Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện tử

ện áp 57 Irms = 0,707.500μA = 353,5μA ⇒ độ nhạy = 106/ 353,5 = 2,83kΩ/V Khi không có D2 ta có: ApIIrms pI ApI F R F μ μ 250)(.5,0 0)( 500)( ==⇒ = = ⇒ độ nhạy = 106 / 250 = 4kΩ/V c. Sơ đồ chỉnh l−u nửa cầu toμn sóng Sơ đồ trên chỉ sử dụng 2 diode (nửa cầu) nh−ng cả 2 nủa chu kỳ đều có dòng qua máy đo. Tuy nhiên dòng qua diode khá lớn nên nó phải làm việc ở ngoài điểm uốn, nghĩa là có khả năng bù trừ những chênh lệch có thể xảy ra trong đặc tuyến của diode. Chú ý: để bù sai số do nhiệt và khi tần số thay đổi ng−ời 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. 2. Vôn kế điện từ 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 ng−ời ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ. Các tụ C đ−ợc mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp. C3C2C1 Rct Rp3Rp2Rp1 Uct U1 U2 U3 Dòng qua chỉ thị có dạng: D1 D2 R1 R2 Rct ~ BomonKTDT-ĐHGTVT 58 3. Vôn kế điện động Cuộn kích đ−ợc 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. Đặc điểm của Vôn kế điện động + Tác dụng của dòng rms giống nh− trị số dòng một chiều t−ơng đ−ơng nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều + Dụng cụ điện động th−ờng đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho ĐLTT 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 IV. Đo điện áp bằng ph−ơng pháp so sánh 1. Cơ sở lý thuyết Các dụng cụ đo điện đã trình bày ở trên sử dụng có cấu cơ điện để chỉ thị kết quả đo nên cấp chính xác của dụng cụ không v−ợt quá cấp chính xác của chỉ thị. Để đo điện áp chính xác hơn ng−ời ta dùng ph−ơng pháp bù (so sánh với giá trị mẫu). Nguyên tắc cơ bản nh− sau: + Uk là điện áp mẫu với độ chính xác rất cao đ−ợc tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu Rk. Khi đó: Uk = I.Rk + Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux UkUxU −=Δ Khi 0≠ΔU điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, nghĩa là làm cho 0=ΔU ; chỉ thị chỉ zero. + Kết quả đ−ợc đọc trên điện trở mẫu đã đ−ợc khắc độ theo thứ nguyên điện áp. Chú ý: Các dụng cụ bù điện áp đều có nguyên tắc hoạt động nh− trên nh−ng có thể khác nhau phần tạo điện áp mẫu Uk 2. Điện thế kế kế một chiều Sơ đồ mạch: Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a) + Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U0, Rđc và Ampe kế. + Giữ nguyên giá trị của Ip trong suốt thời gian đo + Điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk cho đến khi chỉ thị chỉ zero A1 A2 B T1 10TO1 Rp Ct zero Uk I U UxRk + - Uk K Ux CT zero NR NE 21 b)a) UkIp Chỉ thị Zero A + + Uo Rdc Rk + - Ux + Uo Rdc Rk A Ch−ơng 4: Đo điện áp 59 + Đọc kết quả trên điện trở mẫu, khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk Trong sơ đồ a, vì sử dụng Ampe kế nên độ chính xác của điện thế kế không thể cao hơn độ chính xác của Ampe kế. Ng−ời ta cải tiến mạch bằng cách sử dụng nguồn pin mẫu (EN) và điện trở mẫu (Rk) có độ chính xác cao nh− ở hình b. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ b) + Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh Rđc để chỉ thị chỉ zero. Khi đó: N N R EIp = + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con tr−ợt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero. Khi đó: Rk R ERkIpUkUx N N .. === Chú ý: trên thực tế, ng−ời ta th−ờng sử dụng điện thế kế một chiều tự động cân bằng (để đo sức điện động của các cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ) Sơ đồ mạch của điện thế kế một chiều tự động cân bằng: Trong đó: RN , EN là điện trở và nguồn điện mẫu có độ chính xác cao U0 là nguồn điện áp ổn định Động cơ thuận nghịch hai chiều để điều chỉnh con chạy của Rp và Rđc Bộ điều chế làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều (ΔU) thành điện áp xoay chiều để điều khiển động cơ Hoạt động: + Tr−ớc khi đo, khoá K đ−ợc đặt ở vị trí KT (kiểm tra) khi đó dòng I2 qua điện trở mẫu RN và NN RIEU .2−=Δ + ENRdc RN R3 R2 R1 + Uo Role KĐ ~ M Đầu nối + + + + Ex Uk NS điện Bộ điều chế Thang đo KTĐO K I1 I2 role BAA B Rp C D BomonKTDT-ĐHGTVT 60 UΔ qua bộ điều chế để chuyển thành tín hiệu xoay chiều (role đ−ợc điều khiển bởi nam châm điện nên có tần số đóng / cắt phụ thuộc vào dòng chạy trong nam châm điện). Tín hiệu xoay chiều này th−ờng có giá trị rất nhỏ nên phải qua bộ khuếch đại để tăng tới giá trị đủ lớn có thể điều khiển động cơ thuận nghịch hai chiều. Động cơ này quay và kéo con chạy của Rđc để làm thay đổi I2 tới khi UΔ =0. Đồng thời nó cũng kéo con tr−ợt của Rp về vị trí cân bằng. + Khi K ở vị trí ĐO ta có: UΔ = Ex – Uk với Uk = I1 (R1 +Rp1) – I2.R2 Nếu Ex > Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để tăng Uk tới khi UΔ =0 Nếu Ex < Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để giảm Uk tới khi UΔ = 0 Vị trí của con chạy và kim chỉ sẽ xác định giá trị của Ex Ưu điểm của điện thế kế một chiều tự động cân bằng là tự động trong quá trình đo và có khả năng tự ghi kết quả trong một thời gian dài 3. Điện thế kế xoay chiều Nguyên tắc hoạt động chung giống nh− điện thế kế một chiều, nghĩa là, cũng so sánh điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu khi có dòng công tác chạy qua. Tuy nhiên, do không sử dụng pin mẫu mà sử dụng dòng xoay chiều nên việc điều chỉnh cho Ux và Uk bằng nhau là rất phức tạp. Muốn U x và Uk cân bằng nhau thì phải thoả mãn 3 điều kiện: + Ux và Uk cùng tần số + Ux và Uk bằng nhau về trị số + Ux và Uk ng−ợc pha nhau (1800) V. Vôn kế số Vôn kế số là dụng cụ chỉ thị kết quả bằng con số mà không phụ thuộc vào cách đọc của ng−ời đo. Tuỳ thuộc vào ph−ơng pháp biến đổi ng−ời ta phân thành: + Vôn kế số chuyển đổi thời gian + Vôn kế số chuyển đổi tần số + Vôn kế số chuyển đổi bù 1. Vôn kế số chuyển đổi thời gian Nguyên tắc hoạt động: Biến đổi điện áp cần đo (Ux) thành khoảng thời gian (t) sau đó lấp đầy khoảng thời gian bằng các xung có tần số chuẩn (f0). Bộ đếm đ−ợc dùng để đếm số l−ợng xung (N) tỉ lệ với Ux để suy ra Ux. Sơ đồ khối: Ch−ơng 4: Đo điện áp 61 Trong đó: SS: Bộ so sánh MFRC: mạch phát tín hiệu răng c−a MFX: mạch phát xung chuẩn tần số f0 Trigo: mạch lật K: Khóa điện tử đ−ợc điều khiển bởi trigo BĐ: bộ đếm CT: bộ chỉ thị số (bao gồm cả mạch mã hoá, giải mã và hiển thị) Hoạt động: Khi mở máy (Start) xung khởi động tác động lên Trigo để mở khoá K và khởi động MFRC làm việc. Tại thời điểm t1, K mở thông để đ−a xung tần số chuẩn từ MFX tới bộ đếm và chỉ thị số. Đồng thời, MFRC đ−a điện áp mẫu Uk đến bộ so sánh để so sánh với điện áp cần đo. SS MFR C MFX K BĐ CT Tr Stop Start Ux Biểu đồ thời gian: U Um Ux t1 t2 t3 t4 t t t tm tx K N xung Trg BomonKTDT-ĐHGTVT 62 Tới thời điểm t2 khi Ux = Uk, mạch so sánh đ−a xung Stop tới trigo, trigo chuyển trạng thái làm đóng khoá K. Trong suốt thời gian khoá K mở (từ t1 đến t2) bộ đếm đếm đ−ợc N xung txfN T ttN . 12 0 0 =⇒ −= với T0 là chu kỳ của xung chuẩn f0 = 1 / T0 tần số của xung chuẩn tx = t2 - t1 thời gian đóng mở của khoá K Mặt khác, từ biểu đồ điện áp ta có: với tm: thời gian lớn nhất để Uk = Um Um: điện áp lớn nhất của xung do MFRC phát ra Từ biểu thức trên ta thấy Ux tỉ lệ với số xung đếm đ−ợc (C là hằng số) Chú ý: sai số của dụng cụ chủ yếu là do: + Sai số l−ợng tử phụ thuộc vào tx / T0 + Sai số do MFRC không ổn định (tức làm thay đổi Um và tm, nghĩa là thay đổi hằng số C) Thông th−ờng Vôn met loại này có sai số ± 0,05% 2. Vôn mét số chuyển đổi tần số Nguyên tắc: Biến đổi điện áp cần đo Ux thành tần số fx, sau đó đo tần số fx để suy ra Ux. VI. Vôn met vμ Ampe met điện tử t−ơng tự Ngày nay, nhờ sự phát triển của Kỹ thuật điện tử, các dụng cụ đ−ợc kết hợp giữa các bộ khuếch đại (transistor hoặc khuếch đại thuật toán) với các chỉ thị cơ điện để khắc phục các nh−ợc điểm của dụng cụ cơ điện thuần tuý. Khi đó sẽ làm tăng độ nhạy, tăng điện trở đầu vào và có cấu trúc nhỏ gọn. Các thiết bị nh− vậy gọi là các thiết bị điện tử. Sơ đồ khối của Vôn met và ampe met điện tử nh− sau: = CT Ux~ Ux= ~ CT Ux~ NC tmf UmN tm UmtxUx Um Ux tm tx . . .. 0 ===⇒ = Ch−ơng 4: Đo điện áp 63 Sơ đồ a) có thể đo dòng một chiều hoặc xoay chiều tần số từ 20Hz đến hàng MHz, tuy nhiên, độ ổn định của sơ đồ kém. Sơ đồ b) có dải tần hạn chế nh−ng tính ổn định cao. 1. Vôn met bán dẫn một chiều Giả sử cho mạch nh− hình bên Ucc = 20V; Rp =9kΩ; Rct = 0,3kΩ; hFE = 100 Chỉ thị thuộc loại TĐNCVC có ĐLTT là 1mA. Xác định E là điện áp cần đo. Rõ ràng qua chỉ thị ta sẽ xác định đ−ợc dòng IE = Ict IctE RctRpIctUUUE BEEBE .10.3,97,0 )( 3+=⇒ ++=+=⇒ Điện trở vào Rv của mạch trên có thể tính nh− sau: max max BI ERv = ứng với ĐLTT ta có Ict = 1mA VE 1010.1.10.3,97,0max 33 =+=⇒ − và khi đó AmA h II FE E B μ10100 1max === Ω==⇒ − 65 1010 10Rv Vậy nếu sử dụng làm Vôn kế thì mạch có điện trở vào khá lớn. Tuy nhiên, sự bất ổn của UBE khi nhiệt độ và dòng vào thay đổi sẽ gây sai số cho Vôn kế, do đó ng−ời ta th−ờng sử dụng các sơ đồ sau đây: Trong đó: Ucc = +12V Uee = -12V R1 đảm bảo cho Bazo ở thế đất khi điện áp vào bằng 0 R4, R5 và R6 là bộ phân áp có Up điều chỉnh đ−ợc Rp là điện trở phụ mở rộng thang đo + Khi E = 0 ta có: UB = 0 122 −−=−= −=−=⇒ BEER BEBEBE UUeeUU UUUU R2 R1 Q1 NPN +Ucc + E UBE UE Rct R1 +Ucc -Uee E U2 U R6 R5 R4 RctRp R2R1 Q2 NPN BomonKTDT-ĐHGTVT 64 Chiết áp R5 đ−ợc điều chỉnh để Up = -UBE khi đó U = UE – Up = 0 (kim chỉ về vị trí 0). Giữ nguyên vị trí của con chạy + Khi E ≠ 0 ta có: EUUEUpUU UEUUU EU BEBEE BEBEBE B =−−−=−=⇒ −=−=⇒ = )( nh− vậy kim lệch ở vị trí t−ơng ứng với giá trị của E Chú ý: ngoài cách trên ra ng−ời ta còn có thể mắc transistor có cực B nối với con chạy của R5 để giữ nguyên giá trị Up ở một giá trị thích hợp, hoặc có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai hoặc mắc FET ở đầu vào để tăng điện trở đầu vào. ví dụ nh− sơ đồ d−ới đây: 2. Vôn met điện tử một chiều dùng IC KĐTT ví dụ sơ đồ của một Vôn met lặp lại điện áp, sử dụng IC có hệ số khuếch đại 200.000. Điện áp trực tiếp tác động ở đầu vào không đảo lớn nhất là E = 1V Để đo các điện áp nhỏ hơn ng−ời ta sử dụng vôn met khuếch đại nh− hình sau: UU2 E -Uee +Ucc RctRp2 R2 R1 Q1 Q2 R6 R5 R4 R3 Rp1 chỉ thị Rp Mạch lặp điện ápBộ suy giảm đầu vào E R6 R7 + OPAMP5 R5 R4 R3 R2 R1 Ch−ơng 4: Đo điện áp 65 3. Vôn met điện tử xoay chiều Thông th−ờng các bộ chỉ thị của Vôn mét điện tử là cơ cấu từ điện, nghĩa là có tính phân cực. Do đó khi cần đo điện áp xoay chiều có thể sử dụng các mạch chỉnh l−u tr−ớc khi đ−a vào các dụng cụ đo. Chỉnh l−u có thể thực hiện chỉnh l−u nửa chu kỳ và cả chu kỳ. D−ới đây là một số ví dụ: Ev Khuếch đại không đảo Chỉ thị Rp+Rct Ura R4 R3 R2 R1+ OPAMP5 Sơ đò chỉnh l−u cả chu kỳ Ev~ Dòng máy đo: Sơ đồ chỉnh l−u nửa chu kỳ Ev~ Dòng máy đo: R4 D5 C2 + U2OPAMP5 R3 Rct1R2 + U1 OPAMP5C1 D4 D3 D2 D1 Rp2 R1 Rct Rp1 BomonKTDT-ĐHGTVT 66 Nguyên tắc làm việc của Vôn met điện tử xoay chiều hoàn toàn giống nh− Vôn met điện tử một chiều. Đặc điểm và dải đo cũng t−ơng tự nh− loại dụng cụ một chiều. Tuy nhiên, nh−ợc điểm của các dụng cụ này là độ chính xác không cao, dải tần hẹp, độ ổn định thấp do đặc tính phi tuyến của các diode và ảnh h−ởng của nhiệt độ môi tr−ờng. Ch−ơng 5: Đo công suất 67 Ch−ơng 5: Đo công suất I. Khái niệm chung Công suất là đại l−ợng cơ bản của các hiện t−ợng và quá trình vật lý nói chung và của các hệ thống điện tử nói riêng, do vậy việc xác định công suất là phép đo quan trọng và phổ biến. Trong thực tế, ng−ời ta phân công suất thành các loại nh− sau: + Công suất thực (công suất hữu công): P + Công suất phản kháng (công suất vô công): Q + Công suất biểu kiến (công suất danh định): S Dải đo của công suất từ 10-20 W đến 1010 W và dải tần từ 0 tới 109 Hz * Đối với mạch điện một chiều công suất thực P đ−ợc tính theo một trong các công thức sau đây: P = U.I P = I2.R P = U2 / R P = k.q Trong đó: I là dòng trong mạch U là điện áp rơi trên phụ tải có điện trở R q là l−ợng nhiệt toả ra trên phụ tải trong một đơn vị thời gian k là hệ số * Đối với mạch điện xoay chiều một pha ∫∫ == TT idtuTpdtTP 00 . 1.1 trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng T là chu kỳ Nh− vậy công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha đ−ợc xác định nh− là một giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T Nếu dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất đ−ợc tính theo công thức: P = U.I.cosϕ Q = U.I.sinϕ S = U.I Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng ϕ là góc lệch pha giữa dòng và áp trên phụ tải cosϕ đ−ợc gọi là hệ số công suất II. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha Từ công thức tính P ta có thể thấy ngay rằng để đo công suất của mạch một chiều trên phụ tải R thì có thể sử dụng các cặp dụng cụ nh− sau: + Ampe kế và Vôn kế Khi đó P = U.I với U và I là kết quả chỉ thị trên Vôn kế và Ampe kế BomonKTDT-ĐHGTVT 68 + Ampe kế và Ohm kế Khi đó P = I2.R Chú ý: Phép đo R thực hiện khi không nối nguồn (đo nguội) + Vôn kế và Ohm kế Khi đó P = U2/R Tuy nhiên, do sử dụng nhiều dụng cụ nên sai số của phép đo khá lớn. Trên thực tế ng−ời ta sử dụng cách đo trực tiếp công suất bằng đồng hồ Oat kế (Wattmeter). D−ới đây là một số loại Oat kế phổ biến đo công suất một chiều và xoay chiều một pha. 1. Oat kế điện động Oat kế điện động (hoặc sắt điện động) là dụng cụ cơ điện để đo công suất thực trong mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu tạo chủ yếu của Oat kế điện động là cơ cấu chỉ thị điện động. Hình bên là cấu tạo về mặt Nguyên tắc và hình dạng thực tế của một oat kế. Hoạt động: xét sơ đồ Nguyên tắc của Oat kế điện động nh− hình trên A là cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp với điện trở tải R B là cuộn dây động mắc song song với nguồn cung cấp Rp là điện trở phụ Ru là điện trở của bản thân cuộn động Cuộn dòng Cuộn dòng Cuộn áp Tải Nguồn Ux B A * * IuRu Rp R Ch−ơng 5: Đo công suất 69 Khi có điện áp U đặt lên cuộn dây động (tức là dòng qua cuộn động là I2 tỉ lệ với U) và dòng điện I đi qua phụ tải R (tức là dòng qua cuộn tĩnh I1 chính là dòng I). Sự t−ơng tác giữa các tr−ờng từ đ−ợc tạo ra bởi các cuộn dây sẽ làm kim của Oatmet lệch đi một góc α * Đối với mạch điện một chiều, theo công thức tính góc lệch của dụng cụ điện động ta có: αα d dMII D 12 21 ... 1= trong đó: const d dMsg RpRu UI II = += = α 12 2 1 :/ const d dM RpRuD K PKIUK =+= ==⇒ α α 12. ).( 1 ... Với: D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I1, I2: dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M12: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K đ−ợc gọi là hệ số của Oat met với dòng một chiều * Đối với mạch điện xoay chiều ta có: γ δαα cos. cos...1 12 RpRu UIu d dMIuI D += = )cos(.cos...1 γϕγα γϕδ −+=⇒ −= RpRu IU D Nếu PKIUK .cos... ==⇒= ϕαγϕ , nghĩa là số chỉ của Oatmet tỉ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải. Chú ý: + Do Oatmet điện động có cực tính nên khi đảo pha của 1 trong 2 cuộn dây Oatmet sẽ quay ng−ợc, vì vậy, các cuộn dây đ−ợc đánh dấu (*). Khi nối các đầu dây cần nối các đầu dây có dấu (*) với nhau. + Oatmet điện động th−ờng có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo dòng là 5A và 10A, theo áp là 150V và 300V + Dải tần số từ 0 tới KHz + Độ chính xác đạt 0,1 tới 0,2% với tần số d−ới 200Hz 2. Đo công suất bằng ph−ơng pháp điều chế tín hiệu Nguyên tắc: U I Iu ϕ δ γ BomonKTDT-ĐHGTVT 70 Giả sử Uu là tín hiệu tỉ lệ với điện áp U rơi trên phụ tải và Ui tỉ lệ với dòng điện I chạy qua phụ tải. Khi đó ph−ơng pháp điều chế tín hiệu dựa vào việc nhân các tín hiệu Uu và Ui trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung là điều chế độ rộng xung (ĐRX) và biên độ xung (BĐX). D−ới đây là sơ đồ cấu trúc của Oatmet làm việc dựa trên ph−ơng pháp điều chế tín hiệu và biểu đồ thời gian của nó. Hoạt động: Máy phát tần số chuẩn (MF f0) tạo ra các xung có biên độ và độ rộng nh− nhau, các xung này đ−ợc đ−a vào bộ biến đổi độ rộng xung. Khi đó độ rộng xung sẽ phụ thuộc vào biên độ điện áp của Ui. Đầu ra của bộ điều chế có các xung với độ rộng ti = k1.Ui. Dãy xung sau khi đ−ợc điều chế độ rộng xung sẽ đ−ợc điều chế biên độ nhờ Uu, do đó diện tích của mỗi xung đầu ra sẽ tỉ lệ với công suất tức thời theo biểu thức sau: UiUuKUiUukktUuktS i ....2.1..2)( === Nh− vậy, đầu ra của bộ tích phân tỉ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên tải Utrb = K.P Oat met loại này có sai số khoảng %1,0± 3. Oatmet nhiệt điện Các dụng cụ đo dùng cặp nhiệt điện có thể hoạt động ở tần số rất cao, do đó ng−ời ta dùng cặp nhiệt điện để chế tạo Oatmet đo công suất ở khu vực tần số ngoài khoảng đo của Oatmet điện động. Mạch cơ bản của Oatmet nhiệt điện nh− hình d−ới đây. Trong đó: Biến áp có điện áp thứ cấp tỉ lệ với điện áp U và tạo ra dòng iu tỉ lệ với U và biến dòng có dòng thứ cấp tỉ lệ với dòng điện I và tạo dòng ii tỉ lệ với dòng tải I. Với sơ đồ nh− trên ta có dòng đốt nóng R1 là (ii + iu) và dòng đốt nóng R2 là (ii – iu) Theo công thức của cặp nhiệt điện ta có: e1 = k.(ii +iu) 2 và e2 = k.(ii – iu) 2 (giả sử 2 cặp nhiệt điện có hệ số k nh− nhau) Số chỉ của milivonmet khi đó là Era = e1 – e2 = 4kiuii ĐRX MF f0 BĐX TP Uu Ui Utrb=K.P MF f0 : máy phát xung tần số chuẩn f0 ĐRX: bộ điều chế độ rộng xung BĐX: bộ điều chế biên độ xung TP: bộ tích phân Ui 0 t 0 t 0 t 0 t Uu ĐRX Utrb P Ch−ơng 5: Đo công suất 71 Do bộ biến đổi nhiệt có quán tính nhiệt cao nên loại bỏ thành phần xoay chiều ta sẽ có: Era = K.U.I.cosϕ = K.P Oatmet nhiệt điện có sai số cơ bản là %1± với thang đo điện áp từ 10mV – 300V; dòng điện từ 100μA – 3mA; cosϕ = 0,1 – 1; tần số hoạt động từ 200Hz- 100kHz 4. Oatmet dùng chuyển đổi Hall Bộ chuyển đổi Hall là 1 mạng 4 cực đ−ợc chế tạo d−ới dạng một tấm mỏng bằng bán dẫn. T –T là 2 cực dòng và X – X là 2 cực áp. Khi đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi 1 từ tr−ờng thì xuất hiện ở hai đầu X – X một thế điện động Hall đ−ợc tính theo công thức sau: Ex = kx.B.ix Với kx là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích th−ớc và hình dáng của chuyển đổi, nhiệt độ của môi tr−ờng và giá trị của từ tr−ờng. B là độ từ cảm của từ tr−ờng ix là dòng qua tải Nh− vậy, thế điện động Hall sẽ tỉ lệ với công suất nếu nh− 1 trong 2 đại l−ợng trên (ví dụ là B) tỉ lệ thuận với điện áp u còn dòng ix là dòng đi qua phụ tải. * Oatmet sử dụng chuyển đổi Hall Cho chuyển đổi vào khe hở của nam châm điện. H−ớng của từ tr−ờng nh− hình vẽ (đ−ờng gạch – gạch). Dòng qua cuộn hút L chính là dòng qua phụ tải. Dòng qua 2 cực T – T tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải (load). Rmultiplier (điện trở phụ) để hạn chế dòng. Milivonke để xác định áp giữa hai cực áp X - X Khi đó thế điện động Hall đ−ợc tính nh− sau: ex = k.u.i = k.P Trong đó: ex đ−ợc xác định bởi milivon kế; k là hệ số tỉ lệ Do đó có thể suy ra giá trị của công suất P là: P = ex/ k milivoltmet Nguồn Biến áp Biến dòng R2R1 Rt U I ii ii iu iu +ii iu - ii + + - - e1 e2 BomonKTDT-ĐHGTVT 72 Hình d−ới đây là sơ đồ của một oatmet sử dụng chuyển đổi Hall Nhận xét: Oatmet dùng chuyển đổi Hall có khả năng đo công suất xoay chiều với tần số lên tới hàng MHz; hơn nữa, cơ cấu này không có quán tính, cấu tạo đơn giản, bền và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, sai số do nhiệt cũng khá lớn. Trên thực tế để tăng độ nhạy và khuếch đại thế điện động Hall ng−ời ta mắc thêm vào sơ đồ một bộ KĐTT nh− hình sau: X X T T Ch−ơng 6: Đo tần số 73 Ch−ơng 6: Đo tần số vμ góc pha I. Khái niệm chung Tần số và góc pha là các đại l−ợng đặc tr−ng cho các quá trình dao động có chu kỳ. Phép đo tần số sử dụng tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao nhất so với các phép đo khác (10-13 – 10-12) + Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó và thoả mãn ph−ơng trình: U(t) = U(t + T) + Tần số f(Hz) đ−ợc xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong một đơn vị thời gian. + Tần số góc của tín hiệu đ−ợc xác định bởi biểu thức: fπω 2= Tần số, góc pha và chu kỳ liên quan với nhau theo biểu thức: πτϕ 2. T = với τ là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai tín hiệu Do vậy việc đo tần số và góc pha đ−ợc quy về đo tần số và khoảng thời gian. Dụng cụ để đo độ lệch pha giữa các tín hiệu ng−ời ta gọi là fazomet hay fazo kế Dụng cụ để đo tần số đ−ợc gọi là tần số kế. Để đo tần số ta có thể thực hiện theo 2 ph−ơng pháp là biến đổi thẳng và ph−ơng pháp so sánh. Đo tần số bằng ph−ơng pháp biến đổi thẳng bao gồm các loại sau: + Tần số kế cơ điện t−ơng tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện động). Loại tần số kế này dùng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz – 2,5kHz với cấp chính xác không cao (0,2; 0,5; 1,5 và 2,5) và tiêu thụ điện năng khá lớn + Tần số kế điện dung t−ơng tự để đo tần số trong dải từ 10Hz – 500kHz + Tần số kế chỉ thị số có thể đo khá chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz – 50GHz. Ngoài ra nó còn đ−ợc sử dụng để đo tỉ số giữa các tần số, chu kỳ, độ dài xung và khoảng thời gian. Đo tần số bằng ph−ơng pháp so sánh bao gồm: + Tần số kế trộn tần dùng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu điều chế biên độ trong khoảng 100kHz – 20GHz + Tần số kế cộng h−ởng để đo tần số trong dải tần 50kHz – 10GHz + Cầu xoay chiều phụ thuộc vào tần số để đo tần số trong khoảng 20Hz – 20kHz + Máy hiện sóng (oscilloscope) để so sánh tần số cần đo với tần số của máy phát chuẩn, dải tần đo có thể từ 10Hz – 100MHz (loại hiện đại nhất hiện nay có thể lên tới 500MHz) D−ới đây là một số loại tần số kế và fazomet thông dụng nhất II. Đo tần số vμ pha bằng ph−ơng pháp biến đổi thẳng 1. Tần số kế cộng h−ởng điện từ Cấu tạo: + Nam châm điện BomonKTDT-ĐHGTVT 74 + Thanh rung bằng các lá thép có tần số cộng h−ởng riêng. Một đầu của thanh rung bị gắn chặt còn một đầu dao động tự do. Tần số dao động riêng của mỗi thanh bằng 2 lần tần số cần đo. + Thang đo khắc độ theo tần số, có thể dạng đĩa hoặc dạng thanh Hoạt động: D−ới tác động của từ tr−ờng tạo ra bởi nam châm điện các thanh rung bị hút vào nam châm 2 lần trong một chu kỳ của dòng đ−a vào nam châm, do đó tạo nên dao động với tần số gấp 2 lần tần số của dòng đ−a vào nam châm. Khi thanh rung có tần số dao động riêng bằng 2 lần tần số cần đo thì nó sẽ dao động với biên độ lớn nhất (hiện t−ợng cộng h−ởng xảy ra) và qua đó xác định đ−ợc tần số cần đo. Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền và tin cậy Nh−ợc điểm: Dải tần đo rất hẹp (45 – 55Hz), (55 – 65Hz) 0 và (450 – 550Hz) Sai số lớn %5,2%5,1 ữ± Không thể sử dụng ở nơi có độ rung lớn hoặc thiết bị đang di chuyển. 2. Tần số kế cơ điện a. Tần số kế vμ Fazo kế điện động Đây là dụng cụ đo tần số dựa vào cơ cấu logomet điện động. Logomet điện động có cấu tạo và Nguyên tắc hoạt động nh− sau: Phần động gồm 2 cuộn dây B1, B2 gắn với nhau một góc cố định γ . Dòng điện I1, I2 đi vào B1, B2 Phần tĩnh gồm 1 cuộn dây A đ−ợc tách thành 2 phần nối tiếp. Dòng điện I đi vào A. Hai cuộn động sẽ quay trong từ tr−ờng B do cuộn tĩnh tạo ra tuỳ theo lực t−ơng tác đ−ợc sinh ra giữa B và dòng chạy trong cuộn động. Giả sử chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây nh− hình vẽ thì lực đẩy chính là lực sinh ra momen quay M1 và lực điều khiển là lực sinh ra momen cản M2. Vì hai cuộn động đ−ợc gắn cố định với nhau nên khi momen cản bằng momen quay cuộn động sẽ dừng, nghĩa là kim chỉ sẽ đạt vị trí cân bằng. + ++ + M2 M1 F F I I2 I1 B Ch−ơng 6: Đo tần số 75 ở vị trí cân bằng ta có: ) ),cos( ),cos(.( 2 1 2 1 II II I IF=α vậy α tỉ lệ với tỉ số 2 dòng chạy trong 2 cuộn động (I1 / I2) và cos(I,I1); cos(I,I2) Nh−ợc điểm: logomet điện động có độ nhạy thấp. Để tăng độ nhạy cho cơ cấu ng−ời ta cho thêm lõi thép vào và gọi cơ cấu là chỉ thị sắt điện động. Cấu tạo của tần số kế điện động Cuộn tĩnh A nối với cuộn động B2 nên I2 = I và góc (I, I2) = 0 (R2, L2, C2) đ−ợc chọn để cộng h−ởng điện áp với tần số fxo là giá trị trung bình của dải tần cần đo. ) cos cos.( 2.22 1 2 1 2 1 ψ ψα π I IF CL fxo =⇒ = với 0) ),() 2 121 = = 2 1 I(I, góclà I(I, góclà ψ ψ II Với các phần tử nh− trong mạch ta sẽ có )(' 2xfF=α , nghĩa là góc lệch của dụng cụ là một hàm của tần số, do đó thang đo có thể khắc độ trực tiếp theo thứ nguyên của tần số là Hz. Tần số kế có giới hạn đo từ 45Hz – 55Hz;