các phương pháp đo điện

Các đại lượng điện không mang năng lượng và phương pháp đo
1. Đo tần số
Để đo tần số của tín hiệu điện ta cung có hai phương pháp đó là phương pháp
biến đổi thẳng và phương pháp so sánh.
1.1. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng
1.1.1. Tần số kế cộng hưởng điện từ
Cấu tạo: Một nam châm điện. Các thanh thép được gắn chặt một đầu, còn
một đầu kia dao động tự do. Các thanh thép có tần số riêng khác nhau. Tần số
riêng của mỗi thanh bằng hai lần tần số của nguồn điện cần đo. Thang khắc độ
theo tần số, só thể dạng đĩa hoặc doc thanh.
Hình – Cấu tạo của tần số kế cộng hưởng điện từ
1.1.2. Tần số kế cơ điện
1.1.2.1. Tần số kế cơ điện động và sắt điện động
Cấu tạo gồm: Logomet điện động có cuộn tĩnh A được mắc nối tiếp với cuộn
động B
2
và nối tiếp với các phần tử R
2
, I
2
, C
2
còn cuộn động B
1
, mắc nối tiếp với
C
1
.
Hình – Sơ đồ tần số kế dung lôgômét điện động
1.1.2.2. Tần số kế dùng lôgômét điện từ
Cấu tạo gồm: Có hai cuộn dây, cuộn thứ nhất được nối tiếp với điện trở R

1
và
điện cảm L
1
. Cuộn thứ hai được nối với điện trở R
2
, L
2
, C
2
. Khi tần số cần đo
của tín hiệu thay đổi các dòng điện I
1
và I
2
sẽ thay đổi không giống nhau vì đặc
tính điện trở của chúng không giống nhau.
Hình – Sơ đồ tần số kế điện từ
I
Dựa trên cơ sở của lôgômét điện từ người ta chế tạo ra tần số kế điện từ,
trong đó các cuộn dây được mắc với R, L, C như sơ đồ hình bên. Khi đó trở
kháng của các nhánh phụ thuộc vào tần số. Khi tần số thay đổi thì trở kháng
cũng thay đổi, do đó các dòng I
1
, I
2
cũng thay đổi theo và kim sẽ lệch góc
α
thay
đổi theo tỉ số

2
1
I
I
, nghĩa là tỉ lệ với tần số.
Ngoài ra, người ta còn có thể sử dụng cơ cấu đĩa dịch chuyển để đo tần số
như hình dưới
Cho cuộn dây A nối tiếp với một điện trở còn cuộn dây B nối tiếp với một
cuộn cảm và cả hai cùng song song với nguồn điện áp cần đo tần số. Hai cuộn
dây sẽ tạo ra lực đẩy ngược chiều lên hai nửa đĩa kim loại. Cuộn A đẩy theo
chiều kim đồng hồ,cuộn B đẩy ng ợc chiều kim đồng hồ. Kim sẽ lệch về hướng
có lực đẩy nhỏ, nghĩa là rời xa cuộn có dòng lớn hơn chạy qua. Vì sử dụng điện
trở nối tiếp với cuộn A nên dòng sẽ không thay đổi theo tần số nh với dòng qua
cuộn B. Nghĩa là lực đẩy đĩa kim loại do cuộn A gây ra là một số xác định, góc
quay cũng xác định (thông thường sẽ lấy chuẩn ở tần số 60Hz). Khi tần số vào
lớn hơn thì dòng qua cuộn B sẽ nhỏ đi (do trở kháng tăng) lực tác dụng của A
lên kim sẽ lớn hơn lực tác dụng của B, do đó kim chỉ sẽ quay theo chiều kim
đồng hồ. Ng ợc lại, khi tần số nhỏ hơn kim sẽ quay ng ợc chiều kim đồng hồ vì
lực tác dụng của B lên nửa đĩa bên phải lớn hơn lực tác dụng của A lên nửa đĩa
bên trái. Vị trí của kim dừng sẽ t ơng ứng
với tần số cần đo đ ợc chỉ thị trên thang khắc độ (xem hình trên)
Với các phần tử nh trong mạch ta sẽ có
)(
2'
x
fF=
α
, nghĩa là góc lệch của
dụng cụ là một hàm của tần số, do đó thang đo có thể khắc độ trực tiếp theo thứ
nguyên của tần số là Hz.

Tần số kế có giới hạn đo từ 45Hz – 55Hz; sai số 1,5% và có thể chế tạo dụng
cụ đo tần số cao hơn đến 2500Hz.
1.1.3. Tần số kế điện tử
1.1.3.1. Tần số kế điện dung dung đổi nối điện tử
Nguyên lý của tần số kế điện dung dựa trên việc đo giá trị trung bình của
dòng phóng I của tụ điện, phóng nạp có chu kì cùng với tần số cần đo f
x
.
Hình – Sơ đồ nguyên lý tần số kế phóng nạp tụ điện
1.1.3.2. Tần số kế điện dung dung chỉnh lưu
Nhờ vào mạch tạo xung điện áp có tần số cần đo f
x
được biến thành xung
vuông khi xung còn tồn tại tụ C được nạp qua điốt D
1
. Khi không có xung tụ
phóng qua D
2
và cơ cấu chỉ thị từ điện.
1.1.4. Tần số kế chỉ thị số
Nguyên lý của một tần số kế chỉ thị số là đếm số lượng xung N tương tự ứng
với số chu kì cảu tần số cần đo f
x
trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo T
đo
Trong khoảng thời gian T
đo
ta đếm được N xung tỉ lệ với tần số cần đo f
x
.

1.2. Đo tần số bằng phương pháp so sánh
1.2.1. Tần số kế trộn tần
Phương pháp trộn tần là phương pháp sao sánh giữ tần số của tín hiệu khảo
sát với tần số một máy phát cộng suất nhở có tần số đã định trước. Khi đo tín
hiệu có tần số cần đo f
x
và tín hiệu đo f
0
của máy phát chuẩn được đưa vào bộ
trộn tần.
1.2.2. Tần số kế cộng hưởng điện
Tần số kế sử dụng hiện tượng cộng hưởng điện là một hệ thống dao động
được điều chỉnh cộng hưởng với tần số cần đo của nguồn tín hiệu.
Trạng thái dao động được phát hiện theo chỉ số cao nhất của bộ chỉ thị cộng
hưởng tỉ lệ với dòng ( hay áp) trong hệ thống dao động. Tần số cần đo được
khắc độ ngay trên núm vặn của thiết bị dò tìm dao động hoặc sử dụng bảng tra
số hay đồ thị. Bộ vào để hòa hợp giữ tần số kế và nguồn tín hiệu cần đo.
Hình –Sơ đồ khối tần số kế cộng hưởng điện
1.2.3. Tần số kế vạn năng sử dụng vi xử lý µP
Một tần số kế hiện đại có thể đo được nhiều đại lượng. Để thực hiện việc đo
các đại lượng như vậy cần phải thực hiện điều khiển thong qua µP hay máy tính
đơn phiến.
Tần số kế bao gồm 3 phần:
- Phần 1: Bao gồm các bộ biến đổi chu kỳ hay độ dai xung cảu tín hiệu
vào u
x
(t) thành khoảng thời gian.
- Phần 2: Bao gồm các bộ biến đổi chu kì và độ dài xung thành mã số.
- Phần 3: Bao gồm hệ vi xử lý cài đặt vào tần số kế.
Để tạo bộ chia tần số với hệ số chia thay đổi người ta dung timer chương

trình hóa. Phần µP được nối với các phần khác bằng các “BUS” dữ liệu, địa chỉ
và điều khiển.
2. Đo góc lệch pha
Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha:
- Dựa vào cách biến đổi ta có thể chia thành: phương pháp biến đổi thẳng
và phương pháp biến đổi bù.
- Dựa vào cách lấy thong tin đo có thể chia thành phương pháp sử dụng
thong tin khi tín hiệu vượt qua một mức nhất định và phương pháp dung toàn bộ
thong tin nhận được.
2.1. Đo góc lệch pha bằng phương pháp biến đổi thẳng.
2.1.1. Fazômét điện động
Dụng cụ để đo góc lệch pha và hệ số cosφ là fazômét. Thông thường nhất là
dụng cụ sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động.
Hình – Sơ đồ Fazômét điện động
Nhược điểm của sơ đồ trên là chỉ dung cho một cấp điện áp. Khi điện áp thay
đổi các thông số của mạch cunge phải thay đổi theo, hơn nưa mạch sử dụng điện
cảm L nên cảm kháng phụ thuộc vào tần số và sẽ gây sai số cho kết quả đo. Để
khắc phục nhược điểm trên người ta cải tiến thành mạch như sau.
Chia cuộn B1 thành 2 cuộn song song, một cuộn nối với L và một cuộn nối
với C. Giá trị của L và C đ ợc chọn sao cho
C
L
.
1
.
ω
ω
=
Khi đó nếu tần số thay đổi điện kháng toàn mạch coi nh không đổi (vì khi
điện kháng của nhánh này tăng, điện kháng của nhánh kia sẽ giảm).

Fazomet điện động thông th ờng có thông số nh sau:
+ Dải tần số từ 50 – 60 Hz (dải tần số công nghiệp)
+ Thang đo φ từ 0 – 1
+ cosφ từ 0 đến 1
+ Cấp chính xác từ 0,2 – 0,5
1.2.2. Fazômét điện tử
Nó dựa trên việc biến đổi góc lệch pha trực tiếp biến dòng thành áp. Để đo
góc lệch pha giữa hai điện áp hình sin ta thực hiện theo sơ đồ
Tín hiệu hình sinx
1
và x
2
qua các bộ tạo xung TX
1
và TX
2
. Khi tín hiệu đi qua
mức “0” tạo ra các xung U
’
1
và U
’
2
. Các xung này được đưa đến đầu vào của các
trigơ (S-R). Như vậy các tín hiệu hình sin ở đầu vào các bộ tạo xung đã biến độ
lệch pha thành khoảng thời gian giữa các xung. Khi có sự tác động của các xung
này lên đầu vào của trigơ xuất hiện tín hiệu I
Tr
ở đầu ra. Và qua cơ cấu chỉ thị từ
điện ta sẽ có dòng trung bình.

1.2.3. Fazômét chỉ thị số
Nó dựa trên nguyên tắc biến đổi góc lệch pha thành mã. Đầu tiên góc lệch
pha cần đo giữa hai tín hiệu được biến thành khoảng thời gian. Sau đó lấp đầy
khoảng thời gian bẳng các xung với tần số đã biết trước. Các Fazômét xây dựng
theo nguyên tắc này bao gồm bộ biến đổi góc pha thành khoảng thời gian, bộ
biến đổi thời gian – xung, bộ đếm và chỉ thị số.
Hình – Sơ đồ Fazômét chỉ thị số
2.2. Đo góc lệch pha bằng phương pháp biến đổi kiểu bù
Nguyên lý của phương pháp này như sau: góc lệch pha cần đo được so sánh
với một góc lệch pha chuẩn
k
ϕ
di một bộ quay pha tạo ra.
Đây thực chất là phương pháp so sánh. Có thể có hai loại: so sánh cân bằng
và so sánh không cân bằng
ϕ
ϕϕ
∆=−
kx
Khi so sánh cân bằng thì
k
ϕ
thay đổi sao cho bằng
x
ϕ
tức là
ϕ
∆
luôn bằng 0.
Còn khi so sánh không cân bằng tức là

ϕ
ϕϕ
∆+=
kx
2.2.1. Fazômét kiểu bù điều khiển bằng tay
Lúc đầu để loại trừ mọi sự sai lệch về pha giữa hai kênh. Khóa S được về vị
trí 1. Khai quay pha
k
ϕ
ở vin trí 0 bằng cách thay đổi quay pha phụ để đạt được
vị trí 0 ở bộ chỉ thị cân bằng. Sau đó khóa S được chuyển về vị trí 2 và điều
chỉnh quay pha chuẩn cho đến khi đạt được vị trí 0 của bộ chỉ thị cân bằng.
Khi đó kết quả sẽ được đọc ở bộ quay pah chuẩn.
Hình 11-6. Fazômét kiểu bù điều khiển bằng tay
2.2.2. Fazômét kiểu bù tự động
Kiểu bù bằng tay không thuận tiện và độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào
người điều khiển. Hơn nưa khi cần theo dõi sự thay đổi của góc lệch pha theo
thời gain. Điều này dẫn đến việc chế tạo fazômét kiểu bù tự động.
Khi có độ lệch pha giữa các tín hiệu vào. Xuất hiện tín hiệu ở đầu ra bộ chỉ
thị cân bằng và mở khóa K. xung từ máy xung nhịp đi vào bộ phân phối bằng
trigơ lần lượt đưa tín hiệu các khóa k
1
, k
2
…k
n
làm ngắn mạch một nhóm các
quay pha cho đến khi tín hiệu ra ở bộ chỉ thị cân bằng 0. Độ lệch pha sẽ được ấn
định bởi những bộ quay pha, mạch phân bố bằng Trigơ và bộ chỉ thị đầu ra.
Bộ phận chủ yếu trong các fazômét kiểu bù là các bộ quay pha: quay pha

thông số, quay pha tròn, và quay pha dưới dạng đường dây trễ.
2.3. Đo góc lệch pha bằng phương pháp tương quan
Trong các phương pháp đo góc lệch pha thường chỉ sử dụng các thời điểm
khi mà tín hiệu đi qua “ không ”. Các thông tin còn lại thì không sử dụng. Đặc
biệt khi tín hiệu chịu sự tác động của nhiễu thì vị trí của điểm vượt “ không ” sẽ
bị sai lệch. Do đó mà gây ra sai số đáng kể để giảm bớt sai số dó người ta sử
dụng phương pháp lấy trung bình của nhiều chu kì. Tuy vậy vẫn không loại trừ
bao nhiêu vì số lượng chu kì có hạn.
3. Đo thông số của mạch điện
Thông số cảu mạch điện bao gồm điện trở R, điện cảm R, điện dung C, góc
tổn hao của tụ điện tgδ và hệ số phẩm chất của cuộn dây.
Có hai phương pháp đo thông số của mạch là trực tiếp và gián tiếp.
- Đo gián tiếp là sử dụng ampe và vôn kế đo dòng và áp để từ các phương
trình và định luật suy ra thông số cần đo.
- Đo trực tiếp là dung các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo.
3.1. Đo điện trở gián tiếp
3.1.1. Sử dụng ampe kế và vôn kế
Dựa vào định luật ôm ta xác định được
I
U
R =
Ta có thể mắc 1 trong hai sơ đồ sau.
- Sơ đồ 1. Sơ đồ này dùng để đo điện trở R
x
có giá trị nhỏ
Hình – Sơ đồ đo điện trở giá trị nhỏ
- Sơ đồ 2. Sơ đồ này dung để đo điện trở R
x
có giá trị lớn
Hình – Sơ đồ đo điện trở giá trị lớn

3.1.2. Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu
Trong phương pháp này lại có hai sơ đồ là: điện trở đo và điện trở mẫu R
0
mắc song song – điện trở đo và điện trở mẫu R
0
mắc nối tiếp.
3.2. Đo điện trở trực tiếp
Khi đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp như trên sai số của phép dụng cụ
đo sẽ lớn vì nó bằng tổng các sai số do các dụng cụ gây ra.Để giảm thiểu sai số
người ta chế tạo ra dụng cụ đo điện trở trực tiếp gọi là Ohmmet.
Có hai loại Ohmmet là Ohmmet nối tiếp và Ohmmet song song.
- Ohmmet nối tiếp
- Ohmmet song song
3.3. Cầu đo điện trở
Có hai loại cầu là cầu đơn và cầu kép được sử dụng để đo điện trở với độ
chính xác cao.
3.3.1. Cầu đơn
3.3.2. Cầu kép
Đây là dụng cụ đo điện trở nhỏ và rât nhỏ mà cầu đơn không đo được hoặc
có sai số lớn. Hình dưới là sơ đồ thông thường của cầu kép
3.4. Đo điên trở bằng chỉ thị số
Hình – Sơ đồ khối mạch đo điên trở bằng chỉ thị số
3.5. Cầu dòng xoay chiều
Đây là dụng cụ dựa trên cầu đơn để đo điện cảm, điện dung, góc tổn hao và
hệ số phẩm chất Q.
Hình – Mạch cầu dòng xoay chiều
3.5.1. Cầu xoay chiều đo điện dung
3.5.1.1. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ
Tụ điện có tổn hao nhỏ được biểu diển bởi 1 tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp
với một điện trở. Khi đó người ta mắc cầu như hình dưới đây.

3.5.1.2. Cầu đo tụ điện tổn hao lớn
Khi tụ điện có tổn hao lớn người ta biểu diễn nó dưới dạng một tụ điện lý
tưởng mắc song song với một điện trở.
3.5.2. Cầu đo điện cảm
Cuộn cảm lý tưởng là cuộn dây chỉ có thành phần điện kháng, nhưng trong
thực tế bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất
cuộn dây càng kém.
3.5.2.1. Cầu xoay chiều dung điện cảm mẫu
Mạch cầu so sánh các đại lượng cần xác định L
x
, R
x
với các đại lượng mẫu
L
m
và R
m.
3.5.2.2. Cầu điện cảm Maxwell
Trên thực tế việc chế tạo tụ điện chuẩn dễ hơn nhiều so với việc tạo cuộn dây
chuẩn, do vậy người ta sử dụng cầu Maxwell để đo điện cảm.
3.5.2.3. Cầu điện cảm Hay
Mạch cầu này được sử dụng cho việc đo các cuộn cảm có hệ số phẩm chất
cao.
Hình – Sơ đồ cầu đo điện cảm Hay
Ngoài ra người ta còn dung các biến thể khác nhau của mạch cầu như cầu
Owen, Shering … để đo tụ điện và điện cảm