Độ nhạy của cơ cấu đo được xác định theo công thức

Chương 2 CÁC CƠ CẤU ĐO2.1 CẤU TẠO CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM2.1.1 Khái niệm chung Để biết trị số đo lường của đại lượng đo , ta cần có một cơ cấu chỉ thị kết quả đo lường . Đối với các thiết bị đo cổ điển , để chỉ thị kết quả , cơ cấu chỉ thị sẽ mang kim chỉ thị kim chỉ thị sẽ di chuyển trên mặt có vạch độ chia và số tùy thuộc vào vị trí của kim chỉ thị mà chúng ta sẽ được kết quả đo . Dụng cụ đo tương tự [ analog ] là loại dụng cụ đo mà số chỉ của dụng cụ tỷ lệ với đại lượng đo [ là đại lượng liên tục ] . Trong các dụng cụ đo tương tự , người ta thường dùng các chỉ thị cơ điện , vì thế tín hiệu vào là dòng điện hay điện áp còn tín hiệu ra là góc quay của phần động [ kim chỉ thị] hoặc sự di chuyển của bút ghi trên máy [ dụng cụ tự ghi ] . Những dụng cụ này chính là những dụng cụ đo biến đổi thẳng các đại lượng cần đo là những đại lượng điện như dòng điện , điện áp , tần số . . . được biến đổi thành góc quay của phần động nghĩa là biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học [ = f[x] trong đó x là đại lượng điện , [ là góc quay . Còn đối với cơ cấu chỉ thị của các thiết bị hiện đại ngày nay người ta dùng led để chỉ thị kết quả . Do đó trong chương này chúng ta sẽ trình bày các loại cơ cấu chỉ thị cổ điển .2.1.2 Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện , do tác động của từ trường lên phần động của cơ cấu đo sẽ tạo ra một moment quay mq . Độ lớn của moment này tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu đo Mq = Trong đó We là năng lượng từ trường α góc quay phần động Nếu ta đặt vào trục của phần động một lò xo cản , khi phần động quay lò xo bị xoắn lại sinh ra moment cản mc . Moment này tỷ lệ thuận với góc lệch [ và được biểu diễn bằng biểu thức Mc = d . αVới d là hệ số phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo lò xo Khi moment cản bằng moment quay , phần động của cơ cấu đo dừng lại ở vị trí cân bằng Mq = McHay = dα Suy ra α = Phương trình trên là phương trình đặc tính thang đo . Từ phương trình trên , ta biết được đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị Vị trí cân bằng [C có thể xác định bằng đồ thị như hình vẽ . Ưùng với các dòng điện khác nhau ta có các góc lệch khác nhau 12.1.3 Các ký hiệu ghi trên cơ cấu chỉ thị Thông thường trên mặt của bộ phận chỉ thị thường được ghi ký hiệu ở hai góc dưới nhờ những ký hiệu này mà chúng ta sẽ biết được cấp chính xác của thiết bị đo , đo điện một chiều , xoay chiều hoặc cho cả một chiều [dc] và xoay chiều [ac ] . . . ngoài ra dưạ vào ký hiệu này chúng ta biết được cơ cấu chỉ thị cho thiết bị đo này từ đó ta suy ra nguyên lý hoạt động của cơ cấu đo cũng như biết được ưu và khuyết điểm của cơ cấu đo đó • Cơ cấu đo từ điện• Cơ cấu đo từ điện có bộ phận chỉnh lưu dùng diode• Cơ cấu đo từ điện có phần biến đổi điện xoay chiều sang một chiều dùng cơ cấu nhiệt điện • Cơ cấu tỉ số kế từ điện [ logomét ]• Cơ cấu đo điện từ [ miếng sắt di động ] cơ cấu điện từ có nam châm thường trực • Tỉ số kế điện từ • Cơ cấu điện động • Cơ cấu sắt điện động • Cơ cấu tỉ số kế điện động • Tỉ số kế sắt điện động • Cơ cấu cảm ứng • Cơ cấu tỉ số kế cảm ứng • Cơ cấu đo tĩnh điện Ngoài ra có những ký hiệu khác ghi trên các máy được nhà sản xuất sẽ quy định cho chúng ta biết khi sử dụng các thiết bị đo . cho nên khi sử dụng thiết bị đo chúng ta cần phải quan tâm đến các ký hiệu ghi trên máy Mq2Mq1c1c2Bảng 1 Ký hiệu dụng cụ đo Ý nghĩa1. Cơ cấu đo cơ cấu đo kiểu từ điện , khung dây ở phần động cơ cấu đo kiểu từ điện , nam châm ở phần động cơ cấu đo từ điện có cuộn dây tỷ lệcơ cấu đo từ điện có dùng diode chỉnh lưu cơ cấu đo kiểu điện từ cơ cấu đo kiểu điện động [ không có lõi sắt ]cơ cấu đo kiểu cảm ứng cơ cấu đo kiểu tĩnh điện cơ cấu đo kiểu astaticcơ cấu đo kiểu tỉ số kế điện từ cơ cấu đo kiểu tỉ số kế điện động cơ cấu đo kiểu tỉ số kế cảm ứng 2. Điện áp kiểm tra độ chính xácđiện áp kiểm tra 500v [ cấp cách điện ] điện áp kiểm tra 2000v không kiểm tra điện áp điện áp test 2kv 3. Trạng thái đặt cơ cấu đo đặt thiết bị đo theo phương thẳng đứng [ vuông góc với mặt phẳng nằm ngang ]đặt thiết bị đo theo phương nằm ngangđặt thiết bị đo nghiêng một góc 600 so với phương nằm ngang4. Cấp chính xáccấp chính xác phù hợp với sai số chỉ thị tính theo giá trị cuối cùng của thang đo [ chẳng hạn 1,5 ] cấp chính xác phù hợp với sai số chỉ thị tính theo giá trị đúng [ chẳng hạn 2,5 ] 5. Các ký hiệu phụ khácđiều chỉnh điểm “0”chú ý cách sử dụng 500 hz trị số tần số danh định [ ví dụ 500hz ] hộp bảo vệ tĩnh điện hộp bảo vệ từ giá trị cho phép của truờng lạ , ví dụ là 5 [ 500a / m ]điện trở shunt [ tách rời ]điện trở phụ mắc nối tiếp [ tách rời ] 6. Các dụng cụ đo lườngampe kế đo điện một chiều hay mili ampe kế đo điện một chiều volt kế đo điện một chiều hay milivolt kế đo điện một chiều và ampe kế và volt kế dùng để đo dòng điện và điện áp xoay chiều 2.1.4 Cơ cấu từ điện Cơ cấu từ điện gồm hai phần cơ bản : phần tĩnh và phần động như hình vẽ Phần tĩnh Gồm có nam châm vĩnh cửu , mạch từ , cực từ và lõi sắt . Các bộ phận này hình thành mạch từ kín . Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở đều nhau goiï là khe hở làm việc , trong đó có khung quay chuyển động . Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm . Trong khe hở này có độ từ cảm b đều nhau tại mọi điểm . Ngoài ra , trong mạch từ còn có shunt từ để điều chỉnh từ thông qua khe hở làm việc Phần động Gồm có một khung bằng chữ nhôm hình chữ nhật trên khung có quấn dây đồng rất nhỏ cỡ 0.03 – 0.2 mm [ cũng có trường hợp khung quay không có lõi nhôm bên trong như điện năng kế ] . Khung quay được gắn vào trục quay [ hoặc dây căng hay dây treo ] , trục quay này được đặt trên hai điểm tựa trên và dưới [ ở hai đầu trục ] như vậy khung quay được là nhờ trục quay nên chúng ta gọi khung này là khung quay . Ở hai đầu trên và dưới của khung quay còn gắn chặt vào 2 lò xo xoắn có nhiệm vụ dẫn dòng điện vào khung quay . Khung quay được đặt trong từ trường tạo ra bởi hai cực của nam châm vĩnh cửu . Để làm tăng ảnh hưởng của từ trường đối với khung quay người ta đặt một lõi sắt non hình trụ bên trong lòng của khung quay di chuyển trong ke hở của không khí giữa lõi sắt non và 2 cực của nam châm , khe hở này thường rất hẹp. Kim chỉ thị được gắn chặt vào trục quay của khung quay , cho nên khi khung quay di chuyển thì kim chỉ thị sẽ di chuyển tương ứng .Trong cơ cấu đo từ điện , chất lượng nam châm vĩnh cửu ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của dụng cụ đo . Do đó , yêu cầu đối với nam châm vĩnh cửu là tạo từ cảm b lớn trong khe hở làm việc , ổn định theo thời gian và nhiệt độ . Trị số từ cảm b càng lớn thì moment quay tạo ra càng lớn nên độ nhạy của cơ cấu đo càng cao và ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua khung dây , dưới tác dụng từ trường của nam châm vĩnh cửu khung quay lệch một góc dα . Moment quay tạo ra được xác định theo biểu thức Mq = We tỉ lệ với độ lớn của từ thông [ trong khe hở làm việc và dòng điện I chạy trong khung dây We = Φ . IMà Φ = B S W α Trong đó B là độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu Sdiện tích khung dây W số vòng dây quấn trên khung dây α góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu Các giá trị trên là hằng số [ const ] khi khung dây quay Ta có thể viết lại biểu thức trên như sau Mq = Mq = = BSWIKhi cân bằng , moment quay bằng với moment cản Mq = Mc BSW I = dα Suy ra α = Ta nhận thấy B , S , W , D là những hằng số nên góc quay khung dây tỷ lệ bậc nhất với dòng điện i Độ nhạy của cơ cấu đo được xác định bằng biểu thức sau S = nghĩa là độ nhạy dòng điện tương ứng với sự biến thiên góc quay khi có sự biến thiên dòng điện qua khung dây . Trong thực tế người ta thường dùng trị số dòng điện tối đa [dòng điện cực đại ] mà kim chỉ thị lệch tối đa [ lệch hết khung đo ] để đặc trưng độ nhạy của cơ cấu .Thí dụ Độ nhạy của cơ cấu chỉ thị là 50 micro ampe nghĩa là dòng điện tối đa qua cơ cấu chỉ thị lệch tối đa qua cơ cấu chỉ thị là 50 micro ampe như vậy dòng điện lớn nhất qua cơ cấu có trị số càng nhỏ thì cơ cấu càng nhạy Theo biểu thức xác định độ nhạy s của cơ cấu được xác định S = = = 1Đặc tính của cơ cấu đo điện từ Cơ cấu đo từ điện có các ưu điểm sau • Góc quay [ của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I nên cơ cấu đo từ điện chỉ sử dụng để đo các đại lượng một chiều • Góc quay [ của khung dây tỷ lệ thuận với dòng điện I nên thang đo được chia các vạch đều nhau • Độ nhạy cơ cấu đo S = bsw là đại lượng không đổi • Cơ cấu đo từ điện có độ chính xác cao có thể đạt đến cấp chính xác 0.5% . vì các phần tử của cơ cấu đo có độ ổn định cao [ ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể vì từ trường của nam châm vĩnh cửu lớn , công suất tiêu thụ nhỏ khoảng từ 25 [w đến 200[w nên không ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo . • Có độ cản dịu tốt • Tuy nhiên cơ cấu đo từ điện có các nhược điểm sau • Cơ cấu đo kiểu từ điện là chế tạo phức tạp , khả năng chịu quá tải kém , cơ cấu đo bị tác động bởi nhiệt độ làm cho phép đo bị sai lệch • Cuộn dây của khung quay thường có thiết diện rất nhỏ cho nên chỉ chịu dòng điện nhỏ đi qua cuộn dây • Đối với loại cơ cấu từ điện dùng dây xoắn thay lò xo kiểm soát dễ hư hỏng khi bị chấn động mạnh hoặc khi di chuyển cho nên cần đệm quá mức cho khung quay khi di chuyển để tránh sự chấn động quá mạnh làm đứt dây xoắn Ứng dụng của cơ cấu đo từ điện • Cơ cấu đo từ điện thường được sử dụng trong các trường hợp sau • Dùng để chế tạo các ampe kế , volt kế , ohm kế với nhiều thang đo và dải đo rộng • Chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao , có thể đo được cường độ dòng điện 10-12 A và điện áp đến 10-4 V • Chế tạo các loại dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng điện và điện áp cũng như tần số có thể lên đến 15KHz • Cơ cấu đo từ điện còn dùng để làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng khơng điện • Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự như volt kế điện tử , tần số điện tử , pha kế điện tử . . . • Kết hợp với các bộ biến đổi như cầu chỉnh lưu , cảm biến , cặp nhiệt để có thể đo các đại lượng xoay chiều [ dòng và áp xoay chiều ] 2.1.5 Cơ cấu điện từ Cơ cấu đo điện từ còn được gọi là cơ cấu có miếng sắt di động Cấu tạo cơ cấu đo điện từ Cơ cấu đo điện từ có hai loại là loại hút và loại đẩy • Cơ cấu đo điện từ loại hút Gồm có cuộn dây cố định , miếng sắt di động trong vùng từ trường do cuộn dây tạo ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây . Nếu từ trường tạo ra càng lớn thì miếng sắt càng bị hút mạnh vào và kim chỉ thị càng bị lệch nhiều để cân bằng lực hút , ta gắn thêm lò xo kiểm sốt đối kháng lại . Khi khơng có dòng điện chạy qua cuộn dây , từ trường sẽ khơng còn nên kim chỉ thị sẽ trở về vị trí cân bằng ban đầu Sự chuyển động của kim chỉ thị cũng được đệm để làm dịu , bộ phận đệm gồm một lá nhơm gắn chặt với kim chỉ thị di chuyển trong buồng được che kín • Cơ cấu đo điện từ loại lực đẩy Gồm có miếng sắt di động được gắn chặt với trục quay , còn miếng sắt cố định được gắn với vách trong của nòng cuộn dây . Khi có dòng điện chạy qua sẽ từ hóa 2 miếng sắt có cùng cực tính cho nên 2 miếng sắt sẽ đẩy nhau , khi đó miếng sắt di động sẽ di chuyển Thang chiaKim chỉ thòLò xo kiểm soátCuộn dâyLá thép di độngLá thép cố đònhNguyên lý làm việc Cơ cấu điện từ là loại lực hút và đẩy có cùng nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây , trong cuộn dây xuất hiện moment quay và được xác định theo biểu thức Mq = Năng lượng điện được xác định We = Trong đó L là điện cảm của cuộn dây Do đó Mq = Khi kim ở vị trí cân bằng , moment quay bằng với moment cản = D.α Hay α = I2 Đặc tính của cơ cấu đo điện từ Từ biểu thức trên , ta có một số nhận xét sau • Góc quay [ của khung dây tỷ lệ với bình phương dòng điện và không phụ thuộc vào chiều dòng điện nên cơ cấu đo điện từ có thể đo đại lượng dòng điện và điện áp một chiều và xoay chiều có tần số lên đến 10.000 Hz • Do góc quay khung dây tỷ lệ bình phương với dòng điện nên thang đo chia vạch không đều và phụ thuộc vào tỷ số [ đây là đại lượng phi tuyến ] . Thực tế , người ta tính toán sao cho góc lệch [ của khung dây thay đổi thì tỷ số thay đổi theo qui luật ngược với bình phương dòng điện . Nghĩa là ta phải tính toán và lựa chọn kích thước , hình dáng lõi động của mạch từ và vị trí đặt cuộn dây cho phù hợp Để cản dịu , cơ cấu đo điện từ thường sử dụng không khí hoặc cảm ứng Đặc tính của cơ cấu đo điện từ Cơ cấu đo điện từ có những ưu điểm sau • Cấu tạo đơn giản • Độ tin cậy cao • Khả năng quá tải lớn • Có thể đo được dòng điện và điện áp một chiều và xoay chiều • Tuy nhiên cơ cấu đo điện từ cũng có nhược điểm sau • Tiêu thụ năng lượng trong quá trình đo lớn • Độ chính xác không cao nhất là khi đo đại lượng một chiều sẽ có sai số lớn do hiện tượng từ trễ và từ dư có trong mạch từ • Độ nhạy thấp Chu nh hng ca t trng ngoi do t trng ca c cu o yu khi o dũng in nh ng dng ca c cu o kiu in t Thng c s dng ch to cỏc loi ampe k , volt k o dũng in v in ỏp xoay chiu tn s in cụng nghip vi cp chớnh xỏc 1.0 v 1.5 hoc cỏc c cu o phũng thớ nghim vi cp chớnh xỏc 0.5 v 1.0 i vi cỏc i lng xoay chiu cú tn s cao v hi cao , ta phi tớnh toỏn cỏc mch bự tn s gim thiu sai s 2.1.6 C cu o in ng Cu to c cu o in ng Phn tnh gm cun dõy c chia thnh 2 cun ni tip nhau to ra t trng khi cú dũng in chy qua cun dõy . Hai cun dõy c t cỏch nhau mt khong cun dõy ng nm trong khong ny v chu nh hng ca t trng o cun dõy dõy tnh to ra Phn ng gm mt khung dõy t trong lũng cun dõy tnh . Khung dõy c gn vi trc quay , trc quay cú gn lũ xo cn du v kim ch th . Trc quay c t xuyờn qua khe h khong khụng ca cun dõy tnh Phn ng v phn tnh c c bc kớn bng mng chn trỏnh nh hng ca t trng ngoi lm sai lch giỏ tr o Thụng thng cun dõy di ng khụng cú lừi st non [ nh c cu t in ] m l lừi khụng khớ cho nờn trỏnh c hin tng t tr v dũng in xoỏy . Khi c s dng o dũng in xoay chiu cun dõy phn tnh v phn ng c ni vi nhau nh th no thỡ ph thuc vo s s dng ca c cu o kiu in ng c s dng lm ampe k , volt k hoc watt k .Nguyờn lý lm vic Khi cú dũng in chy qua cun dõy tnh , trong lũng cun dõy xut hin t trng , t trng ny tỏc ng lờn dũng in chy trong khung dõy v to nờn moment quay lm cho phn ng quay i mt gúc . Khi cú dũng in mt chiu i vo cun dõy tnh . Moment quay c xỏc nh theo biu thcMq = = I1 I2 v trớ cõn bng moment quay bng vi moment cn . Ta cú ng thc sau Cuoọn coỏ ủũnh Cuoọn di ủoọng Loứ xo Kim chổ thũ I1 I2 = D . αSuy ra α = I1 I2Khi có dòng điện xoay chiều đi vào cuộn dây tĩnh Moment quay được xác định theo biểu thứcMq = = I1 I2 Do có quán tính nên phần động không kịp thay đổi theo giá trị tức thời . Cho nên , trên thực tế người ta lấy giá trị trung bình trong một chu kỳ [ tương ứng với giá tgrị hiệu dụng ]Ta có Mq = ∫T0Mqt dt Suy ra Mq = I1 I2 cosϕϕ là góc lệch pha giữa hai dòng điện I1 và I2 Ở vị trí cân bằng moment quay bằng với moment cản . ta có đẳng thức sau I1 I2 cosϕ = D . αSuy ra α = I1 I2 cosϕĐặc tính của cơ cấu đo kiểu điện động Ưu điểm của cơ cấu đo kiểu điện động • Cơ cấu đo kiểu điện động có thể sử dụng để đo điện một chiều và xoay chiều • Góc lệch [ của khung dây phụ thộc và tích số giữa hai dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh nên vạch khắc trên thang đ sẽ không đều nhau . Ta có thể thay đổi vị trí các cuộn dây để thay đổi tỷ số theo hàm ngược với dòng điện i1 và i2 nhằm đạt được vạch chia trên thang đo đều nhau , thông thường vạch trên thang đo chỉ đều từ 20% đến 100% [ cuối thang đo ] còn 20% ở phần đầu thang đo sẽ không đều nhau • Moment quay Mq tỷ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện và cos[ nên ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu điện động để làm watt kế [ đo công suất ] • Cơ cấu đo điện động có ưu điểm là có độ chính xác cao khi đo đại lượng xoay chiều vì không sử dụng vật liệu sắt từ nên loại bỏ sai số do dòng điện xoáy tạo ra và hiện tưọng bão hoà từ • Cơ cấu đo kiểu điện động có thể đạt được cấp chính xác 0.05 – 0.1 – 0.2 và chủ yếu là dụng cụ để bàn • Nhược điểm của cơ cấu đo kiểu điện động • Cơ cấu đo kiểu điện động tiêu thụ công suất nên chỉ thích hợp cho việc đo công suất lớn • Moment quay của cơ cấu đo không lớn vì từ trường của bản thân cuộn dây sinh ra nhỏ và từ thông kép kín qua không khí có từ trở lớn vì thế tổn hao từ nhiều . do đó cơ cấu đo kiểu điện động bị ảnh hưởng nhiều bởi từ trường ngoài nên để hạn chế sai số , cơ cấu đo cần có màn chắn bảo vệ C cu o cú nhy thp vỡ mch t yu ng dng ca c cu o kiu in ng C cu o kiu in ng c s dng ch to cỏc ampe k , volt k , watt k mt chiu v xoay chiu vi tn s cụng nghip . ng h o h s cụng sut cos hay gúc lch gia cỏc pha . Khi s dng trong mch xoay chiu tn s cao , ta phi lp thờm mch bự tn s v c cu o ny cú th o c di tn lờn n 20KHz 2.1.7 C cu o cm ng Cu to c cu o kiu cm ng Gm hai phn chớnh l phn ng v phn tnh Phn tnh gm cú hai cun dõy qun trờn mch t [ lừi thộp k thut ] to ra nam chõm in . Khi cú dũng in chy qua cỏc cun dõy s sinh ra t trng múc vũng qua mch t v qua phn ng . S lng nam chõm ớt nht l 2 Phn ng l mt a kim loi thng lm bng nhụm gn vo trc quay v trờn cú mang kim ch th Nguyờn lý hot ng Khi cú dũng in I1 v I2 chy qua, t thụng sinh ra s cm ng lờn da nhụm lm cho trờn da nhụm xut hin dũng in xoỏy . Khi 2 cun dõy ca nam chõm in cú dũng in xoay chiu i1 v i2 cú biờn l I1 v I2 i qua hai cun dõy ca nam chõm in v chỳng lch pha mt gúc . Cỏc dũng in ny to ra t thụng 1 v 2 cú cựng pha vi i1 v i2 . Nh vy 1 to ra sc in ng cm ng E1 v 2 to ra E2 . Sc in ng cm ng E1 lch pha 900 so vi 1 v s cm ng E2 lch pha 900 so vi 2 Trờn da nhụm , s cm ng E1 to ra dũng in xoỏy I'1 [ cú biờn l I1] v s cm ng E2 to ra dũng in xoỏy I2 [ cú biờn l I2 ] cú cựng pha vi sc in ng cm ng phỏt sinh ra dũng in xoỏy ny . cỏc dũng in xoỏy nm trong t trng ca cỏc nam chõm in nờn chỳng s tỏc dng tng h ln nhau , lm xut hin cỏc lc t trờn da nhụm v l xut hin moment lm cho da nhụm quayMoment quay c xỏc nh theo biu thc Mq = C . f . 1 . 2 sinTrong ú C l hng s ca c cu o kiu cm ng hay Mq = K . U . I cos = K . P Cuoọn daõyKhung quayCửùc tửứMoment phản kháng tỉ lệ với tốc độ quay của dĩa nhôm Mpk = K’. N Dĩa nhôm quay đều khi moment quay cân bằng với moment phản kháng Mq = Mpk Hay K . P = K’. N Suy ra N = P Để có được từ thông lớn cần phải có từ trở của mạch từ nhỏ , ngoài ra còn phải chịu đựng được quá tải và chống lại từ trường nhiễu bên ngoài . Hơn nữa chúng ta còn ghi nhận nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến điện trở của dòng điện xoáy trên đĩa và cuộn dây . Do đó cơ cấu này cũng có sai số do nhiệt độ Kết luận • Tốc độ quay của dĩa nhôm tỉ lệ với công suất của phụ tải • Khi Mq > Mpk dĩa nhôm quay nhanh • Khi Mq < Mpk dĩa nhôm quay chậm Đặc tính của cơ cấu đo kiểu cảm ứngƯu điểm của cơ cấu đo kiểu điện động • Có moment lớn • Cấu tạo chắc chắn • Khả năng chịu quá tải cao Nhược điểm của cơ cấu đo kiểu điện động• Độ chính xác thấp do có sai số và do từ trễ nên chủ yếu dùng để đo công suất xoay chiều • Moment quay phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số Đặc tính • Điều kiện để có moment quay là phải có ít nhất hai từ trường • Moment quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha giữa hai từ trường là Φ = • Moment quay phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra từ trường • Cơ cấu đo kiểu cảm ứng chỉ làm việc trong mạch điện xoay chiều Ứng dụng • Cơ cấu đo kiểu cảm ứng chủ yếu dùng để chế tạo công tơ điện [ counter điện ] để đo điện năng tiêu thụ . Đôi khi người ta dùng để đo tần số 2.2 ĐO DÒNG ĐIỆN DC VÀ AC 2.2.1 Khái niệm Trong các đại lượng điện , đại lượng dòng điện và điện áp là các đại lượng cơ bản nhất cho nên trong công nghiệp cũng như trong các nghiên cứu khoa học , người ta luôn quan tâm đến các phương pháp và thiết bị đo dòng điện Ta có thể đo dòng điện bằng phương pháp • Đo trực tiếp • Đo gián tiếp • Phương pháp so sánh [ hay còn gọi là phương pháp bù ] Ở phương pháp đo trực tiếp , ta sử dụng các dụng cụ đo dòng điện như ampe kế miliampe kế hay microampe kế tùy theo cường độ dòng điện cần đo và giá trị đo được đọc trực tiếp trên dụng cụ đo Trong phương pháp đo gián tiếp , ta đo điện áp rơi trên điện trở mẫu được mắc trong mạch cần đo dòng điện . Thông qua tính toán , ta sẽ xác định được dòng điện cần đo [ Áp dụng định luật Ohm ] Ở phương pháp so sánh , ta so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu chính xác . Ở trạng thái cân bằng của dòng điện cần đo và dòng điện mẫu , kết quả được đọc trên mẫu . Ta có thể sử dụng phương pháp so sánh trực tiếp và phương pháp so sánh gián tiếp Khi đo dòng điện , ta mắc dụng cụ đo nối tiếp với mạch điện cần đo [ nối tiếp với tải ] . Vì thế ampe kế sẽ lấy một phần năng lượng của mạch đo nên sẽ gây ra sai số trong quá trình đo Phần năng lượng này còn gọi là công suất tiêu thụ của ampe kế và được tính theo biểu thức PA = IA2 . RATừ biểu thức trên , ta nhận thấy công suất tiêu thụ của dụng cụ đo càng nhỏ thì sai số của phép đo càng nhỏ nghĩa là điện trở của cơ cấu đo càng nhỏ càng tốt Đối với dụng cụ đo dòng điện xoay chiều , do tần số [ XL = 2 ω f L : Là thành phần trở kháng của cơ cấu đo ] ảnh hưởng đến cơ cấu đo . Cho nên người ta thiết kế cơ cấu đo làm việc ở dải tần số nhất định để đảm bảo cấp chính xác cho cơ cấu đo 2.2.2 Đo dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều , ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu điện từ , từ điện hay điện động . Thông thường ta sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện vì có độ nhạy cao lại tiêu thụ năng lượng ít khoảng 0.2 đến 0.4W và vạch chia trên thang đo được chia đều nên dễ đọc . Mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải như hình vẽ Gọi I Là dòng điện qua phụ tải khi chưa mắc ampe kế [ khi khoá K đóng ]IA Là dòng điện qua phụ tải khi mắc ampe kế [ khi khóa K hở ]RA Là điện trở nội của ampe kế R Là điện trở của phụ tải U Là điện áp nguồn cung cấp cho mạch điện Ta có I = và IA = Sai số tương đối ∆% = 100% = 100%Kết luận Từ biểu thức trên , ta nhận thấy khi mắc ampe kế vào mạch , phép đo sẽ có sai số do dụng cụ đo có nội trở . Sai số này nhỏ khi nội trở của ampe kế nhỏ để giảm bớt tổn hao [ Càng nhỏ càng tốt , muốn vậy khung dây ampe kế được quấn ít vòng dây nhưng tiết diện phải lớn ]2.2.3 Đo dòng điện xoay chiều Như đã trình bày ở trên , cơ cấu điện từ và điện động đều hoạt động được với dòng xoay chiều. Do đó có thể dùng cơ cấu này trực tiếp hoặc mở rộng tầm đo dòng như đã đề cập ở phần trên. Riêng cơ cấu từ điện khi dùng ta phải biến đổi dòng AC thành DC bằng cách dùng diode để chỉnh lưu dòng điện . Số lượng diode có thể là 1 [ nắn bán kỳ ] hoặc 4 diode [ nắn toàn kỳ ] Dòng điện qua diode nối tiếp với cơ cấu từ điện là dòng điện xoay chiều đã chỉnh lưu thành dòng một chiều. Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu AIACIDCChænh löu duøng 1 diodeA- +Nếu dòng điện xoay chiều có dạng i = im sinωt• Khi đó nếu dùng phương pháp chỉnh lưu bán kỳ [ dùng 1 diode ] thì Icltb = 0.318Ihd • Nếu dùng phương pháp chỉnh lưu toàn kỳ [ dùng cầu diode ] thì Icltb = 0.636Ihd • Trường hợp dòng điện ac có dạng bất kỳ thì Icltb có trị số phụ thuộc vào dạng và tần số của tín hiệuĐể mở rộng tầm đo cho cơ cấu đo từ điện ta cũng cò thể sử dụng điện trở shunt . Giá trị điện trở shunt được xác định nếu dòng điện xoay chiều có dạng sin ]RMS[I2318,0IRVRSmaxmDS+=Ngoài việc sử dụng điện trở shunt , ta còn có thể mở rộng tầm đo bằng cách dùng biến dòng CT CT có số vòng dây cuộn sơ cấp W1 rất ít so với số vòng dây cuộn thứ cấp W2 . Khi thay đổi số vòng dây sẽ thay đổi thang đo theo tỉ số Ta nhận thấy dòng điện tải [ dòng điện sơ cấp ] I1 có giá trị lớn hơn dòng điện qua cơ cấu đo [ dòng điện thứ cấp ] rất nhiều , thường từ 25 đến hàng trăm lần 2.2.4 Mở rộng tầm đo dòng điện DC và ACTrong quá trình đo dòng điện , đôi khi giá trị cần đo lớn hơn giới hạn cho phép của cơ cấu đo , khi đó ta phải mở rộng thang đo cho ampe kế . Phương pháp phổ biến là dùng điện trở shunt , điện trở shunt thường làm bằng manganin mắc song song với cơ cấu đo [ Thông thường dòng điện đi qua điện trở shunt lớn hơn dòng điện đi qua cơ cấu đo rất nhiều ] Khi có điện trở shunt trong mạch đo , dòng điện phân nhánh vào khung quay và điện trở shunt tỉ lệ nghịch với giá trị điện trở của chúng . Để thay đổi giới hạn khung đo của ampe kế , ta thay đổi giá trị điện trở shunt . Ta có thể điều chỉnh giá trị điện trở shunt để phù hợp cho từng giá trị dòng điện cần đo = hay Rs = RtaûiARSISIIAIIttế = IA + IS Có hai loại điện trở shunt • Điện trở shunt gắn trong • Điện trở shunt gắn ngoàiĐiện trở shunt gắn trong được chế tạo để đặt trong ampe kế đo dòng điện có giá trị nhỏ hơn 30A Điện trở shunt gắn ngoài là bộ phận điện trở gắn ngoài đi kèm với ampe kế bộ điện trở shunt ngoài được đặt trong một hộp riêng để đảm bảo điều kiện tỏa nhiệt . Với bộ điện trở shunt gắn ngoài ta có thể đo dòng điện có cường độ từ vài ampe đến 10KA . Shunt gắn ngoài có 4 cực , 2 cực nhỏ còn gọi là cực áp gắn vào ampe kế và 2 cực lớn còn gọi là cực dòng đấu với cực cần đo dòng điện . Khi sử dụng , ta cần lưu ý các cực này tránh nhầm lẫn để không làm hư cơ cấu đo Để có nhiều cấp đo dòng điện khác nhau [ nhiều thang đo ] , ta có thể mắc các điện trở shunt độc lập [ Hình 1 ] hoặc nối tiếp [ Hình 2 ]. Đối với điện trở shunt mắc nối tiếp , giá trị điện trở thành phần được xác định theo biểu thức RK = RA [ - ]Tính toán điện trở shunt để mở rộng thang đo Gọi n là hệ số điều chỉnh dòng điện [ là tỷ số giữa dòng điện phụ tải và dòng điện qua ampe kế ] n = = = 1 + Ta có = Suy ra Rs = Như vậy để mở rộng thang đo , ta mắc điện trở shunt có giá trị nhỏ hơn điện trở của cơ cấu đo [ n – 1 ] lần Ví dụ Một cơ cấu đo có giá trị giới hạn đo là Imax = IA = 50µA , điện trở nội của cơ cấu đo là R0 = 300Ω . Tính các giá trị của điện trở shunt để có thang đo 100µA , 1mA và 10mA RS1IS1RtaûiIIRS2RS3IS2IS3AIARS1IS1RtaûiIIRS2RS3AIAIS2IS3Giải Hệ số điều chỉnh dòng điện ở từng thang đo tương ứng là Thang đo 100µA n1 = = = 2 Thang đo 1mA n2 = = = 20 Thang đo 10mA n3 = = = 200 R1 = RA [ - ] R1 = 300 . . [ - ] = 270 ΩTương tự ta có R2 = 27 Ω R3 = 3 Ω Đối với ampe kiểu điện từ được chế tạo dựa trên cơ cấu đo chỉ thị điện từ . Mỗi cơ cấu đo được chế tạo với số ampe vòng IW nhất định . • Đối với cơ cấu đo có cuộn dây hình xuyến thường có ampe vòng là IW = 200 A.vòng• Đối với cuộn dây dẹp có ampe vòng là IW = 100 ÷ 150 A.vòng • Đối với mạch từ khép kín có ampe vòng là IW = 50 ÷ 1000 A.vòngKết luận Muốn mở rộng thang đo của ampe kế điện từ chỉ cần thay đổi sao cho IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = . . . = WNIN = constVí dụ Một ampe kế điện từ có IW = 300 A.vòng có 3 tầm đo [ thang đo ] là I1 = 1A I2 = 5A và I3 = 10A . Xác định số vòng dây ở từng phân đoạn Giải Ta có IW = W1I1 = W2I2 = W3I3 = 300 A.vòngKhi đó ta xác định được số vòng ở từng phân đoạn cho từng thang đo Ở thang đo I1 = 1A là W1 = = 300 vòng Ở thang đo I2 = 5A là W2 = = 60 vòng Ở thang đo I1 = 10A là W3 = = 30 vòng Ampe kế điện từ có nhiều thang đo được chế tạo bằng cách chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau , khi thay đổi cách nối ghép các phân đoạn này song song hay nối tiếp ta sẽ có các thang đo khác nhau Kết luận Ampe kế điện từ có nhiều nhất là ba thang đo vì khi tăng số lượng thang đo lên việc bố trí mạch chuyển thang đo sẽ phức tạp nên khó thể thực hiện Ví dụ Một ampe kế điện từ có 2 thang đo , ta chia cuộn dây tĩnh thành hai phân đoạn bằng nhau • Nếu nối tiếp 2 phân đoạn này ta sẽ được dòng điện là I1 • Nếu đấu song song hai phân đoạn này ta sẽ được dòng điện là I2 = 2I1 Việc mở rộng tầm đo cho cơ cấu điện động : Mắc điện trở shunt song song với cuộn dây di động [ Tương tự như mở rộng tầm đo cho cơ cấu từ điện ]Để thuận tiện cho việc đo cường độ dòng điện lớn và hạn chế thao tác khi đo , người ta sử dụng ampe kềm là một dạng kết hợp đặc biệt của cơ cấu đo với biến dòng . Ampe kềm là thiết bị đo dòng điện rất tiện lợi vì khi cần đo dòng điện chạy qua một dây dẫn nào đó, ta không cần ngắt mạch điện để mắc dụng cụ đo vào như các loại ampe kế khác . Mạch từ của máy biến dòng trong ampe kế kềm có thể đóng mở được như một chiếc kềm. Khi cần đo dòng điện chạy qua dây dẫn [ phụ tải ], ta cho dây dẫn vào mạch từ khép kín , dây dẫn có dòng điện cần đo lúc này đóng vai trò cuộn dây sơ cấp của máy biến dòng với số vòng W1 = 1vòng . Trên mạch từ ta mắc thêm cuộn thứ cấp W2 vòng , hai đầu cuộn thứ cấp được nối với cơ cấu đo [ Đôi khi được mắc thêm vào mạch điện tử để khuếch đại dòng điện lấy ra từ thứ cấp của CT ] . Theo nguyên lý hoạt động của biến dòng, ta có = Do W1 = 1 vòng nên I2 = Lưu ý • Khi đo dòng điện chạy qua động cơ cần lưu ý đến dòng khởi động để chọn thang đo thích hợp [ Ikđ = 3 - 7 Iđm ] • Khi sử dụng ampe kềm muốn chuyển tầm đo phải tách kềm ra khỏi mạch cần đo, ampe kềm chỉ đo được dòng xoay chiều. • Khi sử dụng CT , tuyệt đối không để hở mạch thứ cấp vì lúc đó điện áp ở 2 đầu mạch thứ cấp có thể rất lớn gây nguy hiểm cho thiết bị và người sử dụng.I1I2 = 2I1I2ARS+RtaûiI2.3 ĐO ĐIỆN ÁP2.3.1 Đo điện áp một chiều Các cơ cấu đo từ điện, điện từ, điện động đều hoạt động với dòng xoay chiều nên được dùng để chế tạo nên volt kế một chiều . Trong các cơ cấu đo trên , cơ cấu đo kiểu từ điện được sử dụng nhiều hơn cả vì có độ chính xác cao và tiêu tốn ít năng lượng [ tổn hao thấp ] nhưng cơ cấu này có nhược điểm là điện áp định mức khoảng từ 50 mV đến 75mV . Cho nên khi đo điện áp lớn hơn giá trị định mức , ta phải mắc thêm điện trở shunt nối tiếp với cơ cấu đo Thiết bị dùng để đo điện áp được gọi là volt kếVolt kế được mắc song song với phụ tảiKhi điện áp cần đo tạo ra dòng điện nằm trong giới hạn dòng tối đa của cơ cấu , thì ta có thể đo trực tiếp . Khi điện áp cần đo lớn, ta phải mở rộng tầm đo cho volt kếKhi mắc volt kế vào mạch điện , volt kế sẽ tiêu thụ một phần điện năng nên gây ra sai số trong quá trình đo Xét mạch điện như hình vẽ UvRtaûi KKItaûi I IVKhi chưa mắc volt kế vào mạch [ khoá K hở ] , điện áp rơi trên tải là Utải = RtảiKhi mắc volt kế vào mạch [ khóa k đóng ] , điện áp rơi volt kế U = IV . RV = Itải . Rtải I = IV + Itải = It [ 1 + ] Nếu I = Itải thì phép đo chính xác nhất . Từ biểu thức trên , ta thấy để phép đo đạt được chính xác khi = 0 hay RV >> Rtải Công suất tiêu hao trên volt kế ∆P = Như vậy , để công suất tiêu hao trên volt kế nhỏ thì nội trở của volt kế phải rất lớn [ lớn hơn điện trở tải càng nhiều càng tốt ] Sơ đồ hình trên sử dụng một điện trở shunt mắc nối tiếp với cơ cấu đo để giảm điện áp đặt lên cơ cấu đo Ta có Iv = = U = Uv + Us U = [ 1 + ] Uv Gọi kv là hệ số mở rộng thang đo . khi đó ta có KV = Suy ra U = KV UV hay KV = 1 + Để tăng tính linh hoạt cho cơ cấu đo có thể đo được ở nhiều thang đo , ta sử dụng bộ điện trở shunt gồm nhiều điện trở shunt có giá trị khác nhau được mắc nối tiếp với nhau hoặc mắc độc lập với nhau như hình vẽ UvRtaûi UVItaûi I IVUSR1R2R3UVĐể hạn chế sai số trong quá trình đo , điện trở shunt thường được chế tạo bằng manganin là vật liệu ít thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ Ví dụ Một cơ cấu đo từ điện có dòng điện cực đại của khung đo là 60mA , điện trở của cơ cấu đo là RV = 10 Ω . Tính giá trị điện trở Shunt gắn thêm vào để khung đo lệch hết kim khi đo nguồn điện áp 30V Giải Ta có IV = Suy ra RS = - RV Thay các giá trị vào , ta được RS = 490 ΩNhư vậy để kim lệch hết khung đo khi đo nguồn điện 30V thì điện trở shunt cần mắc thêm vào phải có giá trị là RS = 490 Ω2.3.2 Đo điện áp xoay chiều Để đo điện áp xoay chiều , ta có thể sử dụng cơ cấu đo kiểu từ điện , điện từ hay điện động kết hợp với chỉnh lưu Cơ cấu đo điện từ mặc dù độ chính xác không cao nhưng giá thành hạ nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp . Do yêu cầu điện trở nội của cơ cấu đo phải lớn nên số lượng vòng dây quấn trên cuộn tĩnh rất lớn từ 1000 đến 6000 vòng với cỡ dây nhỏ [ do dòng điện qua cuộn dây này nhỏ ] Để mở rộng thang đo cho cơ cấu đo , ta sử dụng điện trở shunt [ giống như đo dòng điện một chiều ] Khi đo điện áp xoay chiều ở tần số cao sẽ xuất hiện sai số do tần số . Để khắc phục hiện tựơng này , ta gắn các tụ điện song song với điện từ các điện trở shunt như hình vẽ R1 R2 R3UVR1R2R3UVR1 R2 R3UVC1 C2 C3Riêng đối với điện áp lớn hơn 600 V ta có thể sử dụng biến áp đo lường tu kết hợp với cơ cấu đo . Ta dùng biến áp đo lường để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp . Việc sử dụng biến áp đo lường VT có ưu điểm là đảm bảo an toàn trong quá trình đo và tạo ra điện áp phù hợp với điện áp cơ cấu đo Nguyên lý hoạt động của biến áp đo lường VT giống như biến dòng CT KU = = ≈ Hay U1 = KU . U2 Khi biết giá trị U2 , ta sẽ xác định được giá trị thực của điện áp cần đo [ KU được ghi trên biến áp đo lường ] Lưu ý khi sử dụng biến áp đo lường Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị , cuộn dây thứ cấp được nối đất bảo vệ . Do tính chất máy biến áp là tần số phía sơ cấp và thứ cấp bằng nhau nên khi cần đo tần số phía sơ cấp ta tiến hành đo tần số phía thứ cấp . Việc này thực hiện tương đối đơn giản và an toàn vì điện áp thứ cấp nhỏ hơn rất nhiều so với điện áp phía sơ cấp [ thường là cao áp ] . Các máy biến điện áp được chế tạo với công suất từ 25 – 1000VA và điện áp thứ cấp phù hợp với các dụng cụ đo từ 1 đến 100V [ thông thường người ta qui định điện áp thứ cấp U2 định mức là 100V ] Do tổng trở của các dụng cụ đo nối với thứ cấp rất lớn nên máy biến điện áp được chế tạo để làm việc ở trạng thái không tải vì thế không được nối thứ cấp với đồng hồ đo ampe hay để bị nối tắt [ ngắn mạch thứ cấp ] vì nến bị ngắnn mạch thứ cấp sẽ tạo ra dòng điện rất lớn phía sơ cấp gây nên sự cố ngắn mạch trên lưới điện và tuyệt đối không được nối thứ cấp với phụ tải Ví dụ Xác định điện áp của nguồn điện cấp cho phụ tải , biết rằng điện áp hiển thị trên cơ cấu đo là 50V và tỷ số biến áp đo lường là KU = 100 Giải Ta có U1 = KU . U2 = 100 . 50 = 5000 V Như vậy điện áp nguồn cung cấp cho phụ tải có giá trị là 5000V Do cơ cấu đo từ điện chỉ đo được điện áp một chiều , vì thế để đo điện áp xoay chiều bằng cơ cấu đo kiểu từ điện ta phải chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện một chiều Để hạn chế sai số , người ta gắn điện trở shunt vừa có tác dụng mở rộng thang đo vừa có tác dụng bù nhiệt nên điện trở R1 được làm bằng đồng và R2 được làm bằng R1R2 C2R1R2RSLVU2W2W1U1manganin còn tụ điện C dùng để bù sai số do tần số , ta cũng có thể thay tụ điện C bằng cuộn kháng L như hình vẽ Mạch chỉnh lưu có thể sử dụng một diode , hai diode hay bốn diode [ cầu diode ] trong mạch chỉnh lưu dùng 2 diode , diode D2 được gắn ngược cực để tránh cho diode D1 chịu được điện áp ngược ở bán kỳ âm của hiệu điện thế xoay chiều [ chỉ có bán kỳ dương của điện áp xoay chiều qua cơ cấu đo ]Volt kế điện động có cấu tạo tương tự như ampe kế điện động , nhưng số vòng dây ở cuộn tĩnh nhiều hơn và cỡ dây nhỏ hơn do volt kế cần điện trở nội lớn để hạn chế sai số trong quá trình đo . Ở volt kế điện động , cuộn dây tĩnh và cuộn dây động luôn mắc nối tiếp nhau . Nghĩa là I1 = I2 = I = Phương trình đặc tính thang đo của cơ cấu đo điện động cho volt kế được viết như sau α = . Với ZV là tổng trở toàn mạch của volt kế D1D1D2R2Chỉnh lưu bán kỳ Chỉnh lưu toàn kỳ 2 diodeChỉnh lưu cầu diodeA1A2BK12K12K12RPRP300 V150VUC C