Bài giảng Đo lường điện

Môn học: Đo lường điện
Thời gian: 75 tiết


Môn học: Đo lường điện
Bài 1: Đại cương về đo lường điện

Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng

Bài 3: Đo các đại lượng điện cơ bản
Bài 4: Sử dụng các loại máy đo thông dụng


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
Thời gian: 3h (LT: 2h; TH: 1h)

1. Khái niệm về đo lường điện
1.1. Khái niệm về đo lường.
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần
đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.
Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng
tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo):
Ax = X/X0
Từ phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax .Xo , chỉ rõ sự
so sánh X so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần
đo X phải có tính chất là các giá trị của nó có thể so sánh được,
khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh được
thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh
được.
Ví dụ: đo được dòng điện I=5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo là
dòng điện I, đơn vị đo là A(ampe), kết quả bằng số là 5.

Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.2. Khái niệm về đo lường điện.
Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện, tức là có đặc
trưng mang bản chất điện
ví dụ: điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng...
1.3. Các phương pháp đo.
Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực
tế thường phân thành 2 loại phương pháp đo chính:
- phương pháp đo biến đổi thẳng
- phương pháp đo kiểu so sánh.
1.3.1.Phương pháp đo biến đổi thẳng.
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu
biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi.


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.1.Phương pháp đo biến đổi thẳng.
-Quá trình thực hiện:

Hình 1.1. Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng
+ Đại lượng cần đo X và tín hiệu đơn vị XO qua khâu biến đổi
(BĐ) (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp), qua bộ biến đổi
tương tự-số A/D để có NX và NO, qua khâu so sánh (ss) có
NX/NO và được so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị qua
bộ so sánh quá trình được thực hiện bằng một phép chia
Nx / No

Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.1.Phương pháp đo biến đổi thẳng.
Kết quả đo được thực hiện biểu thức dưới dạng:
X = Nx.No / No
Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo
thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Dụng
cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu
qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các
khâu,vi vậy dụng cụ đo loại này thường được sử dụng khi độ
chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu
mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi.


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
-Quá trình thực hiện:

Hình 1.2. Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh.
BĐ: Bộ biến đổi
D/A:Bộ biến đổi số - tương tự
SS: Bộ so sánh
A/D: Bộ biến đổi tương tự - số
CT: Chỉ thị kết quả
Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong
suốt quá trình đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK
sẽ có được kết quả đo.
Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị
đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay

còn gọi là kiểu bù).


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
- Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so
sánh đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so
sánh có: ∆X = X - XK. Tùy thuộc vào cách so sánh mà sẽ có các
phương pháp sau: - So sánh cân bằng
- So sánh không cân bằng
- So sánh không đồng thời
- So sánh đồng thời
* So sánh cân bằng:
o Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với
mẫu XK = NK.XO được so sánh với nhau sao cho ∆X = 0
từ đó suy ra X = XK = NK.XO
⇒ suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK.
Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để được kết
quả so sánh là ∆X = 0 từ đó suy ra kết quả đo.


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
o Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy
của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ∆X = 0).
Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng …
+ So sánh không cân bằng:
o Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi
và biết trước, qua bộ so sánh có được ∆X = X - XK, đo ∆X sẽ có
được đại lượng đo X = ∆X + X

từ đó có kết quả đo: AX = X/XO = (∆X + XK)/XO .
o Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính
xác của XK quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác
của phép đo ∆X, giá trị của ∆X so với X (độ chính xác của phép
đo càng cao khi ∆X càng nhỏ so với X).
Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng
không điện, như đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng),
đo nhiệt độ…


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
+ So sánh không đồng thời:
o Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp
ứng của thiết bị đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng
đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, khi hai trạng thái đáp ứng
bằng nhau suy ra X = XK .
Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong
thiết bị đo, sau đó
thay X bằng đại lượng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra
đúng trạng thái như khi X tác động, từ đó suy ra X = X K. Như
vậy rõ ràng là XK phải thay đổi khi X thay đổi.
o Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK. Phương
pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của
thiết bị đo vẫn giữ nguyên.


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
Thường thì giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó

qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị của đại lượng đo X.
Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực
tiếp như vônmét, ampemét chỉ thị kim.
+ So sánh đồng thời:
o Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại
lượng đo X và đại lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng
nhau suy ra giá trị của đại lượng đo.
Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ
mm (mẫu), thước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0
trùng nhau, đọc được các điểm trùng nhau là: 127mm và 5
inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:1 inch = 127/5 = 254/10
= 25,4 mm


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh.
Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử
nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để
đánh giá sai số của chúng.
Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép
đo là:
- Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo
- Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo
trực tiếp
- Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình
hay một hệ phương trình mới có kết quả
- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết
quả

Bài 1: Đại cương về đo lường điện
2. Các sai số và tính sai số.
2.1. Khái niệm về sai số.
Giá trị của đại lượng đo gọi là giá trị thực ký hiệu là X. Kết quả
của phép đo nào cũng có sự sai số ít nhiều so với giá trị thực
của nó (do phương pháp đo chưa hoàn thiện, dụng cụ đo chịu
ảnh hưởng của môi trường ngoài). Sự sai khác nhận được qua
phép đo và giá trị thực của nó gọi là sai số phép đo.
2.2. Các loại sai số: 2 loại
- Sai số tuyệt đối:
+ Sai số hệ thống: Là sai số vốn có của dụng cụ, phương
pháp đo
+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số gặp phải do ngẫu nhiên
(VD: thay đổi to, từ trường ngoài)
+ Sai số nhiễu: Là sai số bất thường do đọc nhầm, tính nhầm,
ghi sai kết quả
- Sai số tương đối và sai số quy đổi


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
2. Các sai số và tính sai số.
2.3. Phương pháp tính sai số.

2.3.1. Sai số tuyệt
là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth
∆X =
Từ đó giá trị thực của phép đo sẽ nằm trong khoảng
X - ΔX ≤ Xth ≤ X + ΔX
2.3.2. Sai số tương đối và sai số quy đổi
- Sai số tương đối: Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực

của nó
Ký hiệu: γx
γx % =
Phép đo có γx càng nhỏ càng chính xác.


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
Ví dụ: Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của ampemet
sau:
Chỉ số của dụng cụ
mẫu
Số chỉ của A kiểm tra

1

2

3

4

5

1,0
2

2,01

2,97

3,97

4,97

Sai số ΔX
Sai số tương đối %
(γx)
Mỗi dụng cụ đo có nhiều nấc nên có nhiều sai số đo tương đối
khác nhau. Để tiện so sánh người ta tính đổi các sai số đố về
một nấc duy nhất gọi là giới hạn của dụng cụ đo.
Giới hạn đo ( hay cỡ đo) của dụng cụ đo là giá trị lớn nhất mà
nó có thể đo được ứng với mỗi thang đo của dụng cụ đo
Ký hiệu: Xđm


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
- Sai số quy đổi: Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giới hạn đo
của dụng cụ đo
Ký hiệu: γqđ
γqđ =
γqđ =
Với Kđ =

γx. Kđ
là hệ số sử dụng thang đo

Ví dụ: Tính Kđ và γqđ của các kết quả kiểm tra am pe mét ở ví
dụ trên biết giới hạn đo của am pe mét là 5A
Chỉ số của dụng cụ
mẫu

Số chỉ của A kiểm tra
Sai số tương đối %

1

2

3

4

5

0,2

0,4

0,6

0,8

1


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
2. Các sai số và tính sai số.
2.4. Các phương pháp hạn chế sai số
Phương pháp loại trừ sai số hệ thống.
Một trong những nhiệm vụ cơ bản của mỗi phép đo chính xác
là phải phân tích các nguyên nhân có thể xuất hiện và loại trừ

sai số hệ thống. Mặc dù việc phát hiện sai số hệ thống là phức
tạp, nhưng nếu đã phát hiện thì việc loại trừ sai số hệ thống sẽ
không khó khăn.
Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách:
+ Chuẩn bị tốt trước khi đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng
cụ đo trước khi sử dụng; chuẩn bị trước khi đo; chỉnh "0" trước
khi đo…
+ Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép
đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp
thế…


Bài 1: Đại cương về đo lường điện
2.4. Các phương pháp hạn chế sai số
+ Xử lý kết quả đo sau khi đo: sử dụng cách bù sai số ngược
dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường
hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách
đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh:
o Lượng hiệu chỉnh: là giá trị cùng loại với đại lượng đo được
đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống.
o Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại
trừ sai số hệ thống.
Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống. Việc
giảm ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách
chuyển thành sai số ngẫu nhiên


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
Thời gian: 7h (LT: 5h; TH: 2h)
1. Khái niệm về cơ cấu đo.

1.1. Khái niệm
Cơ cấu đo là một cơ cấu làm nhiệm vụ nhận lượng vào thường
có tín hiệu vào là dòng điện,biến đổi từ năng lượng dòng điện
thành mô men quay làm kim quay đi một góc α
Mq = ∆w/ ∆ α
∆w: Sự biến thiên năng lượng từ trường hoặc điện trường
Tuỳ theo sự biến đổi năng lượng từ trường hay điện trường
thành công cơ học mà ta có các loại cơ cấu đo khác nhau: từ
điện, điện từ, điện động, cảm ứng, tĩnh điện...


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2. Các loại cơ cấu đo.
2.1. Cơ cấu đo từ điện.
2.1.1. Loại có một khung dây động
a. Cấu tạo

Hình 2.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện
Phần tĩnh gồm: nam châm vĩnh cửu, cực từ, lõi sắt non,
trong đó khe hở không khí giữa cực từ và lõi sắt là đều nhau.
Phần động gồm: khung dây, lò so phản, kim chỉ thị.


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2.1. Cơ cấu đo từ điện.
b. Nguyên lý làm việc
- Khi ta cho dòng điện một chiều I chạy vào khung dây, dưới tác
dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu trong khe hở không
khí, các cạnh của khung dây sẽ chịu tác dụng một lực:
F = BlWI

trong đó: B là trị số cảm ứng từ trong khe hở không khí; l là
chiều dài tác dụng của khung dây; W là số vòng dây; I là trị
số dòng điện.
Ta thấy hai cạnh của khung dây cùng chịu tác dụng của lực F
nhưng ngược chiều nhau nên sẽ tạo ra mômen quay:
Mq = 2F= B.l.d.W.I = B.S.W.I
trong đó: d là kích thước ngang của khung dây;
S = dl là thiết diện bề mặt khung dây.
Mômen phản của lò so: MP = D.α.


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2.1. Cơ cấu đo từ điện.
Vậy phần động sẽ cân bằng khi:
Mq = MP ↔ B.S.W.I = D.α ↔ α = = SI.I
Ở đây SI = = const là độ nhạy của cơ cấu theo dòng điện.
Ta thấy α tỷ lệ bậc nhất với I.
c. Đặc điểm và ứng dụng
Đặc điểm:
- Ưu điểm:
+ Dụng cụ có độ nhạy cao và không đổi trong toàn thang
đo;
+ Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài,
tiêu thụ năng lượng ít;
+ Vì α tỷ lệ bậc nhất với I nên thang chia độ của cơ cấu
đều.


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2.1. Cơ cấu đo từ điện.

- Nhược điểm:
+ Chế tạo khó khăn, giá thành đắt;
+ Do khung dây ở phần động nên phải quấn bằng dây có
kích thước nhỏ nên khả năng quá tải kém;
+ Chỉ đo được dòng một chiều. Thật vậy, khi ta cho dòng
xoay chiều i = Imsinωt vào khung dây, ta có mômen quay
tức thời theo thời gian:
mq(t) = B.S.W.i
Vậy muốn đo các đại lượng xoay chiều ta phải kết hợp với
bộ chỉnh lưu.
Ứng dụng:
Dùng chế tạo ampemet, volmet, ommet, điện kế có độ nhạy
cao, dùng làm cơ cấu chỉ không trong các đồng hồ vạn
năng, trong các cầu đo...


Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2.1. Cơ cấu đo từ điện.
2.1.2. Loại có hai khung dây động (Logomet từ điện)
a. Cấu tạo

Hình 2.4. Logomet từ điện
Phần tĩnh giống như cơ cấu một khung dây nhưng khe hở
không khí giữa cực từ và lõi sắt non là không đều nhau.
- Phần động ta đặt hai cuộn dây chéo nhau 60o, gắn cứng
trên trục quay và lần lượt cho dòng điện I1 và I2 chạy
qua sao cho chúng sinh ra hai mômen quay ngược chiều
nhau. Phần động không có lò so phản.

Bài 2: Các loại cơ cấu đo thông dụng
2.1. Cơ cấu đo từ điện.
b. Nguyên lý làm việc
Khi ta cho các dòng một chiều I1, I2 chạy vào các cuộn dây động,
dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra các
mômen quay M1, M2 với:
M1 = B1.S1.W1.I1
M2 = B2.S2.W2.I2
Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng từ B phụ thuộc vị trí
của khung dây động.
Vì không có lò so phản nên phần động sẽ cân bằng khi
M1 = M2. Ta có
Vậy
Giải phương trình này ta tìm được quan hệ: α =