›
›

Giáo trình Đo lường điện tử

doc 130 trang hapham 2880
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Đo lường điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docgiao_trinh_do_luong_dien_tu.doc

Nội dung text: Giáo trình Đo lường điện tử

  1. BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Môn học: ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
  2. 1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
  3. 2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Đo Lường Điện Tử là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 45 giờ gồm có: Chương MH13-01: Đơn vị kích thước và các tiêu chuẩn Chương MH13-02: Đo lường và sai số trong đo lường Chương MH13-03: Thiết bị cơ điện Chương MH13-04: Đo độ tự cảm và điện dung Chương MH13-05: Đo điện trở Chương MH13-06: Máy phát tín hiệu Chương MH13-07: Đo lường bằng máy hiện sóng Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai. Đồng Nai, ngày 15 tháng 03 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên :Ts. Lê Văn Hiền 2. Kỹ sư Hồ Dự Luật 3. Đinh Xuân Hương
  4. 3 MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1 LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 Chương 1: Đơn vị kích thước và các tiêu chuẩn 7 Các đơn vị cơ hệ SI 7 Các đơn vị điện hệ SI 12 Chương 2: Đo lường và sai số trong đo lường 18 Đo lường 18 Sai số trong đo lường 23 Chương 3: Thiết bị cơ điện 28 Thiết bị đo kiểu nam châm vĩnh cửu với cuộn dây quay 29 Ampe kế đo điện một chiều 33 Vôn kế một chiều 37 VOM/DVOM vạn năng 40 Chương 4: Đo độ tự cảm và điện dung 63 Lý thuyết cầu xoay chiều 63 Cầu điện dung 66 Cầu điện cảm 71 Chương 5: Đo điện trở 77 Phương pháp đo 77 Vôn kế 85 Ampe kế 87
  5. 4 Cầu Wheatstone 92 Chương 6: Các máy phát tín hiệu 96 Máy phát tín hiệu tần số thấp 96 Các máy phát hàm 99 Chương 7: Đo lường bằng máy hiện sóng 102 Khái niệm 102 Đo lường AC 109 Đo thời gian và tần số 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
  6. 5 MÔN HỌC ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ Mã môn học: MH13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học - Vị trí: Môn học được bố trí dạy ngay từ đầu khóa học, trước khi học các môn chuyên môn và có thể học song song với môn cơ bản khác như linh kiện điện tử, điện cơ bản, máy điện, điện kỹ thuật - Vai trò: Giáo trình “Đo lường điện tử” nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về phương pháp và kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý. Môn học Đo lường điện tử là môn học đóng vai trò quan trọng trong các môn đào tạo nghề áp dụng trong việc đo lường các thiệt bị điện khi cần có những thông số, số liệu để sửa chữa. Môn học này đòi hỏi người học phải có khả năng tư duy, kiên trì nắm vững được kiến thức đã được học trong các môn học cơ sở để ứng dụng. - Ý nghĩa: Là môn học bắt buộc, sau khi học xong “đo lường điện tử” phải biết sử dụng thành thạo các dụng cụ đo và thiết bị đo điện tử quan trọng nhất trong thực nghiệm vật lý. Có được kỹ năng phân tích và thiết kế các mạch đo đơn giản, từ đó có cơ sở để phân tích và thiết kế các mạch đo và các hệ thống đo lường phức tạp. Người học có thể ứng dụng để kiểm tra, đo đạt các thông số, thiết bị trong mạch điện, các tín hiệu của dạng sóng - xung trong mạch và các động cơ điện AC 1 pha, AC 3 pha, động cơ điện một chiều - Tính chất của môn học: Là môn học kỹ thuật cơ sở. Mục tiêu của môn học Sau khi học xong môn học này học viên có năng lực * Về kiến thức: - Trình bày được khái niệm sai số trong đo lường, các loại sai số và biện pháp phòng tránh. - Trình bày được các loại cơ cấu đo dùng trong kỹ thuật điện, điện tử. - Trình bày được cơ cấu và cách sử dụng các loại máy đo thông dụng trong kỹ thuật: VOM, DVOM, máy hiện sóng. - Trình bày được cơ cấu và cách sử dụng các loại máy phát: Âm tần, cao tần * Về kỹ năng: - Đo được các thông số và các đại lượng cơ bản của mạch điện. - Sử dụng được các loại máy phát tín hiệu chuẩn - Thực hiện bảo trì, bảo dưỡng cho máy đo *Về thái độ:
  7. 6 - Chủ động, tư duy và sáng tạo trong học tập. - Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Nội dung chính của môn học: Thời gian (giờ) Kiểm tra* Mã bài Tên các bài trong môn học Tổng Lý Thực hành (LT số thuyết (Bài tập) hoặc TH) MH13-01 Đơn vị kích thước và các tiêu chuẩn 4 4 0 1 - Các đơn vị cơ hệ SI 1,5 2 - Các đơn vị điện hệ SI 2,5 MH13-02 Đo lường và sai số trong đo lường 5 5 0 1 - Đo lường 2 2 - Sai số trong đo lường 3 MH13-03 Thiết bị cơ điện 12 7 4 1 1 -Thiết bị đo kiểu nam châm vĩnh 1 cửu với cuộn dây quay 2 - Ampe kế đo điện 1 chiều 1,5 3 - Vôn kê 1 chiều. 1,5 4 - VOM/DVOM vạn năng 3 4 MH13-04 Đo độ tự cảm và điện dung 6 4 1 1 1 -Lý thuyết cầu xoay chiều. 1 2 - Cầu điện dung. 1 3 - Cầu điện cảm 2 1 MH13-05 Đo điện trở 6 3 3 1 - Phương pháp đo. 1 1 2 - Vôn kế. 0,5 1 3 - Ampe kế 0,5 1 4 - Cầu Wheatstone 1 MH13-06 Máy phát tín hiệu 7 4 3 1 - Máy phát tín hiệu tần số thấp 2 2 2 - Các máy phát hàm 2 1 MH13-07 Đo lường bằng máy hiện sóng 5 2 2 1 1 - Khái niệm 1 2 - Đo lường AC 0,5 1 3 - Đo thời gian và tần số 0,5 1 Cộng 45 29 13 3
  8. 7 CHƯƠNG 1 ĐƠN VỊ KÍCH THƯỚC VÀ CÁC TIÊU CHUẨN Mã chương: MH13-01 Giới thiệu Đơn vị đo: Là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ. Năm 1832, nhà toán học Đức K. Gauss đã chỉ ra rằng, nếu như chọn 3 đơn vị độc lập để đo chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) - thì trên cơ sở 3 đại lượng này nhờ các định luật vật lý, có thể thiết lập được đơn vị đo của tất cả các đại lượng vật lý. Tập hợp các đơn vị đo theo nguyên tắc Gauss đã đưa ra hợp thành hệ đơn vị đo. Trên thế giới các nhà khoa học đã thống nhất đưa ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn. Ðây là một hệ thống đơn vị đo lường quốc tế ( SI ) hợp pháp ở đa số các nước trên thế giới hiện nay. Ví dụ: Chuẩn “ ampe”, ohm”, “ volt”, Mục tiêu: Trình bày được các đơn vị cơ bản của hệ thống cơ và hệ thống điện thông dụng quốc tế (SI) Rèn luyện tính tư duy, cẩn thận và chính xác Nội dung chính: 1. Các đơn vị cơ hệ SI - Mục tiêu:Hiểu được khái niệm của các đơn vị và các tiêu chuẩn cơ trong hệ SI . 1.1 Các đơn vị cơ bản: Để cho nhiều nước có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất người ta đã thành lập hệ thống đơn vị quốc tế (SI) năm 1960 đã được thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân. Trong hệ thống đó các đơn vị được xác định như sau: - Đơn vị chiều dài: met (m) - Đơn vị khối lượng: kilogam (kg) - Đơn vị thời gian: giây (s) - Đơn vị cường độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị nhiệt độ: Kelvin (0K) - Đơn vị cường độ sáng: Candela (Cd) - Đơn vị số lượng vật chất: Mol 1.1.1 Đơn vị đo chiều dài mét (m): Mét là đơn vị đo khoảng cách, một trong bảy đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế (SI). Định nghĩa gần đây nhất của mét bởi Viện đo lường quốc
  9. 8 tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: " 1 khoảng cách có chiều dài đúng bằng quãng đường đi của 1 tia sáng trong chân không, trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây". Trong cách hành văn hàng ngày, nhiều khi một “mét” còn được gọi là một thước. 1.1.2 Đơn vị đo khối lượng (kg): Kilôgam là đơn vị đo khối lượng, một trong bảy đơn vị đo cơ bản của hệ đo lường quốc tế (SI), được định nghĩa là "khối lượng của khối kilôgam chuẩn quốc tế, mẫu chuẩn một kilogramme là một hình ống trụ hợp kim gồm 90% platin và 10% iridi, có đường kính 39 mm, cao 39 mm” thể hiện ở hình 1.1 Mẫu này được chế tạo vào năm 1879 ở Luân Dôn và hiện được bảo quản, đậy kín bởi một chuông kính, đặt tại Văn phòng Quốc tế về Đo lường, ở vùng Sèvres - Paris. Hình 1.1 Tuy nhiên, sau hơn 100 năm được chế tạo ra, mẫu chuẩn này đã bị biến đổi. Một vấn đề rất quan trọng là hiện nay kilôgam có xu hướng mất bớt khối lượng với thời gian do bị mòn đi (bằng khoảng một hạt cát có đường kính 0,4 mm). Đối với chúng ta, điều này chẳng hề hấn gì. Nhưng các nhà khoa học không chấp nhận như vậy bởi vì đơn vị trọng lượng là cơ sở cho nhiều đơn vị đo lường khác, và khoa học đòi hỏi phải chính xác không cho phép một sự sai lệch như vậy. Cần phải tìm một mẫu chuẩn khác theo đúng định nghĩa, tức là có thuộc tính không thay đổi của tự nhiên. Nói một cách khác, mẫu chuẩn phải là phi vật thể. Đa phần mỗi quốc gia tuân thủ hệ đo lường quốc tế đều có bản sao của khối kilôgam chuẩn, được chế tạo và bảo quản y hệt như bản chính, và được đem so sánh lại với bản chính khoảng 10 năm một lần. Chữ kilô (hoặc trong viết tắt là k) viết liền trước các đơn vị trong hệ đo lường quốc tế để chỉ rằng đơn vị này được nhân lên 1000 lần. Tại Việt Nam, kilôgam còn thường được gọi là cân trong giao dịch thương mại đời thường. 1.1.3 Đơn vị đo thời gian giây (s):
  10. 9 Giây (viết tắt là s theo chuẩn quốc tế và còn có kí hiệu là ″ ) là đơn vị đo thời gian, là một đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế (SI). Định nghĩa quen thuộc của giây vốn là khoảng thời gian bằng 1/60 của phút, hay 1/3600 của giờ. Hay Giây là một khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 lần chu kỳ của thời lượng bức xạ tương ứng trong sự chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng trong trạng thái cơ bản của nguyên tử Cs133 (Xêzi ). Trong vật lí người ta còn sử dụng các đơn vị nhỏ hơn như mili giây (một phần nghìn giây), micrô giây (một phần triệu giây), hay nano giây (một phần tỉ giây) 1.1.4 Đơn vị đo cường độ dòng điện ( A): Ampe là cường độ của dòng điện không đổi khi chạy qua trong hai dây dẫn thẳng, tiết diện nhỏ, rất dài, song song với nhau và cách nhau 1m trong chân không thì trên mỗi mét dài của mỗi dây có một lực từ bằng 2.10-7 N (Niutơn) trên một mét chiều dài. Ampe có ký hiệu là A, là đơn vị đo cường độ dòng điện I trong hệ SI, lấy tên theo nhà Vật lý và Toán học người Pháp André Marie Ampère. 1.1.5 Đơn vị đo nhiệt độ ( K): Trong hệ thống đo lường quốc tế, Kelvin là một đơn vị đo lường cơ bản cho nhiệt độ. Nó được kí hiệu bằng chữ K. Mỗi độ K trong nhiệt giai Kelvin (1K) tương ứng bằng một độ trong nhiệt giai Celsius (1°C) , Thang nhiệt độ này được lấy theo tên của nhà vật lý, kỹ sư người Ireland William Thomson, nam tước Kelvin thứ nhất. Nhiệt độ trong nhiệt giai Kelvin đôi khi còn được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, do 0K ứng với nhiệt độ nhỏ nhất mà vật chất có thể đạt được. Tại 0K, trên lý thuyết, mọi chuyển động nhiệt hỗn loạn đều ngừng. Thực tế chưa quan sát được vật chất nào đạt tới chính xác mức 0K, chúng luôn có nhiệt độ cao hơn 0K một chút, tức là vẫn có chuyển động nhiệt hỗn loạn ở mức độ nhỏ. Độ Celsius (°C hay độ C) là đơn vị đo nhiệt độ được đặt tên theo nhà thiên văn học người Thụy Điển Anders Celsius (1701–1744). Ông là người đầu tiên đề ra hệ thống đo nhiệt độ căn cứ theo trạng thái của nước với 100 độ là nước đá đông và 0 độ là nước sôi ở khí áp tiêu biểu (standard atmosphere) vào năm 1742. Hai năm sau nhà khoa học Carolus Linnaeus đảo ngược hệ thống đó và lấy 0 độ là nước đá đông và 100 là nước sôi. Hệ thống này được gọi là hệ thống centigrade tức là bách phân và danh từ này được dùng phổ biến cho đến nay mặc dù kể từ năm 1948, hệ thống nhiệt độ này đã chính thức vinh danh nhà khoa học Celsius bằng cách đặt theo tên của ông. Một lý do nữa Celsius được dùng thay vì centigrade là vì thuật ngữ " bách phân" cũng
  11. 10 được sử dụng ở lục địa châu Âu để đo một góc phẳng bằng phần vạn của góc vuông - Có thể biến đổi bằng công thức từ 0C sang K bởi công thức sau: t° = T -273,15 T = 273,15+ t° (0°C tương ứng với 273,15 K hay 0K = - 273,150C) Trong đó: t0: Kí hiệu nhiệt độ Celcius, đơn vị 0C T: Kí hiệu nhiệt độ giai Kelvin, đơn vị K Chú ý: là không dùng chữ "độ K" (hoặc " 0K") khi ghi kèm số, chỉ kí hiệu K thôi, ví dụ 45K, 779K, chứ không ghi 45 độ K (hoặc 450K), và đọc là 45 Kelvin, 779 Kelvin, chứ không phải "45 độ Kelvin", - Trong đời sống ở Việt Nam và nhiều nước, nó được đo bằng 0C (10C trùng 274,15K) - Trong đời sống ở nước Anh, Mỹ và một số nước, nó được đo bằng 0F (10F trùng 255,927778K, 10C bằng 1.80F). 1.1.6 Đơn vị đo lượng chất (mol): Mol là lượng chất của 1 hệ chứa cùng 1 lượng phân tử cơ bản bằng số nguyên tử trong 0,012kg carbon 12. Mol có thể dùng để nói đến các phần tử nhỏ bé: Mol nguyên tử, mol phân tử, mol ions, electron, hoặc các phần tử khác hoặc nhóm các phần tử khác. Ví dụ: Khối lượng mol nguyên tử của ôxy là 16g; khối lượng mol phân tử của ôxy là 32g, 1.1.7 Đơn vị đo cường độ ánh sáng (Cd): Đơn vị cường độ sáng là Candela (Cd) là cường độ sáng tại một điểm đặt cách nguồn sáng đơn sắc có tần só 540x10 12 Hz với công suất 1/683 Watt trong một steradian (steradian là đơn vị góc khối). 1.2 Đơn vị lực ( N) Trong vật lý, lực là một đại lượng vật lý được dùng để biểu thị tương tác giữa các vật, làm thay đổi trạng thái chuyển động hoặc làm biến đổi hình dạng của các vật. Lực cũng có thể được miêu tả bằng nhiều cách khác nhau như đẩy hoặc kéo. Lực tác động vào một vật thể có thể làm nó xoay hoặc biến dạng, hoặc thay đổi về ứng suất, và thậm chí thay đổi về thể tích. Lực bao gồm cả hai yếu tố là độ lớn và hướng. Theo định luật Newton II, F=ma, một vật thể có khối lượng không đổi sẽ tăng tốc theo tỉ lệ nhất định với lực tổng hợp theo khối lượng của vật Newton (viết tắt là N) là đơn vị đo lực trong hệ đo lường quốc tế (SI), lấy tên của nhà bác học Isaac Newton. Nó là một đơn vị dẫn xuất trong SI nghĩa là nó được định nghĩa từ các đơn vị đo cơ bản.
  12. 11 Cụ thể lực bằng khối lượng nhân gia tốc (định luật 2 Newton): (1.4) Trong đó: F: Lực, đơn vị là Newton (N). m: Khối lượng, đơn vị là kg. a: Gia tốc, đơn vị là m/s2 - Trên bề mặt Trái Đất, một vật có khối lượng 1 kg có lực trọng trường là 9.81 N (hướng xuống). Trọng lượng của một người có khối lượng 70 kg so với Trái Đất là xấp xỉ 687 N. 1.3 Đơn vị công ( J ) Công cơ học, gọi tắt là công, là năng lượng được thực hiện khi có một lực tác dụng lên vật thể làm vật thể và điểm đặt của lực chuyển dời. Công cơ học thu nhận bởi vật thể được chuyển hóa thành sự thay đổi công năng của vật thể, khi nội năng của vật thể này không đổi. Công được xác định bởi tích vô hướng của véctơ lực và véctơ quảng đường đi:A=F.s (1.5) Trong đó: - A là công, trong SI tính theo “J”. - F là véc-tơ lực không biến đổi trên quãng đường di chuyển, trong SI tính theo “N” - s là véc-tơ quãng đường thẳng mà vật đã di chuyển, trong SI tính theo “m” 1.4 Đơn vị năng lượng Năng lượng là đại lượng vật lý đặc trưng để xác định định lượng chung cho mọi dạng vận động của vật chất. Năng lượng theo lý thuyết tương đối của Albert Einstein là một thước đo khác của lượng vật chất được xác định theo công thức liên quan đến khối lượng toàn phần E = mc². Trong đó : - E : là năng lượng, trong hệ SI đơn vị là kg (m/s)² . - m: là khối lượng , đơn vị là kg - c: Tốc độ ánh sáng gần bằng 300,000,000 m /sec ( 300.000 km/s), đơn vị là (m/s). 1.5 Đơn vị công suất (W) Công suất được định nghĩa là tỷ số giữa công và thời gian. Nếu một lượng công được sinh ra trong khoảng thời gian t thì công suất sẽ là P = A/t (1.6) Trong đó :
  13. 12 - P : là công suất, đơn vị là Watt ( W) - A: là công sinh ra , đơn vị là jun ( J) - t: là thời gian, đơn vị là giây ( s) - Trước đây người ta dùng đơn vị mã lực để đo công suất. + Ở nước Pháp: 1 mã lực = 1CV = 736W + Ở nước Anh: 1 mã lực = 1HP = 746W 2. Các đơn vị điện hệ SI - Mục tiêu: Trình bày khái niệm đơn vị kích thước và các tiêu chuẩn điện hệ SI. 2.1. Các đơn vị của dòng điện và điện tích Dòng điện Trong điện học và điện từ học, dòng diện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Vì đại lượng đặc trưng cho dòng điện là cường độ dòng điện, từ "dòng điện" thường được hiểu là cường độ dòng điện. - Trong kim loại, thực tế các proton (tích điện dương) chỉ có các dao động tại chỗ, còn các electron (tích điện âm) chuyển động. Chiều chuyển động của electron, do đó ngược với chiều dòng điện quy ước. - Trong một số môi trường dẫn điện (ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma, ), các hạt tích điện trái dấu (ví dụ các ion âm và dương) có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau. - Trong bán dẫn loại p, mặc dù các electron thực sự chuyển động, dòng điện được miêu tả như là chuyển động của các hố điện tử tích điện dương. Điện tích: Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng. Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ. Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ, khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này, là nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên. Một Culông tương ứng với lượng điện tích chạy qua tiết điện dây dẫn có cường độ dòng điện 1 ampe trong vòng 1 giây. Một proton có điện tích bằng 1,60219.10-19 Coulomb, hay +1e. Một electron có điện tích bằng -1,60219.10-19 Coulomb, hay -1e. Theo quy ước, có hai loại điện tích: Điện tích âm và điện tích dương. Điện tích của electron là âm ( ký hiệu là –e), còn điện tích của proton là dương ( ký hiệu là +e) với e là giá trị của một điện tích nguyên tố. Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau. Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu sẽ hút nhau. Tương tác giữa các hạt
  14. 13 mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Coulomb. Định luật Coulomb (đọc là Cu-lông), đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles de Coulomb, phát biểu là: Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích, tỷ lệ thuận với tích độ lớn của các điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. q q Công Thức : F k 1 2 (1.7) e r 2 Trong đó: - F: độ lớn của lực - Ke: hằng số - q1 q1 : điện tích - r: khoảng cách 2.2 Sức điện động, hiệu điện thế và điện áp: - Sức điện động: là đại lượng đặc trưng cho nguồn năng lượng điện, có bản chất không phải tĩnh điện, cần thiết để duy trì dòng điện trong mạch điện. Sức điện động có giá trị bằng công phải tiêu tốn để chuyển một đơn vị điện tích dương dọc theo toàn mạch kín. Sức điện động tổng cộng trong mạch có dòng điện không đổi, bằng hiệu điện thế giữa hai đầu mạch hở. Sức điện động cảm ứng được tạo thành bởi điện trường xoáy sinh ra trong từ trường biến đổi. Nó thường được ký hiệu bằng chữ E, Đơn vị của volt (V) - Điện áp hay hiệu điện thế: là giá trị chênh lệch điện thế giữa hai điểm. Cũng tương tự như dòng điện, điện áp có 2 loại điện áp một chiều và điện áp xoay chiều. Điện áp một chiều là sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm mà tại đó sự chênh lệch điện thế tạo ra các dòng điện một chiều. Điện áp xoay chiều tương ứng với trường hợp sự thay đổi liên tục về cực tính giữa hai điểm tương ứng và điều này chính là nguyên nhân tạo ra sự thay đổi chiều dòng điện và chúng ta có dòng điện xoay chiều. Nó thường được ký hiệu bằng chữ U, Đơn vị của điện áp và hiệu điện thế là volt (V) Hoặc: Điện áp hay hiệu điện thế là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện. Thường một điểm nào đó của mạch được chọn làm điểm gốc có điện thế bằng 0 (điểm nối đất). Khi đó, điện thế của mọi điểm khác trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp tại điểm tương ứng. Tổng quát hơn, điện áp giữa hai điểm A và B của mạch (ký hiệu là U) xác định bởi: UAB = VA- VB = -UAB 2.3 Điện trở và điện dẫn: 2.3.1 Điện trở: là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó, kí hiệu là R, đơn vị đo bằng Ohm (Ω).
  15. 14 U R (1.8) I Trong đó: U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V). I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A). R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm = (Ω). Đoạn dây dẫn có điện trở 1Ω là đoạn dây có dòng điện 1A chạy qua, điện áp giữa hai đầu dây là 1V. 2.3.2 Điện dẫn: là khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vào các hạt, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường. Sự di chuyển có thể tạo thành dòng điện. Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào vật chất. Sự dẫn điện có thể diễn tả bằng định luật Ohm, dòng điện tỷ lệ với điện trường tương ứng, và tham số tỷ lệ chính là độ dẫn điện: (1.10) Với: - là mật độ dòng điện - là cường độ diện trường - σ ( Sigma, xích ma) là độ dẫn điện Độ dẫn điện cũng là nghịch đảo của điện trở suất ρ:σ = 1/ρ, σ và ρ là những giá trị vô hướng. Trong hệ SI σ có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét). Độ dẫn điện của 1 số kim loại ở 25°C: - Bạc: 62 · 106 S/m (max. σ các kim loại) - Đồng: 58 · 106 S/m - Vàng: 45,2 · 106 S/m - Nhôm: 37,7 · 106 S/m - Thiếc: 15,5 · 106 S/m - Sắt: 9,93 · 106 S/m - Crôm: 7,74 · 106 S/m 2.4 Từ thông và cường độ từ thông - Từ thông: là thông lượng đường sức từ đi qua một điện tích. Từ thông là tích phân của phép nhân vô hướng giữa mật độ từ thông với véctơ thành phần điện tích, trên toàn bộ điện tích. Theo ký hiệu toán học: (1.11) Với:
  16. 15 - là từ thông - B là mật độ từ thông Hướng của véctơ B theo quy ước là từ cực nam lên cực bắc của nam châm, khi đi trong nam châm, và từ cực bắc đến cực nam, khi đi ngoài nam châm. Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo từ thông là Weber (Wb), và đơn vị đo mật độ từ thông là Tesla hay Weber trên mét vuông. 2.5 Độ tự cảm Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm): là một linh kiện điện tử thụ động tạo ra từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Cuộn dây có biểu tượng mạch điện có một độ tự cảm (hay từ dung) L đo bằng đơn vị Henry (H). Đối với dòng điện một chiều (DC), dòng điện có cường độ và chiều không đổi (tần số bằng 0), cuộn dây hoạt động như một điện trở có điện kháng gần bằng không hay nói khác hơn cuộn dây nối đoản mạch. Dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường, B, có cường độ và chiều không đổi. Khi mắc điện xoay chiều (AC) với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường, B, biến thiên và một điện trường, E, biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường. Độ tự cảm của cuộn từ lệ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều. Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện. Khi không có dòng điện chạy qua, cuộn dây không có từ. Từ trường sản sinh tỉ lệ với dòng điện B = I L (1.12) 2.6 Điện dung Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào điện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức C = ξ. S / d (1.13) - Trong đó C: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara (F) - ξ: Là hằng số điện môi của lớp cách điện. - d: là chiều dày của lớp cách điện. - S: là điện tích bản cực của tụ điện. Dung kháng của tụ điện: Xc = 1/ωC = 1/2πfC Đối với tụ điện lí tưởng không có dòng qua hai tấm bản cực tức là tụ điện không tiêu thụ công suất. Nhưng thực tế vẫn có dòng từ cực này qua lớp điện môi đến cực kia của tụ điện, vì vậy trọng tụ có sự tổn hao công suất.
  17. 16 Thường sự tổn hao này rất nhỏ và người ta thường đo góc tổn hao (tgδ) của tụ để đánh giá tụ điện. Để tính toán, tụ điện được đặc trưng bởi một tụ điện lý tưởng và một thuần trở mắc nối tiếp nhau (đối với tụ có tổn hao ít) hoặc mắc song song với nhau (đối với tụ có tổn hao lớn), trên cơ sở đó xác định góc tổn hao của tụ. Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản là 1V thì điện tích của tụ điện là 1C. Các ước của Fara: + Micrôfara(μF):1μF=10-6F + Nanôfara(nF):1nF=10-9F + Picôfara(pF): 1pF = 10-12 - Tụ điện: là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Hình: 1.2a Tụ điện một chiều Hình 1.2bTụ điện xoay chiều (tụ phân cực) ( tụ không phân cực) Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc qui - Tụ điện một chiều hay còn gọi là tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương. Thường trên tụ quy ước cực âm bằng cách sơn một vạch màu sáng dọc theo thân tụ, hoặc khi tụ chưa cắt thì chân
  18. 17 dài hơn là cực dương thể hiện ở hình 1.2 a, tụ không phân cực được thể hiện ở hình 1.2b.  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 1 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, phân biệt sự khác nhau của các đơn vị đo. + Về kỹ năng: Áp dụng chính xác tên các đơn vị cho mỗi tên tronng hệ thống SI + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm.
  19. 18 CHƯƠNG 2 ĐO LƯỜNG VÀ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Mã chương: MH13-02 Giới thiệu Đo lường là sự so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng được chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng chuẩn). Như vậy công việc đo lường là nối thiết bị đo vào hệ thống được khảo sát kết quả đo các đại lượng cần thiết trên thiết bị đo. Trong thực tế khó xác định trị số thực các đại lượng đo. Vì vậy trị số được đo cho bởi thiết bị đo được gọi là trị số tin cậy được. Bất kỳ đại lượng đo nào cũng bị ảnh hưởng nhiều thông số. Do đó kết quả đo ít khi phản ánh đúng trị số tin cậy được. Cho nên có nhiều hệ số ảnh hưởng trong đo lường liên quan đến thiết bị đo. Ngoài ra có những hệ số khác liên quan đến con người sử dụng thiết bị đo. Như vậy độ chính xác của thiết bị đo được diễn tả bởi hình thức sai số. Mục tiêu: - Trình bày được các sai số trong kỹ thuật đo lường, nguyên nhân và biện pháp phòng tránh giảm sai số trong đo lường. - Có ý thức trách nhiệm và bảo quản thiết bị dụng cụ Nội dung chính: 1. Đo lường - Mục tiêu:Trình bày được khái niệm, các tiêu chuẩn qui định trong đo lường. - Ðo lường điện tử: là đo lường mà trong đó đại lượng cần đo được chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện mang thông tin đo và tín hiệu điện đó được xử lý và đo lường bằng các dụng cụ và mạch điện tử. - Ðo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị. Vd: U= 380v, U – điện áp, 380 – con số, V – đơn vị đo. Với định nghĩa trên thì đo lường là quá trình thực hiện ba thao tác chính: - Biến đổi tín hiệu và tin tức. - So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lường. - Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị. Căn cứ vào việc thực hiện các thao tác này ta có các phương pháp và hệ thống đo lường khác nhau. 1.1. Độ chính xác và mức chính xác - Ðộ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kỳ một phép đo nào đều có sai lệch so với đại lượng đúng
  20. 19 Y X Độ chính xác tương đối: A 1 n n ( 2 . 1 ) Y n Ví dụ: Điện áp hai đầu điện trở có trị số tin cậy được là 50V. Dùng vôn kế đo được 49V. Như vậy: Độ chính xác tương đối: Y X 50 49 A 1 n n 1 0 ,98 Y n 50 Mức chính xác là độ chắc chắn của thiết bị với giá trị của đại lượng ở ngõ ra khi ta đưa một đại lượng ở đầu vào. X X n P 1 | n | ( 2 . 2 ) X n Trong đó: Xn - giá trị đo lần thứ n X n - giá trị trung bình Ví dụ: Cho bảng 2.1có giá trị nhận được 10 lần đo, tính sự chính xác của lần đo thứ 6. Số lần đo Giá trị đo được Xn 1 98 2 101 3 102 4 97 5 101 6 100 7 103 8 98 9 106 10 99 Bảng 2.1 Giá trị trung bình của 10 lần đo được tính như sau:  X n 1005 X n 100 X n 10 X X n 100 1005 P 1 | n | 1 | 0 ,99 X n 100 Độ chính xác của một phép đo và mức chính xác phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như chất lượng của thiết bị đo, người sử dụng các thiết bị đó và yếu tố môi trường. Cấp chính xác của dụng cụ đo là đặc trưng tổng quát của nó, được quy định bởi các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về các giới hạn của sai số đo cơ bản và thứ yếu, cũng như về các thông số khác có ảnh hưởng đến độ
  21. 20 chính xác của các dụng cụ đo. Để đánh giá độ chính xác của đồng hồ đo điện, người ta dùng khái niệm cấp chính xác của dụng cụ đo. Cấp chính xác có thể kí hiệu bằng chữ hoặc số theo các quy định xác định. Cấp chính xác được biểu diễn bởi biểu thức 2.3 X  % m 100% (2.3) A m Dụng cụ đo điện có 8 cấp chính xác sau: 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 và 5. Cấp chính xác được ghi trên mặt của đồng hồ đo. Biết cấp chính xác ta có thể tính được sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép của phép đo: X m  % Am  % 100 % X m Am 100 % Ví dụ: Một vôn-kế có ghi cấp chính xác là 1, nghĩa là giới hạn sai số của nó cho tầm do là 1%. Ví dụ: Một miliampe kế có thang độ lớn nhất A max = 100mA, cấp chính xác là 2,5. Sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép sẽ là: X m  % A m 2 ,5 x100  % 100 % X m 2 ,5 mA A m 100 % 100 Vượt quá giá trị 2,5mA này đồng hồ sẽ không còn đạt cấp chính xác 2,5 nữa. Ví dụ: Một vôn kế có cấp chính xác 1,5 khi dùng thang đo 50V mắc sai số cho phép lớn nhất là: ∆ Xmax = 1,5. 50 / 100 = 0,75V Nhưng nếu dùng thang đo 100V thì sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép lại là ∆ Xmax = 1,5. 100 / 100 = 1,5V 1.2. Các tiêu chuẩn Khi sử dụng thiết bị đo lường, chúng ta mong muốn thiết bị được chuẩn hóa (calibzate) khi được xuất xưởng nghĩa là đã được chuẩn hóa với thiết bị đo lường chuẩn (standard). Việc chuẩn hóa thiết bị đo lường được xác định theo bốn cấp như sau: Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) - các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris (Pháp), các thiết bị đo lường chuẩn hóa cấp 1 này theo định kỳ được đánh giá và kiểm tra lại theo trị số đo tuyết đối của các đơn vị cơ bản vật lý được hội nghị quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận. Cấp 2: Chuẩn quốc gia - các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới đã được chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế và chúng cũng được chuẩn hóa tại các viện định chuẩn quốc gia.
  22. 21 Cấp 3: Chuẩn khu vực - trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm định chuẩn cho từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị đo lường tại các trung tâm này đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia (National standard). Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các trung tâm định chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực (zone standard). Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm - trong từng khu vực sẽ có những phòng thí nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bị được dùng trong sản xuất công nghiệp. Như vậy các thiết bị được chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm này sẽ có chuẩn hóa của phòng thí nghiệm. Do đó các thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được chuẩn hóa tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường của cấp đó. Còn các thiết bị đo lường tại các trung tâm đo lường, viện định chuẩn quốc gia phải được chuẩn hóa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn. Ví dụ phòng thí nghiệm phải trang bị các thiết bị đo lường có tiêu chuẩn của chuẩn vùng hoặc chuẩn quốc gia, còn các thiết bị đo lường tại viện định chuẩn quốc gia thì phải có chuẩn quốc tế. Ngoài ra theo định kỳ được đặt ra phải được kiểm tra và chuẩn hóa lại các thiết bị đo lường. 1.3 Kỹ thuật đo Phép đo cần phải được thực hiện một cách cẩn thận và sự thể hiện các số liệu đo phải phù hợp sau khi đã có tính toán đến các giới hạn về độ nhạy, độ chính xác và khả năng của thiết bị đo. Ðôi khi số đo có thể đúng nhưng nếu thể hiện kết quả sai, người ta có thể hiểu mạch đang tốt là có sai hỏng và ngược lại. Hơn nữa, việc sử dụng thiết bị đo sai có thể tạo ra các nguy hiểm cho sự an toàn của người đo và thiết bị đo. Các kỹ thuật đo sau đây cần phải tuân theo khi đo thử hay thực hiện các phép đo trong việc chẩn đoán hư hỏng, sửa chữa và bảo dưỡng các thiết bị điện tử. 1.3.1. Nối thiết bị đến nguồn điện lưới, tốt hơn hết là thông qua đầu nối ba chân, và thực hiện bật nguồn cho hệ thống theo trình tự sau: Các điểm quan trọng được chuyển mạch ON đầu tiên, tiếp theo là đóng [ON] nguồn cung cấp, sau đó đóng [ON] thiết bị đo, và cuối cùng đóng nguồn cung cấp cho mạch cần đo thử. Khi tắt (chuyển mạch sang OFF), thì trình tự là ngược lại, thì trình tự phải được thực hiện ngược lại: trước tiên tắt nguồn cung cấp cho mạch cần đo, tiếp theo là tắt thiết bị đo, sau đó tắt nguồn cung cấp và cuối cùng là ngắt điện lưới. Ðiều này sẽ bảo vệ thiết bị đo và thiết bị cần đo khỏi các xung quá độ. Không hàn hay tháo mối hàn linh kiện khi nguồn cung cấp đang bật.
  23. 22 1.3.2. Bất kỳ lúc nào cũng phải tắt thiết bị đo còn nếu thiết bị đo được chuyển mạch sang đóng [ON] ngay sau đó thì cần phải có khoảng thời gian đáng kể để cho phép các tụ xả điện. 1.3.3. Các thiết bị đo thử cần phải được nối đất một cách hiệu quả để giảm thiểu các biến thiên của nhiễu. 1.3.4. Chọn thang đo phù hợp theo tham số cần đo, tuỳ theo giá trị đo yêu cầu. Nếu không biết giá trị đo yêu cầu, thì hãy chọn thang đo cao nhất và sau đó giảm dần thang đo cho phù hợp, để tránh cho thiết bị đo bị quá tải và bị hư hỏng. Thang đo được chọn cuối cùng sẽ cho kết quả đo gần với độ lệch lớn nhất có thể có đối với phép đo điện áp và dòng điện, và gần mức trung bình đối với phép đo điện trở, để có độ chính xác tối ưu đối với hệ thống đo. 1.3.5. Khi giá trị đo bằng 0, thì đồng hồ đo cần phải chỉ thị bằng 0, nếu không thì cần phải được chỉnh về 0 cho phù hợp. 1.3.6. Không sử dụng các đầu que đo nhọn có kích thước lớn vì chúng có thể gây ngắn mạch. Các đầu que đo cần phải nhọn nhất nếu có thể được. 1.3.7. Ðiều quan trọng của việc nối các điểm đo thử: các hãng chế tạo thiết bị thường quy định các điểm đo thử tại các vị trí thuận tiện trên bảng mạch in. Ðiện trở, mức điện áp DC, mức điện áp tín hiệu và các dạng sóng của tín hiệu sẽ được quy định cho mỗi điểm đo thử. (điểm đo thử thường là cọc lắp đứng trên bảng mạch in). Các điểm đo thử sẽ được đệm tốt nhất để tránh nguy hiểm quá tải cho mạch cần đo. Các điểm đo thử được thiết kế bởi các nhà chuyên môn có kinh nghiệm, khi cần khảo sát thiết bị, không được bỏ qua các điểm đo thử như vậy trong quá trình sửa chữa. 1.3.8. Thông thường các đầu que đo mang dấu dương và âm đối với các phép đo điện áp và dòng điện trong mạch. Nguồn pin bên trong đồng hồ đo sẽ có cực tính ngược lại, tức là đầu que đo âm của nguồn pin trong đồng hồ đo sẽ được nối đầu que được đánh dấu dương (que đo màu đen) và ngược lại thể hiện ở hình 2.1. Thực tế này cần phải nhớ khi đo thử các diode, các tụ điện phân, các transistor và các vi mạch. Hình 2.1
  24. 23 1.3.9. Nếu các điểm đo thử là không cho trước, hoặc nếu các phép đo là được thực hiện tại các điểm khác nhau, thì cần phải chú ý các điểm như sau: a) Khi đo các điện áp DC, phép đo cần phải được thực hiện ngay tại các linh kiện thực tế, và đối với vi mạch đo trực tiếp trên các chân. b) Sử dụng đầu kẹp đo thử IC để thực hiện các phép đo trên các chân của IC. c) Khi cần đo tín hiệu trên mạch in trong bảng mạch, nên kẹp đầu đo trên chân của cấu kiện điện tử được nối với đường mạch in. d) Khi thực hiện các phép đo trên bảng mạch, cần phải đảm bảo rằng các IC không bị điện tích tĩnh đo thiết bị đo. e) Khi kiểm tra hở mạch, hãy tháo một đầu của cấu kiện điện tử rồi thực hiện phép đo. Nếu cấu kiện không được tháo một đầu, thì các cấu kiện khác mắc song song với cấu kiện nghi ngờ sẽ chỉ thị không đáng tin cậy. Có thể kiểm tra cấu kiện nghi ngờ bằng cầu đo. Khi tháo mối hàn ra khỏi bảng mạch in là khó khăn thì có thể cắt đường mạch in liên quan, do dễ dàng hàn lại vết cắt hơn so với việc tháo mối hàn cấu kiện để đo rồi hàn lại, nhưng khi hàn lại vết cắt, cần đề phòng mối hàn bị nứt không xảy ra. f) Việc tháo và hàn IC là một quá trình khá phức tạp cần phải hết sức cẩn thận. Cần phải tháo mối hàn cho IC để đo thử chỉ khi xác minh chắc chắn các phép đo trên bảng mạch cho thấy IC đã thực sự hỏng. 1.3.10. Cần phải tuân theo các luu ý về an toàn để đảm bảo an toàn cho người đo, thiết bị đo. 1.3.11. Cần phải tuân theo các chỉ dẫn từ hướng dẫn sử dụng thiết bị đo thử, cũng như trình tự đo thử. 1.3.12. Cần phải nghiên cứu kỹ cách vận hành thiết bị đo để thực hiện phép đo và cần phải tuân theo tất cả các điểm lưu ý đã được đề cập. 1.4 Dịch số liệu Khi thực hiện phép đo, điều quan trọng là số liệu nhận được có đúng với giá trị của linh kiên cẩn đo để từ đó nhận ra nguyên nhân của sự khác biệt giữa kết quả đo được và kết quả dự kiến. Nếu kết quả thu được, khác với dự kiến thì cũng có thể là dụng cụ đo bị hỏng, hay bộ phận đọc số liệu bị hỏng hoặc kém, sự hiểu biết về các thông số đo chưa đầy đủ, 2. Sai số trong đo lường: - Mục tiêu: Xác định được các nguyên nhân gây ra sai số và những ảnh hưởng cuả nó trong đo lường. Là độ chênh lệch giữa kết quả đo và giá trị thực của đại lượng đo. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị đo, phương thức đo, người đo - Nguyên nhân gây sai số
  25. 24 Không có phép đo nào là không có sai số. vấn đề là khi đo phải chọn đúng phương pháp thích hợp, cũng như cần cẩn thận, thành thạo khi thao tác , để hạn chế sai số các kết quả đo sao cho đến mức ít nhất.Các nguyên nhân gây ra sai số thì có nhiều, người ta phân loại nguyên nhân gây ra sai số là đo các yếu tố khách quan và chủ quan gây nên. Các nguyên nhân khách quan ví dụ: dụng cụ đo lường không hoàn hảo, đại lượng đo được bị can nhiễu nên không hoàn toàn được ổn định Nguyên Nhân chủ quan, ví dụ: đo thiếu thành thạo trong thao tác, phương pháp tiến hành đo không hợp lý Vì có các nguyên nhân đó và ta cũng không thể tuyệt đối loại trừ hoàn toàn được như vậy nên kết quả của phép đo nào cũng chỉ cho giá trị gần đúng. Ngoài việc cố gắng hạn chế sai số đo đến mức thấp nhất, ta còn cần đánh giá được xem kết quả đo có sai số đến mức độ nào. - Phân loại sai số Mỗi thiết bị đo có thể cho độ chính xác cao, nhưng có thể có các sai số đo các hạn chế của thiết bị đo, do các ảnh hưởng của môi trường, và các sai số đo người đo khi thu nhận các số liệu đo. Các loại sai số có ba dạng: Sai số chủ quan (Sai số thô), sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên. 2.1 Sai số chủ quan (Các sai số thô): có thể quy cho giới hạn của các thiết bị đo hoặc là các sai số đo người đo. Giới hạn của thiết bị đo: Ví dụ như ảnh hưởng quá tải gây ra bởi một voltmeter có độ nhạy kém. Voltmeter như vậy sẽ rẽ dòng đáng kể từ mạch cần đo và vì vậy sẽ tự làm giảm mức điện áp chính xác. 2.2 Sai số hệ thống: Sai lệch có cùng dạng, không thay đổi được gọi là sai số hệ thống. Ví dụ: Giả sử dùng thước 20m để đo một đoạn thẳng nào đó, nhưng chiều dài thật của thước lúc đó lại là 20,001m. Như vậy trong kết quả một lần kéo thước có chứa 1mm, sai số này được gọi là sai số hệ thống. - Có hai loại sai số: Sai số của thiết bị đo và sai số do môi trường đo. Sai số của thiết bị đo: là do ma sát ở các bộ phận chuyển động của hệ thống đo hay do ứng suất của lò xo gắn trong cơ cấu đo là không đồng đều. Ví dụ, kim chỉ thị có thể không dừng ở mức 0 khi không có dòng chảy qua đồng hồ. Các sai số khác là đo chuẩn sai, hoặc do đao động của nguồn cung cấp, do nối đất không đúng, và ngoài ra còn do sự già hoá của linh kiện. Cũng là loại sai số tương tự sai số đọc, nhưng không phải do mắt, mà do sự hiển thị của các thiết bị đo kỹ thuật số. Các giá trị mà chúng có thể cho hiển thị trên màn hình chỉ là các giá trị gián đoạn (ví dụ: card chuyển từ analog – “tín hiệu tương tự” sang digital – “tín hiệu số”, nếu là loại 8 bits thì chỉ có thể hiển thị được 2 8=256 mức khác nhau), nếu kết quả đo không trùng với các
  26. 25 mức đó thì sẽ được làm tròn. Ngoài ra, khi đại lượng cần đo có sự dao động lớn hơn khoảng cách giữa hai mức tín hiệu số cạnh nhau, ta còn thấy các con số hiển thị thay đổi liên tục, việc chọn giá trị nào là tùy người sử dụng. Sai số do môi trường đo: là sai số do các điều kiện bên ngoài ảnh hưởng đến thiết bị đo trong khi thực hiện phép đo. Sự biến thiên về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, từ trường, có thể gây ra các thay đổi về độ dẫn điện, độ rò, độ cách điện, điện cảm và điện dung. Biến thiên về từ tính có thể đo thay đổi mô men quay (tức độ lệch). Các thiết bị đo tốt sẽ cho các phép đo chính xác khi việc che chắn các dụng cụ đến mức tối đa, sử dụng các màn chắn từ trường, v. v Các ảnh hưởng của môi trường đo cũng có thể gây ra độ dịch chuyển nhỏ ở kết quả, do thay đổi nhỏ về dòng điện. 2.3 Sai số ngẫu nhiên: Giả sử thước có vạch chia nhỏ nhất đến 1mm, thì sai số dọc thước ở phần ước lượng nhỏ hơn mm là sai số ngẫu nhiên. Sai số ngẫu nhiên là những sai số mà trị số và đặc điểm ảnh hưởng của nó đến mỗi kết quả đo đạc không rõ ràng, khi thì xuất hiện thế này, khi thì xuất hiện thế kia, ta không thể biết trước trị số và dấu của nó. Vì vậy sai số ngẫu nhiên xuất hiện ngoài ý muốn chủ quan của con người, chủ yếu do điều kiện bên ngoài, ta khó khắc phục mà chỉ có thể tìm cách hạn chế ảnh hưởng của nó. Sai số ngẫu nhiên có các đặc tính sau. Sai số ngẫu nhiên có trị số và dấu xuất hiện không theo quy luật, nhưng trong cùng một điều kiện đo nhất định, sai số ngẫu nhiên sẽ xuất hiện theo những quy luật. Đặc tính giới hạn: Trong những điều kiện đo đạc cụ thể, trị tuyệt đối của sai số ngẫu nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định. Đặc tính tập trung: Sai số ngẫu nhiên có trị tuyệt đối càng nhỏ, thì có khả năng xuất hiện càng nhiều. Đặc tính đối xứng: Sai số ngẫu nhiên dương và âm với trị số tuyệt đối bé có số lần xuất hiện gần bằng nhau. Đặc tính bù trừ: Khi số lần đo tiến tới vô cùng, thì số trung bình cộng của các sai số đo đạc ngẫu nhiên của cùng một đại lượng sẽ tiến tới không. Tức là: n lim  i 1 i 0 (2.4) n n - Ngoài các sai số trên để đánh giá sai số của dụng cụ khi đo một đại lượng nào đó người ta còn phân loại. - Sai số tuyệt đối:là hiệu giữa giá trị đại lượng đo Yn và giá trị thực Xn e = Yn - Xn
  27. 26 Y X - Sai số tương đối (tính theo %): e | n n | 1 0 0 % ( 2 .5 ) r Y n Trong đó: e r - sai số tương đối, Yn - giá trị đại lượng đo; Xn - giá trị thực (trị số đo được) - Độ chính xác tính theo %: a = 100% – er = (A×100%) (2.6) 3. Thị sai Thị sai thể hiện trạng thái trong đó chỉ có một điểm để xác định đường thẳng từ mắt đến thang đo và điểm này chính là đầu kim hay đầu nhọn của thước đo (phụ thuộc vào điểm nhìn). Sự khác nhau trong việc đọc không do dụng cụ gây nên mà do vị trí của mắt so với mũi nhọn của kim đo. Các nhầm lẫn như vậy có thể do đánh giá sai khi kim nằm giữa hai vạch chia.  Nhiệm vụ của người quan sát khi thực hiện phép đo: Chuẩn bị trước khi đo: phải nắm được phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo được sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với môi trường xung quanh. Trong khi đo: Phải biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn. Sau khi đo: nắm chắc các phương pháp gia công kết quả đo để gia công kết quả đo. Xem xét kết quả đo đạt yêu cầu hay chưa, có cần phải đo lại hay phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê. - Không có thang đo nào có đủ các vạch cho mọi giá trị ( ví dụ: Thước kẻ chỉ chia vạch đến mm, do đó các độ dài không phải số nguyên lần mm thì người đo phải nhận định về phần lẻ là bao nhiêu phần trăm của 1mm). Sai số loại này rất phổ biến và do tính chủ quan của người đọc. - Khi dùng đồng hồ kim, kim của đồng hồ không nằm trong mặt phẳng chứa các vạch chia độ. Khi đó vị trí đặt mắt không đúng sẽ làm tăng sai số đọc. Vị trí đúng là vị trí mà mặt phẳng do con ngươi của mắt và kim của đồng hồ tạo thành một mặt phẳng vuông góc với mặt chia độ. Do vậy, đôi khi người ta phải có gương phản xạ trên mặt chia độ, và chỉ cần chọn vị trí của mắt sao cho ảnh của kim bị khuất sau chính kim đó. 4. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Đơn vị đo là gì? Thế nào là đơn vị tiêu chuẩn? có mấy đơn vị tiêu chuẩn. 2. Kỹ thuật đo là gì? 3. Sai số đo là gì? Phân biệt các loại sai số đo 4. Cấp chính xác của dụng cụ đo là gì? Phân biệt sai số của phép đo và cấp chính xác của dụng cụ đo khác nhau ở chổ nào?  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 2 Nội dung:
  28. 27 + Về kiến thức: Trình bày được các sai số trong kỹ thuật đo lường, nguyên nhân và biện pháp phòng tránh giảm sai số trong đo lường. + Về kỹ năng: Áp dụng được các tiêu chuẩn, xác định được các thông số trong phép đo. + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm
  29. 28 CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ CƠ ĐIỆN Mã chương: MH13- 03 Giới thiệu: Cơ cấu đo là thành phần cơ bản để tạo nên các dụng cụ và thiết bị đo lường ở dạng tương tự ( Analog) và hiện số (digitals). Ở dạng tương tự (Analog) là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lượng cần đo như: điện áp, tần số, góc pha, được biến đổi thành góc quay α của phần động ( so với phần tĩnh ), tức là biến đổi từ năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học. Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong các dụng cụ đo các đại lượng: dòng điện, điện áp, tần số, công suất, góc pha, điện trở, của mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp. Hiện số ( digital) là cơ cấu chỉ thị số ứng dụng các kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến đổi và chỉ thị đại lượng đo. Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, LED 7 đoạn, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng, Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các thiết bị đo lường dùng kim và chỉ thị số thông dụng trong kỹ thuật điện, điện tử - Có ý thức trách nhiệm và bảo quản thiết bị dụng cụ Nội dung chính : 1. Thiết bị đo kiểu nam châm vĩnh cửu với cuộn dây quay - Mục tiêu:Phân biệt được các loại cơ cấu đo chỉ thị kim, trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của mỗi loại. 1.1. Phân loại: Có 2 loại - Loại có một khung dây động - Loại có hai khung dây động 1.2 Cấu tạo: - Cơ cấu nầy được ký hiệu trên mặt máy đo như sau: 1.2.1 Loại có một khung dây động - Cơ cấu từ điện gồm hai phần cơ bản thể hiện ở hình 3.1: Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện 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 để tạo ra từ trường đều giữa khe hở, trong đó có khung quay chuyển động. Đường sức qua khe hở làm việc hướng tâm tại mọi điểm.
  30. 29 Trong khe hở này có độ từ cảm b đều nhau tại mọi điểm. Từ trường đi theo chiều vào cực nam ra cực bắc. Hình 3.1 Cơ cấu chỉ thị từ điện Khung quay: Gồm có một khung 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 hình 3.2a hoặc dây căng hay dây treo hình 3.2b, 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. Vì vậy 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
  31. 30 Hình 3.2 a. khung quay – loại trục quay b. khung quay – dây treo 1.2.2 Loại có hai khung dây động ( hình 3.3) Phần tĩnh giống như cơ cấu một khung dây nhưng khe hở không khí giữa cực từ và lõi sắt non là không đều nhau. - Phần động ta đặt hai cuộn dây chéo nhau 600, gắn cứng trên trục quay và lần lượt cho dòng điện I 1và I2 chạy qua sao cho chúng sinh ra hai mômen quay ngược chiều nhau, phần động không có lò so cản và thể hiện ở hình 3.3 Hình 3.3 Loại có hai khung dây động 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.3.1 Loại có một khung quay. - Bình thường, cuộn dây nằm trong khe hở của nam châm nên nhận được từ trường đều - Khi có dòng điện chạy qua khung dây, dòng điện qua cuộn dây sẽ sinh ra từ trường tác dụng lên từ trường của nam châm tạo thành lực điện từ làm cuộn dây quay trong khe hở của nam châm sẽ làm kim chỉ thị quay theo, chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Nhờ có lò xo cản nên kim
  32. 31 sẽ được giữ ở vị trí thăng bằng ứng với lực điện từ do dòng điện cho vào cuộn dây tạo nên. Khi mất dòng điện vào cuộn dây thì lò xo sẽ kéo kim về vị trí ban đầu. Lực điện từ do dòng điện sinh ra được tính theo công thức 3.1: F= B.L.N.I ( 3.1) Trong đó: - B: là cường độ từ cảm của nam châm qua cuộn dây, thường từ 0,1 đến 0,3 Tesla - L: chiều dài của cuộn dây - N: là số vòng dây - I: là trị số dòng điện Môment quay Mq của lực điện từ F: Mq = F.W = N.B.L.W.I = Kq. I ( 3.2) Trong đó: W là bề rộng của khung quay, Với Kq = N.B.L.W Lò xo (hoặc dây treo) tạo moment cản Mc với Mc = Kc. (3.3) Trong đó: Kc là hệ số xoắn của lò so, : góc quay của kim Hình 3.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của cơ cấu đo điện từ một khung dây - Ưu điểm: 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 cao và không đổi trong toàn thang đo
  33. 32 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 25w đến 200w nên không ảnh hưởng đến chế độ của mạch đo. Có độ cản dịu tốt. - Nhược điểm: Cơ cấu đo kiểu từ điện 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 tiết diện rất nhỏ cho nên chỉ cho 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 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 10-12A và điện áp đến 10-4V 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. 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 ) 1.3.2 Loại có hai khung dây Khi ta cho các dòng một chiều I 1, I2 chạy vào các cuộn dây động, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cữu sẽ tạo ra các môment quay M 1, M2 với: M1 = B1. S1. W1. I1 (3.4) M2 = B2.S2. W2. I2 ( 3.5) Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng từ B phụ thuộc vị trí của khung dây động. B1 = f1( α) → M1 = f1 ( α). S1. W1. I1 (3.6) B2 = f2( α) → M2 = f2 ( α). S2. W2. I2 ( 3.7) Vì không có lò so phản nên phần động sẽ cân bằng khi M1 = M2, Ta có: f1 ( α). S1. W1. I1 = f2 ( α). S2. W2. I2
  34. 33 f 1 S 1W 1 I 2 Vậy: (3.8) f 2 S 2 W 2 I 1  Ðặc điểm và ứng dụng - Ðặc điểm: Tương tự như cơ cấu một khung dây ở trên không có độ chính xác cao hơn, công suất tổn thất thấp, độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài. Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua các khung dây, điều này thuận lợi khi đo các đại lượng vật lý thụ động phải cho thêm nguồn ngoài. Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai dòng điện vẫn được giữ nguyên do vậy mà tránh được sai số. - Ứng dụng: Ðược dùng chế tạo các ommet, megommet. 2. Ampe đo điện một chiều ( DC: direct current ) - Mục tiêu : Trình bày được khái niệm, các phương pháp đo dòng điện một chiều trong mạch điện. 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 o Đo trực tiếp o Đo gián tiếp o 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. 2.1 Nguyên lý cấu tạo: 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. - Dòng cho phép: thường là 10-1 ÷ 10-2 A - Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,05.
  35. 34 - Ðiện trở cơ cấu: 20Ω ÷ 2000Ω. Vì vậy muốn sử dụng cơ cấu này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị ( I FS ), phải dùng thêm một điện trở shunt phân nhánh nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện. 2.2 Cách mắc mạch đo ( hình 3.5): Khi đo dòng điện, ta mắc dụng cụ đo nối tiếp với mạch điện cần đo theo đúng chiều dương âm của ampe kế thể hiện hình 3.5. 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 2 PA = IA . RA (3.2) Từ 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 Hình 3.5: Mạch đo dòng -Dụng cụ đo: Ampe mét từ điện, được mắc nối tiếp với mạch có dòng điện cần đo, sao cho tại cực dương dòng đi vào và tại cực âm dòng đi ra khỏi ampe mét. -Yêu cầu: nội trở nhỏ để đảm bảo ampe mét ảnh hưởng rất ít đến trị số dòng điện cần đo. Ampe mét từ điện có độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng điện chạy qua cuộn dây. Trị số dòng điện lớn nhất có thể đo được chính là dòng qua cơ cấu đo ( IFS ) của điện kế. 2.3 Phương pháp mở rộng thang đo (tầm đo) ( hình 3.6a,b): Ta đã biết cơ cấu chỉ thị từ điện dùng chế tạo các ampemet cho mạch một chiều. (Khung dây được quấn bằng dây đồng có kích thước nhỏ từ 0,02 ÷
  36. 35 0,04 mm, vì vậy dòng điện chạy qua khung dây thông thường nhỏ hơn hoặc bằng 20mA. Tuy nhiên, khi dòng điện cần đo lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị ta phải mở rộng thang đo bằng cách ghép thêm điện trở R s (điện trở Shunt) song song với điện kế để phân dòng và cho ampe-kế có nhiều tầm đo thích hợp ở hình 3.6a, 3.6b (Điện trở shunt là điện trở được chế tạo bằng hợp kim của mangan có độ ổn định cao so với nhiệt độ). Hình 3.6a: Ammeter mở rộng thang đo Dòng điện cần đo: IR = Ithang - IFS trong đó: IFS - dòng điện qua cơ cấu chỉ thị. Ithang - dòng điện đi qua điện trở shunt. Điện trở shunt Rs được xác định: V R F S (3.10) S I I thang F S V F S Trong đó: I F S 3 .1 1 R G
  37. 36 Hình 3.6b: Ammeter mở rộng thang đo Cách tính trị số điện trở shunt: Ví dụ: Giả thiết sử dụng điện kế có I FS = 50μA, RG = 2kΩ, VFS = 0,1V. Ở thang đo 50μA dòng chỉ qua điện kế và có điện trở là 2 kΩ. Khi kim quay hết khung thì điện áp qua điện kế là V FS =0,1v Vậy, nếu ở thang đo 250 μA thì điện trở R 1 là điện trở shunt được tính sao cho dòng qua điện kế vẫn là 50μA và dòng còn lại qua điện trở R 1 Ta có, công thức: VFS 0,1 R1 6 6 500 Ithang I FS 250.10 50.10 - Nếu ở thang đo là R 2 = 5mA VFS 0,1 R2 3 6 20,2 I thang I FS 5.10 50 .10 Vì vậy, đối với ampe-kế có nhiều tầm đo thì dùng nhiều điện trở shunt, mỗi tầm đo có một điện trở shunt, khi chuyển tầm đo là chuyển điện trở shunt. Khi sử dụng Ampemet cần chú ý - Không tạo điện áp rơi tại các mối nối - Không được nối trực tiếp Ampemet với nguồn điện lớn gây hỏng thiết bị - Khi sử dụng Ampemet chúng ta để ở thang đo lớn nhất sau đó giảm dần thang đo sao cho đến giá trị dể đọc của dòng cần đo.
  38. 37 3. Votl kế một chiều - Mục tiêu: Hiểu được nguyên lý hoạt động của cơ cấu đo, cách mắc volt kế trong mạch đo. 3.1 Nguyên lý cấu tạo Để đo điện áp một chiều, 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 phụ nối tiếp với cơ cấu đo Voltmeter một chiều được chế tạo gồm cơ cấu chỉ thị từ điện nối tiếp với một điện trở phụ R p. khác với ampemet, voltmet dùng để đo điện áp rơi trên phụ tải hoặc điện áp giữa hai đầu của một mạch điện, do đó luôn mắc song với phụ tải cần đo 3.2 Cách mắc mạch đo (hình 3.7): Đặt volt kế song song với hai điểm có điện áp cần đo theo đúng chiều dương âm của volt kế thể hiện hình 3.7. Khi sử dụng vônmét để đo điện áp cần lưu ý các sai số sinh ra trong quá trình đo, bao gồm: - Sai số đo ảnh hưởng của vônmét khi mắc vào mạch đo. - Sai số đo tần số. Hình 3.7: Mạch đo điện áp 3.3 Phương pháp mở rộng thang đo Khi 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 điện áp của cơ cấu đo (VFS ) thì phải mở rộng thang đo bằng cách ghép thêm điện trở nối tiếp với điện kế để phân áp thể hiện hình 3.8. Như vậy ta thấy điện trở của tải được mắc song song thêm với điện trở của volmet và làm thay đổi điện áp trên tải và gây ra sai số phụ trong quá trình đo lường thể hiện hình 3.8a
  39. 38 Hình 3.8: Mạch đo điện áp DC nhiều thang đo, với cách mắc song song và nối tiếp Cách tính điện trở phụ nối tiếp: Công thức tính điện trở phụ cho các thang đo là: V V V R thang FS R thang R 3.10 p I p I G FS FS V FS Trong đó I FS R G Ví dụ: Giả thiết sử dụng điện kế như hình 3.9 có I FS = 50μA, RG = 2kΩ, VFS = 0,1V. Hình 3.9: Voltmet mở rộng thang đo Ở thang đo 0,1V điện áp chỉ qua điện kế và có điện trở là 2 kΩ. Khi kim quay hết khung thì dòng qua điện kế là I FS = 50μA. Vậy, nếu ở thang đo 2,5V điện trở R 1 là điện trở phụ được tính sao cho khi điện áp 2,5V thì điện áp trên điện kế vẫn là 0,1V và điện áp còn lại giảm trên điện trở R 1. Vthang VFS Vthang Ta có,công thức: Rp Rp RG IFS IFS V 2,5 R thang R 2.103 48k 1 I G 50.10 6 hay : FS Nếu ở thang đo 50V có trị số điện trở phụ là:
  40. 39 Vthang 50 3 R2 RG 6 2.10 998 k I FS 50 .10 Ví dụ: Một cơ cấu chỉ thị từ điện như hình 3.10 có dòng qua điện kế là IFS = 2mA và điện trở của cơ cấu đo R G = 50Ω. Hãy tính các điện trở R1, R2, R3, R4 tương ứng với các thang đo: 0V - 250V, 0V – 100V, 0V – 50V, 0V - 10V. Hình 3.10 Ta có, điện trở phụ được tinh theo công thức như sau: - Với thang đo V 4 = 10V Vthang R4 RG I FS Vthang 10 R4 RG 3 50 4,95k 4950  I FS 2.10 - Với thang đo V3 = 50V V thang R 3 R G R 4 I FS 50 50 4950 25 k 5 k 20 k 2 .10 3 - Với thang đo V2 = 100V Vthang R2 RG R3 R4 I FS 100 50 20.103 4950 50k 25k 25k 2.10 3 - Với thang đo V2 = 250V
  41. 40 Vthang R1 RG R3 R2 R4 I FS 100 50 20.103 25.103 4950 2.10 3 125k 50k 75k 4. VOM/DVOM vạn năng - Mục tiêu: Trình bày chức năng, cách thức đo của VOM/ DVOM, hiểu chức năng của mỗi thang đo tương ứng với giá trị đo của nó. 4.1 VOM 4.1.1 Giới thiệu đồng hồ đo VOM Đồng hồ vạn năng ( VOM ) là thiết bị đo không thể thiếu được với bất kỳ một kỹ thuật viên điện tử nào, đồng hồ vạn năng có 4 chức năng chính là: Đo điện trở, đo điện áp DC, đo điện áp AC và đo dòng điện thể hiện ở hình 3.13 và 3.14. Hình 3.13: Mặt trước đồng hồ VOM Ưu điểm: là đo nhanh, kiểm tra được nhiều loại linh kiện, thấy được sự phóng nạp của tụ điện. Nhược điểm: Là hạn chế về độ chính xác và có trở kháng thấp khoảng 20kΩ/Vol. Do vậy, khi đo vào các mạch cho dòng thấp chúng bị sụt áp. Khi cơ cấu đo từ điện hợp thành các mạch nhiều thang đo ammeter, voltmeter và ohmmeter, toàn bộ trong một thiết bị đo, thì thiết bị đo được gọi là đồng hồ đo đa năng. Ðồng hồ đo đa năng cũng được gọi là đồng hồ đo AVO (Ampere Volt Ohm). Khi sử dụng đồng hồ đo đa năng để thực hiện các phép đo cần phải tuân theo các lưu ý sau:
  42. 41 Hình 3.14: Các thang đo của đồng hồ VOM 1. Chọn chuyển mạch thông số đo đúng. Nếu muốn đo điện áp, đừng bao giờ để đồng hồ đo ở thang đo dòng điện. 2. Chọn đúng thang đo của một thông số đo. Nếu muốn đo giá trị được cho là 80V, không để đồng hồ ở thang đo 0V – 10V, mà để đồng hồ đo ở thang đo 0V – 100V. 3. Nếu không biết giá trị cần đo, thì hãy để đồng hồ đo ở thang đo cao nhất theo thông số đo, và sau đó giảm dần thang đo theo các nấc giảm dần cho đến khi xác định được thang đo thích hợp. 4. Thang đo được chọn cần phải có số chỉ thị gần với độ lệch đầy thang (full scale) ở mức có thể được đối với phép đo điện áp và dòng điện, và gần một nửa thang đo đối với phép đo điện trở, bởi vì đồng hồ đo sẽ cho sai số phép đo nhỏ nhất. 5. Nếu kim chỉ thị của đồng hồ đo không ở tại vị trí 0 ngay khi không có tín hiệu vào, thì phải hiệu chỉnh bằng bộ phận cơ khí (độ cản của lò xo cân bằng gắn trên khung dây), để có mức điều chỉnh về 0 cho chính xác. 6.Khi đo điện trở, điều chỉnh biến trở chỉnh về 0 để có độ lệch đầy thang (fsd) khi ngắn mạch hai đầu que đo với nhau. 4.1.2 Các yêu cầu trước khi thực hiện một phép đo - Xác định loại đại lượng cần đo: áp AC – DC,dòng DC, điện trở, - Ước lượng trị số tối đa có thể. - Chọn tầm đo có trị số lớn hơn trị số ước lượng ( giá trị ghi trên tầm đo là trị số tối đa có thể đo được. Vì vậy tuyệt đối không được đo trị số vượt quá tầm đo. Nếu trị số đo thực tế quá nhỏ so với giới hạn của tầm đo thì kim bị lệch rất ít và kết quả đo khó đọc. Khi đó ta chọn tầm đo thấp hơn sao cho kim chỉ thị lệch khoảng 2/3 mặt chỉ thị để kết quả đo đọc dễ dàng)
  43. 42 - Xác định phương pháp đo. Ví dụ: Khi đo điện áp DC thì ta đọc giá trị trên vạch chỉ số DCV.A - Nếu ta để thang đo 250V thì ta đọc trên vạch có giá trị cao nhất là 250V, tương tự để thang 10V thì đọc trên vạch có giá trị cao nhất là 10. trường hợp để thang 1000V nhưng không có vạch nào ghi cho giá trị 1000 thì đọc trên vạch giá trị 10, sau đó giá trị đo được nhân với 100 lần - Khi đo điện áp AC thì đọc giá trị cũng tương tự. đọc trên vạch AC.10V, nếu đo ở thang có giá trị khác thì ta tính theo tỷ lệ. Ví dụ nếu để thang 250V thì mỗi chỉ số của vạch 10 số tương đương với 25V. - Khi đo dòng điện thì đọc giá trị tương tự đọc giá trị khi đo điện áp. 4.1.3 Hướng dẫn cách đo và đọc giá trị  Hướng dẫn sử dụng thang đo điện trở Với thang đo điện trở của đồng hồ vạn năng như hình 3.15 ta có thể đo được rất nhiều thứ. Đo kiểm tra giá trị của điện trở Đo kiểm tra sự thông mạch của một đoạn dây dẫn Đo kiểm tra sự thông mạch của một đoạn mạch in Đo kiểm tra các cuộn dây biến áp có thông mạch không Đo kiểm tra sự phóng nạp của tụ điện Đo kiểm tra xem tụ có bị đò, bị chập không. Đo kiểm tra trở kháng của một mạch điện Đo kiểm tra đi ốt và bóng bán dẫn. * Để sử dụng được các thang đo này đồng hồ phải được lắp 2 Pịn tiểu 1,5V bên trong, để xử dụng các thang đo 1kΩ hoặc 10kΩ ta phải lắp Pin 9V. - Đo điện trở: Hình 3.15: Đo kiểm tra điện trở bằng đồng hồ vạn năng Để đo tri số điện trở ta thực hiện theo các bước sau:
  44. 43 - Bước 1: Để thang đồng hồ về các thang đo trở, nếu điện trở nhỏ thì để thang x1Ω hoặc x10Ω, nếu điện trở lớn thì để thang x1kΩ hoặc 10kΩ. => sau đó chập hai que đo và chỉnh triết áo để kim đồng hồ báo vị trí 0Ω. - Bước 2: Chuẩn bị đo. - Bước 3: Đặt que đo vào hai đầu điện trở, đọc trị số trên thang đo, Giá trị đo được = chỉ số thang đo X thang đo. Ví dụ: nếu để thang x 100Ωvà chỉ số báo là 27 thì giá trị là = 100 x 27 = 2700 Ω = 2,7 kΩ - Bước 4: Nếu ta để thang đo quá cao thì kim chỉ lên một chút, như vậy đọc trị số sẽ không chính xác. - Bước 5: Nếu ta để thang đo quá thấp, kim lên quá nhiều, và đọc trị số cũng không chính xác.  Lưu ý: - Khi đo điện trở phải được cách ly hoàn toàn với mạch. Mỗi khi chuyển tầm đo của thang đo điện trở, ta cần phải chỉnh 0 cho VOM thì kết quả đo mới chính xác ( cách chỉnh 0 cho VOM: chập hai que đo lại với nhau và điều chỉnh nút ADJ sao cho kim chỉ thị chỉ đúng tại vạch số 0 ) - Khi đo điện trở ta chọn thang đo sao cho kim báo gần vị trí giữa vạch chỉ số sẽ cho độ chính xác cao nhất.  Dùng thang điện trở để đo kiểm tra tụ điện Ta có thể dùng thang điện trở để kiểm tra độ phóng nạp và hư hỏng của tụ điện, khi đo tụ điện. Nếu là tụ gốm ta đùng thang đo x1kΩ hoặc 10kΩ thể hiện ở hình 3.16 Hình 3.16: Dùng thang X1kΩ để kiểm tra tụ gốm Nếu đo tụ hoá ta dùng thang x1Ω hoặc x10 Ω thể hiện ở hình 3.17: Tụ C1 còn tốt => kim phóng nạp khi ta đo Tụ C2 bị rò => lên kim nhưng không trở về vị trí cũ Tụ C3 bị chập => kim đồng hồ lên = 0Ω và không trở về.
  45. 44 Hình 3.17:Dùng thang X 10Ω để kiểm tra tụ hoá Ở trên là phép đo kiểm tra các tụ hoá, tụ hoá rất ít khi bị rò hoặc chập mà chủ yếu là bị khô ( giảm điện dung) khi đo tụ hoá để biết chính xác mức độ hỏng của tụ ta cần đo so sánh với một tụ mới có cùng điện dung. Ở trên là phép đo so sánh hai tụ hoá cùng điện dung, trong đó tụ C 1 là tụ mới còn C 2 là tụ cũ, ta thấy tụ C 2 có độ phóng nạp yếu hơn tụ C 1, chứng tỏ tụ C2 bị khô ( giảm điện dung ) Chú ý khi đo tụ phóng nạp, ta phải đảo chiều que đo vài lần để xem độ phóng nạp.  Hướng dẫn đo điện áp một chiều (DC) bằng đồng hồ vạn năng. Khi đo điện áp một chiều DC, chúng ta nhớ chuyển thang đo về thang DC, khi đo ta đặt que đỏ vào cực dương (+) nguồn, que đen vào cực âm (-) nguồn như hình 3.18, để thang đo cao hơn điện áp cần đo một nấc.  Ví dụ: nếu đo áp DC 110V ta để thang DC 250V, trường hợp để thang đo thấp hơn điện áp cần đo => kim báo vượt quá giá trị thang đo cho phép, trường hợp để thang quá cao => đọc giá trị đo thiếu chính xác. Hình 3.18:Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp một chiều DC
  46. 45 - Trường hợp để sai thang đo hình 3.19: Nếu ta để sai thang đo, đo áp một chiều nhưng ta để đồng hồ thang xoay chiều thì đồng hồ sẽ báo sai, thông thường giá trị báo sai cao gấp 2 lần giá trị thực của điện áp DC, tuy nhiên đồng hồ cũng không bị hỏng Hình 3.19: - Trường hợp để nhầm thang đo Tuyệt đối không để nhầm đồng hồ vào thang đo dòng điện hoặc thang đo điện trở khi ta đo điện áp một chiều (DC), nếu nhầm dồng hồ sẽ bị hỏng như hình 3.20 Hình 3.20
  47. 46 - Trường hợp để nhầm thang đo điện trở khi đo điện áp DC => đồng hồ sẽ bị hỏng các điện trở bên trong, Hình 3.21 Hình 3.21  Hướng dẫn đo điện áp xoay chiều. - Khi đo điện áp xoay chiều ta chuyển thang đo về các thang AC, để thang AC cao hơn điện áp cần đo một nấc hình 3.22. Ví dụ: Nếu đo điện áp AC 220V ta để thang AC 250V, nếu ta để thang thấp hơn điện áp cần đo thì đồng hồ báo quá giá trị đo cho phép, nếu để ở thang đo có giá trị đo quá cao thì đọc giá trị đo thiếu chính xác. Hình 3.22 Sử dụng đồng hồ vạn năng đo áp AC
  48. 47 - Tuyết đối không để thang đo điện trở hay thang đo dòng điện khi đo vào điện áp xoay chiều => Nếu nhầm đồng hồ sẽ bị hỏng (Hình 3.23, hình 3.24) Hình 3.23 Hình 3.24 - Nếu để thang đo áp DC mà đo vào nguồn AC thì kim đồng hồ không báo, nhưng đồng hồ không ảnh hưởng (Hình 3.25). Hình 3.25
  49. 48 Cách đọc giá trị: - Nếu ta để thang đo 250V thì ta đọc giá trị trên thang cao nhất là 250V, tương tự để thang đo 10V thì ta đọc trên vạch có giá trị 10V. trường họp để thang 1000v nhưng không có vạch nào ghi cho giá trị 1000V thì ta đọc trên vạch có giá trị Max = 10, giá trị đo được nhân với 100 lần - Khi đo điện áp AC thì đọc giá trị cũng tương tự. đọc trên vạch AC.10V, nếu đo ở thang có giá trị khác thì ta tính theo tỷ lệ. Ví dụ nếu để thang 250V thì mỗi chỉ số của vạch 10 số tương đương với 25V.  Hướng dẫn đo dòng điện bằng đồng hồ vạn năng Cách 1: Dùng thang đo dòng Để đo dòng điện bằng đồng hồ vạn năng, ta đo đồng hồ nối tiếp với tải tiêu thụ và chú ý là chỉ đo được dòng điện nhỏ hơn giá trị của thang đo cho phép, ta thực hiện theo các bước sau - Bước 1: Đặt đồng hồ vào thang đo dòng cao nhất. - Bước 2: Đặt que đồng hồ nối tiếp với tải, que đỏ về chiều dương, que đen về chiều âm. - Nếu kim lên thấp quá thì giảm thang đo - Nếu kim lên kịch kim thì tăng thang đo, nếu thang đo đã để thang cao nhất thì đồng hồ không đo được dòng điện này. - Chỉ số kim báo sẽ cho ta biết giá trị dòng điện. Cách 2: Dùng thang đo áp DC Ta có thể đo dòng điện qua tải bằng cách đo sụt áp trên điện trở hạn dòng mắc nối với tải, điện áp đo được chia cho giá trị trở hạn dòng sẽ cho biết giá trị dòng điện, phương pháp này có thể đo được các dòng điện lớn hơn khả năng cho phép của đồng hồ và đồng hồ cũng an toàn hơn. 4.2 DVOM (Digital Volt Ohm Meter: đồng hồ đo ohm volt hiện số) 4.2.1 Giới thiệu: Đồng hồ vạn năng điện tử là đồng hồ hiển thị số có khả năng đo điện trở, điện áp AC và DC, dòng điện AC & DC, kiểm tra tụ điện, đo tần số, đo dòng điện lớn, kiểm tra Diode và cả Transistor. Đây là loại thông dụng nhất hiện nay cho những người làm công tác kiểm tra điện và điện tử. Kết quả của phép đo thường được hiển thị trên một màn hình tinh thể lỏng nên đồng hộ còn được gọi là đồng hồ vạn năng điện tử hiện số. Việc lựa chọn các đơn vị đo, thang đo hay vi chỉnh thường được tiến hành bằng các nút bấm, hay một công tắc xoay, có nhiều nấc, và việc cắm dây nối kim đo vào đúng các lỗ. Nhiều vạn năng kế hiện đại có thể tự động chọn thang đo.
  50. 49 Đồng hồ số sử dụng nguyên lý của mạch số để đo điện áp tương tự. Đồng hồ số có tất cả các ưu điểm của mạch điện tử số khi so với mạch điện tử tương tự.Vạn năng kế điện tử còn có thể có thêm các chức năng sau: 1. Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo (gần) bằng 0. 2. Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước. 3. Thêm các bộ khuếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cường độ dòng điện nhỏ khi điện trở lớn. 4. Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện, có ích khi kiểm tra và lắp đặt mạch điện. 5. Kiểm tra diode và transistor, có ích cho sửa chữa mạch điện. 6. Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt. 7. Đo tần số trung bình, khuếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện của radio. Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong dao động kế). 8. Dao động kế cho tần số thấp, có ở các vạn năng kế có giao tiếp với máy tính. 9. Bộ kiểm tra điện thoại. 10. Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô. 11. Lưu giữ số liệu đo đạc (ví dụ của hiệu điện thế). Ưu điểm: Đồng hồ số Digital có một số ưu điểm so với đồng hồ cơ khí, đó là độ chính xác cao hơn, trở kháng của đồng hồ cao hơn, do đó không gây sụt áp khi đo vào dòng điện yếu, đo được tần số điện xoay chiều. Nhược điểm: Đồng hồ này có một số nhược điểm là chạy bằng mạch điện tử lên hay hỏng, khó nhìn kết quả trong trường hợp cần đo nhanh, không đo được độ phóng nạp của tụ. 4.2.2 Nguyên lý hoạt động: Sau khi mạch suy giảm cho việc chọn thang đo; tín hiệu vào sẽ dược chuyển đổi thành tín hiệu số bởi bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Ở dạng cơ bản nhất, ADC sẽ so sánh tín hiệu vào với điện áp mẫu (các phương pháp nhận điện áp mẫu có thể khác nhau). Chỉ cần điện áp vào lớn hơn so với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ cho mức logic 1, sẽ giữ cho cổng AND mở và các xung nhịp sẽ truyền qua cổng AND. Bộ đếm sẽ đếm các xung nhịp đó. Ngay khi điện áp vào trở nên bằng với điện áp mẫu, thì tín hiệu ra của bộ so sánh sẽ bằng 0. Cổng AND sẽ đóng và dừng việc đếm. Mức ra của bộ đếm sẽ được chốt và các LED hay tinh thể lõng sẽ hiển thị giá trị đo (hình 3.26).
  51. 50 Hình3.26: Sơ đồ khối của DVOM hiển thị số  Mặt trước của Đồng hồ 1. mA/A: sử dụng lỗ cắm này và lỗ COM khi thực hiện chức năng đo dòng điện AC và DC nhỏ hơn 2A 2. 20A: sử dụng lỗ cắm này và lỗ COM khi thực hiện chức năng đo dòng điện AC và DC từ 2A đến 20A. 3. Display panel: Màn hình hiển thị số (Hình 3.27). 4. Mode Switch: chọn cách thức đo ( MODE). Khi nhấn nút thì cách thức đo sẽ thay đổi Min → Max→Rel→Comp→Normal ( trạng thái Normal không hiển thị lên màn hình) Min mode: chỉ thị giá trị nhỏ nhất Max mode: chỉ thị giá trị lớn nhất Rel Mode: chỉ thị giá trị liện hệ giữa giá trị đo lường và giá trị chuẩn. Comp mode: kiểm tra việc đo lường trong vòng giá trị nhỏ nhất với giá trị đo và giá trị lớn nhất với giá trị đo
  52. 51 Hình3.27: Đồng hồ vạn năng kế điện tử 5. RECALLSwitch: Nút nhấn này được sử dụng khi muốn xem giá trị chuẩn trong mode Rel. 6. HOLD Switch: Nút nhấn này được sử dụng khi muốn giữ lại giá trị đang đo. 7. Data Input switch: 8. Power Switch: công tắt mở máy hay tắt nguồn. 9. Range: Chọn lựa các đại lương cần đo: Điện áp, dòng điện, điện trở. 10. Continuty: kiểm tra ngắn mạch của mạch điện. 11. Ω: Nút nhấn được chọn khi muốn đo điện trở. 12. P A; = A: Nút nhấn được chọn khi muốn đo dòng DC và dòng AC. 13. PV;=V: Nút nhấn được chọn khi muốn đo điện áp DC và điện áp AC. 14. dBm: 15. Frequency: Nút nhấn được chọn khi muốn đo tần số 16.V/ Ω/ dBm/ Hz: Sử dụng ổ cắm này và COM (17) khi thực hiện chức năng đo diện áp, điện trở, decibel, tần số. 17. COM: Sử dụng ổ cắm này và một trong các ổ cắm ( 1), (2),và ( 16) khi muốn thực hiện một trong các chức năng đo dòng điện DC và AC, Đo điện áp, điện trở và tần số.  Mặt sau của đồng hồ: 18. Power inlet: ổ cắm cung cấp điện. 19. Current Fuse: cầu chì bảo vệ.
  53. 52 4.2.3 Hướng dẫn sử dụng:  Đo điện áp một chiều ( hoặc xoay chiều ) hình 3.28- 3.29 Hinh 3.28: Đặt đồng hồ vào thang đo điện áp DC hoặc AC Để que đỏ đồng hồ vào lỗ cắm ” VΩ mA” que đen vào lỗ cắm “COM” Bấm nút DC/AC để chọn thang đo là DC nếu đo áp một chiều hoặc AC nếu đo áp xoay chiều. Xoay chuyển mạch về vị trí “V” hãy để thang đo cao nhất nếu chưa biết rõ điện áp, nếu giá trị báo dạng thập phân thì ta giảm thang đo sau. Đặt thang đo vào điện áp cần đo và đọc giá trị trên màn hình LCD của đồng hồ. Nếu đặt ngược que đo (với điện một chiều) đồng hồ sẽ báo giá trị âm (- ) Hình 3.29: Đo sụt áp trên điện trở và bóng đèn
  54. 53  Đo dòng điện một chiều (hoặc xoay chiều) hình 3.30 Chuyển que đo đồng hồ về thang mA nếu đo dòng nhỏ, hoặc 20A nếu đo dòng lớn. Xoay chuyển mạch về vị trí “A” Bấm nút DC/AC để chọn đo dòng một chiều DC hay xoay chiều AC Đặt que đo nối tiếp với mạch cần đo Đọc giá trị hiển thị trên màn hình. Hình 3.30: Đo dòng điện chạy qua điện trở và bóng đèn  Đo điện trở hình 3.31 Trả lại vị trí dây cắm như khi đo điện áp. Xoay chuyển mạch về vị trí đo ” Ω “, nếu chưa biết giá trị điện trở thì chọn thang đo cao nhất, nếu kết quả là số thập phân thì ta giảm xuống. Đặt que đo vào hai đầu điện trở. Đọc giá trị trên màn hình. Chức năng đo điện trở còn có thể đo sự thông mạch, giả sử đo một đoạn dây dẫn bằng thang đo trở, nếu thông mạch thì đồng hồ phát ra tiến kêu
  55. 54 Hình 3.31: Đo điện trở và đo công suất  Đo tần số Xoay chuyển mạch về vị trí “FREQ” hoặc ” Hz” Để thang đo như khi đo điện áp. Đặt que đo vào các điểm cần đo Đọc trị số trên màn hình.  Đo Logic Đo Logic là đo vào các mạch số ( Digital) hoặc đo các chân lệnh của vi xử lý, đo Logic thực chất là đo trạng thái có điện – Ký hiệu “1″ hay không có điện – Ký hiệu “0″, cách đo như sau: Xoay chuyển mạch về vị trí “LOGIC” Đặt que đỏ vào vị trí cần đo que đen vào mass Màn hình chỉ “▲” là báo mức logic ở mức cao, chỉ “▼” là báo logic ở mức thấp  Đo các chức năng khác Đồng hồ vạn năng số còn một số chức năng đo khác như đo diốt (hình 3.32), Đo tụ điện, Đo Transistor nhưng nếu ta đo các linh kiện trên, ta nên dùng đồng hồ cơ khí sẽ cho kết quả tốt hơn và đo nhanh hơn.
  56. 55 Hình 3.32: Kiểm tra Diode 4.3 Bài tập sử dụng VOM/DVOM: ĐO ĐIỆN ÁP – DÒNG ĐIỆN – ĐIỆN TRỞ 4.3.1 Mục đích: Tạo các kỹ năng sử dụng đồng hồ volt kế và ampe kế, đồng hồ VOM, ampe kềm, đồng hồ DVOM để thực hiện các phép đo điện áp và dòng điện trong một mạch cụ thể đúng phương pháp, đúng kỹ thuật và đọc chính xác kết quả đo. 4.3.2 Các thiết bị sử dụng: - Đồng hồ VOM chỉ thị kim - Đồng hồ DVOM - Ampe kềm - 01 variac - Panel đo dòng điện và điện áp 4.3.3 Tóm tắt lý thuyết Áp dụng định luật ohm U = I.R 4.3.4 Các bước thực hiện:
  57. 56 A. Đo dòng điện, điện áp DC và điện trở a> Sơ đồ thí nghiệm 1 hình 3.38: Hình 3.38: a. mắc volt kế trước ampe kế sau b. mắc volt kế sau ampe kế trước Tiến hành thực hiện các bước sau: - Cắp nguồn - Chỉnh Variac để điện áp cung cấp khoảng 100v - Quan sát số chỉ ở các đồng hồ. Ghi kết quả vào bảng 1. Kết quả đo Hình a Hình b UDC(V) I(A) Tính R1 Nhận xét và cho biết khi nào thì nên mắc Volt kế theo hình a và khi nào mắc Volt kế theo hình b ?
  58. 57 b> thí nghiệm 2 Hình 3.39: Hình 3.39 Tiến hành đo dòng điện và điện áp của từng điện trở theo trình tự các bước và ghi kết quả vào bảng 2. U1(V) I1(A) R1(Ω) U2(V) I2(A) R2(Ω) U(V) I(A) Rtd(Ω) c> Thí nghiệm 3 Hình 3.40: Hình 3.40 Tiến hành đo dòng điện và điện áp của từng điện trở theo trình tự các bước và ghi kết quả vào bảng 3. U1(V) I1(A) R1(Ω) U2(V) I2(A) R2(Ω) U3(V) I3(A) R3(Ω) U(V) I(A) Rtd(Ω)
  59. 58 d> Thí nghiệm 4: - Giữ nguyên mạch điện như thí nghiệm 1 - Thay đổi nguồn DC cung cấp vào cho mạch khoảng 5 giá trị. - Quan sát các số chỉ trên đồng hồ, ghi kết quả vào bảng 4. Lần đo / Đại lượng đo U(V) I(A) Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1 B. Đo dòng điện, điện áp AC và điện trở a> Sơ đồ thí nghiệm 1 hình 3.41: Tiến hành thực hiện các bước sau: - Cắp nguồn - Chỉnh Variac để điện áp cung cấp khoảng 100v - Quan sát số chỉ ở các đồng hồ. Ghi kết quả vào bảng 1. Hình 3.41a Hình 3.41 b Bảng 1: Kết quả đo Hình a Hình b UDC(V) I(A) Tính R1
  60. 59 b> Thí nghiệm 2 hình 3.42 Hình 3.42: Tiến hành đo dòng điện và điện áp của từng điện trở theo trình tự các bước và ghi kết quả vào bảng 2. Bảng 2 U1(V) I1(A) R1(Ω) U2(V) I2(A) R2(Ω) U(V) I(A) Rtd(Ω) c> Thí nghiệm 3 hình 3.42:: Hình 3.42 Tiến hành đo dòng điện và điện áp của từng điện trở theo trình tự các bước và ghi kết quả vào bảng 3. Bảng 3 U1(V) I1(A) R1(Ω) U2(V) I2(A) R2(Ω) U3(V) I3(A) R3(Ω) U(V) I(A) Rtd(Ω)
  61. 60 d> Thí nghiệm 4: - Giữ nguyên mạch điện như thí nghiệm 1 của mạch đo AC - Thay đổi nguồn AC cung cấp vào cho mạch khoảng 5 giá trị. - Quan sát các số chỉ trên đồng hồ, ghi kết quả vào bảng 4. Bảng 4 Lần đo / Đại lượng đo U(V) I(A) Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1 Đo lần 1  Từ kết quả ở bảng 4 của mạch đo DC và AC, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa I và U C. Đọc điện trở bằng vòng màu và dùng thang đo điện trở của VOM để đo lại giá trị của linh kiện Điện trở R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 VOM Giá trị đọc từ vạch màu  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 3 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các thiết bị đo lường dùng kim và chỉ thị số thông dụng trong kỹ thuật điện, điện tử .
  62. 61 Phân biệt được các loại cơ cấu đo chỉ thị kim, trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của mỗi loại. + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các loại đồng hồ đo: VOM, DVOM. Hiểu được chức năng của thang đo, cách đọc giá trị đo, + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành lắp ráp, mạch điện theo yêu cầu của bài + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc. BÀI TẬP 1. Trình bày cấu tạo của cơ cấu chỉ thị kim kiểu nam châm vĩnh cữu với cuộn dây quay 2. Trình bày nguyên lý hoạt động của cơ cấu chỉ thị kim kiểu nam châm vĩnh cữu với cuộn dây quay 3. Sự khác và giống nhau của cơ cấu đo điện từ một khung dây và hai khung dây. 4. Ampemét đo điện một chiều là gì? Nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc, cách mắc mạch đo và phương pháp mở rộng thang đo. 5. Trình bày nguyên lý cấu tạo, cách mắc mạch đo và phương pháp mở rộng thang đo của vôn mét một chiều. 6. Tính điện trở shunt cho mA kế có 4 thang đo: 100μA, 500 μA , 5mA và 25mA . Cho biết điện kế từ điện có I fs = 100μA và RG = 1,5kΩ. 7. Tính điện trở phụ cho volt kế có 4 thang đo: 0,3V, 10V , 50V và 250V Cho biết điện kế từ điện có I fs = 500μA và RG = 600Ω. 4. Một cơ cấu đo từ điện như hình1 có I fs = 50μA, RG = 1700Ω được sử dụng làm volt kế có tầm đo 10V, 50V, 100V.
  63. 62 Hình 1 Đáp án: Theo hình a: V RG R1 R1 198,3 k IFS R2 998,3 k R3 1,9983 k Theo hình b: V 1 R1 R G 1 9 8, 3 k  I F S R 2 8 0 0 k  R 3 1 M 
  64. 63 CHƯƠNG 4 ĐO ĐỘ TỰ CẢM VÀ ĐIỆN DUNG Mã chương: MH13 - 04 Giới thiệu Các đại lượng điện được chia làm hai loại: loại tác động (active) và loại thụ động (passive). – Loại tác động: Các đại lượng mang năng lượng như điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng tác động. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ tác động lên mạch đo và cơ cấu đo. Trong các trường hợp năng lượng quá lớn phải sử dụng các mạch phân dòng, phân áp hoặc các mạch lấy mẫu đại lượng đo (biến áp, biến dòng). Trường hợp ngược lại, nếu các đại lượng đo quá nhỏ, phải sử dụng các mạch khuếch đại để khuếch đại chúng lên đủ lớn để mạch đo có thể làm việc bình thường. – Loại thụ động: Các đại lượng không mang năng lượng như điện trở, điện cảm, điện dung là các đại lượng thụ động. Khi đo các đại lượng này phải có nguồn điện áp để cung cấp năng lượng cho chúng trong mạch đo. Mục tiêu: - Trình bày được cấu trúc, nguyên lý, phương pháp đo độ tự cảm, điện dung của linh kiện dùng cầu xoay chiều. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong công việc Nội dung 1. Lý thuyết cầu xoay chiều. - Mục tiêu:Hiểu được nguyên lý hoạt động, điều kiện cân bằng của cầu xoay chiều. Cầu đo dòng xoay chiều (Hình 4.1) là loại dựa trên cầu đơn dùng để đo điện cảm, điện dung. Để đơn giản ta coi cầu đo AC được cấu tạo giống như cầu đo Wheatstone một chiều (cầu đo DC). Nguồn cung cấp cho mạch cầu là nguồn xoay chiều có tần số 50Hz (tần số điện lưới) - tín hiệu sin (độ méo dạng nhỏ), tần số âm tần (khoảng 1kHz ). Chỉ thị không là một dụng cụ xoay chiều như điện kế điện tử, máy hiện sóng, vvv . Tuy nhiên, ở đây chúng ta chỉ đề cập đến phương pháp cân bằng cho cầu đo AC, điều kiện cân bằng phải đạt được hai thành phần là cân bằng về biên độ và cân bằng về pha. - Điều kiện cân bằng cho cầu đo AC Khi cầu cân bằng ta có: UZ1 = UZ2 ; UZ3 = UZ4 Do đó: I1 Z1 = I2 Z2 (4.1) I1 Z3 = I2 Z4 (4.2)
  65. 64 I Z I Z Z Z Chia (1) cho (2) ta có: 1 1 ) 2 2 1 2 4.3 I1 Z 3 I 2 Z 4 Z 3 Z 4 Hình 4.1: Cầu xoay chiều hay: Z1. Z4 = Z2. Z3 (Cầu AC cân bằng, nghĩa là kim điện kế G chỉ số 0) Trong đó: Z1, Z2, Z3 và Z4 là các tổng trở tương ứng, do Z = R + jX nên cầu cân bằng phải đạt điều kiện R1 R4 = R2 R3 ( R-là thành phần thực ) X1 X4 = X2 X3 ( X- thành phần ảo ) Ví dụ: Z = 2+j3 [ ] Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC (Hình 4.2.a) Tai nghe (earphone hoặc headphone) hình 4.2a: Giá thành rẻ, tương đối nhạy, được dùng phổ biến có khả năng phân biệt được sự cân bằng của cầu một cách tương đối chính xác. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào độ thính tai của người làm thí nghiệm.
  66. 65 Hình 4.2a: Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC Điện kế AC hình 4.2b: Điện kế DC kết hợp với mạch chỉnh lưu hoặc bộ biến đổi AC/DC chúng ta có điện kế AC. Muốn tăng độ nhạy cho cầu AC chúng ta thêm mạch khuếch đại cho điện kế AC. Thiết bị này chính xác hơn và khách quan hơn so với tai nghe. Ngoài ra còn có thể có nhiều tầm độ nhạy khác nhau thay đổi theo điện áp không cân bằng của cầu. Dao động ký: Theo điều kiện thuận lợi của phòng thí nghiệm, nếu có được dao động ký, chúng ta cũng có thể dùng để kiểm tra sự cân bằng của cầu một cách chính xác hơn với mọi tín hiệu ở tần số bất kỳ cung cấp cho cầu. Hình 4.2b: Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC Các phần tử mẫu ( điện trở mẫu, điện cảm mẫu, điện dung mẫu) dùng trong cầu AC. Điện trở mẫu hình 4.3: Đối với phần tử điện trở hoạt động ở tín hiệu xoay chiều, giá trị điện trở thường lớn hơn trong trường hợp hoạt động với dòng điện DC. Hiệu ứng ngoài mặt của dây dẫn phụ thuộc vào tần số tín hiệu, tiết diện dây dẫn và điện trở suất. Ở tần số âm thanh (1kHz) hiệu ứng này không đáng kể khi dây có điện trở suất lớn và tiết diện nhỏ được sử dụng. Đối với tín hiệu AC có tần số cao đi qua điện trở mạch tương đương của điện trở có dạng mạch tương đương như hình 4.3a. Để giảm được điện cảm ký sinh người ta quấn số vòng thuận nghịch kế cận nhau như hình 4.3b. Tuy nhiên để ảnh hưởng của tụ điện ký sinh giảm người ta quấn dây dẫn theo kiểu Curtis và Grover như hình 4.3c, khi điện trở có giá trị lớn người ta quấn trên bìa mỏng theo kiểu đan rổ. Hình 4.3: a) Mạch tương đương của điện trở ở tần số cao b) Kiểu quấn số vòng thuận nghịch kế cận bằng nhau c) Kiểu quấn Curtis và Grover Tụ điện hình 4.4: Trong thực tế dòng điện I qua tụ điện không lệch pha 900 đối với điện áp rơi trên tụ điện vì có tổn hao bên trong tụ điện. Tổn hao này do điện môi trong tụ điện có điện trở rỉ (không cách điện hoàn toàn). Do
  67. 66 đó mạch tương đương của tụ điện được diễn tả theo hình 4.4. Nếu gọi d là góc mất của điện dung do tổn hao công suất trên điện dung, thì ta có: P = UI cos = sin, với cos = ( /2) -  ( 4.4) Nếu  nhỏ, công suất hao mất trên điện dung P = V.I.. Các tụ điện mẫu dùng trong cầu đo xoay chiều được chế tạo bằng các điện môi có tổn hao rất ít (độ cách điện tốt), góc mất  cố định không phụ thuộc vào tần số tín hiệu và nhiệt độ của môi trường. Có nhiều loại tùy theo khoảng trị số tụ điện cần sử dụng. Hình 4.4: a) Mạch tương đương của điện dung khi  lớn b) Mạch tương đương của điện dung khi  nhỏ; c) Giản đồ vectơ V-I Cuộn dây hình 4.5: Có điện cảm L, điện trở R của dây quấn và có mạch tương đương ở tần số cao như hình 4.5, còn điện dung ký sinh ở giữa các vòng dây quấn của cuộn dây không đáng kể ở tần số tín hiệu âm tần, nhưng được quan tâm đến tần số cao. Hình 4.5: a) Mạch tương đương của cuộn dây khi Q nhỏ b) Ở tần số cao; c) Khi Q lớn Các điện cảm mẫu được chế tạo dưới dạng ống dây có kích thước xác định chính xác. Các điện cảm mẫu thay đổi được nhờ hai ống dây ghép nối tiếp và phần thay đổi được là lõi của cuộn dây. Trị số điện cảm thay đổi được phụ thuộc vào vị trí của lõi. 2. Cầu điện dung. - Mục tiêu: Trình bày được nguyên lý hoạt động, xác định được những tổn hao của cầu điện dung. 2.1 Cầu đo tụ điện có tổn hao nhỏ ( D<0.1): Cầu gồm 4 nhánh trong đó R 3, R4, C1 ( hình 4.6), R1, R2, Cm ( hình 4.7) là điện trở mẫu có thể thay đổi được và tụ điện mẫu, các nhánh còn lại C x tụ
  68. 67 cần đo. Điện kế G xoay chiều là dụng cụ chỉ không, cầu được cung cấp bằng nguồn xoay chiều Uz, khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ : 1 1 R 2 ( R x ) R 1 R m ( 4 .5 ) j C x j C m R 2 1 R 2 R x R 1 R m ( 4 .6 ) j C x j C m Hình 4.6: Cầu đo Cx đơn giản Hình 4.7: Cầu Sauty Cân bằng phần thực và phần ảo ta được: R1 R 2 R x R1 R m R x R m (4.7 ) R 2 R 2 R1 R 2 C x C m 4.8 j C x j C m R1 Trong thực tế mạch tương đương của điện dung có hai dạng tùy theo sự hao mất của điện dung. Do đó chất lượng của điện dung được đánh giá qua hệ số D của điện dung (D factor). Hệ số tổn hao của điện dung ( D<0,1): D R C  4.9 x x Ví dụ: Cho cầu đo Sauty như hình 4.8, biết C 1=0.1F , R3=10K , R4=14.7K  người ta điều chỉnh giá trị điện trở mẫu R 1=125 thì thấy cầu cân bằng. Hãy xác định các giá trị Cx, Rx và D biết rằng tần số tín hiệu là 100Hz.
  69. 68 Hình 4.8: Cầu Sauty (D 0.1) hình 4.9: Trong đó R1, R2 thuần trở. Rm mắc song song với Cm ( điện trở và điện dung mẫu), Rx, Cx: điện dung cần đo. Khi cầu cân bằng ta có: Z1 Z3 = Z2 Z4 (4.10) 1 Z 1 1 j  C x R x Z R ; Z R ( 4 . 1 1 ) 2 1 3 2
  70. 69 Hình 4.9: Cầu xoay chiều đo tụ điện tổn hao lớn 1 Z ( 4.1 2 ) 4 1 j C m R m Thế Z1 , Z2 , Z3 , Z4 vào (4.10) ta được: 1 1 R R 1 1 2 1 j C m j C x R m R x 1 1 R 2 j C m R1 j C x R m R x Cân bằng phân thực và phần ảo ta có: R2 R1 R1 R x Rm Rm R x R2 R2 R2 j C m R1 j C x C x C m 4.13 R1 Hệ số tôn hao của điện dung ( D>0,1): 1 D 4 . 1 4 R C  x x - Xét sơ đồ mạch cầu đo phổ quát với điện dung có tổn hao lớn (D>0.1), hình 4.10:
  71. 70 Hình 4.10: Cầu Nernst (D>0.1) Khi cầu đo cân bằng, ta có: 1 1 R 3 ( jC 1 ) R 4 ( jC x ) R1 R x R1 Cân bằng phần thực: R x R 4 R 3 Cân bằng phần ảo: C1 R3 C x R 4 R3 C x C1 R4 1 1 1 Hệ số tổn hao: D ss R x C x R1C1 D nt Như đã phân tích ở trên tùy theo độ rỉ của tụ điện chúng ta có R x mắc song song với Cx, Rx là điện trở của chất điện môi còn Cx là trị số thực của tụ điện, như vậy nếu độ rỉ của tụ điện càng nhỏ thì R x càng lớn. Nếu độ rỉ lớn thì Rx có giá trị nhỏ. Cho nên mạch tương đương của điện dung trong cầu đo tạo thuận lợi cho việc xác định C x, Rx. Ưu điểm của các cầu đo trên không phụ thuộc vào tần số của tín hiệu. Nhưng về phương diện tổng trở của hai mạch tương đương đều có tổng trở như nhau.
  72. 71 3. Cầu điện cảm. - Mục tiêu:Phân tích được nguyên lý hoạt động, xác định hệ số tổn hao cuả cầu điện cảm. Cuộn cảm lý tưởng là cuộn dây chỉ có thành phần kháng (X L=L) hoặc thuần khiết điện cảm, nhưng trong thực tế các cuộn dây ngoài thành phần kháng XL còn có điện trở cuộn dây RL. Điện trở RL càng lớn độ phẩm chất của cuộn dây càng kém. Nếu gọi Q là độ phẩm chất của cuộn dây thì Q được đặt trưng bởi tỷ số giữa điện kháng XL và điện trở của cuộn dây đó. Nếu cuộn dây có sự hao mất nhỏ Q<10 (điện trở của cuộn dây nhỏ) thì có mạch tương đương Rx nối tiếp Lx, hệ số phẩm chất Q được tính theo công công thức 4.15: L  Q x 4.15 Rx Để đo XL, RL và Q ta dùng cầu xoay chiều. - Ta xét hình 4.11b, Cầu gồm 4 nhánh trong đó Rm, Lm là điện cảm mẫu, Lx, Rx là điện cảm cần đo, R1, R2 trở mẫu có thể điều chỉnh được. Ở chế độ cân bằng ta có: Z1 Z3 = Z2 Z4 (4.16) Trong đó: Z1 = Rm + jLm Z2 = Rx + jLx Z3 = R2 Z4 = R1 Hình 4.11: Cầu đo Lx đơn giản Từ biểu thức (4.16) ta có: (Rm + jLm) ( R1) = ( Rx + jLx )R2 (4.17) Cân bằng phần thực và phần ảo ta được:
  73. 72 Rm R1 = Rx R2 → Rx = Rm( R1/R2) (4.18) jR1Lm = jR2Lx → Lx = Lm ( R1/R2) ( 4.19) Nếu cuộn dây có sự hao mất lớn Q>10 (điện trở của cuộn dây lớn) thì mạch tương đương R x mắc song song với L x, hệ số phẩm chất Q được tính theo công thức 4.20 R Q x 4 .2 0 L  x Sơ đồ hình 4.12là mạch cầu đo phổ quát với cuộn dây có hệ số phẩm chất nhỏ Q<10: Hình 4.12: Phương pháp cầu đo Maxwell-Wien Lưu ý: Ít dùng điện cảm mẫu trong cầu đo vì chúng dễ gây nhiễu ảnh hưởng đến nhau, không chính xác, khó cân bằng. 1 R jL R ( jC ) x x Khi cầu cân bằng: 1 R 3 R 3 4 (4.21) R 1 Cân bằng phần thực: R x R 4 (4.22) R 3  L x Cân bằng phần ảo:  C 3 R1 Lx C3R1R4 (4.23) R 4
  74. 73  L x Hệ số phẩm chất: Q nt  C 3 R 3 (4.24) R x  Ví dụ: Cho cầu đo Maxwell-Wien, biết C3=0.1F , R1=1.26K , R3=470 , R4=500 thì thoả mãn cầu cân bằng. Hãy xác định các giá trị L x, Rx và Q biết rằng tần số tín hiệu là 200Hz. Bài giải: - Khi cầu cân bằng: R1 1.26K Rx R4 500 1.34K R3 470 6 3 L x C 3 R1 R 4 0.1 *10 1.26 *10 * 500 63 mH - Hệ số phẩm chất: Lx 6 Qnt C3R3 2 *200*0.1*10 *470 0.06 Rx Sơ đồ hình 4.13 là mạch cầu đo phổ quát với cuộn dây có hệ số phẩm chất lớn Q>10: Hình 4.13: Cầu Hay. 1 j R R ( R ) - Khi cầu cân bằng: 1 4 1 j 3  C 3 R x  L x
  75. 74 R 1 - Cân bằng phần thực: R x R 4 R 3 R1 R 4 1 - Cân bằng phần ảo: L x C x Lx C3 R1R4 R x 1 1 Hệ số phẩm chất: Q ss  L x  C 3 R 3 Q nt  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 4 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được cấu trúc, nguyên lý, phương pháp đo độ tự cảm, điện dung của linh kiện dùng cầu xoay chiều. Phân biệt được các loại cơ cấu đo chỉ thị kim, trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của mỗi loại. + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các loại đồng hồ đo: VOM, DVOM. Hiểu được chức năng của thang đo, cách đọc giá trị đo, + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành lắp ráp, mạch điện theo yêu cầu của bài + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc. BÀI TẬP 1. cho cầu đo như hình 1, biết C1 = 0,1 F và tỉ số R3 / R4 có thể chỉnh được thay đổi trong khoảng : 100/1 và 1/100. Hãy tính Cx mà cầu có thể đo được
  76. 75 Hình 1 Đáp án Ta có CX =C1 R3 / R4 với R3 / R4 = 100/1 → Cx = 10μF. Mặt khác, với R3 / R4 = 1/100 →Cx =? Vậy cầu Cx có tầm đo: 0,001 μF ÷ 10 μF 2. cho cầu điện dung như hình 2 thành phần mẫu C1 = 0,1 μF , R3 = 10kΩ. Biết rằng cầu cân bằng khi nguồn cung cấp có f = 100Hz, R1 = 125Ω và R4 = 14,7Ω. Hãy tính giá trị RS, CS và hệ số tổn haoD của tụ ?. Đáp án: CS = 0.068μF , RS = 183,3Ω, D = 0,008 Hình 23. Cầu maxwell đo điện cảm như hình 3 dùng thành phần mẫu C 3 = 0,1μF, nguồn cung cấp có tần số f = 100Hz. Cầu canm6 bằng khi R 1 = 1,26kΩ, R3 = 470Ω và R4 = 550v. Tính giá trị điện cảm L S, RS, và hệ số phẩm chất Q của cuộn dây.
  77. 76 Hình 3 Đáp án: LS = 63mH, RS = 1,34kΩ, Q = 0,03 4. Hình 4 cầu có nguồn cung cấp f = 100Hz cân bằng khi C3 = 0,1μF,R1 = 1,26kΩ, R3 = 75Ω và R4 = 500Ω. Tính điện cảm L P, điện trở R P và hệ số phẩm chất Q của cuộn dây? Hình 4 Đáp án: LP = 63mH, RP = 8,4kΩ, Q = 212
  78. 77 CHƯƠNG 5 ĐO ĐIỆN TRỞ Mã chương: MH13 - 05 Giới thiệu: Điện trở là một thông số rất quan trọng của mạch điện và các hệ thống cung cấp điện. Ngoài ra, có thể căn cứ vào sự thay đổi điện trở của cảm biến để xác minh giá trị của các đại lượng vật lý khác nên phép đo điện trở là tương đối phổ biến Mục tiêu: - Trình bày được các phương pháp đo điện trở - Đo, xác định được giá trị của điện trở theo các phương pháp - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác và an toàn Nội dung chinh: 1. Phương pháp đo Mục tiêu: Xác định và phân biệt các phương pháp đo của voltmet và ampemet bằng điện trở mẫu hoặc bằng cầu đo. Để có phương pháp đo điện trở thích hợp, người ta phân loại theo độ lớn của đối tượng cần đo. - Điện trở nhỏ là các điện trở có giá trị R < 1Ω - Điện trở trung bình là các điện trở có giá trị là 1Ω ≤ R < 0,1MΩ - Điện trở lớn là các điện trở có giá trị R ≥ 0,1 MΩ  Các lưu ý khi thực hiện phép đo diện trở - Khi đo các giá trị điện trở nhỏ, cần tìm mọi biện pháp để loại trừ ảnh hưởng của điện trở dây nối, điện trở tiếp xúc, sức điện động tiếp xúc. Để khắc phục một phần, trên các điện trở mẫu người ta phân thành các cực dòng và cực áp riêng. - Khi đo các giá trị điện trở lớn, cần tránh sự ảnh hưởng của điện trở khối và điện trở bề mặt. - Khi đo điện trở của vật có độ ẩm cao, người ta thường dùng nguồn xoay chiều để tránh hiện tượng điện phân. - Khi đo điện trở của các vật liệu rắn, ta nên dùng nguồn một chiều để tránh sự ảnh hưởng của điện dung ký sinh. 1.1 Giới thiệu phương pháp đo. 1.1.1 Đo điện trở bằng phương pháp đo gián tiếp. a. Phương pháp Volt – ampe ’ Dùng ampemet và volmet đo dòng và áp trên điện trở rồi suy ra R x = Uv / Ia thông qua hai sơ đồ (hình 5.1):
  79. 78 Hình 5.1: Phương pháp Volt – ampe Hình 5.1a: vôn kế mắc trước ampe kế mắc sau, khi đó điện trở cần đo Rx U được xác định bởi: R 5 . 1 x I Trong đó: U – điện áp đo được trên vôn-kế; I – dòng điện đo được trên ampe-kế. Theo mạch đo: U = Ua + Ux (5.2) với: Ua - điện áp rơi trên ampe-kế; Ux - điện áp rơi trên R Điều này sẽ gây ra sai số và trị số đúng của điện trở là: U U U R x a 5.3 x I I Hình 5.1b: Ampe-kế mắc trước, vôn-kế mắc sau. Điện trở R x vẫn được xác U định bởi: R x I Trong đó: U – điện áp đo được trên vôn-kế; I – dòng điện đo được trên ampe-kế. Dòng I chính là dòng điện Ix qua Rx và Iv qua volt kế nên có trị số là: I = Ix + Iv Điều này sẽ gây ra sai số và trị số đúng của điện trở là: U U R x 5 . 4 I x I I v b. Mạch đo điện tử bằng voltmet và điện trở mẫu (hình 5.2)
  80. 79 Hình 5.2: Mạch đo điện tử bằng voltmet và điện trở mẫu. Theo hình điện trở cần đo R x được mắc nối tiếp với điện trở mẫu R o và được cấp nguồn Uo ổn định. Khi đo, đầu tiên khóa S 2 đóng sang 1-1 ta sẽ đo được điện áp rơi trên điện trở mẫu R o, sau đó S2 đóng sang 2-2 ta đo được điện áp rơi trên điện trở Rx, vì Ro nối tiếp với Rx nên ta có: U o U x U x Rx Ro 5.5 Ro Rx U o Theo phương pháp này thì sai số của phép đo bằng tổng sai số của voltmet và sai số của điện trở mẫu Ro c. Mạch đo điện tử bằng ampemet và điện trở mẫu (hình 5.3) Hình 5.3: Mạch đo điện tử bằng ampemet và điện trở mẫu Trong đó U là điện áp nguồn cung cấp ổn định, R o là điện trở mẫu có độ ổn định cao và nối song song với R x. Ampemet đầu tiên đo dòng I o qua Ro nhờ khóa S1 đóng sang 1, sau đó S1 đóng sang 2 ta đo được dòng I x qua Rx. Ta có quan hệ: I o I o Ro I x Rx Rx Ro 5.6 I x Theo phương pháp này thì sai số của phép đo bằng tổng sai số của Ampemet và sai số điện trở mẫu Ro
  81. 80 1.1.2 Đo điện trở bằng phương pháp đo trực tiếp. - Ôm kế có điện trở đo mắc nối tiếp (Hình 5.4). Hình 5.4: Ôm kế có điện trở đo mắc nối tiếp Nguồn điện E thường là pin 1,5V hay 3V, R1 là điện trở phụ của từng thang đo, Rx là điện trở cần đo. Dòng điện qua điện kế G là U I 5.7 R1 R x R G Khi Rx → ∞ thì I = 0 ( không có dòng điện qua điện kế ) Khi Rx = 0 thì I = IFS ( kim quay hết khung ) Như vậy, khi để hở 2 que đo, không có dòng điện qua điện kế, vị trí này có trị số ∞Ω. Khi nối tắt 2 que đo, dòng điện qua lớn nhất, kim quay hết khung và vị trí này có trị số 0Ω. Giá trị điện trở cần đo Rx được tính theo công thức: U U I R x R1 RG 5.8 R1 R x RG I Công thức trên cho thấy giá trị điện trở R x không tỉ lệ tuyến tính theo dòng điện qua điện kế, vì thế thang đo của ohm kế sẽ được chia không đều. Mạch đo ôm mắc nối tiếp như trên được dùng rộng rãi trong các đồng hồ vạn năng. Thông thường thang độ ôm kế được cấu tạo theo kiểu thang đo sau lớn gấp 10 lần thang đo trước, nên khi chuyển thang đo chỉ cần nhân hệ số x10, x100, x1000. Ví dụ: Eb = 1,5V; Imax = 100μA; R1 + Rm = 15kΩ. Xác định chỉ thị của kim khi RX = 0 và chỉ thị trị số điện trở khi I = 1/2 thang đo;1/4 thang đo; 3/4 thang đo theo hình 5.5 Hình 5.5