TS NGUYỄN HỮU CÔNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LỜI GIỚI THIỆU Quyển sách nhằm mục đích cung cấp kiến thức thiết bị phương pháp đo lường đại lượng điện Nội dung giáo trình phục vụ cho sinh viên ngành Điện - Điện tử - Máy tính trường đại học Đồng thời giúp ích cho sinh viên chuyên ngành khác cán kỹ thuật có quan tâm đến lĩnh vực đo điện Khi viết giáo trình chúng tơi có tham khảo kinh nghiệm nhà giáo giảng dạy nhiều năm trường đại học, đồng thời cập nhật nội dung mới, vừa đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ nghiệp cơng nghiệp hố - đại hố, vừa đảm bảo tính sát thực thiết bị đo phương pháp đo mà cán kỹ thuật vận hành thực tế Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình khơng tránh khỏi khiêm khuyết Chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến quý đồng nghiệp bạn sinh viên để giáo trình hồn thiện Sau hết chúng tơi xin chân thành cảm ơn đóng góp đáng kể Thạc sỹ Nguyễn Văn Chí, cảm ơn Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng tơi hồn thành sách Tác giả Chương KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 Định nghĩa phân loại thiết bị 1.1.1 Định nghĩa Đo lường trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết số so với đơn vị Với định nghĩa đo lường q trình thực ba thao tác chính: Biến đổi tín hiệu tin tức - So sánh với đơn vị đo so sánh với mẫu trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hố để có kết số so với đơn vị Căn vào việc thực thao tác ta có phương pháp hệ thống đo khác Thiết bị đo thiết bị mẫu Thiết bị đo hệ thống mà đại lượng đo gọi lượng vào, lượng đại lượng thiết bị (là thiết bị đo tác động liên tục) số kèm theo đơn vị đo (thiết bị đo số) Đôi lượng không hiển thị thiết bị mà đưa tới trung tâm tính tốn để thực Algorithm kỹ thuật định - Thiết bị mẫu dùng để kiểm tra hiệu chỉnh thiết bị đo đơn vị đo Theo quy định hành thiết bị mẫu phải có độ xác lớn hai cấp so với thiết bị kiểm tra Ví dụ: Muốn kiểm định cơng tơ cấp xác bàn kiểm định cơng tơ phải có cấp xác 0,5 1.1.2 Phân loại 1.1.2.1 Thiết bị đo lường Có nhiều cách phân loại song chia thiết bị đo lường thành hai loại thiết bị đo chuyển đổi thẳng thiết bị đo kiểu so sánh Thiết bị đo chuyển đổi thẳng Đại lượng cần đo đưa vào thiết bị dạng biến thành góc quay kim thị Người đo đọc kết nhờ thang chia độ quy ước mặt thiết bị, loại thiết bị gọi thiết bị đo điện Ngồi lượng cịn biến đổi thành số, người đo đọc kết nhân với hệ số ghi mặt máy máy tự động làm việc đó, ta có thiết bị đo số Thiết bị đo kiểu so sánh Thiết bị so sánh thị điện thị số Tuỳ theo cách so sánh cách lập đại lượng bù (bộ mã hố số tương tự) ta có thiết bị so sánh khác nhan như: thiết bị so sánh kiểu tuỳ động (đại lượng đo x đại lượng bù xù biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (đại lượng bù xù biến thiên theo quy luật thời gian định cân xảy thời điểm chu kỳ) Ngoài vào việc lập đại lượng bù người ta chia thành dụng cụ mã hoá số xung, tần số xung, thời gian xung Căn vào điều kiện cân người ta chia thành dụng cụ bù khơng lệch (zero) dụng cụ bù có lệch (vi sai) Căn vào quan hệ lượng lượng vào, người ta chia thành: thiết bị đo trực tiếp (đại lượng biểu thị trực tiếp đại lượng vào), thiết bị đo gián tiếp (đại lượng liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua biểu thức toán học xác định), thiết bị đo kiểu hợp (nhiều đại lượng liên quan tới nhiều đại lượng vào thơng qua phương trình tuyến tính) 1.1.2.2 Chuyển đổi đo lường Có hai khái niệm: - Chuyển đổi chuẩn hố: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thơng thường U = ÷ 10V; I = ÷ 20mA) Với loại chuyển đổi chủ yếu phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, mạch khuếch đại nghiên cứu kỹ giáo trình khác nên ta không xét - Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến tín hiệu khơng điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thơng tin giá trị cần đo Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác như: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện 1.1.2.3 Tổ hợp thiết bị đo Với thiết bị cụ thể (một kênh): Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đo kênh + Chuyển đổi đo lường: biến tín cần đo thành tín hiệu điện + Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin bao gồm: nguồn, mạch khuếch đại, biến thiên A/D, D/A, mạch phụ + Chỉ thị: thông báo kết cho người quan sát, thường gồm thị số thị điện, thị tự ghi, v.v 1.1.2.4 Với hệ thống đo lường nhiều kênh Trường hợp cần đo nhiều đại lượng, đại lượng đo kênh, tín hiệu đo lấy từ sensor qua chuyển đổi chuẩn hố tới mạch điều chế tín hiệu kênh, sau đưa qua phân kênh (multiplexer) để xếp truyền hệ thống dẫn truyền Để có phân biệt, đại lượng đo trước đưa vào mạch phân kênh cần phải mã hoá điều chế (Modulation - MOD) theo tần số khác (thí dụ f10, f20 ) cho tín hiệu đại lượng đo Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã giải điều chế (Demodulation - DEMOD) để lấy lại tín hiệu đo Đây hình thức đo lường từ xa (TE1emety) cho nhiều đại lượng đo Hình 1.2 Hệ thống đo lường nhiều kênh 1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 1.2.1 Hệ thống đo hiến đổi thẳng Trong hệ thống đo biến đổi thẳng, đại lượng vào x qua nhiều khâu biến đổi trung gian biến thành đại lượng z Quan hệ z x viết: z = f(x) f() tốn tử thể cấu trúc thiết bị đo Trong trường hợp quan hệ lượng vào lượng tuyến tính ta viết: z = S.x (1.1) S gợi độ nhạy tĩnh thiết bị - Nếu thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp quan hệ lượng vực lượng viết: Si độ nhạy khâu thứ i thiết bị 1.2.2 Hệ thống đo kiểu so sánh Trong thiết bị đo kiểu so sánh đại lượng vào x thường biến đổi thành đại lượng trung gian yX qua phép biến đổi T: yX = T.x Hình 1.3 Hệ thống đo kiểu so sánh Sau yX so sánh với đại lượng bù yk Ta có: ∆y = yX - yk Có thể vào thao tác so sánh để phân loại phương pháp đo khác 1.2.2.1 Phân loại phương pháp đo vào điều kiện cân a) Phương pháp so sánh kiểu cân (Hình 1.4) Trong phương pháp này, đại lượng vào so sánh: yX = const; đại lượng bù yk = const Tại điểm cân bằng: b) Phương pháp so sánh khơng cân (Hình 1.5) Cũng giống trường hợp song ∆y →ε ≠0 1.2.2.2 Phân loại phương pháp đo vào cách tạo điện áp bù a) Phương pháp mã hoá thời gian Trong phương pháp đại lượng vào yX = const đại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t: yk = y0.t (y0 = const) Hình 1.6 Phương pháp mã hóa thời gian Tại thời điểm cân yX = yk = y0.tX Đại lượng cần đo yX biến thành khoảng thời gian tX phép so sánh phải thực ngưỡng b) Phương pháp mã hoá tần số xung Trong phương pháp đại lượng vào yX cho tăng tỉ lệ với đại lượng cần đo x khoảng thời gian t: yX = t.x, đại lượng bù yk giữ khơng đổi Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần số xung Tại điểm cân có: Đại lượng cần đo x biến thành tần số fX Ở phép so sánh phải thực ngưỡng c) Phương pháp mã hoá số xung Trong phương pháp đại lượng vào yX = const, đại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang với bước nhảy không đổi vo gọi bước lượng tử T = const gọi xung nhịp Ta có: Tại điểm cân đại lượng vào yx biến thành số NX yX ≈ NX.y0 (1-6) Để xác định điểm cân bằng, phép so sánh phải thực ngưỡng: Ngoài cịn phương pháp mã hố số xung ngược, phương pháp đếm xung, phương pháp trùng phùng 1.3 Các đặc tính thiết bị đo 1.3.1 Độ nhạy, độ xác sai số thiết bị đo 1.3.1.1 Độ nhạy ngưỡng độ nhạy Ta biết phương trình thiết bị đo z = f(x) Để có đánh giá quan hệ lượng vào lượng thiết bị đo, ta dùng khái niệm độ nhạy thiết bị: đó: ∆z biến thiên lượng ∆x biến thiên lượng vào Nói chung S hàm phụ thuộc x phạm vi ∆x đủ nhỏ S số Với thiết bị có quan hệ lượng vào lượng tuyến tính, ta viết: z = S.x, lúc S gọi độ nhạy tĩnh thiết Khi cầu đạt cân ta có: đó: Từ tính Cầu Maxwell thích hợp đo cuộn cảm có hệ số Q thấp c) Đo điện cảm cầu điện cảm Hay Mạch cầu sử dụng cho việc đo cuộn cảm có hệ số phẩm 159 chất cao Ta có: Khi đó: Ngồi ra, người ta dùng biến thể khác mạch cầu mạch cầu Owen, Shering để điện cảm 6.2.2 Đo điện cảm phương pháp gián tiếp Có thể dùng volmet, ampemet, wattmet để đo điện cảm điện trở cuộn dây theo sơ đồ sau, nhiên phương pháp mắc phải sai số lớn 160 Ta có: Nguồn cung cấp cho mạch đo nguồn xoay chiều hình sin Nếu biết trước Rx ta cán volmet ampemet nên sử dụng wattmet 6.3 Đo điện dung tổn thất điện môi tụ điện cầu xoay chiều Tụ điện lý tưởng tụ không tiêu thụ công suất (dịng điện chiều khơng qua tụ) thực tế có thành phần dịng rị qua lớp điện mơi tụ có tổn hao công suất Để đặc trưng cho tổn hao người ta sử dụng thơng số góc tổn hao tgδ Có hai sơ đồ thay tương đương tụ: Với tụ có tổn hao nhỏ tgδ = RωC Với tụ có tổn hao lớn tgδ = jωC R, C hai thành phần đại diện cho phần trở phần dung tụ điện 6.3.1 Cầu đo điện dung tụ điện tổn hao Tụ điện có tổn hao nhỏ biểu diễn tụ điện lý tưởng mắc 161 nối tiếp với điện trở Khi người ta mắc cầu Hình 6.34 Cx, Rx nhánh tụ điện cần đo; Cm, Rm nhánh tụ mẫu điều chỉnh được; R1, R2 biện trở trở Khi cầu cân ta có mối quan hệ: với: Vậy: Góc tổn thất điện môi là: 162 6.3.2 Cầu đo điện dung tụ điện tổn hao nhiều Khi tụ có tổn hao nhiều, người ta biểu diễn dạng tụ điện lý tưởng mắc song song với điện trở Cầu cân ta có điều kiện: ZxZ2 = Z1.Zm với: Do ta có: 163 Góc tổn thất điện môi là: 6.4 Đo hệ số hỗ cảm hai cuộn dây 6.4.1 Phương pháp dùng volmet ampemet (phương pháp vol ampe) Sức điện động E2 là: Do ta có: UV IA số đo volmet ampemet Nhận xét: Phương pháp đơn giản nhiên nhược điểm mắc phải sai số lớn 6.4.2 Phương pháp mắc nối tiếp cuộn dây Phương pháp dùng cách mắc nối tiếp thuận nghịch cuộn dây để xác định hệ số hỗ cảm chúng Sơ đồ mắc thuận nghịch Hình 6.37a 6.37b 164 Gọi L1, L2 điện cảm cuộn dây cuộn dây 2; M hỗ cảm chúng Xét Hình 6.37a, ta có điện cảm tổng nhánh là: Xét Hình 6.37b, ta có điện cảm tổng nhánh là: Xét hiệu hai trường hợp: Cho nên: Các giá trị La, Lb xác định theo số volmet ampemet trường hợp sau: đó: UVa, IAa số volmet ampemet sơ đồ (a), UVb, IAb số volmet ampemet sơ đồ (b), R1, R2 điện trở cuộn dây 165 Phụ lục Hệ đơn vị đo lường hợp pháp (các đơn vị thường dùng kỹ thuật điện) Số thứ Đơn vị hệ hợp pháp Tên đại lượng Tên tự Chiều dài Mét Khối lượng Kilogam khối Thời gian Giây Cường độ dòng điện Ampe Lực Niutơn Tần số Hec Cơng, lượng Jun Cơng suất t Điện tích Culơng Điện thế, điện áp, sức điện Vôn 10 động Vôn mét 11 Cường độ điện trường Ôm 12 Điện trở Simen 13 Điện dẫn Fara 14 Điện dung Henri 15 Điện cảm Ampe mét 16 Cường độ từ trường Tesla 17 Từ cảm Vebe 18 Từ thông Ampe vòng 19 Sức từ động 166 Ký hiệu M Kg S A N Hz J W C V V/m Ω S F H A/m T Wb Avg Ghi Bội số ước số theo đơn vị tính Ký hiệu Hệ số chuyển đơn vị p 10-12 Nano n 10 -9 Mili m 10-3 Micro µ 10-6 Xenti c 10-2 Tên Pico Tên Ký hiệu Hệ số chuyển đơn vị Deci d 10-1 Hecto h 100 Kilo k 1.000 Mega xM 1.000.000 167 Phụ lục Ký hiệu quy ước dụng cụ đo lường điện phận bổ sung Ký hiệu quy ước thang chia độ Dụng cụ đo lường điện phận bổ sung dụng cụ Ký hiệu theo nguyên lý tác động dụng cụ Dụng cụ kiểu điện từ với khung dây động Logomet điện từ với hai khung dây động Dụng cụ từ điện với nam châm động Logomet từ điện với nam châm động Dụng cụ điện từ Logomet điện từ Dụng cụ điện từ phân cực Dụng cụ điện động Logomet điện động Dụng cụ sắt động 168 Logomet sắt động Ký hiệu quy ước thang chia độ Dụng cụ đo lường điện phận bổ sung dụng cụ Logomet cảm ứng Logomet cảm ứng Dụng cụ cảm ứng từ Dụng cụ tĩnh điện Dụng cụ có hệ thống rung (lưỡi rung) Dụng cụ nhiệt (có sợi nung) Dụng cụ có kim loại kép Ký hiệu bổ sung theo hình thức biến đổi Bộ biến đổi nhiệt có cách ly Bộ biến đổi nhiệt không cách ly Bộ chỉnh lưu bán dẫn Bộ chỉnh lưu điện Bộ biến đổi điện tử Máy biến đổi rung kiểu xung Bộ biến đổi kiểu bù Ký hiệu bổ sung bảo vệ từ trường điện trường 169 Bảo vệ từ trường bên (cấp bảo vệ loại 1) Bảo vệ điện trường (cấp bảo vệ loại 1) Ký hiệu quy ước thang chia độ Dụng cụ đo lường điện phận bổ sung dụng cụ 600 Hz Trị số số fk cường độ từ trường thử nghiệm 400 A/M, ví dụ fk = 600Hz Dụng cụ điện từ (cấp bảo vệ loại ảnh hưởng từ trường) Dụng cụ tĩnh điện Ký hiệu dòng điện Một chiều xoay chiều (1 pha) Một chiều xoay chiều Dòng điện ba pha (ký hiệu chung) Dịng điện ba pha với tải trọng khơng pha Dụng cụ với cấu đo phần tử Dụng cụ với cấu đo hai phần tử Dụng cụ với cấu đo ba phần tử lưới điện dây Ký hiệu cấp xác, cách bố trí thiết bị độ bền cách điện, v.v 1,5 170 Cấp xác với sai số định mức theo phần trăm giới hạn đo, ví dụ 1,5 Cấp xác với sai số định mức theo phần trăm chiều dài thang chia độ, ví dụ 1,5 Đặt mặt chia độ nằm ngang Ký hiệu quy ước thang chia độ Dụng cụ đo lường điện phận bổ sung dụng cụ Đặt mặt chia độ nằm đứng Độ nghiêng mặt thang chia độ đặt nghiêng góc xác định so với mặt phẳng nằm ngang, ví dụ 60o Hướng dụng cụ theo từ trường Trái Đất 500 Hz Trị số tần số định mức 400 - 500 Hz Vùng tần số định mức 20 - 50 - (120) Trị số tần số định mức vùng mở rộng tần số 171 Phụ lục Hệ phân bố Student theo giá trị xác suất N Hệ số phân bố Student (kst) theo giá trị xác suất P 0,500 0,900 0,950 0,980 0,990 0,999 1,000 0,816 6,310 2,920 12,700 4,300 31,800 6,960 63,700 9,920 637,000 31,600 0,765 2,350 2,350 4,540 5,840 13,000 0,741 0,727 2,130 2,020 2,780 2,570 3,750 3,360 4,600 4,030 8,610 6,860 0,718 0,711 1,940 1,900 2,490 2,360 3,140 3,000 3,710 3,500 5,960 5,400 0,706 1,860 2,310 2,900 3,360 5,040 10 0,703 1,830 2,260 2,820 3,250 4,780 12 0,697 1,800 2,200 2,720 3,100 4,490 14 0,694 1,770 2,160 2,650 3,010 4,220 16 0,691 1,750 2,130 2,600 2,990 4,070 18 20 0,689 0,688 1,740 1,730 2,110 2,090 2,570 2,540 2,900 2,860 3,960 3,880 25 0,684 1,710 2,060 2,490 2,800 3,740 31 0,683 1,700 2,040 2,460 2,750 3,650 41 0,681 1,680 2,020 2,420 2,700 3,550 61 121 0,679 0,677 1,670 1,650 2,000 1,980 2,390 2,360 2,660 2,620 3,460 3,370 ∞ 0,674 1,640 1,960 2,330 2,580 3,290 172 MỤC LỤC Trang Chương KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 Định nghĩa phân loại thiết bị 1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 1.3 Các đặc tính thiết bị đo 1.4 Gia công kết đo lường 14 Chương CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ 21 2.1 Cơ cấu thị điện 21 2.2 Cơ cấu thị số 39 Chương ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 48 3.1 Những yêu cầu việc đo dòng điện điện áp 48 3.2 Đo dòng điện trung bình lớn loại ampemet 51 3.3 Đo dòng điện nhỏ 56 3.4 Đo điện áp trung bình lớn loại volmet 57 3.5 Đo dòng điện điện áp phương pháp so sánh 60 3.6 Đo điện áp volmet thị số 70 Chương ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 82 4.1 Đo công suất lượng mạch pha 82 4.2 Đo công suất lượng mạch ba pha 97 Chương ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ 106 5.1 Đo góc pha hệ số công suất cosφ 106 5.2 Đo tần số 114 5.3 Ứng dụng máy sóng điện tử đo lường 119 Chương ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN 131 6.1 Đo điện trở 131 6.2 Đo điện cảm 156 6.3 Đo điện dung tổn thất điện môi tụ điện cầu xoay chiều 161 6.4 Đo hệ số hỗ cảm hai cuộn dây 164 Phụ lục Hệ đơn vị đo lường hợp pháp 166 Phụ lục Ký hiệu quy ước dụng cụ đo lường điện phận bổ sung 168 Phụ lục Hệ phân bố Student theo giá trị xác suất 172 173 ... (Demodulation - DEMOD) để lấy lại tín hiệu đo Đây hình thức đo lường từ xa (TE1emety) cho nhiều đại lượng đo Hình 1.2 Hệ thống đo lường nhiều kênh 1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 1.2.1 Hệ thống đo. .. NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 Định nghĩa phân loại thiết bị 1.1.1 Định nghĩa Đo lường trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết số so với đơn vị Với định nghĩa đo lường trình thực ba... tin tức - So sánh với đơn vị đo so sánh với mẫu trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hố để có kết số so với đơn vị Căn vào việc thực thao tác ta có phương pháp hệ thống đo khác Thiết bị đo thiết