Ngày 25/03/2015 18:45:32 / Lượt xem: 17456 / Người đăng: hqdt / Tác giả: Đổng Thị Thanh Hoa - K62C CĐTB
/ Nguồn: Khoa SPKT trường Đại học Sư phạm Hà Nội

Cơ sở lý thuyết cấu tạo đồng hồ đo lường điện

Phần 1 : Cơ cấu chỉ thị

1.Cấu trúc dụng cụ đo lường điện tử
     Các đồng hồ đo lường các đại lượng điện rất da dạng phong phú nhưng chúng đều được cấu tạo từ các bộ phân cơ bản như hình sau:

Hình 1: Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường điện tử

+ CĐSC- Khâu chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo lường.
+ MĐ- Mạch đo: là khâu gia công tính toán sau CĐSC, làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện phép tính trên sơ đồ mạch.
+ CT- Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị con số so với đơn vị đo.

2. Các cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo lường điện tử
     Cơ cấu chỉ thị (CCCT) của các đồng hồ đo lường các đại lượng điện được chia thành hai nhóm chính:
    -  Nhóm chỉ thị bằng kim (hay còn gọi CCCT cơ điện) gồm có CCCT từ điện, điện từ và điện động
    -   Nhóm chỉ thị số
 + CCCT từ điện
     Cơ cấu chỉ thị (CCCT) từ điện được cấu tạo gồm hai thành phần cơ bản như hình vẽ  dưới đây:
    Phần tĩnh: là một nam châm vĩnh cửu (hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ (bằng sắt non). Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất nhỏ.
    Phần động: Khung dây được quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục, quay trong khe hở không khí.

Hình 2: Cơ cấu chỉ thị từ điện

+ CCCT điện từ
     Dưới đây là sơ đồ cấu tạo CCCT điện từ (Hình 1.9) (bên trái là hình chiếu bằng). Cơ cấu chỉ thị (CCCT) điện động được cấu tạo gồm hai phần như hình vẽ dưới đây:
Phần tĩnh: Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây quấn quanh lá thép cố định (gọi là lá thép tĩnh), bên trong có khe hở không khí .
Phần động: Lá thép có khả năng di chuyển tương đối (gọi là lá động) với lá tĩnh trong khe hở không khí. Lá động gắn với trục trên có gắn kim và lò xo phản kháng.

Hình 3: Cơ cấu chỉ thị điện từ

+ CCCT điện động
     Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động

Hình 4: Cơ cấu chỉ thị điện động

Phần tĩnh là cuộn dây được chia thành hai phần nối tiếp nhau tạo ra từ trường đều khi có dòng chạy qua nó.
Phần động:khung dây được quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục quay.

+ CCCT hiển thị số
  Chúng ta sử dụng LED 7 thanh hoặc màn hình LCD để hiển thị kết quả đo.

Hình 5: Cơ cấu chỉ thị hiển thị số

Phần 2 : Ampe kế

1) Khái niệm chung về đo dòng điện
    Dòng điện cần đo có các trị số biểu thị đặc tính là : trị số đỉnh (biên độ), trị số hiệu dụng, trị số trung bình.
    Trị số đỉnh (Im): là giá trị tức thời cực đại của dòng điện trong khoảng thời gian quan sát (hay một chu kì). Đối với dòng điện có cực tính không đối xứng thì có hai giá trị đỉnh: đỉnh dương và đỉnh âm. Với dòng điện xoay chiều điều hòa thì trị số đỉnh chính là trị số biên độ.
    Trị số hiệu dụng (Irms): là giá trị trung bình bình phương của dòng điện tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kì).
    Trị số trung bình (Itb): là trị số trung bình cộng các giá trị tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kì)   
     Dụng cụ dùng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet. Kí hiệu như hình sau:

Yêu cầu chung đối với dụng cụ đo dòng điện
+ Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng bằng 0.
+  Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo.
+ Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo

2. Ampe kế một chiều cơ bản
       Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu dòng rất kém. Thông thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10-4 A÷ 10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20Ω ÷ 2000Ω với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; 0,05

       Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta mắc thêm điện trở SUN song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị như sau:

Chú ý: Điện trở SUN được chế tạo bằng Manganin (hồn hợp gồm 55% đồng và 45% nikel) có độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu đo ít nhất 1 cấp.

Khi Ampe kế có nhiều thang đo ta có thể mắc theo hai cách:

   +  Mắc điện trở SUN kiểu nối tiếp (Hình a)
   +  Mắc điện trở SUN kiểu song song (Hình b)

a. Sơ đồ mắc điện trở SUN kiểu nối tiếp       b. Sơ đồ mắc điện trở SUN kiểu song song

Hình 1: Mở rộng thang đo cho Ampe kế

Tính điện trở SUN ứng với dòng cần đo được xác định theo công thức:

       Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trường thay đổi và sau một thời gian làm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo ra nhiệt độ. Để giảm ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, người ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ như sau:

Hình 2: Mắc điện trở bù nhiệt độ

3. Ampe kế xoay chiều cơ bản
   Để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta thường sử dụng ampe kế từ điện chỉnh lưu, ampe kế điện từ, và ampe kế điện động.
- Ampe kế từ điện chỉnh lưu
            Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động. Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình phương Irms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau:

Hình 3: Mạch Ampe kế chỉnh lưu từ điện

Chú ý: Giá trị dòng kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhưng thang khắc độ thường theo giá trị rms
     Ampe kế có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số. Có thể sử dụng sơ đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho ampe kế chỉnh lưu như sau:

Hình 4: Sơ đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho Ampe kế chỉnh lưu từ điện

-  Ampe kế điện động
     Ampe kế điện động là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện động. Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song. Đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 ÷ 2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 – 0,2).

Hình 5: Sơ đồ Ampe kế điện động

   Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt (thường làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau). Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2 nên máy đo chỉ giá trị rms. Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể đọc thang đo của dụng cụ như dòng một chiều hoặc xoay chiều rms.

-  Ampe kế điện từ
      Ampe kế điện từ dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W hằng số). Do đó khi đo dòng có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn người ta mắc các cuộn dây song song.    

Hình 6: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Ampe kế điện từ

Phần 3 : Vôn kế

1. Khái niệm chung về đo điện áp
         Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter). Kí hiệu như sau:
Yêu cầu chung đối với dụng cụ đo điện áp:
   +  Mắc Vôn kế đo điện áp phải mắc song song với đoạn mạch cần đo
   +  Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của Vôn kế càng lớn càng tốt và lý tưởng RV=∞.
   +  Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo.

Kí hiệu Vôn kế trên sơ đồ.

2. Vôn kế một chiều
     Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với dòng qua cuộn dây động. Dòng qua cuộn dây tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây. Nên coi Vôn kế  là ampe kế dòng rất nhỏ với điện trở rất lớn. Điện áp định mức của cơ cấu chỉ thị  khoảng 50mV ÷ 75mV nên cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (còn gọi là điện trở nhân) để làm tăng  khoảng đo của Vôn kế.

Hình 1: Mắc điện trở phụ nối tiếp cơ cấu chỉ thị

Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ được mắc như sau:

3. Vôn kế xoay chiều
-  Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều
     Sử dụng cơ cấu từ điện thì dụng cụ có tính phân cực và phải mắc đúng sao cho độ lệch dương (trên thang đo). Để sử dụng dụng cụ đo từ điện làm thành dụng cụ đo xoay chiều người ta phải sử dụng các bộ chỉnh lưu (nửa sóng hoặc toàn sóng) để các giá trị của dòng chỉ gây ra độ lệch dương.
(Tham khảo thêm phần Ampe kế từ điện đo dòng xoay chiều)
Chú ý: để bù sai số do nhiệt và khi tần số thay đổi người ta mắc thêm vào mạch các điện trở làm bằng đồng hoặc maganin để bù nhiệt kết hợp với cuộn cảm và tụ bù tần số
- Vôn kế từ điện
Là dụng cụ để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Cuộn dây tĩnh có số vòng dây rất lớn từ 1000 – 6000 vòng. Để mở rộng thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ.
Các tụ C được mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp.

Hình 2: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Vôn kế từ điện

- Vôn kế điện động
     Cuộn kích được chia làm 2 phần nối tiếp nhau và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 tức giá trị tức thời rms.

Hình 3: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Vôn kế điện động

Đặc điểm của Vôn kế điện động:

 + Tác dụng của dòng rms giống như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều
 + Dụng cụ điện động thường đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho CCTT nên Vôn kế điện động có độ nhạy thấp hơn nhiều so với Vôn kế từ điện (chỉ khoảng 10Ω/V)
+  Để giảm thiểu sai số chỉ nên dùng ở khu vực tần số công nghiệp

Phần 4 : Ohm kế

1. Khái niệm chung về đo điện trở
Có 2 phương pháp đo thông số điện trở của mạch là đo trực tiếp vμ đo gián tiếp.
Đo gián tiếp: sử dụng ampe kế và vôn kế đo dòng và áp để từ các phương trình và định luật suy ra thông số điện trở hay 

Hình 1: Sơ đồ mắc Ampe kế và Vôn kế đo điện trở dựa theo định luật Ohm

Hình 2: Sơ đồ mắc Ampe kế hoặc Vôn kế cùng điện trở mẫu đo điện trở

Đo trực tiếp: dùng các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo gọi là Ohmmet hay Ohm kế.

2. Ohm kế
       Khi đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp như trên sai số của phép đo sẽ lớn vì nó sẽ bằng tổng các sai số do các dụng cụ gây ra. Để giảm thiểu sai số không mong muốn người ta chế tạo dụng cụ đo trực tiếp giá trị của điện trở gọi là Ohm met hay Ohm kế.
 Ohm kế là dụng cụ đo có cơ cấu chỉ thị từ điện với nguồn cung cấp là pin và các điện trở chuẩn.
- Ohm kế nối tiếp
      Ohm kế nối tiếp mắc điện trở cần đo Rx nối tiếp với cơ cấu chỉ thị CCTT. Ohm kế loại này thường dung để đo giá trị điện trở Rx cỡ từ Ω trở lên.- Rp là điện trở phụ bảo vệ CCTT, đảm bảo khi Rx = 0 dòng điện qua cơ cấu đo lớn nhất (hết thang chia độ)
- Điện trở trong của Ohm kế

Hình 3: Ohm kế nối tiếp

Đặc điểm của Ohm kế nối tiếp:
+ Thang chia của Ohm kế nối tiếp ngược chiều với thang chia của Ampe kế và Vôn kế.

 + Chỉ số Ohm kế phụ thuộc vào nguồn pin bên trong nên để giảm sai số này, ta mắc thêm chiết áp Rm.
     Để kết quả chính xác dù pin bị yếu đi, mỗi lần sử dụng Ohm kế ta đều thực hiện thao tác điều chỉnh zero động / ADJ: ngắn mạch đầu vào (cho Rx = 0 bằng cách chập hai đầu que đo với nhau), vặn núm điều chỉnh của Rm để kim chỉ zero trên thang đo.

Hình 4: Sơ đồ Ohm kế nối tiếp sử dụng chiết áp Rm

- Ohm kế song song

     Ohm kế song song mắc điện trở cần đo Rx song song với cơ cấu chỉ thị CCTT. Ohm kế loại này thường dung để đo giá trị điện trở Rx nhỏ.

Hình 5: Sơ đồ Ohm kế song song sử dụng chiết áp Rm

Đặc điểm của Ohm kế song song:
     Thang chia của Ohm kế song song cùng chiều với thang chia của Ampe kế và Vôn kế và không tuyến tính
    Để đảm bảo kết quả chính xác mắc thêm chiết áp Rm.