Phan 3 do luong cac dai luong dien

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG
Nguyễn Thị Huế
BM: Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp


Nội dung môn học







5/12/17

Phần 1: Cơ sở lý thuyết kĩ thuật đo lường



Chương 1: Khái niệm cơ bản về kĩ thuật đo lường



Chương 2: Ðơn vị đo, chuẩn và mẫu



Chương 3: Đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

Phần 2: Các phần tử chức năng của thiết bị đo



Chương 4: Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo



Chương 5: Cơ cấu chỉ thị cơ điện, tự ghi và chỉ thị số



Chương 6: Mạch đo lường và gia công thông tin đo



Chương 7: Các chuyển đối đo lường sơ cấp

Phần 3: Đo lường các đại lượng điện



Chương 8: Ðo dòng điện



Chương 9: Đo điện áp



Chương 10: Ðo công suất và năng lượng



Chương 11: Ðo góc lệch pha, khoảng thời gian và tần số



Chương 12: Ðo thông số mạch điện



Chương 13: Dao động kí

Phần 4: Đo lường các đại lượng không điện



Chương 14: Đo nhiệt độ

2


Tài liệu tham khảo



Sách:

 Kĩ thuật đo lường các đại lượng điện tập 1,2- Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế….
 Ðo lường điện và các bộ cảm biến: Ng.V.Hoà và Hoàng Si Hồng


Bài giảng và website:

 Bài giảng kĩ thuật đo lường và cảm biến-Hoàng Sĩ Hồng.
 Bài giảng Cảm biến và kỹ thuật đo: P.T.N.Yến, Ng.T.L.Huong, Lê Q. Huy
 Bài giảng MEMs ITIMS - BKHN


5/12/17

Website: sciendirect.com/sensors and actuators A and B

3


Chương 8: Đo dòng điện
Kí hiệu

Phân loại
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 tính chất của đại lượng đo, ta có:

Nếu chia theo loại chỉ thị ta có:

+ Ampe kế một chiều

+ Ampe kế chỉ thị số (Digital)

+ Ampe kế xoay chiều

+Ampe kế chỉ thị kim (kiểu tương tự / Analog)

5/12/17

4


Chương 8: Đo dòng điện
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 tưởng là bằng
0.



Điều kiện làm việc

 Về giá trị đo:

Iđo < In

Iđo: dòng điện đo bởi Ampemet; In: dòng điện định mức của Ampemet

 Về sai số:

βđo < βyc

βđo: sai số tương đối của phép đo, ; βyc: sai số yêu cầu.



Dựa trên 2 điều kiện ấy, ta có thể chọn dụng cụ đo thích hợp với I đomax
Xn
γ
< β yc
X domin
5/12/17

5


Chương 8: Đo dòng điện



Sai số phương pháp:

 Khi Ampemet được ghép nối tiếp vào phụ tải sẽ gây ra một sự biến đổi về dòng điện và gây ra
sai số phương pháp



ΔI R A
γ pp = ≈
Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối
I tiếp với
Rt

dòng cần đo (hình dưới)

5/12/17

6


Chương 8: Đo dòng điện



Đo dòng một chiều

 Ampemet 1 chiều
 Đo dòng điện rất lớn
 Đo dòng điện rất nhỏ


Đo dòng xoay chiều

 Đo dòng tức thời

 Đo dòng hiệu dụng
 Biến dòng điện

5/12/17

7


Ampe kế một chiều



Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện.



Trong cơ cấu từ điện, góc quay:

α=

BSW
I = KI I
D

là hệ số biến đổi dòng điện của cơ cấu từ điện.
BSW
KI =
D



Độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được 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 thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10

-4

đến 10

-2

A; điện trở của cuộn dây

từ 20Ω đến 2000Ω với cấp chính xác 0,1; 1; 0,5; 0,2; và 0,05

5/12/17

8


Ampe kế một chiều



Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta mắc thêm điện trở
sun song song với cơ cấu chỉ thị


R S2 +R S3 +R CC
 R S1 =
n1 -1


R S3 +R CC
 R S1 +R S2 =
n 2 -1


R CC
 R S1 +R S2 +R S3 =
n 3 -1

5/12/17

9


Ampe kế một chiều



Sai số do nhiệt độ và bù nhiệt độ trong Ampemet từ điện:



1
1

ΔI CC =R S I do 
÷
R CC +R S 
 R CC (1+αt)+R S


Để bù sai số đó ta nối tiếp với cơ cấu đo một nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt độ β



Điện trở bán dẫn có giá trị

∆R CC + Rβt
T = 0
Rα
R T = - CC
β

5/12/17

10


Ampe kế một chiều
Ví dụ:



1. Một dụng cụ từ điện có dòng cực đại qua chỉ thị là 100µA và điện trở cuộn dây RCT = 1kΩ. 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.



2. Một ampe kế từ điện có dòng điện cực đại chạy qua chỉ thị là 0,1mA; điện trở khung dây chỉ thị
RCT = 99Ω. Điện trở sun RS = 1Ω. Xác định dòng đo được khi kim của ampe kế ở vị trí:
+ Lệch toàn thang đo
+ Lệch 1/2 thang đo
+ Lệch 1/4 thang đo

5/12/17

11


Ampe kế một chiều
Bài 1



Độ lệch thang do 100mA

VCT = RCT .I CT = 1kΩ.100 µA = 100mV
I S = I − I CT = 100mA − 100 µA = 99,9mA
VCT 100
RS =
=
= 1,001Ω
IS
99,9



Độ lệch thang do 10A

VCT = RCT .I CT = 1kΩ.100 µA = 100mV
I S = I − I CT = 1A − 100 µA = 999,9mA
VCT
100
RS =
=
= 0,10001Ω
IS
999,9
5/12/17

12


Bài 2



Lệch toàn thang đo

I CT = 0,1mA
U CT = I CT .RCT = 0,1.10 −3.99 = 9,9.10 −3 V = 9,9mV
U CT 9,9.10 −3
IS =
=
= 9,9.10 −3 A

RS
1


I = I CT + I S = 0,1 + 9,9 = 10mA
Lệch 1/2 thang đo

0,1
= 0,05mA
2
= I CT .RCT = 0,05.10 −3.99 = 4,95.10 −3 V

I CT =
U CT

U CT
4,95.10 −3
IS =
=
= 4,95.10 −3 A
RS
1
I = I CT + I S =
5/12/17

0,1
+ 4,95 = 5mA
2
13



Ví dụ 3: một ampe có 3 thang đo với các điện trở sun R1=0,05Ω; R2=0,45Ω; R3=4,5Ω mắc nối tiếp.
RCT = 1kΩ; ICT = 50µA

 Tính giá trị dòng cực đại qua chỉ thị trong 3 trường hợp đó.


Ví dụ 4: Một miliampe kế từ điện có thang đo 150 vạch với giá trị độ chia là C=0.1mA; Rct = 100Ω.
Tính giá trị Rs để đo được các giá trị dòng tối đa là 1A, 2A và 3A

5/12/17

14


Bài tập 3.
Khóa ở vị trí 3

RS = R1 + R 2 + R3 = 5Ω
I CT .RCT 50.10 −6.10 3
IS =
=
= 10mA
RS
5
kho¶ ng do cña ampe kÕ lµ 10mA

Khóa ở vị trí 2

RS = R1 + R 2 = 0,5Ω
I CT .RCT 50.10 −6.( 4,5 + 10 3 )
IS =
=
= 100mA
RS
0,5
kho¶ ng do cña ampe kÕ lµ 100mA

Khóa ở vị trí 1.

RS = R1 = 0,05Ω
I CT .RCT 50.10 −6.( 0,45 + 4,5).10 3
IS =
=
= 1A
RS
5
kho¶ ng do cña ampe kÕ lµ 1A

5/12/17

15


Các phương pháp khác đo dòng điện một chiều
Đo dòng điện lớn



2
Khi dòng điện đo quá lớn, hao tổn trên Sun pth= RS.I rất lớn. Để cho pth đủ nhỏ thì RS phải vô cùng
nhỏ (cỡ nΩ) rất khó chế tạo. Người ta sử dụng phương pháp không tiếp xúc.



Dòng điện I gây ra một từ trường quanh nó theo công thức



I
H=
2πd
Từ cảm ứng: B=µH



Để đo B có thể sử dụng các biện pháp sau:

5/12/17

H: Từ trường trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn
I: Dòng điện chạy trong dây
d: Khoảng cách từ điểm đo đến dây dẫn



Cuộn dây cảm ứng với mạch tích phân



Cảm biến Hall



Cộng hưởng từ hạt nhân.

16


Các phương pháp khác đo dòng điện một chiều
Đo dòng điện rất nhỏ



Từ công thức: US=RSIđo



Nếu dòng điện Iđo nhỏ, để cho US đủ để đo được (cỡ 10mV trở lên), điện trở Sun RS phải lớn.



Ta dùng biện pháp bù dòng bằng khuếch đại thuật toán ở sơ đồ dưới gọi là mạch electromet.

U ra
IK =
= I do
RK

Nên: Ura= RK.Iđo

5/12/17

17


9.2 Ampemet xoay chiều



Dòng điện biến thiên It = f(t) là dòng điện thay đổi theo thời gian. Trong thực tế, dòng điện chu kỳ có
hai dạng thông



Dòng điện hình sin:

i = I sin(ωt + ϕ )

o Để xác định dòng điện hình sin phải xác định I , ω và φ.
m
m

o

Cũng có thể xác định dòng trung bình và dòng hiệu dụng của một dòng điện biến thiên.

 Dòng điện xung
o

5/12/17

Dòng điện xung là dòng có chu kỳ; có hai dạng thông dụng: xung nhọn và xung vuông .

18


9.2 Ampemet xoay chiều
Đo dòng điện tức thời



Đo dòng điện tức thời tức là xác định được giá trị dòng điện ở các thời điểm khác nhau.



Sự ra đời của các ADC tốc độ cao và các vi xử lý cho phép theo dõi các tín hiệu biến thiên có tốc độ
rất cao (MHz hay cao hơn nữa).



Hiện nay các ADC kiểu so sánh song song có thể đạt đến 25GS/s cho phép theo dõi các quá trình
xảy ra cỡ ns hay tín hiệu có tần số 500MHz, tức vượt các máy hiện sóng hiện đại.

5/12/17

19

9.2 Ampemet xoay chiều



Đo dòng điện tức thời



Để đo được giá trị tức thời của dòng điện biến thiên ta sử dụng phương pháp rời rạc hoá tín hiệu
bằng các phần tử lấy mẫu và ghim giữ (Sample and Hold).



Chu kỳ rời rạc hoá và lấy mẫu Tlm phụ thuộc vào sai số yêu cầu rời rạc hoá và thời gian biến đổi
TADC của ADC


2γ yc X m
Tlm ≤
gm


 Tlm >TADC
5/12/17

T

lm

: Chu kỳ rời rạc hoá hay lấy mẫu.

γ: Sai số yêu cầu của phép đo.
X : Giá trị cực đại của tín hiệu.
m
g : Giá tốc cực đại của tín hiệu;
m

20


Ampemet xoay chiều
Đo dòng trung bình, hiệu dụng



Để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta thường sử dụng

 Ampemet từ điện chỉnh lưu
 Ampemet điện từ
 Ampemet điện động

5/12/17

21


Ampemet từ điện chỉnh lưu



Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh lưu bằng
diode

5/12/17

22


Ampemet từ điện chỉnh lưu
Dòng trung bình



Với chỉnh lưu nửa chu kì

1
I tb =
T


T

2

∫
0

1
1
I IM sin ωtdt =

I IM ( cos 0 − cos π ) = I IM
ωT
π

Chỉnh lưu hai nửa chu kì

 Đối với dòng điện hình sin Itb lấy trong một chu kỳ đối xứng. Vì vậy Itb chỉ có nghĩa khi lấy giá
trị trong ½ chu kỳ:

2
I tb =
T
5/12/17

T/2

∫
0

T/2 2I m
2 1
I m sin(ωt)dt= - I m cos(ωt)
=
0 π
Tω
23


Ampemet từ điện chỉnh lưu
Đo dòng hiệu dụng

T

1 2
I hd =
i dt
∫
T0


T

2
1
I
Im
2
m
I hd =
(I m sinωt) dt =
=
∫
T0
2
2

Chỉnh lưu nửa chu kì

1
2

1
I tb = I IM =
I Ihd =
I Ihd
π
π
2, 22


Chỉnh lưu cả chu kì

2
2× 2
1
I tb = I IM =
I Ihd =
I Ihd
π
π
1,11
5/12/17

24


Ampemet từ điện chỉnh lưu
Chỉnh lưu cả chu kì



Đối với dòng điện hình sin

2
I trb = .I P = 0, 637.I m
π
Ip
I rms =
= 0, 707.I m
2
I rms = 1,11.I trb

Im - dòng đỉnh
Itrb - dòng trung bình

Giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung
bình nhưng thang khắc độ thường theo giá trị rms

Irms - dòng hiệu dụng
5/12/17

25