BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Bài 1.

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢNVỀ ĐO LƯỜNG
1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI PHÉP ĐO:
1.1.Đònh nghóa về đo lường:
Đo lường là quá trình so sánh, đònh lượng giữa đại
lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng đã được
chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng chuẩn).
Như vậy, công việc đo lường là nối thiết bò đo vào
hệ thống được khảo sát và quan sát kết quả đo các
đại lượng cần thiết.
Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trò
của đại lượng đo lường
Đại lượng đo là thông số xác đònh quá trình vật lý
của tín hiệu đo . Trong một quá trình vật lý có nhiều
thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể , ta chỉ
quan tâm đến một thông số cụ thể . Đại lượng đo được
phân thành 2 loại là đại lượng đo tiền đònh và đại lượng
đo ngẫu nhiên . Đại lượng đo tiền đònh là đại lượng đo
đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của
chúng và đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà
sự thay đổi của chúng không theo quy luật nhất đònh
Thiết bò đo là thiết bò kỹ thuật dùng để gia công
tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người
quan sát . Thiết bò đo gồm có : thiết bò mẫu , các
chuyển đổiđo lường , các dụng cụ đo , các tổ hợp thiết
bò đo lường và hệ thống thông tin đo lường
1.2.Phân loại đo lường:
Trong kỹ thuật đo lường chúng ta có thể chia ra 2 phương

pháp đo lường một cách tổng quát :
Phương pháp đo lường trực tiếp
Phương pháp đo lường gián tiếp
1.2.1 Phương pháp đo lường trực tiếp:
Với những phương pháp đo lường trực tiếp , thiết bò
đo lường sẽ cho chúng ta biết kết quả đo trực tiếp đại
lượng đo , mà không thông qua đại lượng đo nào khác .
Phương pháp đo lường trực tiếp này cho kết quả
nhanh chóng chính xác , tuy nhiên không phải bất kỳ
đại lượng nào cũng có thể dùng phương pháp đo lường
trực tiếp được vì không có được những thiết bò có thể
cho biết ngay kết quả đo của đại lượng đo đươc
Trang 1


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Thí dụ Trong mạch đo chỉ có Volt kế và Ampere kế ,
ta không thể dùng phương pháp đo lường trực tiếp để
đo công suất được mà phải sử dụng phương pháp đo
gián tiếp
1.2.2 Phương pháp đo lường gián tiếp:
Trong phương pháp đo lường gián tiếp , đại lượng đo sẽ
được biết kết quả thông qua đại lượng đo khác , mà
các thiết bò đo sẽ đo đại lượng đo khác này bằng
phương pháp trực tiếp . Như vậy giữa đại lượng cần đo
phải có sự tương quan với các đại lượng đo khác này .
Thí dụ : Công suất có sự tương quan với điện áp
và dòng điện cho nên dùng Volt kế hoặc Ampe kế để
đo công suất bằng phương pháp gián tiếp. Hay muốn đo

điện trở của phụ tải , ta có thể đo điện áp và dòng
điện , từ đó suy ra điện trở cần đo Trong lónh vực đo
lường , các đại lượng điện dùng phương pháp đo lường
gián tiếp bao gồm những phương pháp sau
a.Phương pháp đo biến đổi thẳng
Là phương pháp đo có cấu trúc kiểu biến đổi thẳng, khơng có khâu phản hồi.
Q trình đo là q trình biến đổi thẳng, thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng.
- Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi và biến thành con số N X.
Đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành N0, sau đó được so sánh
giữa đại lượng cần đo với đơn vị qua bộ so sánh (SS). Q trình thực hiện bằng
một phép chia NX/N0.
- Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng: X =NX/N0*X0
X
BĐ

X

NX
A/D

SS

NX/N0

X
N0 tự-số. SS là bộ so sánh.
- Trong đó:
X0 BĐ là bộ biến đổi. A/D là 0bộ biến đổi tương
b.Phương pháp đo kiểu so sánh:
- Là sơ đồ có cấu trúc mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi.

X

SS
Xk

∆X

BĐ

A/D

Nk

CT

D/A

- Trong đó: BĐ là bộ biến đổi. A/D bộ biến đổi tương tự - số. SS bộ so sánh. D/A
bộ biến đổi số - tương tự. CT chỉ thị kết quả.
Trang 2


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

- Tín hiệu đo X được so sánh với một tín hiệu X k tỉ lệ với đại lượng mẫu X 0. Qua
bộ so sánh ta có: X – Xk = ∆X.
- Tùy thuộc vào cách so sánh ta có các phương pháp sau:
So sánh cân bằng:
- Là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu X k được so sánh với
nhau sao cho ∆X = 0 và X – Xk = 0, X = Xk = NkX0 ( X0 là đơn vị đo).

- Như vậy Xk là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi ln được kết quả
như X = Xk = NkX0. Phép so sánh ln ở trạng thái cân bằng, độ chính xác của
phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của X k và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân
bằng. Các dụng cụ đo theo phương pháp so sánh cân bằng như cầu đo, điện thế kế
v.v…
So sánh khơng cân bằng:
- Nếu Xk là đại lượng khơng đổi, lúc đó ta có:
X – Xk = ∆X.
X = Xk + ∆X.
- Kết quả của phép đo được đánh giá qua ∆X, với X k là đại lượng biết trước.
Phương pháp này được sử dụng đo các đại lượng khơng điện như đo nhiệt độ.
So sánh khơng đồng thời:
Là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng mẫu X k. Các
giá trị đo X và giá trị mẫu được đưa vào thiết bị khơng cùng thời gian, thơng
thường giá trị mẫu Xk được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ
để xác định giá trị của đại lượng đo. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết
bị đánh giá trực tiếp như vơn mét, ampe mét kim chỉ.
So sánh đồng thời:
Là phương pháp so sánh cùng một lúc đại lượng đo X và đại lượng mẫu X k. Khi
X và Xk trùng nhau, qua Xk xác định được giá trị đại lượng X.
2. Những tham số đặc trưng cho phẩm chất của
dụng cụ đo:
2.1.Lý thuyết về những tham số đặc trưng cho
phẩm chất của dụng cụ đo:
Dơng cơ ®Ĩ tiÕn hμnh ®o l−êng bao gåm rÊt nhiỊu lo¹i kh¸c
nhau vỊ cÊu t¹o,
nguyªn lý lμm viƯc, c«ng dơng ... XÐt riªng vỊ mỈt thùc hiƯn phÐp
®o th× cã thĨ
chia dơng cơ ®o l−êng thμnh 2 lo¹i, ®ã lμ: vËt ®o vμ ®ång hå ®o.
VËt ®o lμ biĨu hiƯn cơ thĨ cđa ®¬n vÞ ®o, vÝ dơ nh− qu¶

c©n, mÐt, ®iƯn trë tiªu chn...
§ång hå ®o: Lμ nh÷ng dơng cơ cã thĨ ®đ ®Ĩ tiÕn hμnh ®o
l−êng hc kÌm víi vËt ®o. Cã nhiỊu lo¹i ®ång hå ®o kh¸c nhau vỊ
cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viƯc...

Trang 3


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

nh−ng xÐt vỊ t¸c dơng cđa c¸c bé phËn trong ®ång hå th× bÊt kú
®ång hå nμo
còng gåm bëi 3 bé phËn lμ bé phËn nh¹y c¶m, bé phËn chØ thÞ vμ bé
phËn
chun ®ỉi trung gian.
- Bé phËn nh¹y c¶m : (®ång hå s¬ cÊp hay ®Çu ®o) tiÕp xóc trùc
tiÕp hay gi¸n
tiÕp víi ®èi t−ỵng cÇn ®o. Trong tr−êng hỵp b«û phËn nh¹y c¶m ®øng
riªng
biƯt vμ trùc tiÕp tiÕp xóc víi ®èi t−ỵng cÇn ®o th× ®−ỵc gäi lμ ®ång
hå s¬ cÊp.
- Bé phËn chun ®ỉi : Lμm chun tÝnh hiƯu do bé phËn nh¹y c¶m
ph¸t ra ®−a
vỊ ®ång hå thø cÊp, bé phËn nμy cã thĨ chun ®ỉi toμn bé hay
mét phÇn, gi÷
nguyªn hay thay ®ỉi hc khuch ®¹i.
- Bé phËn chØ thÞ ®ång hå : (§ång hå thø cÊp) c¨n cø vμo tÝn hiƯu
cđa bé phËn
nh¹y c¶m chØ cho ng−êi ®o biÕt kÕt qu¶.

2.2.Đọc hiểu những tham số đặc trưng cho phẩm
chất của dụng cụ đo:
C¸c lo¹i ®ång hå ®o:
Ph©n lo¹i theo c¸ch nhËn ®−ỵc l−ỵng bÞ ®o tõ ®ång hå thø cÊp
+ §ång hå so s¸nh: Lμm nhiƯm vơ so s¸nh l−ỵng bÞ ®o víi vËt ®o.
L−ỵng bÞ
®o ®−ỵc tÝnh theo vËt ®o.
VÝ dơ : c¸i c©n, ®iƯn thÕ kÕ...
+ §ång hå chØ thÞ: Cho biÕt trÞ sè tøc thêi cđa l−ỵng bÞ ®o nhê
thang chia ®é, c¸i chØ thÞ hc dßng ch÷ sè.
- Giíi h¹n ®o d−íi Amin & Giíi h¹n ®o trªn Amax.
- Kho¶ng c¸ch gi÷a hai v¹ch gÇn nhÊt gäi lμ mét ®é chia.
Th−íc chia ®é cã thĨ 1 phÝa, 2 phÝa, chøa hc kh«ng chøa ®iĨm 0 .
- Gi¸ trÞ cđa ®é chia: lμ trÞ sè biÕn ®ỉi cđa l−ỵng bÞ ®o lμm cho
kim di chun
1 ®é chia, ®é chia cã thĨ ®Ịu hay kh«ng ®Ịu tïy gi¸ trÞ mçi ®é
chia b»ng nhau
hay kh¸c nhau. Cã thĨ ®äc trùc tiÕp hay ph¶i nh©n thªm c¸c hƯ sè
nμo ®ã.
- Kho¶ng ®o lμ kho¶ng chia cđa thang tõ giíi h¹n d−íi ®Õn giíi h¹n
trªn.
+ §ång hå tù ghi: lμ ®ång hå cã thĨ tù ghi l¹i gi¸ trÞ tøc thêi cđa ®¹i
l−ỵng ®o
trªn giÊy d−íi d¹ng ®−êng cong f(t) phơ thc vμo thêi gian. §ång hå
tù ghi cã

Trang 4


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

thĨ ghi liªn tơc hay gi¸n ®o¹n, ®é chÝnh x¸c kÐm h¬n ®ång hå chØ
thÞ.
Lo¹i nμy trªn mét b¨ng cã thĨ cã nhiỊu chØ sè
+ §ång hå tÝch ph©n: lμ lo¹i ®ång hå ghi l¹i tỉng sè vËt chÊt chun
qua trong
mét sè thêi gian nμo ®ã nh− ®ång hå ®o l−u l−ỵng.
+ §ång hå kiĨu tÝn hiƯu: lo¹i nμy bé phËn chØ thÞ ph¸t ra tÝn hiƯu
(¸nh s¸ng hay
©m thanh) khi ®¹i l−ỵng ®o ®¹t ®Õn gi¸ trÞ nμo ®ã 1 ®ång hå cã
thĨ cã nhiỊu bé
phËn chØ thÞ.
Ph©n lo¹i theo c¸c tham sè cÇn ®o:
+ §ång hå ®o ¸p st : ¸p kÕ - ch©n kh«ng kÕ
+ §ång hå ®o l−u l−ỵng : l−u l−ỵng kÕ
+ §ång hå ®o nhiƯt ®é : nhiƯt kÕ, háa kÕ
+ §ång hå ®o møc cao : ®o møc cđa nhiªn liƯu, n−íc.
+ §ång hå ®o thμnh phÇn vËt chÊt : bé ph©n tÝch

2.2.1.Sai số và cấp chính xác của dụng cụ đo:

Trªn thùc tÕ kh«ng thĨ cã mét ®ång hå ®o lý t−ëng cho sè ®o
®óng trÞ sè thËt
cđa tham sè cÇn ®o. §ã lμ do v× nguyªn t¾c ®o l−êng vμ kÕt cÊu
cđa ®ång hå
kh«ng thĨ tut ®èi hoμn thiƯn.
Gäi gi¸ trÞ ®o ®−ỵc lμ : A®
Cßn gi¸ trÞ thùc lμ : At
- Sai sè tut ®èi : lμ ®é sai lƯch thùc tÕ

γ = Ad – At
- Sai sè t−¬ng ®èi :
γ
γ 0 = .100%
At

Trong thùc tÕ ta tÝnh : γ 0 =

γ
.100%
Ad

- Sai sè qui dÉn: lμ tØ sè gi÷a s.sè tut ®èi ®èi víi kho¶ng ®o cđa
®ång hå (%)
γ
δ qd =
.100%
Amim − Amax

- CÊp chÝnh x¸c : lμ sai sè quy dÉn lín nhÊt trong kho¶ng ®o cđa
®ång hå

γ max
CCX = δ qdmax = 
 Amax − Amin


.100%


D·y cÊp chÝnh x¸c 0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; 1 ; 1.5 ; 2.5 ; 4.
Tiªu chn ®Ĩ ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c cđa dơng cơ ®o lμ CCX

Trang 5


GIO TRèNH O LNG IN LNH

Các dụng cụ đo có CCX = 0.1 hay 0.2 gọi l dụng cụ chuẩn. Còn dùng
trong
phòng thí nghiệm thờng l loại có CCX = 0.5 , 1. Các loại khác đợc
dùng
trong công nghiệp. Khi nói dụng cụ đo có cấp chính xác l 1,5 tức l
Sqd = 1,5%
Các loại sai số định tính: Trong khi sử dụng đồng hồ ngời ta
thờng để ý đến
các loại sai số sau
- Sai số cho phép: l sai số lớn nhất cho phép đối với bất kỳ vạch chia
no của
đồng hồ (với quy định đồng hồ vạch đúng t/c kỹ thuật) để giữ
đúng cấp chính
xác của đồng hồ.
- Sai số cơ bản: l sai số lớn nhất của bản thân đồng hồ khi đồng hồ
lm việc
bình thờng, loại ny do cấu tạo của đồng hồ.
- Sai số phụ: do điều kiện khách quan gây nên.
Trong các công thức tính sai số ta dựa vo sai số cơ bản còn sai số
phụ thì
không tính đến trong các phép đo.
2.2.2. Biến sai:

L độ sai lệch lớn nhất giữa các sai số khi đo nhiều lần 1 tham số
cần đo ở
cùng 1 điều kiện đo lờng : Adm And max
Chú ý : Biến sai số chỉ của đồng hồ không đợc lớn hơn sai số cho
phép của
đồng hồ .

2.2.3.ẹoọ nhaùy:
S=

x
A

X : độ chuyển động của kim chỉ thị (m ; độ ...)
A : độ thay đổi của giá trị bị đo.
Ví dụ : S =3/2 = 1,5 mm/oC
- Ta có thể tăng độ nhạy bằng cách tăng hệ số khuếch đại (trong lúc
ny không
đợc tăng sai số cơ bản của đồng hồ)
- Giá trị chia độ bằng 1/s =C hay còn gọi l hằng số của dụng cụ đo
Giá trị của mỗi độ chia không đợc nhỏ hơn trị tuyệt đối của sai số
cho phép
của đồng hồ.
2.2.4. Hạn không nhạy
L mức độ biến đổi nhỏ nhất của tham số cần đo để cái chỉ thị
bắt đầu lm

Trang 6

GIO TRèNH O LNG IN LNH

việc. Chỉ số của hạn không nhạy nhỏ hơn 1/2 sai số cơ bản.
* Trong thực tế ta không dùng dụng cụ có độ nhạy cao vì lm kim
dao động
dẫn đến hỏng dụng cụ.

3.Sụ lửụùc ve sai soỏ trong ủo lửụứng :
3.1. Khỏi nim sai s:
- o lng bao gi cng cú sai s do bn thõn dng c o tiờu th cụng sut ca
mch o cng nh sai s do phộp o, do ch th hoc nh hng ca mụi trng
xung quanh.
- Trong thc t khú xỏc nh c tr s thc ca cỏc i lng o. Vỡ vy tr s
c o cho bi thit b o c gi l tr s tin cy c, bt k i lng o
no cng b nh hng bi nhiu thụng s. Do ú kt qu o ớt khi phn ỏnh ỳng
tr s tin cy c. Cho nờn cú nhiu h s nh hng trong o lng liờn quan
n thit b o. Ngoi ra cú nhng h s khỏc liờn quan n con ngi s dng
thit b o. Nh vy chớnh xỏc ca thit b o c din t di hỡnh thc sai
s.
3.2. Cỏc loi sai s:
3.2.1. Phõn loi theo cỏch th hin bng s:
Sai s tuyt i, sai s tng i.
3.2.2. Phõn loi theo ngun gõy ra sai s:
a. Sai s phng phỏp:
L sai s sinh ra do s khụng hon thin ca phng phỏp ov s khụng
chớnh xỏc ca thc lớ thuyt cho ta kt qu ca i lng o. Sai s phng phỏp
bao gm sai s do s tỏc ng ca dng c o lờn i tng o, saai s liờn quan
n s khụng xỏc nh ca cỏc thụng s ca i tng o...
bSai s thit b:
L sai s ca thit b o s dng trong phộp o, nú liờn hoan n cu trỳc

v mch o ca dng c okhụng c hon chnh, tỡnh tng ca dng c o.
c. Sai s ch quan:
L sai s gõy ra do ngi s dng. Vớ d nh do mt kộm, do c
lch...Khi s dng c o ch th s, sai s ny hu nh khụng mc phi.
d.. Sai s bờn ngoi (hay sai s khỏch quan):
L sai s gõy a do nh hng ca iu kin bờn ngoi lờn i tng o
cng nh dng c o. Vớ d nh s bin ng nhit bờn ngoi, ỏp xut,...Vt
quỏ iu kin tiờu chun.
3.2.3. Phõn loi theo quy lut xut hin ca sai s:
3.2.3.1. Sai s h thng:
Trang 7


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

- Là thành phần sai số của phép đoluôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi
đo nhiều lần một đại lượng đo. Quy luật thay đổi có thể là một phía (dương hay
âm), có chu kỳ hay theo một quy luật phức tạp nào đó.
- Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu
chỉnh dụng cụ đo không chính xác, sai số do nhiệt độ tại thời điểm đo...
- Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp, do
ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác.
3.2.3.2. Sai số ngẫu nhiên:
- Là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà
ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất. Giá trị và của
sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những
nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng
như không thể xác định được.
- Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần cùng một đại lượng
và vì thế, để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả, người ta sử dụng lí thuyết thống

kê và lí thuyết xác suất.
3.2.3 Phương pháp tính sai số:
3.2.3.1. Sai số tuyệt đối: Δx
- Là số chênh lệch giữa số chỉ của máy đo mẫu Xđ và số chỉ của máy đo cần kiểm
tra X:
Δx = X d − X
3.2.3.2. Sai số tương đối: δ%
- Là sai số được biểu thị bằng cách so sánh tính theo phần trăm giữa sai số tuyệt
đối Δx với chỉ số của máy đo mẫu Xđ:
δ% =

∆x
. 100%
Xd

3.2.3.3. Độ chính xác của phép đo:
- Là đại lượng nghịch đảo của sai số tương đối: ε =

1
δ

- Từ giá trị sai số biết trước ta tính được giá trị thực của phép đo:
- Ví dụ: Sai số của phép đo bằng 10-5 thì độ chính xác là 105.
3.2.3.4. Cấp chính xác:
- Cấp chính xác của phép đo được đánh giá bằng sai số tương đối phép đo. Cấp
chính xác là con số ghi trên mặt dụng cụ đo.
Ví dụ:
Trang 8

GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Dụng cụ mẫu: 0,01 ÷ 0,02
Dụng cụ nghiên cứu: 0,1 ÷ 0,5
Dụng cụ phòng thí nghiệm: 1
Dụng cụ dùng trong công nghiệp: 1,5 ÷ 4. Với một máy đo có cấp chính xác cho
trước ta có thể tính được sai số của phép đo.
Ví dụ: Như cấp 0,5 thì có nghĩa là dung sai lớn nhất khi đo lường không được
vượt quá ±0,5% của trị số lớn nhất của thang chia độ.
Nếu trên mặt máy đo điện ghi cấp chính xác là 1 mà trị số lớn nhất ở thang đo
ampe là 150A thì có nghĩa là trên suốt cả thang đo, dù 1,5…100,120,140,150A thì
sai số lớn nhất không vượt quá ±

1× 150
= ±1,5A
100

- Đối với các máy đo có nhiều giới hạn đo thì phải sử dụng giới hạn đo hợp lý để
kết quả phép đo hiển thị phân nữa giá trị định mức trở lên.
3.2.4. Các phương pháp hạn chế sai số:
- Điều kiện sử dụng thiết bị đo phải không thay đổi.
- Điện áp nguồn cùn cấp đủ lớn.
- Thiết bị đo phải có bộ phận chỉnh “0” ban đầu.
- Nội trở của thiết bị đo phù hợp với đại lượng đo.
- Đối với những sai số do cách đo hoặc quá trình đo muốn có kết quả đo chính
xác thì phải đo nhiều lần.
- Đối với thiết bị có độ nhạy cao, để nâng cao tính chính xác người ta dùng mạch
phản hồi âm (hồi tiếp âm), lấy một phần đại lượng ở ngõ ra đem bù lại phần đại
lượng ngõ vào. Tuy nhiên, nếu lượng phản hồi quá lớn thì độ nhạy của thiết bị đo
sẽ giảm nhưng độ chính xác cao hơn.

- Sử dụng dụng cụ đo so sánh sẽ cho độ chính xác lớn.
- Nếu một thiết bị đo có tốc độ đo nhanh và sai số là ngẫu nhiên thì tiến hành
phép đo làm nhiều lần. Giá trị kết quả đo là trung bình cộng của các lần đo.

Trang 9


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Bài 2. ĐO LƯỜNG ĐIỆN
1.Khái niệm chung, các cơ cấu đo điện thông dụng
1.1. Khái niệm chung:
Hiện nay, cơ cấu chỉ thị kết quả còn dùng kim chỉ thị kết quả đo. Do đó tơi
sẽ trình bày tóm tắt sự cấu tạo và ngun lý hoạt động của các cơ cấu dạng này
được dùng trong vơn kế và ampe kế. Còn loại cơ cấu chỉ thị kết quả bằng số sẽ
được đề cập đến trong phần thiết bị đo lường chỉ thị số.
Trong dụng cụ đo trực tiếp, cơ cấu biến đổi điện cơ có nhiệm vụ biến đổi
điện năng của đại lượng cần đo thành cơ năng làm dịch chuyển bộ phận chỉ thị.
Cơ cấu biến đổi điện cơ gồm phần tĩnh và phần động. Tùy theo phương pháp biến
đổi năng lượng điện từ, người ta chia thành cơ cấu đo kiểu từ điện, điện từ, điện
động, cảm ứng.
1.2.Các cơ cấu đo điện thông dụng:
1.2.1.Cơ cấu đo từ điện:
a.Cấu tạo:
8

N

S

(Cơ cấu đo kiểu từ điện )

Trong đó:
1.Nam châm vĩnh cửu
2.Khung quay: đặt giữa hai cực từ NS của nam châm vĩnh cửu. Khung bằng
nhơm, hình chữ nhật, trên khung có quấn dây đồng bọc lớp cách điện nhỏ từ 0,02
→ 0,2 mm. Tồn bộ khối lượng khung quay phải càng nhỏ càng tốt sao cho momen
qn tính càng nhỏ. Tồn bộ khung quay được đặt trên trục quay.
3.Trục quay.
Trang 10


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

4.Kim chỉ thị bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm.
5.Lò so phản kháng: có nhiệm vụ kéo kim chỉ thị về vị trí ban đầu.
6.Lỏi sắt non hình trụ, đặt cố định, nằm trong khung quay tương đối đều.
7.Gối đỡ trục quay bằng đồng.
8.Mặt số.
b.Nguyên lý hoạt động:
Khi cho dòng điện một chiều I chạy vào cuộn dây của phần động thì từ
trường của nam châm vĩnh cửu sẽ tác dụng lên hai cạnh của khung quay đặt
vuông góc với đường sức từ một lực F = B.I.l.w và gây ra một momen quay M =
F.d = B.I.l.w.d = Kq.I
Trong đó:
- B là từ cảm giữa hai cực nam châm vĩnh cửu.
- l là chiều dài khung dây
- d là chiều rộng khung dây
- w là số vòng dây quấn của cuộn dây
- Kq = B.l.w.d là hằng số momen quay của cơ cấu đo

Dưới tác dụng của momen quay M, khung quay sẽ quay đi một góc α, lò xo
phản kháng xoắn lại tạo ra momen cản tỷ lệ với góc quay MC=KC. α
KC là hằng số momen cản, phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo ra lò
so.
Kim của cơ cấu đo sẽ đứng yên khi momen cản bằng với momen quay: MC
= MQ
Nghĩa là: KC.α = Kq.I
Ta có góc quay của phần động là α =
Si =

Kq
⋅ I = Si.I
Kc

Kq
là độ nhạy của cơ cấu đo.
Kc

* Khi cho dòng điện xoay chiều i = Imaxsinwt tần số 50Hz chạy vào cuộn dây.
Mỗi giây momen đổi chiều 50 lần. Do quán tính phần động không thể quay theo
momen này được mà chỉ dao động xung quanh vị trí 0.
c.Đặc điểm:
+Ưu điểm: Cơ cấu chỉ thị từ điện có ưu điểm so với các cơ cấu khác nhờ những
điểm sau:
 Độ nhạy cao, không chịu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (do từ trường
của nam châm vĩnh cửu tạo ra rất mạnh).
Trang 11


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

 Độ chính xác cao vì thang chia độ đều và góc quay tuyến tính với dòng
điện ( có thể đạt được cấp chính xác 0,5%.
 Công suất tiêu thụ nhỏ, tổn hao ít.
+Khuyết điểm:
 Khả năng chịu quá tải kém: cuộn dây của khung quay thường chịu đựng
quá tải nhỏ nên thường bị hư hỏng nếu dòng điện quá mức đi qua.
 Chỉ đo được dòng một chiều, không đo được dòng xoay chiều.
 Cấu tạo phức tạp nên giá thành cao.
+Ứng dụng:
Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện như: miliampe kế một chiều, ampe kế
một chiều, milivôn kế một chiều, vôn kế một chiều, ohm kế…
1.2.2.Cô caáu ño ñieän töø:
Cơ cấu đo kiểu điện từ là cơ cấu đo phổ biến nhất trong các dụng cụ đo
dòng điện và điện áp xoay chiều.
a.Cấu tạo:
Kiểu cuộn dây phẳng: (Hình vẽ)
Kiểu cuộn dây tròn: (Hình vẽ)
5

6
8

7

Trong đó:

a) Cơ cấu đo kiểu điện từ cuộn dây phẳng
b) Cơ cấu đo kiểu điện từ cuộn dây tròn

(1)Cuộn dây tĩnh.
(2)Rãnh hẹp.
(3)Miếng sắt non di động.
(4)Trục quay.
(5)Bộ phận cản dịu kiểu không khí.
(6)Kim chỉ.
(7)Lò xo phản kháng.
(8)Mặt số.
Trang 12


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

b.Nguyên lý hoạt động:
- Khi cho dòng điện một chiều hoặc xoay chiều vào cuộn dây phần tĩnh thì cuộn
1
2

dây tích lũy một năng lượng từ trường: W = .L.I2 đồng thời tạo ra từ thông, từ
thông này từ hóa lõi thép tạo thành nam châm với lực từ động: F = n.I tạo ra lực
hút hút lá thép phần động vào khe cuộn dây tĩnh làm phần động quay (lõi thép)
với momen quay Mq = Kq I 2 và tạo nên góc quay α .
Dưới tác dụng của mômen quay lò so xoắn lại tạo ra mômen cản tỉ lệ góc
quay Mc = Kc.α
Kim chỉ thị đứng yên khi Mc = Mq hay Kc.α = Kq.I2
→ Góc quay phần động:
α=

Kq 2
⋅ I = Si ⋅ I 2

Kc

Như vậy thang đo của cơ cấu điện từ không tuyến tính như thang đo của cơ
cấu từ điện → thang đo chia không đều.
Khi cho i = I 2 sin wt vào cuộn dây tĩnh ta cũng có:
Mq= Kq.I2
= Kq.(I 2 Sin wt)2
= Kq. I2 – Kq.I2 cos2wt
Do đó ta có mômen quay trung bình:
Π

Mtb = ∫ Mq = Kq. I2
0

→α = Si.I2
I là tỉ số hiệu dụng của dòng xoay chiều.
c. Đặc điểm:
+ Ưu điểm:
 Đo được cả dòng xoay chiều và dòng một chiều.
 Cuộn dây quấn bên ngoài nên có thể quấn lớn, chịu được quá tải.
 Chế tạo đơn giản, giá thành thấp.
Trang 13


GIO TRèNH O LNG IN LNH

+Khuyt im:
Thang o khụng u, chớnh xỏc thp.
T trng t do ra vo nờn chu nh hng ca t trng ngoi.
Lừi thộp sinh ra nhit nờn tn hao ln.

+ng dng: Dựng ch to ampe k xoay chiu, vụn k xoay chiu.Khi o tn s
cao cn phi tớnh toỏn cỏc mch bự tn s gim sai s.
1.2.3.Cụ caỏu ủo ủieọn ủoọng:
a.Cu to:

6

4

5

(1)Cun dõy tnh.

2

1

3

(2)Cun dõy ng nm trong cun dõy tnh.
(3) Trc Quay
(4)Lũ xo phn khỏng va to ra mụmen cn
C cu
o in ng
va dn dũng in vũ cun dõy
ng.

(5)Kim ch.
(6)Thang o.
b.Nguyờn lý hot ng:

- Hai dũng in cựng chiu hỳt nhau ngc chiu y nhau. Khi cho dũng in
mt I1 vo cun dõy tnh, I2 vo cun dõy ng thỡ gia hai cun dõy xut hin
mt lc in ng, to nờn mụmen quay Mq = KqI1I2 lm phn ng quay i mt
gúc .
- Di tỏc dng ca mụmen quay lm lũ xo xon li to ra mụmen cn t l vi
gúc quay Mc= Kc *,
- Kim ch th ng yờn khi Mc = Mq
Trang 14


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Kc*α = KqI1I2
⇒ α =

Kq
Kc

I1I2 = SiI1I2

- Khi cho dòng điện xoay chiều vào i1= 2 I1SinWt ; i2= 2 I2Sin(Wt ± ϕ )
- Ta cũng có mômen quay tức thời là:
Mq = Kqi1i2 = Kq 2 I1SinWt* 2 I2Sin(Wt ± ϕ )
= 2KqI1I2

1
( Cos ϕ - Cos(2Wt - ϕ ))
2

= KqI1I2Cos ϕ - KqI1I2Cos(2Wt - ϕ )

T

⇒ Mq tb =

∫M

qtb

= KqI1I2Cos ϕ

0

- Tương tự như trên ta có: α = SiI1I2Cos ϕ
ϕ là góc lệch pha giữa hai dòng điện.

c.Đặc điểm:
+Ưu điểm:
- Mômen quay tỷ lệ với tích số hai dòng điện, thường cuộn dây phần động tỷ lệ
với điện áp cần đo, dòng điện qua cuộn dây phần tĩnh là dòng điện tải. Vì vậy
mômen tỷ lệ với tải công suất tiêu thụ, do đó có thể dùng để đo công suất.
- Tổn hao ít.
- Độ chính xác cao.
- Đo được cả hai dòng điện xoay chiều và một chiều
+Nhược điểm:
- Bị ảnh hưởng từ trường ngoài.
- Khả năng chịu quá tải kém.
- Cấu tạo phức tạp gía thành cao.
+Ứng dụng:

1

- Dùng làm đồng hồ đo (chỉ thị kim).
- Dùng làm điện kế khung quay chủ yếu.
1.2.4.Cô caáu ño caûm öùng:
a.Cấu tạo:

5
3
4

Trang 15

2


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

(1) Cuộn điện áp quấn bằng đồng cở nhỏ nhiều vòng.
(2) Cuộn dây dòng điện quấn bằng dây đồng cở lớn ít vòng.
(3) Đĩa nhôm.
(4) Nam châm vĩnh cửu.
(5) Trục quay.
b.Nguyên lý hoạt động:
- Ta đặc lên cuộc điện áp một điện áp xoay chiều hình sin trong mạch từ xuất hiện
từ trường biến thiên hình sin, trên đĩa nhôm xuất hiện suất điện động cảm ứng và
dòng điện xoáy iu trên đĩa nhôm.
- Đồng thời ta cho qua cuộn dòng điện một dòng điện xoay chiều hình sin sinh ra
từ trường biến thiên hình sin xuất hiện dòng điện xoáy ii trên đĩa nhôm.
Dòng điện xoáy ii nằm trong vùng tác động của từ trường do cuộc điện áp gây ra.
Còn dòng xoáy iu nằm trong vùng tác động của từ trường do cuộn dòng điện gây

ra. Các từ trường tác động đến các dòng điện xoáy sinh ra mômen điện từ.
Mômen điện từ tổng hợp = k1UI cosΦ. Trong đó k1 là hệ số kết cấu của máy đo, U
là giá trị hiệu dụng của điện áp đặt vào cuộ điện áp. I là giá trị hiệu dụng của
dòng điện chạy qua cuộn dòng điện. Φ là góc lệch pha giữa U và I.
- Dưới tác dụng của mômen điện từ đĩa nhôm quay, phần đĩa nhôm nằm dưới
phần nam châm vĩnh cữu sẽ xuất hiện suất điện động en và dòng điện xoáy in .
Dòng điện này bị tác động bởi chính từ trường của nó nên tạo ra lực điện từ sinh
ra mômen cản ngược chiều với chiều quay của đĩa nhôm.
- Mômen cản tỉ lệ với tốc độ quay của đĩa nhôm Mc = kcw. Trong đó w là tốc độ
góc. Nếu gọi n là số vòng quay trong 1phút

Trang 16


GIO TRèNH O LNG IN LNH

W =

2n
2n
M c = k2
60
60

- Khi Mdt = Mc
2n
60
k 2n
UI cos = 2
k1 60

k1UI cos = k 2

P = kn

- C cu m s vũng s m s vũng quay trong khong thi gian s dng, t l
vi lng in nng c s dng: A = P.t = k.n.t
c.c im:
+u im:
- Mụmen quay ln lm vic vi dũng in xoay chiu (AC).
- Cu to khỏ chc chn.
+ Nhc im:
- Khụng lm vic vi dũng in mt chiu.
- Tn hao st t ln.
- Chu nh hng ca nhit .
+ng dng:
C cu ch th cm ng ch yu s dng ch to cụng t o nng lng. ụi
khi ngi ta cũn s dng o tn s.
2. ẹo doứng ủieọn:
2.1.Khaựi nieọm ve duùng cuù ủo doứng ủieọn:
- Dng c c s dng o dũng in gi l ampe k hay ampe một
- Ký hiu: A
- Ampe k cú nhiu loi khỏc nhau nu chia theo kt cu ta cú: Ampe k in t,
ampe k t in, ampe k in ng, ampe k bỏn dnNu chia theo ch th thỡ
ta cú: Ch th s v ch th kim.

Trang 17


GIO TRèNH O LNG IN LNH

2.2 Caực phửụng phaựp ủo doứng ủieọn:
a.o dũng in mt chiu (DC):
c dũng in mt chiu thỡ ampe k c u ni tip vi mch cn o
dũng in.
+

A

I
IA R A

Ti

-

b. o dũng in xoay chiu (AC):
o c dũng in xoay chiu ta dựng cỏc loi ampe một oay chiu v cỏch
mc ampe một cng ging nh o dũng in mt chiu. Cỏc loi ampe một o
c dũng in xoay chiu thng l c cu o kiu in t , in ng hay kiu
t in cú chnh lu.
D1
+

Icl

A

RA

+

+

Ti

Chổnh lửu baựn kyứ
A

+

RA

Icl

+ +
Ti

Trang 18 Chnh lu ton k


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

T

- Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu: I cltb =
- Ta có: I AC = I cl sin ωt

1
I cl dt
T ∫0

==> Icltb = 0.318Icl (Chænh löu baùn kyø)
Icltb = 2*0.318Icl = 0.636Icl (Chỉnh lưu toàn kỳ)

2.3.Mở rộng thang đo dòng điện:
*Đo dòng điện một chiều:
Để ampe kế có nhiều tầm đo thích hợp, có trị số lớn thì người ta dùng điện trở
shunt RS mắc song song với ampe kế.
IA R A

I

A

Tải

IS R S

Trong đó: IA : Dòng điện qua apere kế.
RA: nội trở của ampe kế.
IS: dòng điện qua điện trở shunt.
Do ampe song song với RS ta có: IARA = ISRS = I (
I
I

=
A

+
RA

= RA RS
×
RA RS
RS
+
RA RS

⇒

⇒

Trang 19

I =1+ R A =
nI
IA
RS

R

S

=

R
n −1
A

I

RA

×

RS

RA

+

RS

)

(Hệ số mở rộng)


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Ví dụ: cho một chỉ thị từ điện có IA = 50mA, RA = 1000 Ω , tính RS để chỉ thị đo
được I = 10A.
Ta có hệ số mở rộng:

n

I

=

I

I

=
A

10 × 1000
= 200
50

⇒

R

S

=

R = 1000 = 5(Ω) .
n − 1 200 − 1
A

I

Muốn chi thị đo được nhiều giới hạn đo thì người ta mắc các điện trở shunt theo
một trong hai sơ đồ sau:
IA R A
A

I1
RS1

RS
RS2
RS

Tải

I2

(Từng cấp)

R

S1

=

R = R
I − 1 nI − 1
I
A

R

A

1

1

;

S2

A

RS2
RS
B
I2

A
I1

K

(Nhiều cấp)
R

I2
A
Khi khóa K ở A: RS1 + RS 2 = n − 1 với n I = I
I
A
Hay IARA = IS.RS với RS = RS1 + RS2
2

2

RS1 =

R A + RS 2
n I1 − 1

I

1
với n I = I
A
Hay IA (RA + RS2) = IS.RS với RS = RS1

Khi khóa K ở B:

Trang 20

A

A

IA R A

RS2
RS
Tải

R = R
I − 1 nI − 1
I
2

A

IS

=

1

A

2


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

Điện trở RS được chế tạo bởi các vật liệu có hệ số thay đổi về nhiệt nhỏ để không
ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
*Đo dòng điện xoay chiều:
- Để mở rộng tầm đo dòng điện xoay chiều ta dùng điện trở shunt và diot. Diot
được mắc nối tiếp với cơ cấu từ điện, khi đó dòng Icltb sẽ qua cơ cấu còn dòng
điện xoay chiều qua điện trở shunt.
R
D1

A

RS

+

A

Iđo

RS

Icltb
ÍS

I cltb = 0.318 2 I hd ⇒ I hd =

Và R =
S

VD + R A (

Lú này R S =

I cltb
0.318 2

I cltb
0.318 2

)

nếu diot lý tưởng thì VD=0

IS
R A I cltb
I S 0.318 2

VD : Như hình trên ta có IA = 1mA, Iđo = 100mA
IS = Iđo – IA/0.318 2 = 100mA – 1mA/0.318 2 = 100mA – 2.2mA = 97.8mA
- Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp có thể dùng ampe mét điện từ
hay điện động. Với dòng điện xoay chiều người ta dùng máy biến dòng để mở
rộng thang đo.
- Ampe mét điện từ nhiều thang đo được chế tạo bằng cách phân đoạn cuộn dây
phần tĩnh, thành nhiều phần bằng nhau và có thể đổi nối song song hay nối tiếp.
Để đo dòng xoay chiều bằng dụng cụ từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng xoay
chiều thành một chiều.
Cuộn dây tĩnh được chia thành nhiều phần bằng nhau:
I

W/4

W/4

W/4

2I W/4

W
I × × 4 = I ×WW/4
4
W/4

W
×
2 IW/4
4

W/4

W/4
W/4

4I
× 2 = I ×W

W
4 I×
4

=

W/4

I ×W

W/4

- Các phần nối tiếp với nhau sao cho sức từ động IW của chúng không thay đổi.
3. Đo điện áp :

Trang 21


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

3.1. Khái niệm: Các cơ cấu thường dùng chế tạo vôn kế như: điện từ, từ điện,
điện động được quấn bằng dây đồng cở nhỏ rất nhiều vòng, có hằng số điện áp:

K

V

= U dm (V/Vạch)
α

V: Giới hạn đo ; Vạch: số vạch trên thang đo.
Để đo điện kế người ta mắc song song với nguồn hoặc tải cần đo:

õ

Tải

V

3.2.Caùc phöông phaùp ño ñieän aùp :
- Đo điện áp của mạch điện ta dùng vôn – mét, khi đo vôn – mét mắc song song
=

với đoạn mạch cần đo. Dòng điện qua cơ cấu đo I V

U

làm kim quay một góc

rV

tỷ lệ với dòng điện IV, cũng chính là tỷ lệ với điện áp cần đo U. Trên thang đo ghi

trị số điện áp.
- Tổn hao trong vôn – mét là:

∆p =r I =r U
r

2

2

V

V

V

V

2

V

=U
r

2

ta thấy: nếu rV càng

V

lớn thì PV càng nhỏ, trị số điện áp đo được càng chính xác.
3.3. Mở rộng thang đo điện áp:
Khi Udo>UV thì ta phải mở rộng giới hạn đo.
* Đối với điện áp một chiều:
- Muốn vôn kế có giới hạn đo lớn thì người ta phải mắc nối tiếp điện trở phụ nối
tiếp với vôn kế và song song với tải .
V IV,RV
U
RP

Trang 22

Taû
i


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

U
− RV
IV

U = I V ( RV + R P ) → R P =
RP =

U
− RV
UV
RV

R P = RV

U
− RV = RV ( K V − 1)
UV

KV hệ số mở rộng thang đo
+ Điện trở phụ riêng biệt:
I

IA R A
RS

IV

V

Rp2

Rp1

U

U2

U1

It

Rp3

Tảii

U3

Giả sử cơ cấu đo có điện áp định mức là điện áp làm cho kim chỉ thị hết thang đo
UV. Muốn mở thang đo lên KV lần tức là KV = U/UV thì giá trị Rp được tính theo
hiệu đện thế cần đo như sau:
U = Up + UV =IRp+IRV = I( Rp + RV ) ⇒
U
= RP + RV
UV
RV

⇒ RP =

UV
U
= RP + RV , Mà I =
RV
I

U
− RV
UV
RV

Chia hai vế cho RV ta có:
Tảii

Rp = RV ( KV – 1) ; KV : là hệ số mở
rộng thang đo.

+ Điện trở phụ vạn năng:
UV

Rp1

Rp2

V

Rp3

U3
U2

IV

U1

Trang 23
Up + UV = U


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

R

= U1

−U V

I
−
⇒ R =U U
I
P1

;

V

i

R

P2

=U2

−U 1

I

V

;

R

P3

=U3

−U 2

I

V

i −1

Pi

V

Ví dụ 1: cho một chỉ thị có UV = 0,5V, RV = 100 Ω , xác định gía trị Rp để chỉ thị
đo được U = 50V.
Ta có hệ số mở rộng thang đo:

K

V

=

U

U

=
V

50
= 100
0,5

⇒ Rp = ( KV – 1)RV = (100-1)100 = 9900 ( Ω ).

Ví dụ 2: cho mạch điện như hình vẽ, có IV = 100 µ A, RV = 0,5K Ω , tính Rp cho ba
thang đo U1 = 2,5V, U2 = 10V, U3 = 50V.

Trang 24


GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN LẠNH

RV

Rp2

Rp1

Rp3

V
UV
U

U2

U1

Tải

U3

UV = IVRV = 0,5 × 103 × 100 × 10−6 = 0,05(V )
Ta có hệ số mở rộng thang đo:

K

V1

K

V2

K

V3

=

U
U

1

=

V

=U2 =

U

V

=U3 =

U

V

2,5
= 50
0,05

⇒ Rp1 = ( KV1 – 1)RV = (50-1)0,5 = 24,5K Ω

10
= 200
⇒ Rp2 = (KV2 – 1)RV – Rp1 = ((200–1)0,5 – 24,5)= 75K Ω
0,05

50
= 1000
0,05

⇒ Rp3 = ( KV3 – 1)RV – Rp1 – Rp2 = ((1000 – 1)0,5 – 24,5 - 75) = 400K Ω

*Đối với điện áp xoay chiều:
Người ta dùng vôn kế kiểu điện từ, điện động, điện tĩnh …
Cách mắc vôn kế để đo được điện áp xoay chiều cũng tương tự lưới điện một
chiều và cách tính Rp cũng giống lưới điện một chiều .
Đối với vôn kế điện từ là dụng cụ dùng để đo điện áp xoay chiều. Mở rộng
C trở phụ giống như lưới một chiều nhưng có
thang đo bằng cách mắc thêm điện
mắc thêm tụ.
V

Trang 25

Rp2

Rp1
U1

Rp3
U2

U3