Tài liệu Kỹ thuật đo điện điện tử

Tröôøng Ñaïi hoïc Coâng ngheä Toân Ñöùc Thaéng Khoa Ñieän – Ñieän töû






TOÙM TAÉT BAØI GIAÛNG KYÕ THUAÄT ÑO ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ GVC. TS. Ñinh Sôn Tuù Taøi lieäu giaûng daïy löu haønh noäi boä Tp HCM – 2002 Noäi dung. Chöông Chöông Chöông Chöông Chöông Chöông Chöông Chöông Chöông 1: Khaùi nieäm veà ño löôøng 2: Chæ thò ño löôøng 3: Ño ñieän aùp vaø doøng ñieän 4: Ño ñieän trôû 5: Ño ñieän dung, ñieän caûm, hoã caûm 6: Ño coâng suaát vaø ñieän naêng 7: Dao ñoäng kyù 8: Thieát bò phaân tích tín hieäu 9: Cô caáu ño hieän soá Saùch tham khaûo chính: Kyõ thuaät ño – Nguyeãn Ngoïc Taân – Nhaø xuaát baûn Chöông 1: KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑO LÖÔØNG §1-1: ÑAÏI LÖÔÏNG ÑO LÖÔØNG Coù 2 loaïi cô baûn:
Ñaïi löôïng ñieän.
Ñaïi löôïng khoâng ñieän. 1. Ñaïi löôïng ñieän:
Ñaïi löôïng ñieän taùc ñoäng (active – coù nguoàn)
Ñaïi löôïng ñieän thuï ñoäng (passive) Taùc ñoäng: V, I, P naêng löôïng cuûa noù seõ cung caáp cho maïch ño. Neáu naêng löôïng lôùn phaûi phaân aùp doøng tröôùc khi ño. Coøn naêng löôïng nhoû, phaûi khuyeách ñaïi tröôùc khi ño. Thuï ñoäng: R, L, C, M (hoå caûm): khoâng mang naêng löôïng neân phaûi cung caáp naêng löôïng ngoaøi.  Ño noùng  Ño nguoäi 2. Ñaïi löôïng khoâng ñieän: ví duï nhö nhieät ñoä, aùp suaát, troïng löôïng, ñoä aåm, ñoä pH, toác ñoä, gia toác… thöôøng ñoåi sang ñaïi löôïng ñieän baèng boä caûm bieán roài ño. §1-2: CHÖÙC NAÊNG VAØ ÑAËC TÍNH CUÛA THIEÁT BÒ ÑO 1. Chöùc naêng:
Cho keát quaû ño
Kieåm tra quaù trình hoaït ñoäng cuûa heä thoáng töï ñoäng ñieàu khieån ⇒ “ño löôøng quaù trình” trong coâng nghieäp. Ñaây cuõng laø moân hoïc trong ngaønh töï ñoäng hoùa. 2. Ñaëc tính thieát bò ño: Coù theå chia:
Thieát bò ño ñieän Trang 3



Thieát bò ño ñieän töû Hoaëc chia: Thieát bò kim chæ thò (analog) Thieát bò hieän soá Hoaëc : Ño löôøng ñieàu khieån töø xa. §1-3: CHUAÅN HOAÙ TRONG ÑO LÖÔØNG. 1. Caáp chuaån hoaù:
Caáp 1: chuaån quoác teá: taïi trung taâm ño löôøng quoác teá ñaët taïi Paris.
Caáp 2: chuaån quoác gia: taïi caùc vieän ñònh chuaån quoác gia ñöôïc chuaån hoaù theo quoác teá.
Caáp 3: chuaån khu vöïc: theo caùc khu vöïc ñòa lyù.
Caáp 4: chuaån phoøng thí nghieäm. 2. Caáp chính xaùc thieát bò ño:
Ñöôïc ghi treân maùy hoaëc soå tay kyõ thuaät (cataloge) thieát bò ño: 0.1%, 0.5%, 1%…. §1-4: SAI SOÁ TRONG ÑO LÖÔØNG 1. Sai soá tuyeät ñoái: e = yn − xn Trong ñoù: yn: trò soá tin caäy xn: trò soá ño ñöôïc. 2. Sai soá töông ñoái: y − xn e= n x100% yn Thí duï: ñieän aùp coù trò soá 50V. ño ñöôïc 49V ⇒ e=1V, er=2%. Trang 4 Ngoaøi ra coøn coù caùc khaùi nieäm:  Ñoä chính xaùc töông ñoái.  Tính chính xaùc.  Sai soá chuû quan.  Sai soá heä thoáng.  Sai soá ngaãu nhieân.  Giôùi haïn sai soá. §1-5: CAÁU TRUÙC THIEÁT BÒ ÑO. Toång quaùt: coù 3 khoái Caûm bieán Gia coâng tín hieäu Chæ thò Keát quaû  Caûm bieán : Bieán caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän thaønh ñaïi löôïng ñieän.  Gia coâng tín hieäu : Bieán ñoåi tín hieäu ñieän phuø hôïp vôùi boä chæ thò.  Chæ thò keát quaû: Chæ thò baèng kim hoaëc haèng soá. §1-6: SÖÏ LÖÏA CHOÏN VAØ DUØNG CAÙC THIEÁT BÒ ÑO. Choïn thieát bò ño cho phuø hôïp:  Ñaïi löôïng ño: V, U, I,…  Thang ño.  Caáp chính xaùc  Ñoä nhaïy.v.v.. Caån thaän khi söû duïng:  Ñoïc kyõ qui trình ño.  Phaïm vi ño.  An toaøn cho ngöôøi vaø maùy. Trang 5 §1-7: HEÄ THOÁNG ÑO. 1. Heä thoáng ño daïng analog. a) Heä thoáng ño 1 keânh: Analog Trang 6 b) Heä thoáng ño analog nhieàu keânh: Ñöôøng truyeàn Caàn ño nhieàu ñaïi löôïng thì moãi ñaïi löôïng ño ôû 1 keânh ⇒ saép xeáp ⇒ ñieàu cheá (maõ hoaù) theo taàn soá ⇒ phaùt ñi (truyeàn) ⇒ thu ⇒ giaûi maõ. ( Coù theå thöïc hieän ño töø xa). Trang 7 2. Heä thoáng ño daïng soá: Töông töï nhö heä thoáng analog nhöng nhôø duøng vi xöû lyù, maùy tính vôùi vieäc caøi ñaët phaàn meàm ⇒ xöû lyù nhanh, linh hoaït thoâng minh hôn. 3. Ñieàu khieån töø xa thieát bò ño löôøng: Linh hoaït nhôø remote ñieàu khieån caùc chöùc naêng heä thoáng ño löôøng baèng caùch söû duïng ñöôøng truyeàn soá lieäu (bus) cuûa boä vi xöû lyù. Trang 8 Trang 9 Chöông 2: CHÆ THÒ ÑO LÖÔØNG §2-1: ÑÒNH NGHÓA VAØ PHAÂN LOAÏI Chæ thò ño löôøng laø 1 khaâu chöùc naêng bieán ñaïi löôïng caàn ño thaønh soá ño vôùi ñôn vò ño löôøng ñöôïc choïn. Coù 2 loaïi chæ thò:
Chæ thò cô ñieän ⇒ Analog
Chæ thò soá ⇒ Digital a) Chæ thò cô ñieän: X α Chæ Thò Trong ñoù: X: ñaïi löôïng vaøo U, I α: ñaïi löôïng ra laø goùc quay cuûa kim chæ thò vaø caùc chæ daãn (con soá) giuùp ñoïc ñöôïc keát quaû ño. b) Chæ thò soá: X Chæ Thò M Ra Con soá Trong ñoù: X: ñaïi löôïng vaøo laø nhöõng tín hieäu döôùi daïng maõ. Ra: laø con soá thaäp phaân cuøng vôùi ñôn vò vaø chæ daãn. Trang 10 §2-2: CÔ CAÁU CHÆ THÒ CÔ ÑIEÄN (CÔ CAÁU CHÆ THÒ KIM). Phoå bieán vaãn coøn duøng chæ thò kim cho keát quaû ño. 1. Cô caáu töø ñieän:     Kyù hieäu : Caáu taïo : Khung quay: nhoâm quaán daây ñoàng coù ñöôøng kính nhoû caùch ñieän (ñk=vaøi %mm) ñaët treân truïc quay coù loø xo hoaëc daây treo. Nam chaâm vónh cöûu: khung quay ñaët giöõa hai cöïc cuûa nam chaâm vónh cöûu. Trang 11  Nguyeân lyù hoaït ñoäng:
Löïc ñieän töø F taïo ra treân khung daây coù doøng ñieän I chaïy qua ñöôïc tính theo coâng thöùc: F=N.B.L.I Trong ñoù: N: soá voøng daây quaán. B: maät ñoä töø thoâng xuyeân qua cuoän daây. L: chieàu cao khung. I: doøng ñieän chaûy trong khung.
Moment quay Tq: Tq=Fw=N.B.l.w.I=KqI Trong ñoù: w:beà roäng khung quay.
Loø xo (hoaëc daây treo) taïo moment caûn Tc Tc=Kcθ Trong ñoù: Kc: heä soá xoaén cuûa loø xo. θ: goùc quay cuûa kim. Trang 12 ϑi =   Kq I = K .I Kc Söï ñeäm (caûn dòu) laøm cho kim chæ thò  Khi coù ñeäm vaø khoâng coù ñeäm  Caáu taïo: o Baèng cuoän daây phuï coù Rd laø ñieän trôû ñeäm noái 2 cuoän daây. o Ngöôøi ta choïn: RD=RDC ñieän trôû ñeäm ñuùng möùc. Ñaëc ñieåm cô caáu töø ñieän: Öu ñieåm:
Töø tröôøng cuûa nam chaâm vónh cöûu maïnh, ít bò aûnh höôûng töø tröôøng beân ngoaøi.
Coâng suaát tieäu thuï nhoû (25÷200µW) do ñoä nhaïy cao (Imax nhoû). Trang 13
Ñoä chính xaùc cao coù theå ñaït 0.5%.
Thang ño coù goùc chia ñeàu do goùc quay tuyeán tính Nhöôïc ñieåm:
Chòu quùa taûiù keùm do doøng ñi qua raát nhoû
Chæ ño doøng DC.
Deã hö hoûng khi bò chaán ñoäng maïnh neân caàn khoùa laïi khi ngöng söû duïng.  Öùng duïng:
Duøng roäng raõi trong ño löôøng.
Duøng ñieän keá göông quay (heä thoáng quang chieáu tia saùng vaøo göông quay gaén treân khung). 2. Cô caáu ñieän töø: a. Caáu taïo: cuoän daây coá ñònh huùt hoaëc ñaåy mieáng saét di ñoäng mang kim chæ thò. b. Hoaït ñoäng: Löïc F töø ñoäng: F=nI (A-T)(ampe-voøng) θ = KI 2 Goùc quay: c. Ñaëc ñieåm cô caáu ñieän töø: Öu ñieåm:
Chòu quaù taûi toát, nhaïy thaáp. Khuyeát ñieåm:
Thang ño khoâng tuyeán tính.
Ñoä nhaïy thaáp d. Öùng duïng:
Ñöôïc duøng trong lónh vöïc ñieän coâng nghieäp.
Thoâng soá thöôøng: L=1Henry, nhaïy 20Ω/V, F=300A.voøng, ngaãu löïc xoaén: 5% khoái löôïng di chuyeån. 3. Cô caáu ñieän ñoäng: a. Kyù hieäu: Trang 14 b. Caáu taïo: goàm coù 2 cuoän daây coá ñònh vaø di ñoäng noái noái tieáp nhau. Neáu coù loõi saét non cho cuoän daây thì goïi laø saét ñieän ñoäng. c. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Moment quay: Tq = KqI Í I 2 Goùc quay: 1 T  Tq = Kq  ∫ ií i2 dt  T 0  θ = KI Í I 2 hoaëc θ= hoaëc (doøng DC) (doøng AC) (DC) T K ií i2 dt T ∫0 Trang 15 (AC) 2- 3: THIEÁT BÒ CHÆ THÒ SOÁ. Ñöôïc söû duïng roäng raõi, thuaän lôïi vì ñoïc keát quaû tröïc tieáp. Sô ñoà khoái: maõ Giaûi maõ Maõ chæ thò Chæ thò soá 1. Maõ: laø toå hôïp cuûa caùc tính hieäu logic. Moãi toå hôïp töôïng tröng 1 con soá. Trong ño löôøng, keát quaû ño ñöôïc theå hieän ôû maõ nhò phaân hay thaäp phaân. 2. Chæ thò soá: Hieån thò caùc keát quaû döôùi daïng caùc chöõ soá, chöõ hoaëc ñoà thò. a. Duøng diode phaùt quang: Ñôn giaûn bieåu thò söï kieän naøo ñoù coù xaûy ra hay khoâng. Thoâng thöôøng, I=5÷10mA, U=5V (ñoái vôùi hoï TTL). b. Chæ thò soá duøng ñeøn phoùng ñieän nhieàu cöïc: Caáu taïo: Laø 1 ñeøn neon phoùng ñieän goàm 1 anode vaø 10 catode baèng daây NiCr uoán thaønh caùc chöõ soá töø 0÷9. Khi coù ñieän aùp vaøo giöõa anode vaø cathode naøo ñoù (ñieän aùp khoaûng 250V) soá töông öùng seõ phaùt saùng (quanh sôïi cathode) Trang 16 Hieån thò duøng ñeøn phoùng ñieän nhieàu cöïc coù öu ñieåm laø chöõ soá coù hình daùng ñeïp, saùng nhöng toán ñieän. Ngoaøi ra aùp phaûi lôùn. c. Chæ thò soá duøng led 7 ñoaïn: Moãi thanh saùng ñöôïc baèng diode phaùt quang hay tinh theå loûng Saùng heát: soá 8 Khoâng e: soá 9 Khoâng h: soá 0… Ñoái vôùi tinh theå loûng, doøng raát nhoû khoaûng 0.1µA/thanh. Ñoái vôùi diode phaùt quang thì doøng khoaûng 10µA/thanh d. Hieån thò maøn hình: nhö maøn hình vi tính. Maøn hình caáp thaáp : 192x280 ñieåm Maøn hình VGA : 640x480 ñieåm Maøn hình SVGA : 1024x768 ñieåm hay 1024x1280 ñieåm… Loaïi hieån thò naøy ta khoâng khaûo saùt ôû ñaây. 3. Caùc maïch giaûi maõ: Nhieäm vuï: phieân dòch töø maõ naøy sang maõ khaùc, nhö bieán ñoåi töø maõ thaäp phaân sang maõ nhò phaân, ñoåi maõ töø maõ nhò phaân sang maõ thaäp phaân… Xeùt cuï theå: bieán ñoåi töø maõ nhò phaân sang chæ thi cuûa led 7 ñoaïn (thaäp phaân). Caùc soá thaäp phaân ñaàu vaøo thöôøng cho döôùi daïng maõ BCD. Ñaàu ra laø maõ cuûa led 7 ñoaïn: Y Y Y Y Y Y Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g Trang 17 Ngoaøi ra ñeå hieån thò ñöôïc ña daïng hôn (caùc soá khaùc ngoaøi 0÷9) ngöôøi ta coøn duøng maõ cô soá 8, cô soá 16. Trang 18 Chöông 3: ÑO ÑIEÄN AÙP VAØ DOØNG ÑIEÄN. §3-1: ÑO DOØNG MOÄT CHIEÀU (DC) VAØ XOAY CHIEÀU (AC). 1. Ño doøng DC: Caû 3 loaïi ñeàu hoaït ñoäng ñöôïc vôùi doøng DC neân ñöôïc duøng laøm boä chæ thò cho maùy ño doøng DC nhöng phaûi môû roäng taàm ño (thang ño). I=IM+IS Ñieän trôû Shunt ñöôïc xaùc ñònh: I max Rm RS = I mazt − I max Trong ñoù: Rm : ñieän trôû trong cuûa ampe keá Imax : doøng ñieän toái ña cuûa cô caáu chæ thò Imaxt : doøng ñieän toái ña cuûa taàm ño. Neáu ampe keá coù nhieàu taàm ño khaùc nhau thì duøng nhieàu ñieän trôû Shunt khaùc nhau hay duøng maïch Shunt Ayrton (ñieän trôû Shunt duøng chung). 2. Ño doøng AC:
Cô caáu ñieän töø vaø ñieän ñoäng hoaït ñoäng ñöôïc vôùi doøng AC ⇒ chæ caàn môû roäng taàm ño.
Maïch ño AC duøng cô caáu töø ñieän: Rieâng cô caáu töø ñieän phaûi chuyeån ñoåi töø doøng AC sang doøng DC. Caùch naøy ñöôïc söû duïng phoå bieán trong caùc V.O.M. Trang 19 a) Duøng chænh löu: AC - DC  Giaù trò trung bình cuûa doøng chænh löu: T I cltb = 1 icl dt T ∫0 ≤ I Max Khi doøng AC hình sin ( ví duï taàn soá 50Hz) ta coù : I cltb = 0.318 2 I hd Chænh löu 1 baùn kyø I cltb = 0.636 2 I hd Chænh löu 2 baùn kyø b) Duøng phöông phaùp bieán ñoåi nhieät ñieän: Nguyeân taéc: duøng I caàn ño ñoát noùng caëp nhieät taïo ra IDC cho cô caáu töø ñieän: E0(DC)=KTRI2hd Trang 20