Bài giảng kỹ thuật đo điện- điện tử ppt

Bài giảng kỹ thuật đo
điện- điện tử
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 bò đo:
Có thể chia:
 Thiết bò đo điện
 Thiết bò đo điện tử
Hoặc chia:
 Thiết bò kim chỉ thò (analog)
 Thiết bò 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 đònh chuẩn quốc gia
được chuẩn hoá theo quốc tế.
 Cấp 3: chuẩn khu vực: theo các khu vực đòa lý.
 Cấp 4: chuẩn phòng thí nghiệm.
2. Cấp chính xác thiết bò đo:
 Được ghi trên máy hoặc sổ tay kỹ thuật (cataloge) thiết bò
đo: 0.1%, 0.5%, 1%….
§1-4:SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG
1. Sai số tuyệt đối:
nn
xye 
Trong đó:
y
n
: trò số tin cậy

x
n
: trò số đo được.
2. Sai số tương đối:
%100x
y
xy
e
n
nn


Thí dụ: điện áp có trò số 50V. đo được 49V  e=1V,
e
r
=2%.
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 : Biến các đại lượng không điện thành đại lượng
điện.
 Gia công tín hiệu : Biến đổi tín hiệu điện phù hợp với bộ chỉ
thò.
 Chỉ thò kết quả: Chỉ thò bằng kim hoặc hằng số.

§1-6:SỰ LỰA CHỌN VÀ DÙNG CÁC THIẾT BỊ ĐO.
Chọn thiết bò đo cho phù hợp:
 Đại lượng đo: V, U, I,…
 Thang đo.
 Cấp chính xác
Cảm biến
Gia công
tín hiệu
Chỉ thò
Kết quả
 Độ nhạy.v.v
Cẩn thận khi sử dụng:
 Đọc kỹ qui trình đo.
 Phạm vi đo.
 An toàn cho người và máy.
§1-7:HỆ THỐNG ĐO.
1. Hệ thống đo dạng analog.
a) Hệ thống đo 1 kênh:
Analog
b) Heọ thoỏng ủo analog nhieu keõnh:
ẹửụứng truyen
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).
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 bò 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.

Chương 2: CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG
§2-1:ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI
Chỉ thò đo lường là 1 khâu chức năng biến đại lượng cần đo
thành số đo với đơn vò đo lường được chọn.
Có 2 loại chỉ thò:
 Chỉ thò cơ điện  Analog
 Chỉ thò số  Digital
a) Chỉ thò cơ điện:
Trong đó: X: đại lượng vào U, I
: đại lượng ra là góc quay của kim chỉ thò và các chỉ
dẫn (con số) giúp đọc được kết quả đo.
b) Chỉ thò số:
Trong đó: X: đại lượng vào là những tín hiệu dưới dạng
mã.
Ra: là con số thập phân cùng với đơn vò và chỉ dẫn.
Chỉ Th
ò
X

Chỉ Thò
X
Ra
M
Con số

§2-2: CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN
(CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM).
Phổ biến vẫn còn dùng chỉ thò 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.
 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=Kc

Trong đó: Kc: hệ số xoắn của lò xo.
: góc quay của kim.
IKI
Kc
Kq

i
.

 Sự đệm (cản dòu) làm cho kim chỉ thò
 Khi có đệm và không có đệm
 Cấu tạo:
oBằng cuộn dây phụ có Rd là điện trở đệm nối 2 cuộn
dây.
oNgười ta chọn: R
D
=R
DC
điện trở đệm đúng mức.
 Đặc điểm cơ cấu từ điện:
Ưu điểm:
 Từ trường của nam châm vónh cửu mạnh, ít bò ảnh hưởng
từ trường bên ngoài.
 Công suất tiệu thụ nhỏ (25200W) do độ nhạy cao
(Imax nhỏ).
 Độ chính xác cao có thể đạt 0.5%.
 Thang đo có góc chia đều do góc quay tuyến tính
Nhược điểm:
 Chòu qúa tảiù kém do dòng đi qua rất nhỏ
 Chỉ đo dòng DC.
 Dễ hư hỏng khi bò 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).

Trang 10
Chương 3: Cơ cấu điện từ
a.Cấu tạo: cuộn dây cố đònh hút hoặc đẩy
miếng sắt di động mang kim chỉ thò.
b.Hoạt động:
Lực F từ động: F=nI (A-T)(ampe-
vòng)
Góc quay:
2
KI

c. Đặc điểm cơ cấu điện từ:
Ưu điểm:
 Chòu 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
20
/V, F=300A.vòng, ngẫu lực xoắn:
5% khối lượng di chuyển.
3. Cơ cấu điện động:
a. Ký hiệu:
Trang 11
b. Cấu tạo: gồm có 2 cuộn dây cố đònh và
di động nối nối tiếp nhau. Nếu có lõi sắt
non cho cuộn dây thì gọi là sắt điện

động.
Trang 12
c. Nguyên lý hoạt động:
Moment quay:
2
IKqITq
Í
 (dòng
DC)
hoặc








T
í
dtii
T
KqTq
0
2
1
(dòng
AC)
Góc quay:
2

IKI
Í


(DC)
hoặc


T
í
dtii
T
K
0
2

(AC)
2- 3: THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ.
Được sử dụng rộng rãi, thuận lợi vì đọc kết quả
trực tiếp.
Sơ đồ khối:
1. Mã: là tổ hợp của các tính hiệu logic. Mỗi
tổ hợp tượng trưng 1 con số. Trong đo
Mã chỉ thò
mã
Giải mã
Chỉ thò số
Trang 13
lường, kết quả đo được thể hiện ở mã nhò
phân hay thập phân.

2.
Chỉ thò số: Hiển thò các kết quả dưới dạng
các chữ số, chữ hoặc đồ thò.
a. Dùng diode phát quang:
Đơn giản biểu thò sự
kiện nào đó có xảy ra
hay không. Thông
thường, I=5
10mA,
U=5V (đối với họ
TTL).
b. Chỉ thò 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 14
Hiển thò 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 thò 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 0.1
A/thanh.
Đối với diode phát quang thì dòng
khoảng 10
A/thanh
d. Hiển thò 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 thò này ta không khảo sát
ở đây.
Trang 15
3. Các mạch giải mã:
Nhiệm vụ: phiên dòch từ mã này sang mã
khác, như biến đổi từ mã thập phân sang mã
nhò phân, đổi mã từ mã nhò phân sang mã
thập phân…
Xét cụ thể: biến đổi từ mã nhò 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
1
Y
2

Y
3
Y
4
Y
5
Y
6
Y
7
a b c d e f g
Ngoài ra để hiển thò được đa dạng hơn (các
số khác ngoài 0
9) người ta còn dùng mã cơ
số 8, cơ số 16.
Chương 4: 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 thò cho
máy đo dòng DC
nhưng phải
mở rộng tầm đo (thang
đo).
I=I
M
+I

S
Điện trở Shunt được xác đònh:
max
max
II
RI
R
mazt
m
S


Trong đó: R
m
: điện trở trong của ampe kế
I
max
: dòng điện tối đa của cơ cấu chỉ thò
I
maxt
: 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 các V.O.M.

a) Dùng chỉnh lưu: AC - DC
 Giá trò trung bình của dòng chỉnh lưu:
dti
T
I
T
clcltb


0
1

Max
I
Khi dòng AC hình sin ( ví dụ tần số 50Hz) ta có :
hdcltb
II 2318.0 Chỉnh lưu 1 bán kỳ
hdcltb
II 2636.0 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 I
DC
cho cơ cấu từ điện:
E
0
(DC)=K
T
RI
2
hd

Trong đó: I
hd
:trò số hiệu dụng của dòng AC cần đo.
R :điện trở dây đốt nóng.
K
T
:hằng số tỉ lệ.
Người ta chỉ sử dụng trong khoảng gần tuyến tính của E
0
theo giá trò của I
hd
.
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 bò 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.
 Dùng biến dòng:
N
1
i
1
=n
2
i
2
(cân bằng lực từ động ở phần sơ cấp và phần thứ
cấp)

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 R
m
 0  có ảnh hưởng đến kết quả đo. R
m
càng
nhỏ thì sai số càng nhỏ.
§3-2:ĐO ĐIỆN ÁP AC – DC.
1. Đo điện áp DC:
)(
max
mSdodo
mS
do
do
RRIV
I
RR
V
I




Mở rộng tầm đo: dùng nhiều Rs khác nhau.
2. Đo điện áp AC:
Nguyên lý:

 Cơ cấu điện động và điện từ R
S
mắc nối tiếp với điện kế.
 Riêng với cơ cấu từ điện Rs mắc nối tiếp với mạch đo I
AC
theo hình vẽ.
a) Chỉnh lưu bán kì:
V
AC
(RMS)=(R
1
+R
m
)I
hd
+V
D
(RMS)
Mặt khác:
I
cltb
=I
max
=0.3182I
hd
.
Xác đònh điện trở nối tiếp R
1
bởi:
)2318.0/(

)(
max
1
I
VRMSV
RR
DAC
m


Độ nhạy /V
AC
trong trường hợp này
maxmax
45.02318.0/)(1
II
RMSV

Vậy tổng trở vào của V
AC
nhỏ hơn tổng trở vào V
DC
.