − xn
Trong đó:
yn: trị số tin cậy
xn: trị số đo được.
2. Sai số tương đối:
y − xn
e= n
x100%
yn
Thí dụ: điện áp có trị số 50V. đo được 49V ⇒ e=1V,
er=2%.
Trang 4


Ngoài ra còn có các khái niệm:
Độ chính xác tương đối.
Tính chính xác.
Sai số chủ quan.
Sai số hệ thống.
Sai số ngẫu nhiên.
Giới hạn sai số.

§1-5: CẤU TRÚC THIẾT BỊ ĐO.
Tổng quát: có 3 khối

Cảm biến

Gia công
tín hiệu

Chỉ thị
Kết quả

Cảm biến : Biến các đại lượng không điện thành đại
lượng điện.
Gia công tín hiệu : Biến đổi tín hiệu điện phù hợp với bộ
chỉ thị.
Chỉ thị kết quả: Chỉ thị bằng kim hoặc hằng số.
§1-6: SỰ LỰA CHỌN VÀ DÙNG CÁC THIẾT BỊ ĐO.
Chọn thiết bị đo cho phù hợp:
Đại lượng đo: V, U, I,…
Thang đo.
Cấp chính xác
Độ nhạy.v.v..
Cẩn thận khi sử dụng:
Đọc kỹ qui trình đo.
Phạm vi đo.
An toàn cho người và máy.
Trang 5


§1-7: HỆ THỐNG ĐO.
1. Hệ thống đo dạng analog.
a) Hệ thống đo 1 kênh:

Analog

Trang 6

b) Hệ thống đo analog nhiều kênh:

Đường truyền

Cần đo nhiều đại lượng thì mỗi đại lượng đo ở 1 kênh ⇒
sắp xếp ⇒ điều chế (mã hoá) theo tần số ⇒ phát đi
(truyền) ⇒ thu ⇒ giải mã. ( Có thể thực hiện đo từ xa).

Trang 7


2. Hệ thống đo dạng số:
Tương tự như hệ thống analog nhưng nhờ dùng vi xử lý, máy
tính với việc cài đặt phần mềm ⇒ xử lý nhanh, linh hoạt
thông minh hơn.

3. Điều khiển từ xa thiết bị đo lường:
Linh hoạt nhờ remote điều khiển các chức năng hệ thống đo
lường bằng cách sử dụng đường truyền số liệu (bus) của bộ
vi xử lý.

Trang 8


Trang 9


Chửụng 2: CHặ THề ẹO LệễỉNG
Đ2-1: ẹềNH NGHểA VAỉ PHAN LOẠI
Chỉ thị đo lường là 1 khâu chức năng biến đại lượng cần đo

thành số đo với đơn vị đo lường được chọn.
Có 2 loại chỉ thị:
Chỉ thị cơ điện ⇒ Analog
Chỉ thị số ⇒ Digital
a) Chỉ thị cơ điện:

X

α
Chỉ Thị

Trong đó: X: đại lượng vào U, I
α: đại lượng ra là góc quay của kim chỉ thị và các
chỉ dẫn (con số) giúp đọc được kết quả đo.
b) Chỉ thị số:
X

Chỉ Thị

M

Ra
Con số

Trong đó: X: đại lượng vào là những tín hiệu dưới dạng mã.
Ra: là con số thập phân cùng với đơn vị và chỉ
dẫn.

Trang 10

§2-2: CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN
(CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM).
Phổ biến vẫn còn dùng chỉ thị kim cho kết quả đo.
1. Cơ cấu từ điện:
Ký hiệu :
Cấu tạo :

Khung quay: nhôm quấn dây đồng có đường kính nhỏ
cách điện (đk=vài %mm) đặt trên trục quay có lò xo
hoặc dây treo.
Nam châm vónh cửu: khung quay đặt giữa hai cực của
nam châm vónh cửu.

Trang 11


Nguyên lý hoạt động:

Lực điện từ F tạo ra trên khung dây có dòng điện I chạy
qua được tính theo công thức:
F=N.B.L.I
Trong đó:
N: số vòng dây quấn.
B: mật độ từ thông xuyên qua cuộn dây.
L: chiều cao khung.
I: dòng điện chảy trong khung.
Moment quay Tq:
Tq=Fw=N.B.l.w.I=KqI
Trong đó:

w:bề rộng khung quay.
Lò xo (hoặc dây treo) tạo moment cản Tc
Tc=Kcθ
Trong đó:
Kc: hệ số xoắn của lò xo.
θ: góc quay của kim.

Trang 12


ϑi =

Kq
I = K .I
Kc

Sự đệm (cản dịu) làm cho kim chỉ thị

Khi có đệm và không có đệm
Cấu tạo:
o Bằng cuộn dây phụ có Rd là điện trở đệm nối 2
cuộn dây.
o Người ta chọn: RD=RDC điện trở đệm đúng mức.
Đặc điểm cơ cấu từ điện:
Ưu điểm:
Từ trường của nam châm vónh cửu mạnh, ít bị ảnh
hưởng từ trường beõn ngoaứi.
Coõng suaỏt tieọu thuù nhoỷ (25ữ200àW) do ủoọ nhaùy cao
(Imax nhoû).
Trang 13

Độ chính xác cao có thể đạt 0.5%.
Thang đo có góc chia đều do góc quay tuyến tính
Nhược điểm:
Chịu qúa tảiù kém do dòng đi qua rất nhỏ
Chỉ đo dòng DC.
Dễ hư hỏng khi bị chấn động mạnh nên cần khóa lại
khi ngưng sử dụng.
ng dụng:
Dùng rộng rãi trong đo lường.
Dùng điện kế gương quay (hệ thống quang chiếu tia
sáng vào gương quay gắn trên khung).
2. Cơ cấu điện từ:
a. Cấu tạo: cuộn dây cố định hút hoặc đẩy miếng sắt di
động mang kim chỉ thị.
b. Hoạt động:
Lực F từ động:
F=nI (A-T)(ampe-vòng)
θ = KI 2
Góc quay:
c. Đặc điểm cơ cấu điện từ:
Ưu điểm:
Chịu quá tải tốt, nhạy thấp.
Khuyết điểm:
Thang đo không tuyến tính.
Độ nhạy thấp
d. ng dụng:
Được dùng trong lónh vực điện công nghiệp.
Thông số thường: L=1Henry, nhạy 20Ω/V,

F=300A.vòng, ngẫu lực xoắn: 5% khối lượng di
chuyển.
3. Cơ cấu điện động:
a. Ký hiệu:
Trang 14


b. Cấu tạo: gồm có 2 cuộn dây cố định và di động nối nối
tiếp nhau. Nếu có lõi sắt non cho cuộn dây thì gọi là
sắt điện động.

c. Nguyên lý hoạt động:
Moment quay:
Tq = KqI Í I 2

Góc quay:

1 T

Tq = Kq  ∫ ií i2 dt 
T 0

θ = KI Í I 2

hoặc

θ=

hoặc

(dòng DC)
(dòng AC)
(DC)

T

K
ií i2 dt
T ∫0

Trang 15

(AC)


2- 3: THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ.
Được sử dụng rộng rãi, thuận lợi vì đọc kết quả trực tiếp.
Sơ đồ khối:

mã

Giải mã

Mã chỉ thị

Chỉ thị số

1. Mã: là tổ hợp của các tính hiệu logic. Mỗi tổ hợp tượng
trưng 1 con số. Trong đo lường, kết quả đo được thể hiện
ở mã nhị phân hay thập phân.

2. Chỉ thị số: Hiển thị các kết quả dưới dạng các chữ số, chữ
hoặc đồ thị.
a. Dùng diode phát quang:
Đơn giản biểu thị sự kiện
nào đó có xảy ra hay không.
Thông thường, I=5÷10mA,
U=5V (đối với họ TTL).

b. Chỉ thị số dùng đèn phóng điện nhiều cực:
Cấu tạo: Là 1 đèn neon phóng điện gồm 1 anode và
10 catode bằng dây NiCr uốn thành các chữ số từ 0÷9.
Khi có điện áp vào giữa anode và cathode nào đó
(điện áp khoảng 250V) số tương ứng sẽ phát sáng
(quanh sợi cathode)

Trang 16


Hiển thị dùng đèn phóng điện nhiều cực có ưu điểm
là chữ số có hình dáng đẹp, sáng nhưng tốn điện.
Ngoài ra áp phải lớn.
c. Chỉ thị số dùng led 7 đoạn:
Mỗi thanh sáng được bằng diode phát
quang hay tinh thể lỏng
Sáng hết: số 8
Không e: số 9
Không h: số 0…
Đối với tinh thể lỏng, dòng rất nhỏ
khoảng 0.1µA/thanh.
Đối với diode phát quang thì dòng khoảng

10µA/thanh
d.

Hiển thị màn hình: như màn hình vi tính.
Màn hình cấp thấp : 192x280 điểm
Màn hình VGA
: 640x480 điểm
Màn hình SVGA
: 1024x768 điểm hay
1024x1280 điểm…
Loại hiển thị này ta không khảo sát ở đây.
3. Các mạch giải mã:
Nhiệm vụ: phiên dịch từ mã này sang mã khác, như biến
đổi từ mã thập phân sang mã nhị phân, đổi mã từ mã nhị
phân sang mã thập phân…
Xét cụ thể: biến đổi từ mã nhị phân sang chỉ thi của led 7
đoạn (thập phân). Các số thập phân đầu vào thường cho
dưới dạng mã BCD.
Đầu ra là mã của led 7 đoạn:
Y Y Y Y Y Y Y
1
2
3
4
5
6
7
a
b
c

d
e
f
g
Trang 17


Ngoài ra để hiển thị được đa dạng hơn (các số khác ngoài
0÷9) người ta còn dùng mã cơ số 8, cơ số 16.

Trang 18


Chương 3: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN.
§3-1: ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC)
VÀ XOAY CHIỀU (AC).
1. Đo dòng DC:
Cả 3 loại đều
hoạt động được
với dòng DC
nên được
dùng làm bộ
chỉ thị cho máy
đo dòng DC
nhưng phải
mở rộng tầm
đo (thang đo).
I=IM+IS
Điện trở Shunt được xác định:
I max Rm

RS =
I mazt − I max
Trong đó: Rm : điện trở trong của ampe kế
Imax : dòng điện tối đa của cơ cấu chỉ thị
Imaxt : dòng điện tối đa của tầm đo.
Nếu ampe kế có nhiều tầm đo khác nhau thì dùng nhiều
điện trở Shunt khác nhau hay dùng mạch Shunt Ayrton (điện trở
Shunt dùng chung).
2. Đo dòng AC:
Cơ cấu điện từ và điện động hoạt động được với dòng
AC ⇒ chỉ cần mở rộng tầm đo.
Mạch đo AC dùng cơ cấu từ điện: Riêng cơ cấu từ điện
phải chuyển đổi từ dòng AC sang dòng DC. Cách này
được sử dụng phổ biến trong caùc V.O.M.
Trang 19


a) Dùng chỉnh lưu: AC - DC

Giá trị trung bình của dòng chỉnh lưu:
T

I cltb =

1
icl dt
T ∫0

≤ I Max

Khi dòng AC hình sin ( ví dụ tần số 50Hz) ta có :

I cltb = 0.318 2 I hd

Chỉnh lưu 1 bán kỳ

I cltb = 0.636 2 I hd

Chỉnh lưu 2 bán kỳ

b) Dùng phương pháp biến đổi nhiệt điện:

Nguyên tắc: dùng I cần đo đốt nóng cặp nhiệt tạo ra IDC
cho cơ cấu từ điện:
E0(DC)=KTRI2hd
Trang 20


Ihd :trị số hiệu dụng của dòng AC cần đo.
R :điện trở dây đốt nóng.
KT :hằng số tỉ lệ.
Người ta chỉ sử dụng trong khoảng gần tuyến tính của E0
theo giá trị của Ihd.
Ưu điểm: không phụ thuộc vào tần số nên để đo dòng AC
có tần số cao và dạng bất kỳ người ta thường dùng thiết bị
này.
Nhược điểm: phụ thuộc vào nhiệt đo môi trường xung
quanh.
c) Mở rộng tầm đo:
Dùng điện trở Shunt cho diode và cơ cấu từ điện.

Trong đó:

Dùng biến dòng:

N1i1=n2i2 (cân bằng lực từ động ở phần sơ cấp và phần
thứ cấp)
Trang 21


Ampe kế kìm là ứng dụng phổ biến: dùng biến dòng kết
hợp với cơ cấu từ điện và diode chỉnh lưu với việc mở
rộng tầm đo.
3. nh hưởng của Ampe kế đến mạch đo: mỗi ampe kế đều
có điện trở nội Rm ≠ 0 ⇒ có ảnh hưởng đến kết quả đo. Rm
càng nhỏ thì sai số càng nhỏ.
§3-2: ĐO ĐIỆN ÁP AC – DC.
1. Đo điện áp DC:

I do =

Vdo
≤ I max
R S + Rm

Vdo = I do ( RS + Rm )

Mở rộng tầm đo: dùng nhiều Rs khác nhau.
2. Đo điện áp AC:
Nguyên lý:
Cơ cấu điện động và điện từ RS mắc nối tiếp với điện

kế.
Riêng với cơ cấu từ điện Rs mắc nối tiếp với mạch đo
IAC theo hình vẽ.
Trang 22


a) Chỉnh lưu bán kì:

VAC(RMS)=(R1+Rm)Ihd+VD(RMS)
Mặt khác:
Icltb=Imax=0.318√2Ihd.
Xác định điện trở nối tiếp R1 bởi:
V ( RMS ) − VD
R1 + Rm = AC
I max /(0.318 2 )
Độ nhạy Ω/VAC trong trường hợp này
1V ( RMS ) / 0.318 2 0.45
=
I max
I max
Vậy tổng trở vào của VAC nhỏ hơn tổng trở vaøo VDC.

Trang 23


b) Chỉnh lưu 2 bán kì: tương tự

c) VAC: dùng volk kế có bộ biến đổi nhiệt để không phụ
thuộc vào dạng và tần số của VAC.

d) Thang đo của VAC: được ghi theo tri số hiệu dụng mặc dù
phương chỉnh lưu trung bình.
3. nh hưởng của Von kế đến mạch đo: do ZV(vk) mắc song
song với phần tử cần đo nên gây ra sai số (xem ví dụ 1, 2
trang 43).
Trang 24


§3-3: ĐO VDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN TRỞ.
(Tự xem)
§3- 4: VOLK KẾ ĐIỆN TỬ DC.
1. Volk kế điện tử do áp DC dùng transistor (BJT).

Hoạt động:
Mạch theo khuyếch đại cân bằng.
Mạch có k>1 (lấy ở C1, C2).
2. Dùng mạch khuyếch đại thuật toán:
Có các ưu điểm:
Hệ số khuyếch đại lớn, chọn lọc phù hợp với độ chính
xác và tuyến tính cao.
Có ngõ vào vi sai để đo hiệu số điện thế.
Độ ổn định của hệ số khuyếch đại cao.

Trang 25