CHƯƠNG 4
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
Đo R bằng Volt kế và Ampe ke
Mạch đo R trong Ohm kế
Cầu Wheatstone
Cầu đôi Kelvin
Đo R có trị số lớn
Đo điện trở đất
4.1. Phương pháp đo gián tiếp (vônmét và ampemét) :
1. Vôn mét mắc sau và Ampe mét mắc trước (lối mắc rẽ ngắn).
+
I
A
Rx
Ix
_
- Giá trị đo bởi V,A :
Iv
V
Rv
Rx = U/I
- Giá trị thực :
R*x = U/(I-IV)
- Sai số phép đo :
β = (Rx-R*x)/ R*x
= Rx/ (Rx+Rv)
Nếu Rv>>Rx thì sai số này nhỏ nên sơ đồ này dùng để đo điện trở nhỏ.
2.Vôn mét mắc trước và Ampe mét mắc sau (lối mắc rẽ dài).
- Giá trị đo bởi V,A :
Rx = U/I
R*x = (U-Ix.RA)/ Ix
- Giá trị thực :
- Sai số phép đo :
β = (Rx-R*x)/ R*x
= RA/ Rx
+
I
Iv RA
A
V
_
Nếu RA<
Rx
Ix
4.2. Phương pháp đo so sánh :
So sánh cần đo với điện trở mẫu đãã biết:
1. So sánh nối tiếp:
V1
Rx =
.Rm
V2
2. So saùnh song song :
Rx
Rx =
A2
.Rm
A1
Rm
4.3. Phương pháp đo trực tiếp :
1. mmét nối tiếp :
a. Sơ đồ mạch :
Rx
Im
E
b. Nguyên lý ;
- Dòng điện qua chỉ thị :
Im = E/(Rx+R1+Rm)
- Trong qúa trình đo
E, R1, Rm = const
Im = f(Rx)
Thang đo được khắc độ theo Rx cần đo
Khi Rx = 0, Im = E/(R1+Rm) = Imax
Khi Rx =
∞
Rm
.R1: Điện trở chuẩn giới hạn đo
.Rm: Điện trở chỉ thị
.E ; nguồn sức điện động (pin)
, Im = 0
- Thang đo có độ chia nghịch và không đều.
- Kết qủa đo phụ thuộc vào nguồn cung cấp.
Ω
8
Chú ý :
R1
0
c. Mạch đo trong thực tế ( Máy đo VOM) :
Rx
Để kết quả đo không thay đổi theo điện áp
R1
Im
nguồn,người ta mắc thêm một biến trở R2// với
chỉ thị để điều chỉnh “0Ω” khi nguồn E thay đổi.
Rm
R2
E
Như vậy trước khi đo phải ngắn mạch hai đầu
máy đo và điều chỉnh R2 để m kế chỉ “0” rồi
mới tiến hành phép đo.
d. Độ chính xác của ohm_kế :
Vì mạch đo điện trở không tuyến tính theo thang đo, nên sai số tăng nhiều ở khoảng đo
không tuyến tính.
Khi ohm-kế chỉ ½ thang đo, thì điện trở Rx = nội trở của 0hm-kế. Nếu ở ½ thang đo
dòng điện chỉ thị có sai số ± 1% của thang đo thì kết quả đo điện trở sẽ có sai
số là ± 2%
Ví dụ: Nếu dòng điện chỉ thị có sai số ± 1% thì sai số của dòng điện ở ½ thang đo
là ± 2%, kết quả đo điện trở sẽ có sai số là 2%.(R1+Rx)
Ví dụ: _ Nếu sai số thang đo điện trở là 1%, R1 có sai số ± 1,ở ½ thang sai số dòng
điện là 2% thì kết quả sai số phép đo điện trở là ∆RX% = 2%x(R1+Rx) = 2%x2R1 = 4%
_ Nếu sai số thang đo điện trở là 1%, R1 có sai số ± 1%,ở 0,8 thang sai số dòng
điện là : 1%.1/0,8 = 1,25%, R1 = 4.Rx thì kết quả sai số phép đo điện trở là
∆RX% = 1,25%x(R1+Rx) = 1,25% x 5 = 6,25%
d. Mạch đo Ω trong máy đo VOM :
2. Đo điện trở trong VOM điện tử :
1. Nguyên lý:
Để đo điện trở trong máy đo điện tử người ta chuyển đại lượng điện trở sang
đại lượng điện áp, sau đó đưa vào mạch đo của vôn kế điện tử
1MΩ X 100K
Mạch đo điện trở có hai dạng:
100kΩ X 10K
_ Dạng nối tiếp
_ Dạng mắc rẽ
100Ω
X 100
2. Dạng nối tiếp:
E
1,5V
10Ω
X1
RX
Mạch đo
điện áp
DC 1,5V
a. Sơ đồ:
b. Nguyên lý:
- Mạch thay đổi giới hạn thang đo gồm các điện trở chuẩn nối tiếp với điện trở R X là
các điện trở có cấp chính xác cao,sai số < 1%
- Vì tổng trở vào của đo điện áp DC rất lớn nên điện áp trên điện trở chuẩn không
đáng kể.
Vđo = E.Rx / (Rx + R1)
- Kết qủa đo RX = Trị số đọc x hệ số nhân của giới hạn đo
Ví dụ: Ở thang đo Rx100, trị số đọc trên chỉ thị là 36Ω thì kết quả Rx= 3600Ω
3. Dạng mắc rẽ:
R1
a. Sơ đồ:
b. Nguyên lý:
_ Khi điện trở Rx = 0, thì Vđo = 0
_ Khi điện trở Rx =
_ Ở giá trị bất kỳ :
∞
E
1,5V
R2
RX V
đo
thì Vđo = E.R2/(R1+R2)
Vđo = E.(R2//Rx)/(R1+R2//Rx)
= E.(Rx.R2)/(Rx.R2+R1.(R2+Rx)
Mạch đo
điện áp
DC 1,5V
Khi Rx = R1//R2 = R1.R2/(R1+R2)
thì Vđo = ½.E.R2 / (R1+R2)
Kim chỉ ½ thang đo
4. Dạng dùng nguồn không đổi:
a. Sơ đồ:
b. Nguyên lý:
Mạch dùng nguồn dòng không đổi để điện áp Vđo
trên điện trở tuyến tính với điện trở Rx cần đo
Vđo = I.Rx
Thay đổi dòng điện I để thay đổi giới hạn đo của ohm kế.
Nguồn dòng
Không đều
Vđo
Mạch
đo
điện
áp
4.4. Phương pháp cầu đo :
I1
R2
1. Cầu đơn (cầu Wheatstone) :
a. Sơ đồ :
- R1: Hộp điện trở mẫu (0,1÷106Ω)
- R2,R3 : Điện trở tạo tỉ số
- Chỉ thị : Điện kế từ điện
- Uo : Nguồn DC
+
Uo
Ig
R1
I2
G
R3
Rx
b. Nguyên lý :
Khi đo mắc mạch như hình vẽ và điều chỉnh R1 để Ig = 0, cầu cân bằng
Ta có :
I1.R2 = I2.R3
I1.R1 = I2.Rx
Từ đó :
R2
=
R1
R3
Rx
c. Cầu hộp
_ Cân bằng cầu khi đo bằng cách chọn tỷ
số R3/R2 giữ cố định tỷ số này.
_ Thay đổi R1 cho đến khi cân bằng
RX = R1.R3/R2
_ Ta thấy rằng khi : R3 = R2 thì Rx = R1
R2
R3
x1
x10 x100
R
R1
RX
_ Do vậy thông thường điện trở R1 được chế tạo có dạng hộp điện trở thập
phân có độ chính xác cao và khắc độ trực tiếp giá trị điện trở trên hộp này.
Vì vậy nếu R3 = R2 thì giá trị điện trở Rx lớn nhất sẽ được xác định bằng điện
trở toàn phần của R1.
_ Có thể mở rộng giới hạn đo của cầu hộp bằng cách tạo ra R3 có nhiều giá
trị lớn nhỏ hơn nhau 10 lần dùng chuyển mạch B thay đổi tỉ số .
Sai số của phép đo điện trở bằng cầu hộp phụ thuộc vào độ ổn định, độ chính xác
của mạch điện trở nhánh cầu; phụ thuộc vào độ trể biến thiên (R1); độ chính xác
và độ nhạy của chỉ thị cân bằng.
d.Cầu biến trở
- Trong cầu biến trở, khi đo để cân
bằng người ta giữ cố định điện trở
R1,điều chỉnh tỉ số R3/R2 một cách
đều đặn cho đến khi kim chỉ thị chỉ
“0”â (cầu đã cân bằng).
- Muốn vậy hai nhánh cầu R2 và R3 được tạo bởi một biến trở có con trượt, quấn
trên ống thẳng hoặc ống tròn. Dây điện trở thường bằng Manganin. Tỉ số điện
trở hai phấn dây quấn hai bên con trượt D bằng tỉ số chiều dài hai phấn ống
này.
- Thang chia độ giá trị tỉ số hai điện trở được khắc song song với ống dây điện
trở này từ 0 ÷ ∞.
- Điều chỉnh vị trí con trượt D trên biến trở để đạt
Rx = R1 . R3
được điều kiện cân bằng cầu. Giá trị điện trở cần đo
R2
Rx được xác định theo công thức.
- Mở rộng dải đo của cầu bằng cách chế tạo điện trở R1 thành nhiều điện trở
có giá trị khác nhau và thông qua chuyển mạch B để thay đổi giá trị này.
Trong công nghiệp người ta thường sử dụng cầu Wheatestone không cân bằng.
E
R1
Rx
R2
G
Vx
V4
R4
R1
Ig
r
Rx
R2
rg
r
Vx-V4
R4
Tổng trở r ngõ ra
G
Mạch Thevecnin khi tải
là điện kế
rg : Nội trở điện kế
Điện áp ngõ ra để hở của cầu
Điện áp ngõ ra khi điện kế được tháo ra khỏi cầu :
Vx – V4 = E.[(Rx/(Rx+R1) – R2/(R2+R4)]
Tổng trở ngõ ra của cầu được xác định:
Dòng điện qua điện kế khi cầu không cân bằng :
r = (R1//Rx) + R2//R4)
Ig =
Vx – V 4
r + rg
Nhö vậy dòng điện qua điện kế sẽ phụ thuộc vào RX hay sự thay đổi ∆RX cần đo.
Phương pháp này không cần nguồn E ổn định.Độvnhạy của cầu phụ thuộc vào nguồn
E và điện trở Rg. Độ chính xác phụ thuộc vào các phần tử của cầu.
Ví dụ: Xác định sự thay đổi lớn nhất mà điện kế G có thể phát hiện được khi độ nhạy của
Điện kế G = 1µA/div (1 vạch chia trên thang đo) với P = 3,5kΩ, Q = 7kΩ, S = 4kΩ, nội
trở của điện kế G rg = 2,5kΩ, nguồn Eb = 10V
Ig
E
P
R
Q
G
Vx
V4
S
P
Rx
r
Q
S
Tổng trở r ngõ ra
Điện áp ngõ ra để hở của cầu
Theo biểu thức mạch tương đương thevecnin
r
Vx-VS
rg
G
Mạch Thevecnin khi tải
là điện kế
rg : Nội trở điện kế
VX – VS = Ig x (r + rg)
Với:
r = (P//Q) + (Q//S)
= 3,5x7/(3,5+7) + 7x4/(7+4)
= 3,82 kΩ
Khi Ig thay đổi 1mA thì sự thay đổi VX – VS là:
= 6,32 mV
∆(VX-VS) = ∆Igx(r + rg)
= 1µAx(3,82 + 2,5)kΩ
Mà :
∆(VX-VS) = Ebx{(∆R+R)/(R+∆R+P) – S/(P+S)}
Như vậy ∆Rmin có được khi ∆(VX-VS) = 6,32mV, ∆Rmin ≤ (2+3,5)KΩ
6,32mV = 10Vx{(∆Rmin+2kΩ)/(2kΩ+∆Rmin+3,5kΩ) – 4kΩ/(7kΩ+4kΩ)}
{(∆Rmin+2kΩ)/(2kΩ+∆Rmin+3,5kΩ) – 4kΩ/(7kΩ+4kΩ)} = 6,32mV/10 = 0,632mV
= 0,632mV+4kΩ/(7kΩ+4kΩ)
(∆Rmin+2kΩ)/(2kΩ+∆Rmin+3,5kΩ)
2. Cầu đôi (cầu Kelvin) :
2
2
Điện trở nhỏ, để loại bỏ điện trở tiếp xúc về cấu tạo
1
được chế tạo dạng 4 đầu :
Ig
1 - 1 : đầu dòng điện
2 – 2 : đầu điện áp
G
a. Sơ đồ :
R1
- R1,R2,R3,R4 là các biến trở
R3
R4
- Chỉ thị : Điện kế từ điện
- R0 : Điện trở mẫu
R
b. Nguyên lý :
R0
RX
Khi đo mắc mạch như hình vẽ. Điều
U
Chỉnh R1,R2,R3,R4, để cầu cân bằng.
+ DC
Khi cầu cân bằng ( Ig = 0 ) ta có:
Rx =
R.R4
R1
. R0 +
R+R3+R4
R2
R1
R
- 3
R2
R4
Khi chế tạo phải đảm bảo sao cho
R1
R
= 3
hoặc R = 0
R2
R4
Thì :
Rx =
R1 R
. 0
R2
1
R2
4.5. Đo điện trở có giá trị lớn :
1.Đo điện trở bằng Vônmét và Ampemét :
Có thể đo điện trở cỡ 105 ÷1010 Ω như điện trở cách điện bằng PP Vôn
ampe. Nhưng chú ý loại trừ ảnh hưởng của dòng điện rò qua dây dẫn hoặc
cách điện của máy. Muốn loại trừ dòng điện rò cần phải dùng màng chắn tónh
điện hoặc dây có bọc kẽm.
1.Hai cực đo
2.Tấm cách điện
3.Cực phụ
Đo điện trở cách điện khối
Để đo điện trở cách điện khối dùng điện kế
G để đo dòng xuyên qua khối cách điện;
còn dòng rò trên bề mặt của vật liệu qua
cực phụ xuống đất. Điện trở cần đo được
xác định nhờ độ chỉ của Vônmét và điện kế.
Rx =
V
Ig
Đo điện trở cách điện bề mặt
Khi đo điện trở cách điện mặt thì dòng
rò trên bề mặt của vật liệu được đo
bằng điện kế, còn dòng xuyên qua khối
vật liệu thì được nối qua cực chính xuống
đất. Kết quả được xác định nhờ độ chỉ
của Vônmét và điện kế (G).
2. Đo điện trở bằng Megohm mét :
Mêgôm mét là dụng cụ dùng để đo điện trở cách điện của các thiết bị điện
a. Cấu tạo :
b. Nguyên lý :
F: Máy phát một chiều quay tay
UF = 500 ÷ 2000 V
R1,R2: Điện trở mẫu
RX: Điện trở cấn đo
Rhc: Điện trở hạn chế
CT: Tỉ số kế từ điện
Khi đo quay tay quay máy phát F đến tốc độ
n = 100 ÷ 120 vg/ph. Dòng điện chạy trong các
cuộn dây :
R2 + r2 + RX
I1 = Uo/(R1 + r1)
Góc quay của kế
=f
R1 + r1
α = f(I1 / I2)
I2 = Uo/(R2 + r2 + RX)
α = f(RX)
Trong qúa trình đo: r1,r2,R1,R2 là các hằng số
Chú ý : _ Khi đo tránh chạm vào các cực của MΩ mét
_ Chỉ đọc kết qủa sau khi đo khoảng 20 ÷ 30 s
_ Điện trở cách điện của các thiết bị điện khi sư dụng ở mạng điện hạ
áp phải RCĐ ≥ 0,5 MΩ
3. ỨNG DỤNG :
a, Đo điện trở cách điện dây lưới đện khi cắt nguồn :
Mạch đo được ngắt ra khỏi nguồn
_ MΩ được nối vào dây A và
A
dây mass (dây trung tính)
_ Điện trở đo được
B
RX = RA//(RAB+RB)
C
MΩ
RAB
Dây
pha
RBC
RCA
RC
RB
Dây trung tính
RA
b, Đo điện trở đoạn dây bị chạm mass :
R1
R2
- Khi đo mắc mạch như hình vẽ
- Điều chỉnh R2 và thay đổi R1 để
G
cầu cân bằng
E
R2
Ra+(Rb- Rx)
=
R1
RX
Vỏ bọc kim loại
R1.(Ra+Rb)
RX =
R1+R2
Nếu các dây có cùng tiết diện (S) và cùng điện trở suất (ρ)
Ví dụ :
R
R1
ρ. La + ρ. Lb
ρ X =
S
R1+R2
S
S
Một đoạn dây cáp 3pha có một dây bị
chạm mass được chôn dưới đất có chiều
dài 5000 m. Dùng cầu Wheateon để xác
định và cầu cân bằng khi R1 = 100Ω,
R2 = 300Ω. Cáp dẫn điện là dây đồng
đồng chất.
Xác định chỗ chạm mass
La (Ra)
Dây tốt
Lb (Rb)
LX (RX)
LX =
Dây chạm mát
Chỗ chạm mát
R1
R1+R2
Khi cầu cân bằng ta có :
R1 x 2L
R1+R2
100
LX =
x 2 x 5000
100+300
LX =
= 2.500 m
x
2L
b, Đo điện trở đoạn dây bị chạm mass :
Để phép đo đượïc chính xác hơn người ta
thường dùng sơ đồ
_ Khi khóa S ở vị trí a, điều chỉnh
R3 để cầu cân bằng
R2
Ra + Rb
=
R1
R3
Ra+Rb =
R2.R3
R1
R2
R1
G
E
R3
S
_ Khi khóa S ở vị trí b, điều chỉnh R/3 để cầu cân bằng
R2
=
R1
Ra+(Rb- Rx)
Rx+R/3
RX =
La (Ra)
Dây tốt
Lb (Rb)
a
b
LX (RX)
Dây chạm mát
Chỗ chạm mát
R1.(Ra+Rb) – R2.R/3
R1+R2
_ Khi S ở vị trí a
Ví dụ: Nếu La = Lb = 10Km, điện trở riêng
R2.R3
của dây caùp ρ = 0,02Ω/km, R1=1kΩ, R2=2kΩ
= 2000x99/1000 = 200Ω
Ra+Rb =
R
. Khi K ở vị trí a R3 = 100Ω
_ Khi S ở vị trí b 1
. Khi K ở vị trí b R/3 = 99Ω
R1.(Ra+Rb) – R2.R/3
RX =
. Xác định chỗ chạm mass
R1+R2
= (1000x200 – 2000x99)/3000 = 0,67Ω
_ Vậy chiều dài của đoạn cáp bị chạm mát là
LX = Rx / ρ = 0,67/0,02 = 335 m
4.6 Đo điện trở đất :
1. Khái niệm chung.
a. Điện trở đất:
là điện trở của vùng đất cần đo tiếp xúc với cọc đất sẽ được xác định
bởi điện áp rơi trên điện trở đất, khi có dòng điện chạy qua nó.
Trong thực tế điện trở đất phụ thuộc vào môi trường xung quanh (nhiệt
độ, độ ẩm),thành phần của đất.
b.Cọc đo điện trở đất:
là thanh dẫn điện bằng kim loại (thường làm bằng đồng) hoặc nhiều thanh
dẫn điện được đóng xuống đất, vùng đất cần đo điện trở,
c. Nguồn điện áp cung cấp cho mạch đo:
Nguồn tín hiệu cung cấp cho mạch đo là nguồn tín hiệu xoay chiều
Dạng sin hoặc xung vuông. Chúng ta tránh dùng nguồn DC do ảnh
hưởng của điện giải sẽ làm tăng sai số do điện thế điện cực. Nếu
dùng điện lưới của điện lực thì phải dùng biến áp cách ly tránh ảnh
hưởng của dòng trung tính (nếu có điện thế mất đối xứng) và cọc đất
của dây trung tính.
d. Khoảng cách giữa các cọc đất:
Để đo điện trở đất khảo sát, các cọc đất không được ảnh hưởng với nhau (nghóa
là các điện trở cọc A là RA không bị ảnh hưởng bởi vùng đất cọc B có điện trở đất
là RB). Người ta khảo sát thực tế như hình dưới đây.
VBC
VAC
Dòng điện I qua vùng đất giữa 2 cọc đất sẽ tạo ra
- điện áp: VAC = RA x I.
RA: điện trở đất của cọc A,
- điện áp: VAB = RB x I.
RB: điện trở đất của cọc B.
- Khi cọc P được đóng giữa cọc A và cọc B ở bất kỳ vị trí nào, thì V AC giữa cọc
A,B có trị số thay đổi theo đường biểu diễn hình vẽ.
- Như vậy ngoài phạm vi 10m, thì điện áp VAC không thay đổi (các điểm ngoài
10m đẳng thế).
- Vì thế 2 cọc đất càch nhau 20m sẽ có điện trở đất không ảnh hưởng lên nhau
(trong thực tế 2 cọc cách nhau (10 ÷ 20)m có thể xem như 2 cọc đất riêng biệt).
2. Mạch đo điện trở đất dùng V.mét và A.mét
* Phương pháp đo gián tiếp :
Mạch đo được mắc như hình vẽ
Cọc A : cọc đo điện trở đất Rx
Cọc P : cọc phụ đo điện áp
Cọc C : cọc phụ đo dòng điện
Điện trở cho bởi vôn mét V:
VAP = I.(Rx + Rp). Với I = I1 + Iv, cho bởi
Ampe kế. Nếu: Iv << I1 thì I = I1
và :
Rx ≈ V/I
Nếu chúng ta quan tâm đến sai số do V.mét và
điện trở cọc phụ thuộc điện áp thì Rx có sai số
tương đối:
ε R% =
Rp .100%
RA+RV
Sơ đồ
Iv
Mạch tương đương
Rp : điện trở đất của cọc phụ điện áp P;
RV : tổng trở vào của Vôn mét.
Như vậy để sai số càng nhỏ thì Rp <
3. Đo điện trở đất bằng cầu đo xoay chiều :
Đây là một dạng cầu Wheatstone để đo điện trở
của dung dịch có tính chất điện giải bằng hai
điện cực cũng được ứng dụng để đo điện trở đất
điện trở RA + RB được xác định khi cầu cân bằng
(giống như phương pháp gián tiếp dùng V.mét và
A.mét).
R1
RA+RB =
.R3
R2
4. Đo điện trở đất bằng máy đo điện trở.
Sơ đồ
Dòng điện I1 đi qua cuộn dây 1 của tỉ số kế
đi qua vùng đất cần đo điện trở. Dòng điện
I2 đi qua cuộn dây 2 đi qua cọc phụ.Tỉ số
I1/I2 phụ thuộc vào điện áp rơi trên cọc đo
và cọc phụ. Điều chỉnh biến trở Rs, I2 thay
đổi.
Vì :
VAP = (Rs +r2) = Rx.I1
Sơ đồ
Tỉ số dòng điện I1/I2 được xác định :
cho đến khi:
I1 = I2 ⇒ Rx = Rs + r2
Như vậy giá trị Rs tại I2/I1 = 1
sẽ xác định Rx khi r2 đã biết được.
Trong thực tế dòng I1 qua tỉ số kế là DC,
còn dòng i1 chạy qua vùng đất đo là AC,
do đó có bộ chuyển đổi I1 (DC) sang i1
(AC) đưa vào cọc đo. Sau đó dòng i1(AC)
chuyển sang I1(DC) trở về máy phát G một
chiều bằng bộ chỉnh lưu. Còn điện áp
VAP(AC) được chỉnh lưu sang điện áp
VAP(DC) tạo ra dòng điện I2(DC).
RX
=
Rs + r 2
I2
I1
BI
MR
R1
SW2
RV
a
b
S
BU
V1
RC
E
V2
SW1
c
M
c
M
P
C
Sơ đồ máy đo
Như vậy trong các máy đo cổ điển, dùng máy phát (quay tay) thường có trục
quay gắn liền với bộ chuyển đổi DC sang AC, hoặc chỉnh lưu từ AC về DC dùng
hiện tượng cơ điện.
Ví dụ :
R2
R1
Một đoạn dây cáp 3pha có một dây bịt
chạm mass được chôn dưới đất có chiều
dài 5000 m. Dùng cầu Wheateon để xác
định và cầu cân bằng khi R1 = 100Ω,
R2 = 300Ω. Cáp dẫn điện là dây đồng.
G
Dây tốt
La (Ra)
Lb (Rb)
E
Vỏ bọc kim loại
LX (RX)
Chỗ chạm mát
Xác định chỗ chạm mass
Sơ đồ cầu đo
Khi cầu cân bằng ta có :
Dây chạm mát
R1
R1+R2
100
LX =
400
LX =
x
= 2.500 m
2L
x 2 x 5000