Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 3 doc

BomonKTDT-ĐHGTVT


42

Chơng 3:

Đo dòng điện
I. Khái niệm chung
Dụng cụ đợc sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet

Ký hiệu là:
Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có:
+ Ampe kế từ điện
+ Ampe kế điện từ
+ Ampe kế điện động
+ Ampe kế nhiệt điện
+ Ampe kế bán dẫn

Nếu chia theo loại chỉ thị ta có:
+ Ampe kế chỉ thị số (Digital)
+ Ampe kế chỉ thị kim (kiểu
tơng tự / Analog)
Hình bên là hai loại đồng hồ
vạn năng số và kim.
Nếu chia theo tính chất của đại
lợng đo, ta có:
+ Ampe kế một chiều
+ Ampe kế xoay chiều

Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là:
. Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt
và lý tởng là bằng 0.
. Làm việc trong một dải tần cho trớc để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ
đo
. Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dới)



Chơng 3: Đo dòng điện

43
II. Ampe kế một chiều
Ampe kế một chiều đợc chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Nh đã biết,
độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhng độ lệch kim đợc
tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng
chịu dòng rất kém. Thông thờng, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10
-4

đến 10
-2
A; điện trở của cuộn dây từ 20 đến 2000 với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5;
0,2; và 0,05
Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) ngời ta
mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị nh sau:
1
=
n
R

R
CT
S
với
CT
I
I
n
= gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe
kế
I là dòng cần đo và I
CT
là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng đợc (độ lệch cực
đại của thang đo)
Chú ý: Khi đo dòng nhỏ hơn 30A thì điện trở sun nằm ngay trong vỏ của ampe kế
còn khi đo dòng lớn hơn thì điện trở sun nh một phụ kiện kèm theo. Khi ampe kế
có nhiều thang đo ngời ta mắc sun nh sau:

Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo đợc xác định theo công thức
nh trên nhng với n khác nhau.
ở hình a)
13
321
12
3
21
11
32
1
3
2
1

=++=

+
=+=

++
==
n
Rct
RRRR
n
RRct
RRR

n
RRRct
RR
S
S
S
với
CT
CT
CT
I
I
n
I
I
n
I
I
n
3
3
2
2
1
1
=
=
=

ở hình b)

K
Mắc điện trở sun kiểu nối tiếp
Mắc điện trở sun kiều song song
Ict
I
Ict
I
K
R4
R3
R2
R1
Rct1
R3
R2R1
Rct


BomonKTDT-ĐHGTVT


44

14
13
12
11
4
3
2
1

=

=

=

=
n
Rct
R
n
R
R
n
R
R
n
R
R
S

CT
S
CT
S
CT
S
với
Ic
t
I
n
I
I
n
I
I
n
I
I
n
CT
CT
CT
4
4
3
3
2
2
1

1
=
=
=
=



Chú ý: điện trở sun đợc chế tạo bằng Manganin có độ chính xác cao hơn độ chính
xác của cơ cấu đo ít nhất là 1 cấp
Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị đợc quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở
của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trờng thay đổi và sau một thời gian
làm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo ra nhiệt độ. Để giảm ảnh
hởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, ngời ta mắc thêm
điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ nh sau:


Dới đây là ví dụ thực tế của một sơ đồ mắc điện trở sun của một dụng cụ đo
cả dòng và áp

R1, 3: điện trở bằn
g
M
n
R2: điện trở bằng Cu
I
Rs
R3
R2
R1

Chơng 3: Đo dòng điện

45

Một số bài tập minh hoạ
Ví dụ 1: Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100A và điện trở cuộn
dây R
CT
= 1k. Tính điện trở sun cần thiết để biến dụng cụ thành 1 ampekế có độ
lệch thang đo 100mA và độ lệch thang đo 1A.
Bài giải:
+ Độ lệch thang đo 100mA
===
===
=

=
=
001,1
9,99
100
9,99100100
100100.1.
S
CT
S
CTS
CTCTCT

I
V
R
mAAmAIII
mVAkIRV



+ Độ lệch thang đo 1A
===
===
=

=
=
10001,0
9,999
100
9,9991001
100100.1.
S
CT
S
CTS
CTCTCT
I
V
R
mAAAIII
mVAkIRV

BomonKTDT-ĐHGTVT


46
Ví dụ 2: Một ampe kế từ điện có dòng điện cực đại chạy qua chỉ thị là 0,1mA; điện
trở khung dây chỉ thị R
CT
= 99. Điện trở sun R
S
= 1. Xác định dòng đo đợc khi
kim của ampe kế ở vị trí:
+ Lệch toàn thang đo
+ Lệch 1/2 thang đo
+ Lệch 1/4 thang đo
Bài giải:
+ Lệch toàn thang đo
mAIII
A
R
U
I
mVVRIU
mAI
SCT
S

CT
S
CTCTCT
CT
109,91,0
10.9,9
1
10.9,9
9,910.9,999.10.1,0.
1,0
3
3
33
=+=+=
===
====
=




+ Lệch 1/2 thang đo
mAIII
A
R
U
I
VRIU
mAI
SCT

S
CT
S
CTCTCT
CT
595,4
2
1,0
10.95,4
1
10.95,4
10.95,499.10.05,0.
05,0
2
1,0
3
3
33
=+=+=
===
===
==




+ Lệch 1/4 thang đo
mVVRIU
mAI
CTCTCT

CT
475,210.475,299.10.025,0.
025,0
4
1,0
33
====
==


mAIII
A
R
U
I
SCT
S
CT
S
5,2475,2
4
1,0
10.475,2
1
10.475,2
3
3
=+=+=
===

Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05
; R2=0,45;
R3=4,5
mắc nối tiếp. R
CT
= 1k; I
CT
= 50A
Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 trờng hợp đó.
Bài giải:
+ Khi khoá K ở vị trí I3
10mAlà kếampecủa do ngkhoả
mA
R
RI
I
RRRR
S
CTCT
S
S
10
5
10.10.50
.
5321
36
===

=
++=


+ Khi khoá K ở vị trí I2



Chơng 3: Đo dòng điện

47
100mAlà kếampecủa do ngkhoả
mA
R
RI
I
RRR
S
CTCT
S
S
100
5,0
)105,4.(10.50
.
5,021
36
=
+

==

=
+=


+ Khi khoá K ở vị trí I1
1Alà kếampecủa do ngkhoả
A
R
RI
I
RR
S
CTCT
S
S
1
5
10).5,445,0.(10.50
.
05,01
36
=
+
==

=
=

Ví dụ 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là
C=0.1mA; Rct = 100
. Tính giá trị Rs để đo đợc các giá trị dòng tối đa là 1A, 2A
và 3A
Bài giải:
Miliampe kế có dòng qua chỉ thị khi kim chỉ mức cực đại (còn gọi là tại độ
lệch toàn thang - ĐLTT) là Ict = số vạch x độ chia = 150 x 0.1 = 15 mA
+ Để đo dòng 1A cần sử dụng Rs1 có giá trị nh sau:
=

=

==


52.1
10.151
10.15.100
3
3
11
1
IctI
IctRct
I
IctRct
R
S

S

+ Để đo dòng 2A cần sử dụng Rs2 có giá trị nh sau:
=

=

==


76.0
10.152
10.15.100
3
3
22
2
IctI
IctRct
I
IctRct
R
S
S

+ Để đo dòng 5A cần sử dụng Rs3 có giá trị nh sau:
=

=

==


3.0
10.155
10.15.100
3
3
33
3
IctI
IctRct
I
IctRct
R
S
S



BomonKTDT-ĐHGTVT


48
III. Ampemet xoay chiều
Để đo cờng độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp ngời ta thờng sử
dụng ampemet từ điện chỉnh lu, ampemet điện từ, và ampemet điện động.
1. Ampemet chỉnh lu
Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và
mạch chỉnh lu bằng diode

Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ
cấp là W1 và W2. Khi đó tỉ số dòng thứ cấp trên dòng sơ cấp đợc tính bằng:
Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động
R
L
đợc chọn để gánh phần dòng d thừa giữa I2trb và Ict
Mối quan hệ giữa dòng đỉnh I
P
, dòng trung bình I
trb
và dòng trung bình bình
phơng I
rms
của sơ đồ mạch chỉnh lu cầu nh sau:

trbrms
P

p
rms
Ptrb
II
I
I
I
II
.11,1
.707,0
2
.637,0
=
==
=


Chú ý:
giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhng thang khắc
độ thờng theo giá trị rms.

R1
D2
DIODE
D1
DIODE


Chỉnh lu nửa chu kỳ

Rct
RL
Rm
T1
10TO1

Chỉnh lu hai nửa chu kỳ



Chơng 3: Đo dòng điện

49
Ví dụ: Một ampe kế chỉnh lu hai nửa chu kỳ (sơ đồ nh hình trên) có ĐLTT với
dòng sơ cấp là 250mA. Máy đo TĐNCVC có ĐLTT là 1mA; Rct là 1,7k
. Biến áp
dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là 500 và 4 vòng; sụt áp trên diode
là 0,7V; Rm là 20k
.
Xác định R
L

Bài giải:
VkmArmsU
mA
mAItrb
pI
VRctRmpIpU
pUrmsU
rmsI

rmsU
R
D
L
L
08,25)7,0.27,21.57,1(707,0
57,1
637,0
1
637,0
.2).(
.707,0
2
2
22
22
2
=+=
===
++=
=
=

==
==
===
===

=
k

mA
V
R
mArmsI
mAmAtrbIrmsI
mAmArmsI
N
N
rmsI
rmsIrmsIrmsI
L
L
ctct
ctL
18,28
89,0
08,25
89,011,12
11,11.11,1.11,1
2250.
500
4
.
1
2
1
2
2

Chú ý: Nói chung các ampe kế chỉnh lu có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5)

do hệ số chỉnh lu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số. Có thể sử dụng sơ
đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho ampe kế chỉnh lu nh sau:
















2. Ampemet điện động
Thờng đợc sử dụng để đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400
2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 0,2)
Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A ngời ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động
còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song.

C
RCu
RMn
L
RMn
RCu

RCu



BomonKTDT-ĐHGTVT


50
L7
L6
L5
T4
10TO1
T5
10TO1
L2
L
L1 L3
R3
R4
L4
R4


Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt
(thờng làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai
cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau)
Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I
2
nên máy đo chỉ giá trị rms.

Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng nh trị số dòng một chiều tơng đơng
nên có thể đọc thang đo của dụng cụ nh dòng một chiều hoặc xoay chiều rms.

3. Ampemet điện từ
Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ
đợc chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W là một hằng số)
Khi đo dòng có giá trị nhỏ ngời ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng
lớn ngời ta mắc các cuộn dây song song.
L13
L12
L11
L10
L9L8


4. Ampemet nhiệt điện
Là dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện (hay còn gọi là cặp nhiệt ngẫu) gồm 2 thanh kim loại khác loại
đợc hàn với nhau tại một đầu gọi là điểm làm việc (nhiệt độ t1), hai đầu kia nối với
milivonkế gọi là đầu tự do (nhiệt độ t0).
Khi nhiệt độ đầu làm việc t1 khác nhiệt độ đầu tự do t0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra
sức điện động
01
.1
0
0
tt
kEt
=
=

Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu
t1 thì:


22
2
0
2.1
.2
xx
x
IkIkkEt
Ik
==
=


Nh vậy kết quả hiển thị trên
milivon kế tỉ lệ với dòng cần đo
Vật liệu để chế tạo cặp nhiệt điện
có thể là sắt constantan; đồng constantan; crom alumen và platin platin/rodi
Ampemet nhiệt điện có sai lớn do tiêu hao công suất, khả năng chịu quá tải
kém nhng có thể đo ở dải tần rất rộng từ một chiều tới hàng MHz.
Thông thờng để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, ngời ta sử dụng một bộ khuếch
đại áp nh sơ đồ dới đây:

Chơng 3: Đo dòng điện

51
J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt




Chú ý: Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều ngời ta cũng làm nh trên vì khi
đó nhiệt độ đo đợc tỉ lệ với dòng qua điện trở nhiệt mà dòng này lại tỉ lệ với áp trên
hai đầu điện trở, do vậy cũng xác định đợc giá trị của điện áp thông qua giá trị
nhiệt độ. Đây chính là nguyên tắc để chế tạo Vônkế nhiệt điện

Cặp nhiệ
t
Đầu nối cách nhiệt