Giáo trình Đo lường điện - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Giáo trình Đo lường điện

Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định
Khoa điện - điện tử
Chủ biên: ThS. Vũ Ngọc Tuấn
KS. Trần Quý Bình

Giáo trình

đo lường điện
(Lưu hành nội bộ)

Nhà xuất bản lao động - xà hội

năm
- 2012
Trường Đại học sư
phạm
kỹ thuật nam định

1


Giáo trình Đo lường điện

MÃ số:

2

38 189
26 07

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

Lời nói đầu
Đo lường điện có vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo lường nói
riêng và ngành điện nói chung, không có đo lường điện sẽ không có
ngành điện.
Đo lường điện là môn học cơ sở ngành của sinh viên các ngành
Công nghệ kỹ thuật điện, Công nghệ điện, điện tử, ngoài ra do ứng
dụng rộng rÃi và cần thiết của nó mà sinh viên các ngành không điện như
cơ khí hay công nghệ thông tin cũng rất cần quan tâm.
Hiện đà có khá nhiều giáo trình về đo lường điện, tuy nhiên để đáp
ứng nhu cầu giảng dạy và học tập của một trường kỹ thuật hướng tới đào
tạo chuyên sâu về kỹ năng thực hành thì cần phải có một giáo trình có
cấu trúc và cách tiếp cận kiến thức dễ hiểu, súc tích và bám sát yêu cầu
của chương trình môn học. Vì vậy, chúng tôi biên soạn giáo trình này với
mong muốn là nguồn tài liệu học tập và tham khảo hữu ích cho giáo viên
và sinh viên các trường kỹ thuật, đặc biệt là trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Nam Định.
Nội dung chủ yếu của giáo trình là trình bày cấu tạo, nguyên lý
hoạt động của các cơ cấu cơ bản cấu thành nên các thiết bị đo, các
phương pháp đo các đại lượng điện cơ bản, các thiết bị đo điện phổ biến
hiện nay, Giáo trình gồm 7 chương:
Chương 1: Các khái niệm cơ bản về đo lường
Chương 2: Các cơ cấu đo lường
Chương 3: Đo dòng điện và điện áp
Chương 4: Đo các thông số của mạch điện
Chương 5: Đo công suất - điện năng

Chương 6: Đo góc pha - đo tần số
Chương 7: Các dụng cụ đo thông dụng
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam ®Þnh

3


Giáo trình Đo lường điện

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các bạn
đồng nghiệp trong khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Nam Định đà nhiệt tình đóng góp ý kiến để chúng tôi xây dựng và hoàn
thiện giáo trình này.
Trong quá trình biên soạn chúng tôi đà có nhiều cố gắng, tuy nhiên
không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
qúy báu của bạn đọc và đồng nghiệp để chúng tôi tiếp tục hoàn thiện
giáo trình này.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Nhóm tác giả

4

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

Mục lục
Trang
Lời nói đầu

3

Chương 1: các khái niệm cơ bản về đo lường

9

1.1. Khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo
1.1.1. Các khái niệm
1.1.2. Các phương pháp đo
1.2. Các đặc tính của thiết bị đo
1.2.1. Độ nhạy, độ chính xác
1.2.2. Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo (errors)
Câu hỏi

9
9
9
12
12
14
16

Chương 2: Các cơ cấu đo lường

18

2.1. Những phần tử trong thiết bị đo
2.1.1. Phần tĩnh
2.1.2. Phần động

2.2. Cơ cấu đo cơ điện
2.2.1. Cơ cấu đo kiểu từ điện
2.2.2. Cơ cấu đo điện từ
2.2.3. Cơ cấu đo điện động
2.2.4. Cơ cấu sắt điện động
2.2.5. Cơ cấu cảm ứng (công tơ điện)
2.3. Thiết bị chỉ thị số
2.3.1. Khái niệm và nguyên lý cơ bản của cơ cấu chỉ thị số
2.3.2. Chỉ thị số
2.3.3. MÃ và các mạch biến đổi mÃ

18
18
18
20
21
27
32
36
38
40
40
40
42

Câu hỏi

48

chương 3: đo dòng điện và điện áp

49

3.1. Khái quát chung về đo dòng điện và đo điện áp
3.2. Đo dòng điện

49
49

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

5


Giáo trình Đo lường điện

3.2.1. Dụng cụ đo
3.2.2. Phương pháp đo
3.2.3. Phương pháp mở rộng thang đo
3.3. Đo điện áp
3.3.1. Dụng cụ đo
3.3.2. Phương pháp đo
3.3.3. Mở rộng thang đo
3.3.4. Đo VDC bằng phương pháp biến trở
3.4. Vôn kế mạch gánh Emitor
3.4.1. Sơ đồ nguyên lý của Vôn kế mạch gánh Emitor
3.4.2. Sơ đồ nguyên lý của Vôn kế mạch gánh Emitor thực tế
3.5. Vôn kế mạch khuếch đại Visai
3.5.1. Sơ đồ mạch
3.5.2. Nguyên lý hoạt động

3.6. Vôn mét số
3.6.1. Vôn mét số chuyển đổi thời gian
3.6.2. Vôn mét số chuyển đổi tần số
3.6.3. Vôn mét số chuyển đổi trực tiếp
Câu hỏi

49
50
52
56
56
57
58
61
65
65
66
67
67
68
68
68
70
72
79

chương 4: đo các thông số của mạch điện

90

4.1. Đo điện trở
4.1.1. Đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp (V-A)
4.1.2. Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu
4.1.3. Đo điện trở trực tiếp bằng Ôm mét
4.1.4. Đo điện trở bằng Cầu điện đơn (cầu Wheatstone)
4.1.5. Đo điện trở nhỏ bằng Cầu kép
4.1.6. Đo điện trở có trị số lớn bằng Mêgôm mét
4.1.7. Đo điện trở tiếp đất bằng Terô mét
4.1.8. Đo điện trở bằng VOM điện tử
4.2. Đo điện dung
4.2.1. Khái niệm về điện dung và góc tổn hao

90
90
90
91
93
94
96
96
98
99
99

6

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

4.2.2. Dùng Vôn kế, Ampe kế, Oát kế đo điện dung C
4.2.3. Đo điện dung và tổn hao điện môi bằng cầu đo
4.3. Đo điện cảm
4.3.1. Điện cảm và hệ số phẩm chất của cuộn dây
4.3.2. Dùng Vôn kế, Ampe kế, Oát kế đo L
4.3.3. Đo điện cảm bằng cầu đo
4.4. Đo hỗ cảm
4.4.1. Dùng Vôn kế, Ampe kế đo M
4.4.2. Đo hỗ cảm bằng cầu đo
4.5. Cầu vạn năng đo thông số mạch điện
Bài tập

100
101
103
103
103
104
105
105
105
106
108

Chương 5: đo công suất - điện năng

114

5.1. Đo công suất

5.1.1. §o c«ng st 1 chiỊu DC
5.1.2. §o c«ng st xoay chiều 1 pha AC
5.1.3. Đo công suất tải 3 pha
5.1.4. Đo công suất phản kháng tải 1 pha và 3 pha
5.2. Đo điện năng
5.2.1. Đo điện năng một pha
5.2.2. Đo điện năng ba pha
5.3. Công tơ điện tử

114
114
117
121
125
129
129
133
135

Câu hỏi
chương 6: đo góc pha- đo tần số
6.1. Khái niệm
6.2. Các phương pháp đo góc pha
6.2.1. Đo góc pha bằng cơ cấu ®iƯn ®éng (Faz«mÐt ®iƯn ®éng)
6.2.2. Fazomet ®iƯn tư
6.2.3. Faz«met sè
6.2.4. Đo góc pha bằng phương pháp bù
6.3. Đo khoảng thời gian bằng phương pháp số
6.4. Đo hệ số công suất
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

136
138
138
139
139
141
143
145
148
149
7


Giáo trình Đo lường điện

6.4.1. Đo hệ số công suất cos bằng phương pháp gián tiếp (dùng
oát kế, ampe kế và vônkế)
6.4.2. Đo trực tiếp cos bằng cơ cấu điện động (Fadômet điện động)
6.5. Đo tần số
6.5.1. Khái niệm chung
6.5.2. Đo tần số bằng phương pháp gián tiếp
6.5.3. §o tÇn sè b»ng tÇn sè kÕ céng h­ëng
6.5.4. TÇn số kế điện tử
6.5.5. Tần số kế chỉ thị số
Câu hỏi

149
150
152

152
153
154
155
157
163

Chương 7: Các dụng cụ đo thông dụng

164

7.1. Đồng hồ vạn năng
7.1.1. Giới thiệu chung
7.1.2. Phân loại đồng hồ vạn năng
7.1.3. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng.
7.1.4. Sử dụng đồng hồ vạn năng
7.2. Máy hiện sóng (Oscillocope)

164
164
165
165
167
170

7.2.1. ống phóng tia điện tử
7.2.2. Các khối chức năng trong máy hiện sóng
7.2.3. Máy hiện sóng hai tia
7.3. Ampe kìm
7.4. Q mét (đo hệ số phẩm chất của cuộn dây)

7.4.1. Nguyên lý đo hệ số Q
7.4.2. Máy đo thực tế
7.5. Máy đo độ méo
7.5.1. Định nghĩa
7.5.2. Mạch nguyên lý đo độ méo dạng
7.5.3. Cách thức đo độ méo dạng của tín hiệu ra từ mạch khuếch đại
7.6. Máy phân tích phổ tần số tín hiệu (Spectrum analyzer)

170
174
176
179
179
179
180
181
181
182
184
185

Tài liệu tham khảo

187

8

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

Giáo trình Đo lường điện

Chương 1
các khái niệm cơ bản về đo lường

1.1. Khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo
1.1.1. Các khái niệm
Đo là một quá trình so sánh đại lượng chưa biết với đại lượng cùng
loại đà biết chọn làm mẫu gọi là đơn vị.
(Đo là quá trình đánh giá đại lượng cần đo bằng con số so với đơn
vị đo với phép đo định lượng và cho ra kết quả đạt hay không đạt với
phép đo định tính).
Kết quả đo biểu diễn dưới dạng:
A= X/XO.
hoặc X= A. XO

(1.1)

Trong đó:
A là kết quả đo bằng con số.
X là đại lượng cần đo.
X0 là đơn vị.
Đo lường học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về đo lường
các đại lượng và chuẩn mẫu.
Kỹ thuật đo lường là các nghiên cứu và ứng dụng thành quả của
ngành đo lường vào thực tiễn và sản xuất.
1.1.2. Các phương pháp đo
Để đo các đại lượng, người ta thường dùng ba phương pháp đo.
1. Phương pháp đo trực tiếp
Là phương pháp trong đó đại lượng cần đo được xác định trực tiếp

theo chỉ số của máy đo.
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

9


Giáo trình Đo lường điện

Ví dụ: Đo dòng điện bằng Ampe kế, đo điện áp bằng Vôn kế.
Sơ đồ khối của phép đo trực tiếp (hay còn gọi là phép đo biến đổi
thẳng).
X

X

BĐ

A/D

XO

XO

N

SS

A=N/NO

NO

Hình 1.1. Sơ đồ khối phương pháp đo biến đổi thẳng

Trong đó:
BĐ: Khối biến đổi
A/D: Khối chuyển đổi tương tự số
SS: Khối so sánh
HT: Khối hiển thị
Sơ đồ thuật toán của phép đo biết đổi thẳng:
Bắt đầu

XO NO (Khắc độ)
X NX (MÃ hoá)

Tính NX/NO

Đưa ra kết quả:
X = NX/NO. XO

Kết thúc

Hình 1.2. Sơ đồ thuật toán phương pháp đo biến đổi thẳng
10

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

HT


Giáo trình Đo lường điện

2. Phương pháp đo gián tiếp
Là phương pháp trong đó đại lượng cần đo không được đo trực tiếp
mà chỉ được tính trên cơ sở những trị số của những đại lượng có liên quan
đến đại lượng cần đo.
Ví dụ: Đo điện trở bằng cách đo dòng điện và điện áp đi qua vật cần
đo (R = U/I).
3. Phương pháp đo so sánh
Là phương pháp đo mà đại lượng cần đo được so sánh với đại
lượng cùng loại nhưng kết quả đo không được xác định trực tiếp trên
mặt dụng cụ đo mà thông qua tính toán dựa trên các thông số có trên
mặt dụng cụ đo.
Ví dụ: Đo điện trở, điện cảm, điện dung bằng cầu đo.
X=X-XK
X

SS

N
BĐ

A/D

HT

XK

D/A

Hình 1.3. Sơ đồ khối phép đo so sánh

Trong đó:
SS: Khối so sánh
BĐ: Khối biến đổi A/D: Khối biến ®ỉi t­¬ng tù - sè
D/A: Khèi biÕn ®ỉi sè - tương tự
HT: Khối hiển thị
Thuật toán của phương pháp so sánh
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

11


Giáo trình Đo lường điện

Bắt đầu
N=0
Nk+1 = Nk + 1
Nk = (0 ữ Nn)

Biến đổi Nk -> Xk

Sai

X - Xk < 0
Đúng
Đưa ra kết quả
X = NkX0

Kết thúc

Hình 1.4. Sơ đồ thuật toán phương pháp so sánh

1.2. Các đặc tính của thiết bị đo
1.2.1. Độ nhạy, độ chính xác
1. Phương trình đặc trưng
Phương trình đặc trưng của thiết bị đo là phương trình thể hiện mối
quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra của thiết bị đo.
Phương trình đặc trưng có dạng: y = f(x); với x là đại lượng đầu
vào, y là đại lượng đầu ra của thiết bị.
Phương trình đặc trưng cho ta đặc tính của thiết bị đo và những
thông số quan trọng của thiết bị đo như giới hạn đo, giới hạn của tín hiệu
đầu ra của thiết bị.
12

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

2. Độ nhạy (sensitivity) và ngưỡng độ nhạy
Phương trình đặc trưng của thiết bị đo là y = f(x). Để có một sự
đánh giá về quan hệ giữa đại lượng vào và đại lượng ra của thiết bị đo, ta
dùng khái niệm về độ nhạy của thiết bị đo.
Độ nhạy của thiết bị đo là thương số giữa độ biến thiên đại lượng
đầu ra của thiết bị với độ biến thiên của đại lượng đầu vào.
S = y/x.

(1.2)

Trong đó: y là độ biến thiên đại lượng đầu vào.

x là sự biến thiên đại lượng đầu ra.
Nói chung S lµ mét hµm phơ thc x nh­ng trong phạm vi x đủ
nhỏ thì S là một hằng số. Với thiết bị có phương trình đặc trưng y = f(x)
tun tÝnh, ta cã thĨ viÕt: y= S.x, lóc ®ã S gọi là độ nhạy của thiết bị đo.
Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp thì
độ nhạy được tính:
n

S = Si , với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.
i =1

Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa y và x thì x có thể nhỏ bao
nhiêu cũng được, song trên thực tế khi x < nào đó thì y không thể
thấy được.
Ví dụ: Khi tải có công suất nhỏ hơn 1.0 (W) thì công tơ không quay
nữa.
Như vậy có một giới hạn nào đó cho đại lượng đầu vào mà độ nhạy
của thiết bị không tồn tại nữa giá trị đó gọi là ngưỡng độ nhạy của thiết
bị đo.
Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau là rất khác
nhau, nó chưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị. Vì vậy để so sánh
chúng với nhau người ta phải xét tới quan hệ giữa ngưỡng độ nhạy và
thang đo của thiết bị.
Thang đo D là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

13


Giáo trình Đo lường điện

theo phương pháp đo lường của thiết bị:
D = x max - xmin {xmin thường là 0 }

(1.3)

Từ đó đưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo:
R=

D



=

x

max

x min



(1.4)

Và so sánh các R này với nhau để kết luận về độ nhạy của thiết bị đo.
1.2.2. Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo (errors)
Độ chính xác: là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kỳ
một phép đo nào cũng đều có sai số so với đại lượng đúng:

i = xi - xđ

(1.5)

Trong đó: xi là kết quả của lần đo thứ i
xđ là giá trị đúng của đại lượng đo

i là sai lệch của lần đo thứ i
Sai số tuyệt đối của một thiết bị đo được định nghĩa là giá trị lớn
nhất của các sai lệch gây nên bởi thiết bị ®o:
∆x = max[  i]

(1.6)

Tuy nhiªn sai sè tut ®èi chưa đánh giá được tính chính xác của một
phép đo và yêu cầu công nghệ của thiết bị đo. Thông thường độ chính xác
của thiết bị đo hoặc phép đo được đánh giá bằng sai số tương đối.
+ Với một phép đo sai số tương đối được tính:

=

x
với x là giá trị đại lượng đo.
x

(1.7)

+ Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính:

=

x
.100%
D

(1.8)

Giá trị % gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết
bị đo thành cấp chính xác.
Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ điện có
14

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 1; 1,5; 2; 2,5 và 4.
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;
0,5 và 1.
Khi biết cấp chính xác của thiết bị đo ta có thể xác định được sai số
tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị ®o trong c¸c
phÐp ®o cơ thĨ.
Ta cã  =

∆x
 .D
D
=
=.

x
x
x

(1.9)

Trong đó là sai số tương đối của thiết bị đo, phụ thuộc cấp chính
xác và không đổi nên sai số tương đối của phép đo càng nhỏ nếu D/x dần
đến 1. Vì vậy khi đo một đại lượng nào ®ã cè g¾ng chän D sao cho D ≈ x.
+ Sai số ngẫu nhiên
Là sai số do các yếu tố thay đổi bất thường không có quy luật tác
động vào đối tượng đo mặc dù ta đà cố gắng thực hiƯn ®o trong cïng mét
®iỊu kiƯn nh­ng do u tè khách quan không thể khống chế được, nó gây
nên một loạt kết quả đo khác nhau ở mỗi phép đo.
Sai số ngẫu nhiên có thể hạn chế được nhưng không thể khắc phục
hoàn toàn được.
Ví dụ: Khi đo điện áp lưới ở những thời điểm khác nhau sẽ cho các
giá trị phép đo khác nhau.
+ Sai số hệ thống
Là sai số do các yếu tố thường xuyên (có quy luật) tác động vào đối
tượng đo làm cho kết quả của phép đo lần nào cũng sai như nhau. Nghĩa
là lần nào kết quả phép đo cũng lớn hơn (hay nhỏ hơn) giá trị thực của
nó. Tùy theo nguyên nhân mà sai số hệ thống được phân thành:
+ Sai số do các dụng cụ khi chế tạo đà có.
+ Sai số do phương pháp đo hay chọn phương đo không thích hợp.
Sai số hệ thống có thể khắc phục bằng cách thực hiện đi ngược lại
với qui luật sai số.

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

15


Giáo trình Đo lường điện

Câu hỏi
Câu 1: Khái niệm đo lường và kỹ thuật đo lường.
Câu 2: Các đặc tính của thiết bị đo.
Câu 3: Phân biệt sai số của phép đo và sai số của thiết bị đo.
Câu 4: Sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán của các phương pháp đo biến
đổi thẳng và phương pháp đo so sánh.
Câu 5: Phân biệt các loại sai số của thiết bị đo, phép đo.
Bài tập
Bài 1: Nếu một Vôn mét có biểu thức liên hệ giữa góc quay của cơ
cấu theo giá trị điện áp vào theo biểu thức: = 0.05.U trong đó là góc
quay tính bằng rad, U là điện áp tính bằng V. Hỏi độ nhạy của Vôn mét
trên là bao nhiêu.
Lời giải:
Ta có: S = y/x (biểu thức 1.2) với trường hợp phương trình đặc
trưng giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra là tuyến tín thì S = y/x
vậy trong trường hợp của cơ cấu trên thì: S = 0.05 (rad/V).
Bài 2: Một thiết bị đo có giới hạn tối đa của thang đo là D =
200(V). Khi tiến hành đo một điện áp chuẩn là 120(V) thì kết quả cho ra
là 119,5(V). Hỏi sai số tương đối của phép đo là bao nhiêu? sai số tương
đối của dụng cụ đo là bao nhiêu? Cấp chính xác của thiết bị đo?
Lời giải:
Sai số tương đối của phép đo:

=

x 120 - 19,5 0,5
=
= 0.416 (%)
=
x
120
120

Sai số tương đối của dụng cụ đo:
16

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện

=

x
0,5
.100% =
= 0, 0025 = 0,25 (%)
D
200

Cấp chính xác của dụng cụ đo là: 0,05.
Bài 3: Một thiết bị đo có cấp chính xác ghi trên vỏ là 0.1. Quan sát
thấy được giới hạn lớn nhất của thang đo là 500(V). Nếu đo một đại
lượng chuẩn là 125(V) thì sai số tương đối của phép đo là bao nhiêu và
kết quả của phép đo trong giới hạn nào?

Lời giải:
Ta có: = 0,1.

1
; D = 500; x = 125
100

Lại có: sai số tương đối của phép ®o:

=

∆x
 .D
D 0,001.500
=
=. =
= 0,004 = 0,4 (%)
x
x
x
125

Còng cã: ∆ x = x*0,004 = 125*0,004 = 0,5
VËy kho¶ng kÕt qu¶ đo được là (124,5 ữ125,5) (V)

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

17

Giáo trình Đo lường điện

Chương 2
Các cơ cấu đo lường
2.1. Những phần tử trong thiết bị đo
2.1.1. Phần tĩnh
1. Vỏ và mặt đồng hồ
- Vỏ: Có thể làm bằng nhựa hoặc kim loại. Trên vỏ có lắp các chi
tiết của đồng hồ như mặt đồng hồ, các núm điều chỉnh, các cực điện,...
- Mặt đồng hồ: Thường được chế tạo bằng nhôm, sơn trắng trên
mặt, có thang đo và những ký hiƯu quy ­íc. Nh÷ng ký hiƯu quy ­íc cho
hiĨu thêm về cấu tạo và cách sử dụng đồng hồ.
2. Cuộn dây (hoặc NC vĩnh cửu, hoặc NC điện)
Là bộ phận chính sinh ra động năng (momen quay) của cơ cấu. Có
thể là cuộn dây được cung cấp dòng điện để sinh ra từ trường, có thể là
một nam châm điện hay cũng có thể là một nam châm vĩnh cửu,...
2.1.2. Phần động
1. Trục và trụ
Là bộ phận quan trọng trong các chi tiết cơ khí của các cơ cấu chỉ
thị cơ điện, đảm bảo cho phần động quay trên trục quay có gắn các chi
tiết của phần động như khi chỉ thị, lò so phản kháng, khung dây,...
2. Lò xo phản kháng (bộ phận phản kháng)
Là bộ phận tạo nên mômen phản kháng bao gồm lò xo phản kháng,
dây căng hoặc dây treo.

18

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

Giáo trình Đo lường điện

Hình 2.1. Một số cơ cấu phản kháng

3. Kim đo (kim chỉ thị góc quay )
Kim đo được gắn với trục quay. Độ di chuyển của kim trên thang
chia độ tỉ lệ với góc quay . Ngoài ra có thể chỉ thị góc quay bằng
ánh sáng.
4. Thang đọc (thang chia độ)
Là mặt khác độ thang đo để xác định giá trị đo.

Hình 2.2. Thang chia độ

Trên mặt thang đọc có thể có gương, là bộ phận để giúp quan sát và
đọc kết quả đo chính xác hơn.
5. Bộ phận cản dịu
Bộ phận cản dịu có tác dụng rút ngắn quá trình dao động của phần
động, xác lập vị trí nhanh chóng trong cơ cấu chỉ thị. Thông thường có
hai loại cản dịu được sử dụng, đó là cản dịu kiểu không khí và cản dịu
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

19


Giáo trình Đo lường điện

kiểu cảm ứng.

Hình 2.3. Một số cơ cấu cản dịu thường gặp

Bảng ghi các ký hiệu trên mặt dụng cụ đo và ý nghĩa
Ký hiệu

ý nghĩa
Cơ cấu đo từ điện
Lôgô mét từ điện
Cơ cấu từ điện với bộ chỉnh lưu
Cơ cấu điện từ
Cơ cấu điện động
Lôgô mét điện động
Cơ cấu sắt điện động
Cơ cấu cảm ứng

0,05

2,5

Cấp chính xác - sai số qui đổi cơ bản là 0,05 và 2,5
Loại dòng điện: một chiều, xoay chiều 1 pha, xoay chiều 3
pha
Phương đặt dụng cụ đo: thẳng đứng, ngang, nghiêng.

20

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định


Giáo trình Đo lường điện
2

2

2KV

Điện áp thử cách điện (điện áp cách điện giữa mạch với vỏ:
2KV)

Bảng 2.1. ý nghĩa các ký hiệu

2.2. Cơ cấu đo cơ điện
Gồm 5 kiểu cơ cấu cơ bản:
- Cơ cấu đo kiểu từ điện;
- Cơ cấu đo kiểu điện từ;
- Cơ cấu đo kiểu điện động;
- Cơ cấu đo kiểu cảm ứng;
- Cơ cấu đo kiểu sắt điện động.
2.2.1. Cơ cấu đo kiểu từ điện
1. Cấu tạo
Ký hiệu:

hoặc

Gồm hai phần chính:
- Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu (1), lõi sắt non (8), má sắt làm cực
từ phụ (5), khe hở không khí (9), thang đọc kết quả (10).

1. Nam châm vĩnh cửu
2. Kim
3. Trục
4. Lò xo phản kháng

5. Má sắt làm cực từ phụ
6. Đối trọng
7. Khung dây phần động
8. Lõi sắt non
9. Khe hở không khí
10.Thang đọc kết quả

10

6

9

Hình 2.4a. Cấu tạo của cơ cấu từ điện

Nam châm vĩnh cửu: Là một nam châm vĩnh cửu hình móng ngựa
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

21


Giáo trình Đo lường điện

có độ từ dư lớn.
Để tập trung từ trường người ta gắn thêm hai hàng cực N, S ở phía
dưới của nam châm và giữa khe hở của hai hàm cực N, S.
Người ta đặt một trục thép non để làm giảm khe hở không khí và
phân bố đều từ trường lên các cạnh khung dây.
- Phần động: Trục quay, lò xo phản kháng, kim chỉ thị, khung dây,
đối trọng.

Khung dây: Là một khung nhôm trên có cuốn dây dẫn để cho
khung nhôm chuyển động dễ dàng và nhạy với tín hiệu tác động thì
khung nhôm phải nhẹ và dây dẫn có đường kính (0,02 ữ 0,2)mm. Số vòng
dây là hữu hạn (hình 2.4a,b).

xo

B

Hình 2.4 b. Cấu tạo của cơ cấu
từ điện

+ Trục gắn đồng trục
với khung dây, trên trục có
gắn kim và lò xo.

Fdt

+ Lò xo phản kháng tạo
22

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định
Fdt


Giáo trình Đo lường điện

ra mômen phản kháng đồng thời cũng có thể được sử dụng để đưa dòng
điện cần đo và cơ cấu.
2. Nguyên lý làm việc

- Khi cho dòng điện một chiều vào khung dây qua đường lò
xo. Khung dây có dòng điện lại nằm trong từ trường của nam châm
nó sẽ chịu tác dụng của một cặp lực điện từ có độ lớn F =
w.B.I.l.sin
Hình 2.5. Các lực điện từ và Mômen quay
Trong đó:
l là chiều dài khung dây;
là góc hợp bởi khung dây và vector từ trường của nam châm;
I là dòng điện chạy trong khung dây;
B là từ trường của nam châm;
w là số vòng dây của khung dây.
Hai cạnh của khung dây có hai lực ngược chiều và bằng nhau (tạo
thành một ngẫu lực) làm quay khung dây với mômen quay.
Mq = 2.F.d/2 = d.B.I.l.sin = w.B.S.I.sin

(2.1)

Trong đó: d là chiều rộng của khung dây
Với:k1 = B.S.sin = const; là góc vuông, vËy sin β = 1;
VËy: Mq = w.B.S.I

(2.2)

Mq = k1I

(2.3)

D­íi tác dụng của mômen quay khung dây quay kéo theo trục quay
làm kim quay đi một góc chỉ ra giá trị của đại lượng cần đo trên thang
đo. Đồng thời lò xo bị xoắn lại sinh ra mômen phản kháng:

Mpk = D.

(2.4)

Khi góc tăng làm cho mômen phản kháng tăng vì mômen phản
kháng tỉ lệ thuận với góc quay của cơ cấu. Khi mômen phản kháng tăng đến
khi bằng mômen quay (Mq = Mpk) thì kim đứng yên. Ta có góc xác định:

= k1

I
= k .I
D

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

(2.5)
23


Giáo trình Đo lường điện

Vậy khi cho dòng điện một chiều tác động vào khung dây thì góc
quay của kim sẽ tỷ lệ bậc nhất với dòng điện đó.
(Chứng minh phương trình thang đo dựa trên lý thuyết năng lượng
điện từ trường:
Khi có dòng điện chạy trong cơ cấu chỉ thị, thì trong nó sẽ tích lũy một
năng lượng điện từ, năng lượng này được biến thành cơ năng làm quay phần
động đi một góc nào đó, có nghĩa là thực hiện một công cơ học:
dA = Mqd

(2.6)

Trong đó: dA là lượng vi phân của công cơ học;
Mq là mômen quay;
d là lượng vi phân của góc quay.
Theo định luật bảo toàn năng lượng: dW e = dA

(2.7)

với dWe là lượng vi phân của năng lượng điện từ
vậy: Mq = dWe/d

(2.8)

Ta có mômen quay của khung dây bằng vi phân của năng lượng
điện từ trường theo góc quay của khung dây:
Mq = dWe/d

(2.9)

Trong đó: We = .I (Năng lượng ®iƯn tõ tr­êng tØ lƯ víi ®é lín tõ
th«ng trong khe hở không khí và cường độ dòng điện I).
Lại có: = w.B.s. (trong đó là góc tạo bởi vectơ cảm ứng từ B
và mặt phẳng khung dây).
Vậy We = w.B.S..I
Mq = dWe/d = d(w.B.S.I)/d = w.B.S.I

(2.10)
(2.11)

Từ đây nhận thấy kết quả giống như cách chứng minh trước, phần
chứng minh tiếp theo tương tự như cách trước.)
- Khi cho dòng điện xoay chiều i = Imsint vào khung dây tương tự
như đối với dòng một chiều khung dây cũng sẽ chịu tác dụng của một lực:
F = B.l.sin.Imsint

(2.12)

Tạo thành ngẫu lực làm quay khung dây với mômen là giá trị trung
24

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam ®Þnh


Giáo trình Đo lường điện

bình của mômen quay trong một chu kỳ của dòng điện xoay chiều
T

T

1
1
Mqtb = mq dt = kI ∫ sin tdt = 0
T 0
T 0

(2.13)

KÕt luận: Mômen quay trung bình trong một chu kỳ bằng 0 tức là
khung dây không quay, do đó góc = 0, vì vậy cơ cấu từ điện không làm
việc trực tiếp với dòng xoay chiều. Muốn đo được dòng xoay chiều ta
phải dùng thêm bộ chỉnh lưu trước khi đưa vào cơ cấu đo.
3. Đặc điểm và ứng dụng
Đặc ®iĨm
- ­u ®iĨm
+ Dơng cơ ®o cã ®é nh¹y 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 góc quay tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo chia độ
của cơ cấu đều.
- Nhược điểm
+ Chế tạo khó khăn, giá thành cao.
+ Do khung dây phần động nên phải quấn dây có kích thước nhỏ
dẫn đến có khả năng quá tải kém.
+ Chỉ đo được trực tiếp với dòng điện một chiều, không đo được
trực tiếp dòng xoay chiều. Muốn sử dụng cơ cấu với dòng xoay chiều cần
phải sử dụng thêm chỉnh lưu dòng trước khi đưa vào cơ cấu.
ứng dụng
Dùng chế tạo các đồng hồ đo dòng điện, đồng hồ đo điện áp một
chiều, chế tạo các đồng hồ đo điện trở, điện kế có độ chính xác và độ
nhạy cao. Dùng làm các cơ cấu chỉ không trong các đồng hồ vạn năng và
trong các cầu đo.
4. Cơ cấu từ điện hai khung dây (Lôgô mét từ điện)
a) Cấu tạo

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định

25