KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG: CHƯƠNG 3: ĐO DÒNG ĐIỆN 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 đo A được mắc nối tiếp
với tải hay mạch điện cần đo
dòng điện
_ Khi chưa có A.mét:
I = U / Rt
_ Khi có A.mét :
I A = U / ( R A+ Rt )
Phép đo phạm phải sai số :

IA

A

RAI

U

% = (I - IA).100% / I ≈ RA.100% / Rt

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

Rtt


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

I < Im A.mét là một chỉ thò từ điện và RA = Rm

_ Khi I > Im mở rộng giới hạn cho
I
chỉ thò bằng cách mắc điện trở

RS //
với trở
chỉRthò
ù trò
điện
S được xác đònh :
Rm
RS =
RS.Rm
n-1
RA =
Với : n = I/Im hệ
RS+Rm
số mở rộng giới

Im

IS

=

RS

Rm
n

Rm


trở RS được chế tạo bởi vật liệu có hệ số t0 nhỏ

_ Để chỉ thò có thể đo được nhiều giới hạn đo
người ta mắc các điện trở RS theo sơ đồ :
+ Dùng RS từng cấp
Rm

Im

I

I1
I2
I3

RS!
RS2
RS3

Điện trở ở các giới hạn đo
Rm
RSi =
ni - 1
Với : ni = Ii/Im

RS1 =
RS2 =

Công thuc

Rm

n1 - 1
Rm
n2 - 1


ùng RS nhiều cấp – vạn năng

RS1

Û thang đo I1(nhỏ nhất):

RS1+RS2+RS3 = Rm/(n1-1)

* Ở thang đo I2:
RS2+RS3 = (RS1+Rm)/(n2-1)
Lấy (1) – (2) ta có:

(1)

Rm

Im

I1

RS3

RS2
I2

I3

(2)

I
* Tương tự :

n1

RS2 = Rm
RS1 = Rm/(n1-1) - (RS1+Rm)/
(n -1)
n1 .
RS1 + RS1/(n22- Rm/(n1-1) - Rm/
1) n= .R /(n - (n2-1)
* Tổng quát : 1
Rm.{1/(n1-1) - 1/
2
S1
2
n1
1)
=
(n2.{(n
-1)} – n )/(n -1).(n - RSi =
n2.RS1/(n2- R
m
2
1
1

2
1)}
n1 - 1
1) =
Rm .
/n1
RS1 Rm.(n2 – n1)/n2.(n.n
1- 1
1) n1
1
1
=
n1
RS1 = Rm .
RS3 = Rm
n
n
2
n1 - 1
1
.

1

1

n2

n3

1

1

ni

ni+1

1

1

n1 - n 3
1

n4


+ Dùng RS nhiều cấp – vạn năng
Im
RS1

Rm
RS2

I2

I1

Im

RS1

RS3

I1

I3

I2

R3

I3

R2

* Từ (1) và (3) :
I1.R1 = I3.RS3 =
I3.R
R33 = I1.R1 /

* Ở thang đo I1(nhỏ nhất):
Im = I1.R1 / (Rm+Rn)
(1)
* Ở thang đo I2:
*IHay
:
3
Im = I2.(RS2+RS3)/(Rs1+Rm+Rs2+Rs3)
= I2.(RS2+RS3)/(Rm+Rn)

* Ở thang
(2) đo I3:
Im = I3.RS3/(Rs1+Rs2+Rm+Rs3)
= I3.RS3/(Rm+Rn)
(3)
* Từ (1) và (2) :
I1.R1 = I2.(RS2+RS3) =
R22 = I1. R1 /
I2.R

RS3

RS2

R1

I

R1 = RS1+RS2+RS3 = Rm/(n1-1)

Rm

* Từ đó :

Ri = I1.R1 / Ii
Rs1 = R1 – R2
Rs2 = R2 – R3
Rs3 = R3

* Tổng quát :

Rsi = Ri –
Ví dụ


_ Khi nhiệt độ thay đổi Rm của chỉ thò thay đổi làm
thay đổi kết qủa đo gây ra sai sốâ do nhiệt.
Sai số nhiệt độ xác đònh theo công thức :
Imo - Imt
 t% =
.
Rm
Im
Imo
100%
I
IS

Imo =
I.

RS

Imt

Rs

Dòng điện ở điều kiện khắc

Rs + R mo

Rs
= I.
Dòng điện ở nhiệt độ làm v
Rs + R mt

số nhiệt độ, người ta mắc điện trở Rb nối tiếp với cơ
I

Im

IS

Rm

Rb

Khi chưa bù :  t% =
Khi bù :

RS

Rmo. Cu.to

100%RS+Rmo(1+ c
Rmou.
t0Cu
) .to
 tb% =
.
100%RS+Rb+Rmo(1+

 CUt0)

.

Như vậy  t >  tb sai số nhiệt độ đã đươc bù


b. Ampe mét điện từ:
_ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thò điện từ.
_ Khi dòng điện I ≤ Im dòng điện đònh mức cuộn
dây phần tónh thì Ampemét là chỉ thò điện từ.
_ Khi I  Im 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.
Trong đó :
Với : F = I.W = const

- F: Sức từ động của cuộn dây
- I: dòng điện chạy trong cuộn dây
- W: số vòng của cuộn dây
ụ ; cuộn dây phân làm 4 đoạn
Im

I

I = Im

I
I = 2Im

W3

W2

W1

I1
I2
I3

I
I = 4Im

Phân đoạn cuộn
+Wdây
+W ) = I .(W +W

I1.(W1
= I3.W3

2

3

2

2

3

)

• Bài tập


Ampe mét điện động:
Thường dùng để đo dòng điện miền tần số cao hơn
tần số công nghiệp (cỡ 400  2000 HZ). 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.
Cuộn
Có 2 loại sơ đồ mạch của
động
Ampemét điện động:
* Khi dòng điện cần đo : I <=
Cuộn
0,5A thì Ampemét có cuộn dây
tónh
I <= 0,5
động và cuộn dây tónh mắc nối
A
Cuộn
tiếp.
tónh
* Khi dòng điện cần đo : I >
0,5A thì Ampemét cuộn dây động Cuộn
động
và cuộn dây tónh mắc song song

I > 0,5 A
với nhau.


mpe mét từ điện - chỉnh lưu:

là Ampe mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và
mạch
lưu diode
bằnglà
diode
Dòng chỉnh
điện sau
trò trung bình

IAC

Icltb

Icltb =

1
∫
T0

T

Icl dt

Trong đó :

- Imax : Trò cực đại
* Chỉnh lưu ½ T :
- I: Trò hiệu dụng

Icltb =

1
∫
T0

IAC

Imax

I
t

ICl

T

Imax

Icl dt

I

Icltb

t

Icltb = 0,318.Imax = 0,318. 2.I
= 0,45.I
* Chỉnh lưu T :

ICl

Icltb =

2
∫
T0

Imax

I

T

Icl dt

Icltb = 0,637.Imax = 0,637. 2.I= 0,90.I

Icltb

t

• Bài tập

3. Đo dòng điện trung bình
và
lớn:
a, Đo dòng điện trung bình :
Dòng điện trung bình là 1mA < Itb < 200 A
Sử dụng trực tiếp các A.mét một chiều và xoay
b,
Đo dòng
: hạn đo thích hợp để đo.
chiều
vớiđiện
các lớn
giới
* Dòng điện một chiều: sử
RA
IA
I
dụng các Ampe mét một chiều
kết hợp với điện trở sunh ngoài.
* Dòng điện xoay chiều: sử
RSn
dụng các A.mét xoay chiều kết
Biến
dòng
điện
là một
hợp với
biến
dòng
điệnmáy

biến áp đặc biệt làm việc ở
I1
Thường
W1 = 1
chế độ thứ cấp ngắn mạch
.

Kiđm = I1đm /
I2đm
Kiđm : Tỉ
số biến dòng điện

vòng
I2
I2đm = 1A, 5A
I1 = Kiđm.I2 BI
Dòng điện I2 được đo bởi các
đònh mức
A.mét
thương
Chú ý
: - Tảithông
nối vào
thứ cấp biến dòng
điện là các tải có gía trò điện trở nhỏ
Ký
- Nếu BI có dòng điện ở sơ cấp mà
hiệu
không sử dụng thì phải ngắn mạch hai đầu

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.

R
E

Rt

UV U
V

_ Khi chưa có V.mét:
U = E.Rt / Rt + R
_ Khi có V.mét :
UV = E.Rtđ / ( R+ Rtđ )

Với : - Rtđ = Rt.RV/
(Rt+RV)
- RV : Điện trở
của V.mét

Phép đo phạm phải sai
số :
~

 % = (U – UV).100% / U ~
Rt.100% /(Rt+RV)

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


2. Cấu tạo V.mét :

chỉ thò từ điện

a, V.mét từ điện :

Rm

Im
Um

U < Um V.mét là một chỉ thò từ điện và RV = Rm
RP

Rm

_ Khi U > Um mở rộng giới
hạn cho chỉ thò bằng cách
U
mắc điện trở RP nối tiếp với
chỉ

thò trở R được xác đònh :
ù trò
điện
Rp = (m - 1).Rm
P

Điện trở của vônmét :

RV = m.Rm

Với : m = U/Um hệ số mở rộng
giới hạn đo


_ Để chỉ thò có thể đo được nhiều giới hạn đo
người ta mắc các điện trở Rp theo sơ đồ :

+ Dùng Rp từng cấp + Dùng Rp nhiều cấp – vạn năng

U

U1

RP1

U2

RP2

U3

RP3

Rm
U3

RP3

RP2

U2

U1

á trò điện trở RP được xác đònh :
Rpi = (mi - 1).Rm
Rp1

RP1

Rm
U

Rpi = (mi – mi-1).Rm

Với : mi = Ui / Um hệ số mở rộng giới hạn đo
thứ i Rp1 = (m1 – 1).Rm
= (m – 1).R
1

m

Rp3 = (m3 – 1).Rm

RVi = mi.Rm

Rp3 = (m3 – m2).Rm

Điện trở của V.mét thay đổi theo giới hạn đo.Do
vậy người ta thường dùng trò số của độ nhạy
SDC =  / VDC của V.mét để xác đònh tổng trở vào
• Bài tập


ânmét mét từ điện - chỉnh lưu:
là V.mét kết hợp cơ cấu đo từ điện và mạch
chỉnh lưu bằng diode .
u
U
Umax
U
cltb
U
AC

t

* Chỉnh lưu ½ T :

Ucltb =

1
T

T
0

UCl

Ucl dt

Umax

U

Ucltb

t

Ucltb = 0,318.Umax = 0,318. 2.U
= 0,45.U
* Chỉnh lưu T :

UCl

T

2
Ucltb = T Ucl dt
0

U~

U

Ucltb

t

Ucltb = 0,637.Umax = 0,637. 2.U
= 0,90.U
• Bài tập


VOM DE-360TRe


.Vônmét điện từ:
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.
C
C
C
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.


VônNó
mét
động
: giống Ampemét điện động,
cấiện
tạo phần
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:
I1 = I2 = I = U/ZV
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.
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 Rp.
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,A2 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, A2 mắc
nối tiếp với nhau tương ứng với giai đo 300V. các tụ điện


3. Đo điện áp trung bình và
lớn:
a, Đo điện áp trung bình :
Điện áp trung bình là các gía trò 200mV < Utb <
600 V
Sử dụng trực tiếp các V.mét một chiều và xoay
b,
Đo điện
ápgiới
lớn hạn
:
chiều
với các

đo thích hợp để đo.
* Điện áp một chiều: sử dụng
các Vôn mét một chiều kết hợp
RV
với điện trở phụ ngoài.
* Điện áp xoay chiều: sử dụng
các V.mét xoay chiều kết hợp với
Biến
biến điện
điện áp
áp là một máy biến
áp đặc biệt làm việc ở chế
độ thứ cấp hở mạch .

Km = U1đm./
U2đm
Km : Tỉ
số biến điện áp
đònh mức

Thường U2đm =
100 V

U1 = Km.U2

Vì vậy điện áp U2 được đo bởi các
V.mét thông thương
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

3.3. Đo điện áp DC bằng phương pháp biến trở :

1.Sơ đồ mạch đo :

B1: Nguồn cung cấp
mạch đo
B2: Nguồn chuẩn
R1: 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 R1 để G chỉ “O” B2 = VBC =
RBC.I
I = B1 / ( R1 + RAB ) = B2/RBC
b, Khi đo :
Khoá S chuyển qua vò trí (2).Điện áp VX cần đo được so sánh
với VAB
Điều chỉnh con chạy C để điện kế G chỉ “0” tức là :
VX = V/BC = R/BC . I
Trên vạch đo của của biến trở RAB người ta khắc độ theo điện
áp cần đo VX


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.
Khuyếch đại có điều
chế.
Ux_

~Ux

CT

Điều
chế

Giải
điều
chế

Chỉ
thò

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: Q1,Q2 mắc vi sai
_ Điện áp vào được đưa
vào cực B1,B2 _ Điện áp ra
lấy ở cực E1,E2.
* Nguyên
_ Khi
lý V
: i = 0, IB1= IB2, IE1 = IE2, VE1=
VE2,
Im = 0
_ Khi Vi ≠ 0, IB1 ≠ IB2, IE1 ≠ IE2, VE1 ≠
VE2,
Im ≠ 0. Im = f(Vi)


VCC

2, V.mét điện tử dùng JFET :
Vi

1V
R
3V

Hạn dòng

10V
30V

C

100V

R0

Zero

R0

C

R

Mạch đo dùng JFET
kênh N

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 vôn mét là là tổng trở của
* Tổng
trở

vào
của
mạch
R = phân áp giới hạn đo

= 6M + 2.1M + 0.6M + 210K = 9
M
R1+R2+R3+R4+R5 + 90K
V

* 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

h đại thuật toán đảm bảo được các yêu cầu này.
* Mạch không có KĐ điện
áp :
+V
R1
R2

R3
R4

Vi

CC

+

-

* Mạch có KĐ điện
áp : +VCC
RP

-VCC
R2

V0 = V i

+

V0

Im
Rm

Vi

-VCC

RP

R1
V0
R2

V0 = Vi.(1+R1/R2)

Im
Rm

• Bài tập


•* Mạch KĐ chuyển đổi điện áp sang
dòng điện :
+

+VCC

-VCC
Vi

V0 = Vi.{1+
(R
+R
)/R1}
I P=
Vm/R

RP
Im

V0
Rm

R1

m

i

1

Vi = R1.Im