Kỹ thuật đo lường dòng điện và điện áp

CHÖÔNG 3
3.1. ÑO DOØNG ÑIEÄN
3.2. ÑO ÑIEÄN AÙP

3.1. ĐO DÒNG ĐIỆN :
1.Yêu cầu cơ bản phép đo dòng điện :
Dụng cụ đo trực tiếp dòng điện gọi là
Am pemét.
_ Khi chưa có A.mét:
I = U / R
t
_ Khi có A.mét :
I
A
= U / ( R
A
+ R
t
)
Phép đo phạm phải sai số :
I
R
t
U
R
t
U
A
R
A

I
A
Vì vậy :
* Điện trở A.mét càng nhỏ phép đo càng chính xác
* A.mét phải có đặc tính động đáp ứng được dải tần số dòng
điện cần đo
A
Khi đo A được mắc nối tiếp
với tải hay mạch điện cần đo dòng điện
β% =
(I - I
A
).100% / I ≈ R
A
.100% / R
t

2. Cấu tạo A.mét :
a. A.mét từ điện :
Mỗi chỉ thò từ điện khi chế tạo có các thông
số đònh mức :
* I
m
: dòng điện làm kim chỉ thò lệch hết thang đo( I
FS
)
* R
m
: Điện trở cuộn dây
* U

m
: Điện áp đònh mức
_ Khi I < I
m
A.mét là một chỉ thò từ điện và R
A
= R
m
_ Khi I > I
m
mở rộng giới hạn cho chỉ thò bằng
cách mắc điện trở R
S
// với chỉ thò
R
S
I
m
R
m
I
I
S
R
S
=
R
m
n - 1
Giá trò điện trở R

S
được xác đònh :
Với : n = I/I
m
hệ số mở
rộng giới hạn đo
R
A
=
R
S
.R
m
R
S
+R
m
=
R
m
n
U
m
I
m
R
m

_ Điện trở R
S

được chế tạo bởi vật liệu có hệ số αt
0
nhỏ
_ Để chỉ thò có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở
R
S
theo sơ đồ :
+ Dùng R
S
từng cấp
Điện trở ở các giới hạn đo
I
m
R
m
R
S!
I
1
I
R
S2
R
S3
I
2
I
3
R
Si

=
R
m
n
i
- 1
Với : n
i
= I
i
/I
m
R
S1
=
R
m
n
1
- 1
Công thuc
R
S2
=
R
m
n
2
- 1

+ Dùng R
S
nhiều cấp – vạn năng
I
1
I
R
S1
I
m
R
m
R
S2
R
S3
I
2
I
3
R
Si
= R
m
.
1
n
i

n

1
n
1
- 1
1
n
i+1
R
S2
= R
m
.
1
n
2

n
1
n
1
- 1
1
n
3
* Ở thang đo I
1
(nhỏ nhất):
R
S1
+R

S2
+R
S3
= R
m
/(n
1
-1) (1)
* Ở thang đo I
2
:
R
S2
+R
S3
= (R
S1
+R
m
)/(n
2
-1) (2)
R
S1
= R
m
/(n
1
-1) - (R
S1

+R
m
)/(n
2
-1)
R
S1
+ R
S1
/(n
2
-1) =
R
m
/(n
1
-1) - R
m
/(n
2
-1)
n
2
.R
S1
/(n
2
-1) =
R
m

.{1/(n
1
-1) - 1/(n
2
-1)}
n
2
.R
S1
/(n
2
-1) =
R
m
.{(n
2
– n
1
)/(n
1
-1).(n
2
-1)}
R
S1
=
R
m
.(n
2

– n
1
)/n
2
.(n
1
-1)
.n
1
/n
1
* Lấy (1) – (2) ta có:
R
S1
= R
m
.
1
n
1

n
1
n
1
- 1
1
n
2
R

S3
= R
m
.
1
n
3

n
1
n
1
- 1
1
n
4
* Tương tự :
* Tổng quát :

+ Dùng R
S
nhiều cấp – vạn năng
I
1
I
R
S1
I
m
R

m
R
S2
R
S3
I
2
I
3
* Ở thang đo I
1
(nhỏ nhất):
I
m
= I
1
.R
1
/ (R
m
+R
n
) (1)
* Ở thang đo I
2
:
I
m
= I
2

.(R
S2
+R
S3
)/(R
s1
+R
m
+R
s2
+R
s3
)
R
1
= R
S1
+R
S2
+R
S3
= R
m
/(n
1
-1)
= I
2
.(R
S2

+R
S3
)/(R
m
+R
n
) (2)
* Ở thang đo I
3
:
I
m
= I
3
.R
S3
/(R
s1
+R
s2
+R
m
+R
s3
)
= I
3
.R
S3
/(R

m
+R
n
) (3)
R
S1
I
m
R
m
R
S2
R
S3
I
2
I
1
R
3
R
2
R
1
I
3
* Từ (1) và (2) :
I
1
.R

1
= I
2
.(R
S2
+R
S3
) = I
2
.R
2

R
2
= I
1
. R
1
/ I
2
* Từ (1) và (3) :
I
1
.R
1
= I
3
.R
S3
= I

3
.R
3

R
3
= I
1
.R
1
/ I
3
* Từ đó :
R
s1
= R
1
– R
2
R
s2
= R
2
– R
3
R
si
= R
i
– R

i+1
* Tổng quát :
R
i
= I
1
.R
1
/ I
i
* Hay :
Bài tập
Ví dụ
R
s3
= R
3

_ Khi nhiệt độ thay đổi R
m
của chỉ thò thay đổi làm thay đổi kết qủa đo gây
ra sai sốâ do nhiệt.
R
S
I
m
R
m
I
I

S
R
b
R
S
I
m
R
m
I
I
S
β
t
% = .100%
I
mo
- I
mt
I
mo
β
t
% = .100%
R
mo
.α
Cu
.t
o

R
S
+R
mo
(1+α
cu
t
0
)
β
tb
% = .100%
R
mo
.α
Cu
.t
o

R
S
+R
b
+R
mo
(1+α
CU
t
0

)
Khi chưa bù :
Khi bù :
Như vậy β
t
> β
tb
sai số nhiệt độ đã đươc bù
I
mo
= I.

R
s
R
s
+ R
mo
I
mt
= I.

R
s
R
s
+ R
mt
Dòng điện ở điều kiện khắc độ
Dòng điện ở nhiệt độ làm việc

Sai số nhiệt độ xác đònh theo công thức :
Để bù sai số nhiệt độ, người ta mắc điện trở R
b
nối tiếp với cơ cấu đo :

_ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thò điện từ.
_ Khi dòng điện I ≤ I
m
dòng điện đònh mức cuộn dây phần tónh thì
Ampemét là chỉ thò điện từ.
_ Khi I > I
m
phải mở rộng giá trò thang đo bằng cách phân đoạn cuộn
dây phần tónh. Thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này (song song hoặc
nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau.
I
3
I
2
I
1
W
1
W
2
W
3
Phân đoạn cuộn dây
I
1

.(W
1
+W
2
+W
3
) = I
2
.(W
2
+W
3
) = I
3
.W
3
b. Ampe mét điện từ:
Với : F = I.W = const
Trong đó :
- F: Sức từ động của cuộn dây
- I: dòng điện chạy trong cuộn dây
- W: số vòng của cuộn dây
I = I
m
I
m
I
I = 2I
m
I

I = 4I
m
I
Ví dụ ; cuộn dây phân làm 4 đoạn
•
Bài tập

Thường dùng để đo dòng điện miền tần số cao hơn tần số công nghiệp (cỡ
400 ÷ 2000 H
Z
). Đồng thời như đã biết cơ cấu điện động là cơ cấu chính
xác cao với dòng điện xoay chiều, vì vậy Ampe mét điện động cũng có tính
chính xác cao.
Có 2 loại sơ đồ mạch của Ampemét điện động:
* Khi dòng điện cần đo : I <= 0,5A thì
Ampemét có cuộn dây động và cuộn dây tónh
mắc nối tiếp.
* Khi dòng điện cần đo : I > 0,5A thì
Ampemét cuộn dây động và cuộn dây tónh mắc
song song với nhau.
Cuộn động
Cuộn tónh
I <= 0,5 A
Cuộn tónh
I > 0,5 A
Cuộn động
c. Ampe mét điện động:

là Ampe mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode
I

cltb

I
AC

I
AC
t
I
I
max

* Chỉnh lưu ½ T :
* Chỉnh lưu T :
I
cltb
= 0,318.I
max
= 0,318. 2.I
I
cltb
= 0,637.I
max
= 0,637. 2.I
= 0,45.I
= 0,90.I
I
Cl
t
I

cltb

I
max

I
I
Cl
t
I
cltb

I
I
max

d. Ampe mét từ điện - chỉnh lưu:
Trong đó :
- I
max
: Trò cực đại
- I: Trò hiệu dụng
•
Bài tập
I
cltb
=
1
T
∫ I

cl
dt
T
0
I
cltb
=
2
T
∫ I
cl
dt
T
0
Dòng điện sau diode là trò trung bình
I
cltb
=
1
T
∫ I
cl
dt
T
0

I
1
I
2

3. Đo dòng điện trung bình và lớn:
a, Đo dòng điện trung bình :
Dòng điện trung bình là 1mA < I
tb
< 200 A
Sử dụng trực tiếp các A.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo
thích hợp để đo.
b, Đo dòng điện lớn :
* Dòng điện một chiều: sử dụng các Ampe mét
một chiều kết hợp với điện trở sunh ngoài.
* Dòng điện xoay chiều: sử dụng các A.mét
xoay chiều kết hợp với biến dòng điện
Biến dòng điện là một máy biến áp đặc biệt làm
việc ở chế độ thứ cấp ngắn mạch .
I
A
R
A
I
R
Sn
I
1
= K
iđm
.I
2
Thường W
1
= 1 vòng

I
2đm
= 1A, 5A
Dòng điện I
2
được đo bởi các A.mét thông thương
K
iđm
= I
1đm
/ I
2đm
K
iđm
: Tỉ số biến dòng điện đònh mức
BI
Chú ý : - Tải nối vào thứ cấp biến dòng điện là các tải có gía trò điện
trở nhỏ
- Nếu BI có dòng điện ở sơ cấp mà không sử dụng thì phải
ngắn mạch hai đầu cuộn thứ cấp.
Ký hiệu

U
V
= E.R
tđ
/ ( R+ R
tđ
)
3.2. ĐO ĐIỆN ÁP :

1.Yêu cầu cơ bản phép đo điện áp :
Dụng cụ đo trực tiếp điện áp gọi là V. Mét
Khi đo V.mét được mắc song song với tải
hay mạch điện cần đo điện áp.
Vì vậy :
* Điện trở V.mét càng lớn phép đo càng chính xác
* V.mét phải có đặc tính động đáp ứng được dải tần số điện áp cần đo
_ Khi chưa có V.mét:
U = E.R
t
/ R
t
+ R
_ Khi có V.mét :
Phép đo phạm phải sai số :
Với : - R
tđ
= R
t
.R
V
/(R
t
+R
V
)
- R
V
: Điện trở của V.mét
β% = (U – U

V
).100% / U R
t
.100% /(R
t
+R
V
)
~
~
R
t
E
R
U
U
V
V

2. Cấu tạo V.mét :
a, V.mét từ điện :
_ Khi U < U
m
V.mét là một chỉ thò từ điện và R
V
= R
m
_ Khi U > U
m
mở rộng giới hạn cho chỉ

thò bằng cách mắc điện trở R
P
nối tiếp với
chỉ thò
U
m
I
m
R
m
R
P
U
R
m
R
p
= (m - 1).R
m
Giá trò điện trở R
P
được xác đònh :
Với : m = U/U
m
hệ số mở rộng giới hạn đo
R
V
= m.R
m
Điện trở của vônmét :

chỉ thò từ điện

_ Để chỉ thò có thể đo được nhiều giới hạn đo người ta mắc các điện trở
R
p
theo sơ đồ :
+ Dùng R
p
từng cấp
+ Dùng R
p
nhiều cấp – vạn năng
U
1
R
m
U
2
U
3
R
P1
R
P2
R
P3
U
R
pi
= (m

i
- 1).R
m
Giá trò điện trở R
P
được xác đònh :
Với : m
i
= U
i
/ U
m
hệ số mở rộng giới hạn đo thứ i
R
pi
= (m
i
– m
i-1
).R
m
R
p1
= (m
1
– 1).R
m
R
p3
= (m

3
– m
2
).R
m
R
Vi
= m
i
.R
m
Điện trở của V.mét thay đổi theo giới hạn đo.Do vậy người ta thường
dùng trò số của độ nhạy S
DC
=
Ω
/ V
DC
của V.mét để xác đònh tổng trở vào
ơ’ mỗi giới hạn đo cho V.mét. R
vi
= U
i
.S
DC
R
P1
U
3
R

m
U
2
U
1
U
R
P2
R
P3
R
p1
= (m
1
– 1).R
m
R
p3
= (m
3
– 1).R
m
•
Bài tập

là V.mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch chỉnh lưu bằng diode .
U
cltb

U

u
AC
t
U
U
max

* Chỉnh lưu ½ T :
* Chỉnh lưu T :
U
cltb
=
1
T
U
cl
dt
T
0
U
cltb
=
2
T
U
cl
dt
T
0
U~

U
cltb
= 0,318.U
max
= 0,318. 2.U
U
cltb
= 0,637.U
max
= 0,637. 2.U
= 0,90.U
= 0,45.U
U
Cl
t
U
cltb

U
U
Cl
t
U
cltb

U
max

U
b) Vônmét mét từ điện - chỉnh lưu:

•
Bài tập

VOM DE-360TRe

Ta thường dùng để đo điện áp xoay chiều ở tần số công nghiệp. Vì
yêu cầu điện trở trong của Vôn mét lớn nên dòng điện chạy qua cuộn dây
nhỏ; số lượng vòng dây quấn trên cuộn tónh phải lớn cỡ 1000 ÷6000 vòng.
Để mở rộng và tạo ra vônmét nhiều
thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn
dây các điện trở phụ (giống như trong
Vôn mét từ điện).
Khi đo điện áp xoay chiều ở tần số cao hơn tần số công nghiệp sẽ xuất
hiện sai số do tần số. Để khắc phục sai số này, người ta mắc các tụ điện
song song với các điện trở phụ.
c.Vônmét điện từ:
C
C
C

Nó cấu tạo phần động giống Ampemét điện động, còn số lượng vòng dây ở phần
tónh nhiều hơn so với phần tónh Ampemét vì Vônmét yêu cầu điện trở trong lớn,tiết
diện dây phần tónh nhỏ. Trong Vônmét điện động và cuộn dây tónh luôn mắc nối tiếp
với nhau, tức là:
Người ta có thể chế tạo Vônmét điện động nhiều thang đo, bằng cách thay đổi mắc
song song hoặc mắc nối tiếp hai phân đoạn cuộn dây tónh và nối tiếp với các điện
trở phụ.
I
1
= I

2
= I = U/Z
V
A1, A2 là hai phần của
cuộn dây tónh
B: cuộn
dây động
Trong Vôn mét này cuộn dây tónh và cuộn dây động luôn luôn nối tiếp với nhau và
nối tiếp với các điện trở phụ R
p
.
Công tắc biến đổi K làm nhiệm vụ thay đổi giới hạn đo, khi K ở vò trí 1 tức là hai
phân đoạn A
1
,A
2
của cuộn dây tónh nối song song với nhau tương ứng với giai đo
150V, khoá K ở vò trí 2, hai phần cuộn dây tónh A
1
, A
2
mắc nối tiếp với nhau tương ứng
với giai đo 300V. các tụ điện C tạo mạch bù tần số cho Vônmét.
d.Vôn mét điện động :

3. Đo điện áp trung bình và lớn:
a, Đo điện áp trung bình :
Điện áp trung bình là các gía trò 200mV < U
tb
< 600 V

Sử dụng trực tiếp các V.mét một chiều và xoay chiều với các giới hạn đo
thích hợp để đo.
b, Đo điện áp lớn :
* Điện áp một chiều: sử dụng các Vôn mét một
chiều kết hợp với điện trở phụ ngoài.
* Điện áp xoay chiều: sử dụng các V.mét xoay
chiều kết hợp với biến điện áp
Biến điện áp là một máy biến áp đặc biệt làm
việc ở chế độ thứ cấp hở mạch .
U
1
= K
m
.U
2
Thường U
2đm
= 100 V
Vì vậy điện áp U
2
được đo bởi các V.mét thông thương
K
m
= U
1đm
./ U
2đm
K
m
: Tỉ số biến điện áp đònh mức

Chú ý : Tải nối vào thứ cấp biến điến áp là những tải có điện trở lớn :
V.mét, cuộn điện áp của các thiết bò đo
R
V

3.3. Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở :
1.Sơ đồ mạch đo :
B
1
: Nguồn cung cấp mạch đo
B
2
: Nguồn chuẩn
R
1
: Biến trở điều chỉnh
G: Điện kế từ điện
2.Nguyên lý đo :
a, Chuẩn trước khi đo:
•
Khoá S để ở vò trí (1). Điều chỉnh R
1
để G chỉ “O” B
2
= V
BC
= R
BC
.I
I = B

1
/ ( R
1
+ R
AB
) = B
2
/R
BC
b, Khi đo :
Khoá S chuyển qua vò trí (2).Điện áp V
X
cần đo được so sánh với V
AB
Điều chỉnh con chạy C để điện kế G chỉ “0” tức là :
V
X
= V
/
BC
= R
/
BC
. I
Trên vạch đo của của biến trở R
AB
người ta khắc độ theo điện áp cần đo V
X

3.Maïch ño thöïc teá :

3.4. Vôn mét điện tử đo điện áp DC :
Vôn mét điện tử là tập hợp của các bộ chỉnh lưu, khuyếch đại và cơ
cấu chỉ thò từ điện.
Sơ đồ khối V.mét điện tử đo điện áp DC
1, V.mét điện tử dùng Transistor :
Mạch đo dùng BJT
* Sơ đồ :
_ Mạch đo: Q
1
,Q
2
mắc vi sai
_ Điện áp vào được đưa vào cực B
1
,B
2
_
Điện áp ra lấy ở cực E
1
,E
2
.
* Nguyên lý :
_ Khi V
i
= 0, I
B1
= I
B2

, I
E1
= I
E2
, V
E1
= V
E2
,
I
m
= 0
_ Khi V
i
≠ 0, I
B1
≠ I
B2
, I
E1
≠ I
E2
, V
E1
≠ V
E2
,
I
m
≠ 0. I

m
= f(V
i
)
CT
~Ux
U
x_
Điều
chế
Giải
điều
chế
Chỉ
thò
Khuyếch đại có điều chế.

Mạch đo dùng JFET kênh N
1V
3V
10V
30V
100V
C
C
R
R
0
R
0

Hạn dòng
Zero
V
CC
R
V
i
2, V.mét điện tử dùng JFET :
Mạch đo dùng BJT thường có điện trở đầu vào nhỏ. Để có điện trở đầu vào
lớn,người ta thường sử dụng BJT + mạch phân giới hạn đo hoặc sử dụng JFET
kênh N
* Tổng trở vào của vôn mét là là tổng trở của mạch phân áp giới hạn đo
R
V
= R
1
+R
2
+R
3
+R
4
+R
5
= 6M + 2.1M + 0.6M + 210K + 90K
= 9 MΩ
* Như vậy tổng trở của các V.mét điện tử không đổi theo giới hạn đo

3, V.mét điện tử dùng khuyếch đại thuật toán IC(Op-Amp) :
Vôn mét loại này dùng để đo những tín hiệu đo lường có trò số nhỏ hoặc

rất nhỏ,do vậy cần phải KĐ trước khi biến đổi tín hiệu.
Mạch KĐ loại này có đặc điểm:
_ Hệ số KĐ phù hợp với độ chính xác và độ tuyến tính cao
_ Hệ số KĐ phải ổn đònh với sự thay đổi của nhiệt độ
_ Sai số do trôi điểm 0 và điện áp Offset càng nhỏ càng tốt
* Mạch không có KĐ điện áp :
V
0
= V
i
.(1+R
1
/R
2
)
R
m
R
P
R
1
R
2
-V
CC
+V
CC
V
i
V

0
I
m
+
-
* Mạch có KĐ điện áp :
R
m
R
P
R
2
-V
CC
+V
CC
V
i
V
0
I
m
+
-
R
1
R
2
R
3

R
4
V
0
= V
i
Khuyếch đại thuật toán đảm bảo được các yêu cầu này.
•
Bài tập

•
* Mạch KĐ chuyển đổi điện áp sang dòng điện :
V
0
= V
i
.{1+(R
P
+R
m
)/R
1
}
I
m
= V
i
/R
1
V

i
= R
1.
I
m
R
m
R
P
R
1
-V
CC
+V
CC
V
i
V
0
+
-
I
m