Bai giang do luong dien TBD

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÕN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG MÔN

ĐO LƢỜNG ĐIỆN & THIẾT BỊ ĐO

ĐỖ QUANG ĐẠO
Tháng 12 năm 2012


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

MỤC LỤC
Chƣơng 1
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG
1.1. ĐẠI LƢỢNG ĐO LƢỜNG ........................................................................................ 1
1.1.1. Đại lƣợng điện ...................................................................................................... 1
1.1.2. Đại lƣợng không điện: .......................................................................................... 1
1.2. CHỨC NĂNG, ĐẶC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ĐO ..................................................... 2
1.3. CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƢỜNG ........................................................................ 2
1.4. SAI SỐ TRONG ĐO LƢỜNG ................................................................................... 2
1.4.1. Định nghĩa sai số trong đo lƣờng ......................................................................... 2
1.4.2. Các loại sai số và các nguồn gây ra sai số ............................................................ 3
1.4.3. Giới hạn của sai số ............................................................................................... 7
1.5. NHỮNG PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ ........................................... 8
1.6. LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƢỜNG .............................. 8
1.7. SỰ LỰA CHỌN, TÍNH CẨN THẬN VÀ CÁCH DÙNG THIẾT BỊ ĐO ................ 9
1.8. HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG ........................................................................................ 10
1.8.1. Hệ thống đo lƣờng dạng tƣơng tự (Analog) ....................................................... 10
1.8.2. Hệ thống đo lƣờng dạng số (Digital).................................................................. 11

1.8.3. Tính linh hoạt trong sự điều khiển từ xa thiết bị đo lƣờng................................. 12
Chƣơng 2
CÁC CƠ CẤU ĐO LƢỜNG
2.1. CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM ............................................................................................. 1
2.1.1. Cơ cấu từ điện ...................................................................................................... 1
2.1.2. Cơ cấu điện từ ...................................................................................................... 3
2.1.3. Cơ cấu điện động.................................................................................................. 5
2.1.4. Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ cơ điện ............................................................ 7
2.2. THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ .............................................................................................. 7
2.2.1. Cơ sở chung của các cơ cấu chỉ thị số .................................................................. 7
2.2.2. Thiết bị hiện số ..................................................................................................... 7
Chƣơng 3
ĐO DÕNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP
3.1. ĐO DÕNG MỘT CHIỀU (DC) – DÕNG XOAY CHIỀU (AC) ............................. 10
3.1.1. Đo dòng DC ....................................................................................................... 10
3.1.2. Đo dòng AC ....................................................................................................... 13
3.1.3. Ảnh hƣởng của Ampe kế đến mạch đo .............................................................. 15
3.2. ĐO ĐIỆN ÁP DC – AC ............................................................................................ 16
3.2.1. Đo điện áp DC .................................................................................................... 16
3.1.2. Đo điện áp AC .................................................................................................... 18
i


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
3.1.3. Ảnh hƣởng của Vôn kế đến mạch đo ................................................................. 20
3.3. ĐO ĐIỆN ÁP DC BẰNG BIẾN TRỞ ...................................................................... 21
3.3.1. Mạch đo thực tế .................................................................................................. 21
3.3.2. Mạch đo có trị số cụ thể ..................................................................................... 22
3.4. VÔN KẾ ĐIỆN TỬ DC ............................................................................................ 23
3.4.1. Đo điện áp DC dùng Transistor ......................................................................... 23

3.4.2. Đo điện áp DC dùng FET ................................................................................... 24
3.4.3. Đo điện áp DC dùng khuếch đại thuật toán (Op-amp) ....................................... 24
3.4.4. Đo điện áp DC giá trị nhỏ dùng phƣơng pháp “Chopper” ................................. 25
3.5. VÔN KẾ ĐIỆN TỬ AC ............................................................................................ 26
3.5.1. Khái quát ............................................................................................................ 26
3.5.2. Phƣơng pháp chỉnh lƣu diode............................................................................. 26
3.5.3. Phƣơng pháp trị hiệu dụng thực ......................................................................... 26
3.5.4. Phƣơng pháp trị đỉnh .......................................................................................... 27
3.6. AMPE KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÕNG DC-AC ............................................................... 27
3.6.1. Đo dòng DC ....................................................................................................... 27
3.6.2. Đo dòng AC ....................................................................................................... 28
3.7. CÁC MẠCH ĐO DÕNG VÀ ĐO ÁP THÔNG DỤNG ........................................... 28
3.7.1. Mạch đo dòng điện ............................................................................................. 28
3.7.2. Mạch đo điện áp ................................................................................................. 30
Chƣơng 4
ĐO ĐIỆN TRỞ
4.1. ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VÔN KẾ VÀ AMPE KẾ.................................................... 32
4.2. MẠCH ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG OHM KẾ ............................................................. 32
4.3. CẦU WHEATSTONE .............................................................................................. 35
4.3.1. Cầu Wheatstone cân bằng .................................................................................. 35
4.3.2. Cầu Wheatstone không cân bằng ....................................................................... 36
4.4. CẦU ĐÔI KELVIN .................................................................................................. 37
4.5. ĐO ĐIỆN TRỞ CÓ TRỊ SỐ LỚN ............................................................................ 38
4.5.1. Phƣơng pháp đo điện trở lớn dùng vôn-kế và microampe-kế ............................ 38
4.5.2. Mega ohm chuyên dụng ..................................................................................... 40
4.6. ĐO ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT ........................................................................................ 42
4.6.1. Khái niệm cơ bản ............................................................................................... 42
4.6.2. Mạch đo điện trở đất .......................................................................................... 43
Chƣơng 5
ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM, HỖ CẢM

5.1. ĐO C, L VÀ M DÙNG VÔN KẾ, AMPE KẾ ......................................................... 50
5.1.1. Đo tụ điện ........................................................................................................... 50
5.1.2. Đo điện cảm ....................................................................................................... 50
ii


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
5.1.3. Đo hỗ cảm .......................................................................................................... 51
5.2. ĐO C VÀ L DÙNG CẦU ĐO .................................................................................. 52
5.2.1. Cầu Wheatstone xoay chiều ............................................................................... 52
5.2.2. Cầu đơn giản đo C và L...................................................................................... 53
5.2.3. Cầu đo LC phổ quát ........................................................................................... 54
Chƣơng 6
ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG
6.1. ĐO CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU (DC) ..................................................................... 56
6.1.1. Phƣơng pháp dùng Vôn kế và Ampe kế............................................................. 56
6.1.2. Dùng Watt kế ..................................................................................................... 57
6.2. ĐO CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU (AC) MỘT PHA ............................................... 57
6.2.1. Dùng Vôn kế và Ampe kế .................................................................................. 57
6.2.2. Dùng Watt kế ..................................................................................................... 58
6.2.3. Dùng phối hợp Biến dòng, Biến áp kết hợp Watt kế điện động ........................ 58
6.2.4. Đo công suất hiệu dụng của tải Bằng Bộ Biến đổi nhiệt điện ............................ 58
6.3. ĐO CÔNG SUẤT TẢI BA PHA .............................................................................. 59
6.4. ĐO CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA TẢI ........................................................ 59
6.4.1. Công suất phản kháng tải một pha ..................................................................... 59
6.4.2. Công suất phản kháng tải ba pha ........................................................................ 60
6.5. ĐO ĐIỆN NĂNG ...................................................................................................... 60
6.5.1. Điện năng kế một pha......................................................................................... 60
6.5.2. Điện năng kế ba pha ........................................................................................... 60
6.6. ĐO CÔNG SUẤT, ĐIỆN NĂNG BẰNG WATT MET, CÔNG-TƠ ĐIỆN TỬ (SV

tự tham khảo sách) ........................................................................................................... 61
6.7. ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT (Cos) ............................................................................ 61
6.7.1. Đo cos dùng Vôn kế và Ampe kế .................................................................... 61
6.7.2. Cos kế dùng cơ cấu điện động ......................................................................... 61
6.8. THIẾT BỊ CHỈ THỊ ĐỒNG BỘ HÓA (SYNCHRONOSCOPE)............................. 61
6.9. TẦN SỐ KẾ (SV tự tham khảo sách) ....................................................................... 62
6.10. MẠCH ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG, HỆ SỐ CÔNG SUẤT, TẦN SỐ
THÔNG DỤNG ............................................................................................................... 62
6.10.1. Mạch đo công suất............................................................................................ 64
6.10.2. Mạch đo điện năng xoay chiều ......................................................................... 65
6.10.3. Mạch đo hệ số công suất .................................................................................. 68
6.10.4. Mạch đo tần số ................................................................................................. 69
Chƣơng 7
DAO ĐỘNG KÝ
7.1. ỐNG PHÓNG ĐIỆN TỬ (CRT – CATHODE RAY TUBE) .................................. 70
7.2. CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG DAO ĐỘNG KÝ ........................................... 70
iii


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
7.2.1. Sơ đồ chung ........................................................................................................ 70
7.2.2. Khối khuếch đại Y.............................................................................................. 70
7.2.3. Khối khuếch đại X.............................................................................................. 71
7.3. SỰ TẠO ẢNH TRÊN MÀN HÌNH DAO ĐỘNG KÝ ............................................ 71
7.3.1. Tín hiệu vào trục X, Y ........................................................................................ 71
7.3.2. Sự đồng bộ giữa X(t) và Y(t) ............................................................................. 71
7.4. DAO ĐỘNG KÝ HAI TIA ....................................................................................... 72
7.4.1. Cấu tạo................................................................................................................ 72
7.4.2. Sơ đồ khối .......................................................................................................... 72
7.5. ĐẦU ĐO ................................................................................................................... 73

7.6. BỘ TẠO TRỄ ........................................................................................................... 73
7.7. DAO ĐỘNG KÝ SỐ VÀ DAO ĐỘNG KÝ CƠ, ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ (SV tự
tham khảo sách) ............................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO. .............................................. Error! Bookmark not defined.

iv


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

Chƣơng 1
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG.
1.1. ĐẠI LƢỢNG ĐO LƢỜNG:
Đo lƣờng là sự so sánh giá trị của đại lƣợng chƣa biết với giá trị của đại lƣợng đã đƣợc
chuẩn hóa.
Trong lĩnh vực đo lƣờng điện, dựa trên tính chất cơ bản của đại lƣợng đo, ngƣời ta
phân biệt thành 2 loại:
 Đại lƣợng điện (Electrical Measurand).
 Đại lƣợng không điện (Non-Electrical Measurand).

Hình 1.1: Mô hình thiết bị đo.
1.1.1. Đại lƣợng điện:
Đại lƣợng điện đƣợc chia làm 2 loại:


Đại lƣợng điện tích cực (Active): Đại lƣợng điện áp, dòng điện, công suất là
những đại lƣợng mang năng lƣợng điện. Khi đo các đại lƣợng này, năng
lƣợng của những đại lƣợng cần đo này sẽ cung cấp cho các mạch đo.



Đại lƣợng điện thụ động (Passive): Đại lƣợng điện trở, điện dung, hỗ cảm, …
các đại lƣợng này, bản thân chúng không mang năng lƣợng cho nên cần phải
cung cấp dòng hoặc áp khi đƣa các đại lƣợng này vào mạch đo.

1.1.2. Đại lƣợng không điện:
Đây là những đại lƣợng hiện hữu trong đời sống (nhiệt độ, áp suất, trọng lƣợng, độ
ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc, …). Để đo những đại lƣợng không điện, nói chung ta
phải sử dụng những mạch chuyển đổi để biến những đại lƣợng này thành dòng điện hoặc
điện áp rồi áp dụng phƣơng pháp đo nhƣ đối với đại lƣợng điện.

Trang 1


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

Hình 1.2: Mô hình thiết bị đo thực tế, sử dụng máy tính.

1.2. CHỨC NĂNG, ĐẶC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ĐO:
Chức năng và đặc điểm cơ bản của thiết bị đo nói chung là cung cấp thông tin chính
xác và kịp thời về đại lƣợng đang đƣợc khảo sát. Kết quả đo có thể đƣợc lƣu trữ, hiển thị
và truyền để điều khiển.

1.3. CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƢỜNG:
Sự chính xác của thiết bị đo lƣờng đƣợc xác định thông qua việc chuẩn hóa
(calibration) khi thiết bị đƣợc xuất xƣởng. Việc chuẩn hóa đƣợc xác định thông qua 4 cấp
nhƣ sau:
 Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International Standard). Các thiết bị đo lƣờng muốn
đƣợc cấp chuẩn quốc tế đều phải đƣợc thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo
lƣờng quốc tế tại Paris (Pháp). Những thiết bị đo đƣợc chuẩn hóa theo cấp 1

đều đƣợc định kỳ kiểm tra và đánh giá định kỳ.
 Cấp 2: Chuẩn quốc gia (National Standard). Các thiết bị đo lƣờng tại các
Viện định chuẩn quốc gia ở các nƣớc trên thế giới đƣợc định theo chuẩn quốc tế
và các thiết bị đo lƣờng trong một quốc gia đƣợc Viện định chuẩn quốc gia
kiểm tra, đánh giá và cấp giấy chứng nhận đạt chuẩn.
 Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone Standard). Trong một quốc gia có thể có nhiều
chuẩn khu vực, và thiết bị dùng để định chuẩn đều phải đạt Chuẩn quốc gia
(Cấp 2).
 Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm (Laboratory Standard). Trong một khu vực
có thể có nhiều phòng thí nghiệm đƣợc cấp phép để định chuẩn cho các thiết bị
dùng trong công nghiệp.
Tóm lại: Thiết bị đo lƣờng khi đƣợc sản xuất ra đƣợc chuẩn hóa tại cấp nào sẽ mang
chất lƣợng tiêu chuẩn đo lƣờng của cấp đó. Ngoài ra, để đảm bảo độ chính xác và tin cậy,
các thiết bị đo lƣờng đều phải định kỳ chuẩn hóa.

1.4. SAI SỐ TRONG ĐO LƢỜNG:
1.4.1. Định nghĩa sai số trong đo lƣờng:
Sai số trong đo lƣờng nói chung là sự khác biệt giữa giá trị đo đƣợc với trị số tin cậy
Trang 2


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
(expected value). Nhìn chung, một giá trị đo lƣờng bị ảnh hƣởng bởi nhiều thông số, dẫn
đến kết quả đo có thể không đúng nhƣ mong muốn. Có 3 loại sai số cơ bản: sai số chủ
quan, sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
1.4.2. Các loại sai số và các nguồn gây ra sai số:
 Sai số chủ quan xảy ra do lỗi của ngƣời sử dụng thiết bị đo và phụ thuộc vào
việc đọc sai kết quả hoặc ghi kết quả không đúng theo quy trình họat động của
thiết bị đo.
 Sai số hệ thống phụ thuộc vào thiết bị đo, cũng nhƣ điều kiện môi trƣờng.

Ngoài sai số chủ quan và sai số hệ thống thì sai số còn lại đƣợc phân loại là sai
số ngẫu nhiên. Đối với sai số ngẫu nhiên, việc đánh giá cũng nhƣ phân tích
đƣợc thực hiện dựa vào phƣơng pháp thống kê
 Các nguồn gây sai số:


Thiết bị đo đƣợc vận hành không đúng.



Giá trị cần đo nằm ngoài vùng làm việc thiết kế của thiết bị đo.



Thiết bị đo không đƣợc bảo trì, kiểm định định kỳ.



Thiết bị đo hoạt động không ổn định hoặc độ ổn định kém.

 Một vài cách tính sai số.


Sai số:
e = Yn – Xn
Trong đó:
e: sai số.
Yn: trị số tin cậy đƣợc.
Xn: trị số đo đƣợc.



Sai số tƣơng đối (tính theo %):

er 


Yn  X n
.100 %
Yn

Độ chính xác tƣơng đối:

A  1

Yn  X n
Yn

Độ chính xác tính theo %:
a  100%  er  A  100%

Trang 3


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
Ví dụ:
Điện áp rơi trên điện trở có trị số tin cậy đƣợc là 50V. Khi dùng Vôn kế thì điện áp đo
đƣợc là 51V. Tính sai số tuyệt đối, sai số tƣơng đối và độ chính xác tƣơng đối?.
Bài giải:
 Sai số tuyệt đối:

er  50  51  1V

 Sai số tƣơng đối:
er 

1V
100%  2%
50V

 Độ chính xác tƣơng đối:

A  1  0,02  0,98
hoặc:
a = 100% − 2% = 98%
Tính chính xác của phép đo:

1

Xn  Xn
Xn
Trong đó:
Xn: trị số trung bình của n lần đo.

Ví dụ:
Xác định tính chính xác của phép đo, khi biết Xn = 97, X n  101,1 (giá trị trung bình
của 10 lần đo).
Bài giải:
Ta có:

1

97  101,1
 0,96
101,1

Vậy tính chính xác của phép đo lần thứ 10 là 96%.
 Phân tích thống kê trong đo lƣờng. Lý thuyết thống kê đƣợc áp dụng để phân
tích độ chính xác của một thiết bị đo hoặc phép đo thông qua những giá trị nhận
đƣợc. Thông qua việc phân tích số liệu giá trị nhận đƣợc, ta có thể biết độ chính
xác của phép đo hoặc của thiết bị đo và từ đó có thể đƣa ra đƣợc những sự thay
đổi/điều chỉnh để phép đo hoặc thiết bị đo đạt kết quả chính xác hơn trong
tƣơng lai.
Trang 4


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo


Trị số trung bình:
x

x1  x 2    x n
n

Trong đó:

x : trị số trung bình.
xn: trị số của lần đo thứ n.


Độ lệch:
dn  x n  x



Độ lệch trung bình:

D


d1  d 2    d n
n

Độ lệch chuẩn (Standard deviation):

σ

d12  d 22    d 2n
n

+ Nếu số lần đo nhỏ hơn 30 (n < 30):

d12  d 22    d 2n
σ
n 1


Sai số ngẫu nhiên:

e Rd 

2 d12  d 22    d 2n
3
n (n  1)

Ví dụ:
Kết quả đo chiều dài của một chi tiết cơ khí, đƣợc thực hiện trong 8 lần đo nhƣ sau:
116,2mm; 118,2mm; 116,5mm; 117,0mm; 118,2mm; 118,4mm; 117,8mm; 118,1mm. Tính
độ lệch trung bình và độ lệch chuẩn của các lần đo.
Bài giải:
Trị số trung bình:
x

116,2  118,2  116,5  117  118,2  118,4  117,8  118,1
 117,6mm
8

Trang 5


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
Độ lệch:
TT

Giá trị đo

Độ lệch (di)

1

116,2

-1,4

2

118,2

0,6

3

116,5

-1,1

4

117,0

-0,6

5

118,2

0,6

6

118,4

0,8

7

117,8

0,2

8

118,1

0,5

Độ lệch trung bình:

D

 1,4  0,6   1,1   0,6  0,6  0,8  0,2  0,5
8

 0,7mm

Độ lệch chuẩn:

σ

(1,4) 2  (0,6) 2  (1,1) 2  (0,6) 2  (0,6) 2  (0,8) 2  (0,2) 2  (0,5) 2

8 1

 0,86mm

Ví dụ:
Một Vôn kế đƣợc kiểm định bằng cách đo một nguồn chuẩn trong nhiều trƣờng hợp
khác nhau, giá trị đo đƣợc nhƣ sau: 14,35V; 15,10V; 15,45V; 14,75V; 14,85V; 16,1V;
15,85V; 15,1V; 14,45V; 15,2V. Xác định độ lệch trung bình, độ lệch chuẩn và sai số ngẫu
nhiên. Từ các kết quả trên, hãy đƣa ra kết luận về độ chính xác của Vôn kế.
Bài giải:
Trị số trung bình:

x

14,35  15,1  15,45  14,75  14,85  16,1  15,85  15,1  14,45  15,2
10

 15,12V
Trang 6


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
Độ lệch:

TT

Giá trị đo

Độ lệch (di)

1

14,35

-0,77

2

15,10

-0,02

3

15,45

0,33

4

14,75

-0,37

5

14,85

-0,27

6

16,10

0,98

7

15,85

0,73

8

15,10

-0,02

9

14,45

-0,67

10

15,20

0,08

Độ lệch trung bình:

D

 0,77   0,22  0,33     0,67  0,08
10

 0,42V
Độ lệch chuẩn:

σ

(0,77) 2  (0,22) 2  (0,33) 2    (0,67) 2  (0,08) 2
10  1

 0,56V
Sai số ngẫu nhiên:

e Rd

2 (0,77) 2  (0,22) 2  (0,33) 2    (0,67) 2  (0,08) 2

3
10(10  1)
 0,12V

1.4.3. Giới hạn của sai số:
Phần lớn các nhà sản xuất thƣờng xác định sai số của thiết bị đo bằng sai số tầm đo,
đây cũng là giới hạn sai số của thiết bị đo (cấp chính xác của thiết bị đo) mặc dù trong thực
Trang 7

Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
tế sai số thực của thiết bị đo có thể nhỏ hơn giá trị này.
Ví dụ: Vôn-kế có sai số tầm đo ± 2% ở tầm đo (thang đo) 300V. Tính giới hạn sai
số dùng để đo điện áp 120V.
Sai số tầm đo: 300V × 0,02 = 6V
Do đó giới hạn sai số ở 120V:

6
 100%  5%
120

Ví dụ: Vôn-kế và ampe-kế đƣợc dùng để xác định công suất tiêu thụ của điện trở.
Cả hai thiết bị này đều ở sai số tầm đo ± 1%. Nếu vôn-kế đƣợc đọc ở tầm đo 150V có chỉ
thị 80V và ampe-kế đƣợc đọc ở tầm đo 100mA là 70mA.
Giới hạn sai số tầm đo của vôn-kế: 150V × 1% = 1,5V
Giới hạn sai số ở trị số 80V:

1,5
 100%  1,86%
80

Giới hạn sai số tầm đo ampe kế: 100mA x 0,01 = 1mA
Giới hạn sai số ở trị số đọc:

1
 100%  1,43%
70

Giới hạn sai số của công suất đo đƣợc: 1,86% + 1,43% = 3,29%

1.5. NHỮNG PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ:
Tổng quát thiết bị đo điện tử thƣờng đƣợc cấu tạo bằng ba phần nhƣ sau:

Hình 1.3: Sơ đồ khối thiết bị đo điện tử.
Cảm biến: Phần tử biến đổi các đại lƣợng đo không điện sang đại lƣợng điện. Bộ
phận này chỉ có khi thiết bị đo điện tử đo các đại lƣợng trong công nghiệp.
Bộ chế biến tín hiệu: Biến đổi tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở, ...) cho
phù hợp với bộ chỉ kết quả. Bộ này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch điều hợp tổng trở,
mạch khuếch đại tín hiệu đủ lớn cho bộ chỉ thị kết quả. Có thể là mạch cầu đo (đối với đại
lƣợng điện trở, điện cảm, điện dung). Ngoài ra trong bộ chế biến có thể là mạch lọc, mạch
chỉnh lƣu, mạch sửa dạng tín hiệu, mạch chopper, mạch biến đổi tín hiệu A/D, ...
Bộ chỉ thị kết quả: Trong phần này kết quả đo đƣợc chỉ thị dƣới hai hình thức kim
hoặc số hiển thị.

1.6. LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƢỜNG:
Trong quá khứ lợi ích thiết thực của cơ học và quang học đã giúp ích cho kỹ thuật
Trang 8


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
đo lƣờng. Hiện tại và tƣơng lai điện tử đã và đóng góp rất nhiều trong sự phát triển cho
thiết bị đo lƣờng. Các đại lƣợng điện và đại lƣợng không điện đƣợc cảm biến đo lƣờng
chuyển đổi sang tín hiệu điện. Các tín hiệu này đƣợc các mạch điện tử chế biến cho phù
hợp với mạch đo, mạch thu thập dữ liệu đo lƣờng. Ngày nay chúng ta không còn nghi ngờ
gì về những ƣu điểm của mạch điện tử:
 Độ nhạy thích hợp.
 Tiêu thụ năng lƣợng ít.
 Tốc độ đáp ứng nhanh.

 Dễ tƣơng thích truyền tín hiệu đi xa.
 Độ tin cậy cao.
 Độ linh hoạt cao phù hợp với các vấn đề đo lƣờng.

1.7. SỰ LỰA CHỌN, TÍNH CẨN THẬN VÀ CÁCH DÙNG THIẾT BỊ
ĐO:
Có những thiết bị đo rất tốt, rất chính xác nhƣng sẽ cho kết quả sai hoặc không
chính xác nếu chúng ta không biết sử dụng hoặc sử dụng không đúng qui định của thiết bị
đo. Do đó chúng ta phải quan tâm đến cách thức và qui trình sử dụng của từng thiết bị đo.
Ngoài ra chúng ta phải chọn thiết bị đo cho phù hợp với đại lƣợng đo.
Phần lớn các thiết bị đo có độ nhạy cao tƣơng đối phức tạp, đòi hỏi chúng ta cẩn
thận khi sử dụng nếu không dễ gây ra hƣ hỏng hoặc làm cho thiết bị đo không chính xác.
Vậy bắt buộc ngƣời sử dụng phải đọc và tìm hiểu kỹ đặc tính, cách sử dụng, qui trình hoạt
động của máy trƣớc khi cho máy bắt đầu hoạt động. Lựa chọn thiết bị đo phải phù hợp với
mức độ chính xác theo yêu cầu của đại lƣợng đo. Vì mức độ chính xác và độ nhạy của thiết
bị có liên quan trực tiếp với giá tiền của máy. Nghĩa là máy càng chính xác, càng nhạy thì
giá càng cao. Nhiều khi theo yêu cầu của đại lƣợng đo không cần dùng đến thiết bị quá
nhạy hoặc độ chính xác quá cao. Khi sử dụng máy phải cẩn thận, tránh nguy hiểm cho máy
đo vì quá tầm đo hoặc bị chấn động cơ học (do di chuyển hoặc va chạm cơ học, ...), thƣờng
đối với thiết bị chỉ kim. Ngoài ra phải lƣu ý đến điều kiện của tải phối hợp với thiết bị đo
(đối với thiết bị đo điện tử) ví dụ nhƣ: đáp ứng tần số, phối hợp trở kháng, ... Nếu không
thỏa các điều kiện này cũng gây ra sai số thiết bị đo.
Để tránh hƣ hỏng cho thiết bị đo, luôn luôn đòi hỏi ngƣời sử dụng máy phải đọc
qua và hiểu rõ Tài liệu chỉ dẫn (Service manual) cho những thiết bị đo mới sử dụng lần
đầu.

Trang 9


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

1.8. HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG:
1.8.1. Hệ thống đo lƣờng dạng tƣơng tự (Analog):
 Hệ thống đo lường một kênh (hình 1.4)

Hình 1.4: Hệ thống đo lường tương tự (Analog).
Tín hiệu đo đƣợc tạo ra từ cảm biến đo lƣờng (transducer) do đại lƣợng đo tác
động vào. Tín hiệu này đi qua mạch chế biến tín hiệu (signal conditioner). Sau đó đi vào bộ
phận trình bày kết quả (display) và thiết bị ghi (record) để cho bộ phận đọc kết quả sử dụng
ngay kết quả đo này. Ngoài ra hệ thống đo lƣờng còn liên kết với hệ thống điều khiển tự
động bằng cách lấy tín hiệu đo ở ngõ ra của mạch chế biến tín hiệu đƣa qua mạch so sánh
với tín hiệu chuẩn để điều khiển đối tƣợng (đại lƣợng) đang đƣợc đo.
Ví dụ: đại lƣợng đo là nhiệt độ thì đối tƣợng điều khiển cũng là nhiệt độ.
 Hệ thống đo lường nhiều kênh:
Trong trƣờng hợp cần đo nhiều đại lƣợng đo, mỗi đại lƣợng đo ở một kênh. Nhƣ
vậy sau mỗi tín hiệu đo đƣợc lấy ra từ mạch chế biến tín hiệu ở mỗi kênh sẽ đƣa qua mạch
phân kênh (multiplexer) để đƣợc sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn
truyền (dây dẫn hay vô tuyến). Để có sự phân biệt các đại lƣợng đo, trƣớc khi đƣa vào
mạch phân kênh cần phải mã hóa hoặc điều chế (Modulation – MOD) theo tần số khác
nhau (ví dụ nhƣ f10, f20, …) cho mỗi tín hiệu của đại lƣợng đo. Tại nơi nhận tín hiệu lại phải
giải mã hoặc giải điều chế (demodulation – DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo. Đây cũng
là hình thức đo lƣờng từ xa (telemety) cho nhiều đại lƣợng đo.

Trang 10


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

Hình 1.5: Hệ thống đo lường tương đồng nhiều kênh.
1.8.2. Hệ thống đo lƣờng dạng số (Digital):

Thiết bị vi xử lý (Microprocessor - P) tham gia vào hệ thống đo lƣờng nhằm mục
đích xử lý nhanh tín hiệu đo, chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng analog khi
truyền đi xa. Cách ly tốt hơn và dễ thực hiện hơn nếu dùng phƣơng pháp quang học (dùng
cách thức ghép bằng tín hiệu quang). Đây cũng là hình thức thƣờng dùng hiện nay.
Với sự phát triển của máy tính cá nhân, hệ thống đo lƣờng dùng kỹ thuật số dùng
PC để tự động hóa hệ thống đo lƣờng ở mức độ cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng. Do
đó, chúng ta bƣớc sang một giai đoạn mới Máy tính hóa thiết bị đo lƣờng.
Trong hệ thống đo lƣờng dùng kỹ thuật số, tín hiệu dạng Analog đƣợc chuyển đổi
sang tín hiệu dạng số (digital) bằng các mạch ADC (analog digital converter) để cho bộ vi
xử lý (P) hoạt động, sau đó muốn có dạng Analog để sử dụng, chúng ta dùng mạch DAC
(digital analog converter) để chuyển đổi lại.
Ngoài ra hệ thống đo lƣờng dạng số còn có ƣu điểm là sự hoạt động thông minh
nhờ vào chƣơng trình phần mềm (software) cài đặt vào máy tính để xử lý tín hiệu đo lƣờng
và điều khiển hệ thống tự động hóa.

Trang 11


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

Hình 1.6: Hệ thống đo lường số kết hợp với P.
1.8.3. Tính linh hoạt trong sự điều khiển từ xa thiết bị đo lƣờng:
Hệ thống đo lƣờng dạng số nhờ sự kết nối với máy tính, đã điều khiển từ xa
(remote) các chức năng của hệ thống đo lƣờng bằng cách sử dụng các đƣờng truyền số liệu
(BUS) của bộ vi xử lý (P).
Nhƣ máy tính PC điều khiển thiết bị đo lƣờng thông qua bộ giao tiếp chuẩn
(interface bus standard) thông dụng là IE 488 hoặc RS232C. Phần giao tiếp truyền số đa
năng (GPIB - general purpose interface bus) đƣợc thiết kế để thực hiện sự điều khiển.

Trang 12

Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo

Chƣơng 2
CÁC CƠ CẤU ĐO LƢỜNG.
2.1. CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM:
2.1.1. Cơ cấu từ điện:

Hình 2.1: Cơ cấu chỉ thị từ điện.
2.1.1.1. Cấu tạo:
Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:
 Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình
thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là
khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.
 Phần động: gồm: khung dây quay 5 đƣợc quấn bắng dây đồng. Khung dây đƣợc
gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7
mắc ngƣợc nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.
2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động:
Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dƣới tác động của từ trƣờng nam
châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban
đầu một góc α. Mômen quay đƣợc tính theo biểu thức:

Mq 

dWe
 B.S.W.I
dα

Trong đó:

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
S: tiết diện khung dây
Trang 1


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
W: số vòng dây của khung dây
Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:

M q  M c  B.W.S.I  D.α  α 

B.W.S.I
 SI .I
D

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất
với dòng điện I chạy qua khung dây. Từ biểu thức mômen quay suy ra cơ cấu chỉ thị từ
điện có các đặc tính cơ bản sau:
 Chỉ đo đƣợc dòng điện một chiều.
 Đặc tính của thang đo đều.
 Độ nhạy SI là hằng số:

SI 

B.W.S
D

2.1.1.3. Ưu điểm:
 Từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu do cơ cấu đo tạo ra mạnh nên ít bị ảnh
hƣởng của từ trƣờng bên ngoài.

 Công suất tiêu thụ nhỏ, từ 25µW÷200µW.
 Độ chính xác cao, có thể đạt đƣợc độ chính xác 0.5%.
 Có góc quay tuyến tính theo dòng điện nên thang đo có khoảng chia đều.
2.1.1.4. Nhược điểm:
 Cuộn dây của khung quay có dòng chịu đựng nhỏ nên dễ bị hỏng khi có dòng
điện quá mức chạy qua.
 Chỉ hoạt động với dòng một chiều (DC), không hoạt động với dòng xoay chiều
(AC).
 Khung quay dễ bị hƣ hỏng khi có chấn động mạnh, vì vậy phải sử dụng cẩn
thận và tránh làm rớt, hoặc va đập mạnh.
2.1.1.5. Ứng dụng:
Cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo Ampe kế, Vôn kế, Omh kế nhiều thang đo và có
dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5).
 Chế tạo các loại Ampe kế, Vôn kế, Omh kế nhiều thang đo, dải đo rộng.
 Chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao có thể đo đƣợc: dòng đến 10-12A, áp
đến 10-4V, đo điện lƣợng, phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay
trong điện thế kế.
Trang 2


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
 Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị
tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15kHz; đƣợc sử dụng để chế
tạo các đầu rung.
 Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lƣợng không điện khác nhau.
 Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tƣơng tự: Vôn kế điện tử, tần số kế điện tử, pha
kế điện tử, …
 Dùng với các bộ biến đổi khác nhƣ chỉnh lƣu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo
đƣợc dòng, áp xoay chiều.
2.1.2. Cơ cấu điện từ:

Hình 2.2: Cơ cấu chỉ thị điện từ.
2.1.2.1. Cấu tạo:
Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:
 Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc).
 Phần động: là lõi thép 2 đƣợc gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do
trong khe làm việc của cuộn dây. Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không
khí 4, kim chỉ thị 6, đối trọng 7. Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ chia
8.
Trang 3


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động:
Dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện hút lõi
thép 2 (phần động) vào khe hở không khí với mômen quay:

Mq 

dWe 1 2 dL
 .I .
dα 2 dα

Trong đó:
L: điện cảm của cuộn dây.
Tại vị trí cân bằng có:

Mq  Mc  α 

1 dL 2

. .I
2D dα

Từ phƣơng trình trên ta thấy:
 Góc quay α tỉ lệ với bình phƣơng của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào
chiều của dòng điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều.
 Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dα là một đại lƣợng phi
tuyến.
 Cản dịu thƣờng bằng không khí hoặc cảm ứng.
2.1.2.3. Ưu điểm:
 Công nghệ chế tạo dễ hơn cơ cấu từ điện.
 Chịu đƣợc dòng lớn.
 Có thể hoạt động với dòng DC hoặc AC.
2.1.2.4. Nhược điểm:
 Từ trƣờng tạo ra bởi cuộn dây nhỏ nên dễ bị ảnh hƣởng bởi từ trƣờng bên
ngoài. Do vậy cơ cấu điện từ cần phải có bộ phận chắn từ để bảo vệ.
 Tiêu thụ năng lƣợng nhiều hơn cơ cấu từ điện.
 Độ chính xác kém hơn cơ cấu từ điện do có hiện tƣợng từ dƣ trong lá sắt non.
 Thƣờng chỉ đƣợc dùng trong lĩnh vực công nghiệp.
2.1.2.5. Ứng dụng:
Thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo các loại Ampe kế, Vôn kế trong mạch xoay chiều tần
số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2. Ít dùng trong các mạch có tần số cao.

Trang 4


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
2.1.3. Cơ cấu điện động:
2.1.3.1. Cấu tạo:
Gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động:

 Phần tĩnh: bao gồm cuộn dây 1 (đƣợc chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo
ra từ trƣờng khi có dòng điện chạy qua. Trục quay đi qua khe hở giữa hai phần
cuộn dây tĩnh.
 Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây 2
đƣợc gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ
thị.Cả phần động và phần tĩnh đƣợc bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh
hƣởng của từ trƣờng ngoài.

Hình 2.3: Cơ cấu chỉ thị điện động.
2.1.3.2. Nguyên lý hoạt động:
Khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trƣờng trong
lòng cuộn dây. Từ trƣờng này tác động lên dòng điện I2 chạy trong khung dây 2 (phần
động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α.
Mômen quay đƣợc xác định nhƣ sau:

Mq 

dWe
dα

Trong đó:
We: năng điện điện từ trƣờng.
Có hai trƣờng hợp xảy ra:
 I1, I2 là dòng điện một chiều:

α

1 dM12
.
.I1.I2

2D dα

Trong đó:
Trang 5


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
M12: hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động.
 I1 và I2 là dòng điện xoay chiều:

α

1 dM12
.
.I1.I 2 . cos φ
2D dα

Trong đó:
: góc lệch pha giữa I1 và I2.
Từ các biểu thức trên ta rút ra đƣợc đặc tính chung của cơ cấu điện động:
 Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều.
 Góc quay α phụ thuộc tích (I1.I2) nên thang đo không đều
 Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha  giữa hai dòng điện
nên có thể ứng dụng làm Watt kế đo công suất.
2.1.3.3. Ưu điểm:
Có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều.
2.1.3.4. Nhược điểm:
Công suất tiêu thụ lớn nên không thích hợp trong mạch công suất nhỏ. Chịu ảnh
hƣởng của từ trƣờng ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ. Độ nhạy thấp vì
mạch từ yếu.

2.1.3.5. Ứng dụng:
Chế tạo các Ampe kế, Vôn kế, Watt kế một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp;
các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ.Trong mạch có tần số cao phải có
mạch bù tần số (đo đƣợc dải tần đến 20kHz).

Trang 6


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
2.1.4. Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ cơ điện:

2.2. THIẾT BỊ CHỈ THỊ SỐ:
2.2.1. Cơ sở chung của các cơ cấu chỉ thị số:
Thiết bị chỉ thị số bao gồm nhiều khối chức năng bên trong, nhiệm vụ chính là hiển
thị thông tin đo đƣợc theo yêu cầu, có thể theo dạng số (digital) hoặc dạng tƣơng tự
(analog). Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo chỉ số.

XỬ LÍ TÍN HIỆU
ÐẦU VÀO

XỬ LÍ TÍN HIỆU
SỐ

HIỂN THỊ KẾT
QUẢ

Hình 2.4: Sơ đồ khối thiết bị chỉ thị số.
Khi xử lý tín hiệu đầu vào có nhiệm vụ biến đổi thông tin cần đo thành tín hiệu số.
Sau đó, tín hiệu đƣợc tính toán và hiển thị thông tin đo đƣợc, kết quả hiển thị có thể ở dạng
số hoặc tƣơng tự.

2.2.2. Thiết bị hiện số:
a) Chỉ thị số bằng đèn khí:
Trang 7


Bài giảng Đo Lường Điện và Thiết Bị Đo
Thƣờng thấy trong những thiết bị những năm 80. Đèn khí có cấu tạo gồm anốt là
một cái lƣới còn catốt là các con số từ 0-9 và các dấu +, -, … Khi có điện áp catốt nào
thì kí hiệu tƣơng ứng sáng lên.
Nhƣợc điểm của thiết bị hiện số bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ 200V) do
vậy mà độ tin cậy thấp.

Hình 2.5: Thiết bị hiện số bằng đèn khí.
b) Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh:
Là loại thiết bị hiện số đƣợc sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi
mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ.
Về cấu tạo: gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ a-g đƣợc sắp xếp nhƣ hình
2.6.a, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tƣơng ứng có các đầu ra để cấp tín hiệu
cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung. Khi có tín hiệu cho phép
điốt nào hoạt động thì điốt đó sẽ sáng, phối hợp sự sáng tối của các điốt sẽ cho ra các con
số: 0-9, các ký hiệu, các ký tự…

Hình 2.6: Cơ cấu chỉ thị số bằng LED 7 thanh.
Tùy mục đích sử dụng còn có các loại LED 7 thanh có thêm các thanh hiển thị
dấu chấm (.) thập phân, loại có nhiều hơn 7 thanh sắp xếp theo những hình dạng khác
nhau…
Hình 2.6.b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7
Trang 8