Đề cương bài giảng Kỹ thuật đo lường điện - CĐKT Cao Thắng

Tổng hợp đề cương bài giảng môn kinh tế du lịch và các bộ môn chuyên ngành từ chương 1 đến chương 4. Tài liệu học tập và ôn thi chi tiết dành cho sinh viên.

• Tác giả: Lê Phong Phú
• Trường học: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Kỹ thuật đo lường điện
• Loại tài liệu: Đề cương bài giảng
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về kỹ thuật đo lường điện

Kỹ thuật đo lường điện là lĩnh vực quan trọng trong ngành điện kỹ thuật, nghiên cứu các phương pháp xác định giá trị của các đại lượng điện như dòng điện, điện áp, điện trở, điện dung và điện cảm. Mục đích chính là đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo, từ đó phục vụ cho việc thiết kế, vận hành và bảo trì các hệ thống điện. Các thiết bị đo lường điện được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động, phạm vi đo và cấp chính xác. Việc chuẩn hóa các thiết bị đo là yếu tố then chốt giúp duy trì sự thống nhất trong kết quả đo lường, đồng thời giảm thiểu sai số không mong muốn. Ngoài ra, kỹ thuật đo lường điện còn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm định chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị điện.

1.1. Khái niệm và phân loại đại lượng đo

Đại lượng đo trong kỹ thuật điện được chia thành hai nhóm chính: đại lượng điện (dòng điện, điện áp, công suất, tần số) và đại lượng không điện (nhiệt độ, áp suất, tốc độ). Đại lượng điện có thể đo trực tiếp bằng các dụng cụ chuyên dụng như Ampe kế, Vôn kế, trong khi đại lượng không điện thường được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua các cảm biến. Mỗi loại đại lượng có đặc điểm riêng, yêu cầu phương pháp đo và thiết bị đo phù hợp. Ví dụ, đo dòng điện một chiều (DC) sử dụng cơ cấu từ điện, trong khi đo điện áp xoay chiều (AC) yêu cầu cơ cấu điện động hoặc điện tử.

1.2. Chức năng và đặc tính của thiết bị đo

Thiết bị đo lường điện có hai chức năng cơ bản: chỉ thị giá trị đo (hiển thị số hoặc kim) và xử lý tín hiệu đo (khuếch đại, lọc nhiễu). Đặc tính kỹ thuật quan trọng bao gồm độ nhạy, độ phân giải, phạm vi đo và cấp chính xác. Độ nhạy cho biết khả năng phản ứng của thiết bị với sự thay đổi nhỏ của đại lượng đo, trong khi độ phân giải xác định khả năng phân biệt giữa hai giá trị đo gần nhau. Phạm vi đo giới hạn giá trị tối đa mà thiết bị có thể đo, còn cấp chính xác thể hiện sai số cho phép trong kết quả đo.

II. Phân tích các vấn đề trong đo lường điện

Đo lường điện gặp phải nhiều thách thức do ảnh hưởng của môi trường, sai số thiết bị và phương pháp đo không phù hợp. Sai số hệ thống xuất phát từ đặc tính của thiết bị như độ trễ, độ nhạy không đều, hoặc do điều kiện đo không ổn định. Sai số ngẫu nhiên gây ra bởi nhiễu điện từ, rung động hoặc lỗi đọc. Việc lựa chọn phương pháp đo trực tiếp hay gián tiếp ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác. Phương pháp trực tiếp (như đo điện áp bằng Vôn kế) đơn giản nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi trở kháng mạch đo. Phương pháp gián tiếp (như đo điện trở bằng cầu Wheatstone) cho kết quả chính xác hơn nhưng phức tạp hơn về mặt thực hiện. Ngoài ra, sai số chuẩn hóa do thiếu các tiêu chuẩn đo lường thống nhất cũng là vấn đề cần quan tâm.

2.1. Nguyên nhân gây ra sai số đo

Sai số đo xuất phát từ ba nhóm nguyên nhân chính: thiết bị, phương pháp và môi trường. Thiết bị đo có thể bị lỗi do tuổi thọ, hư hỏng hoặc không được hiệu chuẩn định kỳ. Phương pháp đo không phù hợp, chẳng hạn như sử dụng Ampe kế có trở kháng nội quá lớn, sẽ làm thay đổi giá trị thực của dòng điện trong mạch. Môi trường đo không ổn định (nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ) cũng góp phần tăng sai số. Ví dụ, nhiệt độ cao làm thay đổi trở kháng của các linh kiện điện tử, dẫn đến kết quả đo không chính xác.

2.2. Ảnh hưởng của trở kháng trong đo lường

Trở kháng của thiết bị đo ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo, đặc biệt trong mạch điện có trở kháng nội thấp. Khi đo dòng điện, Ampe kế (có trở kháng nội thấp) mắc nối tiếp sẽ không làm thay đổi đáng kể dòng điện trong mạch. Ngược lại, Vôn kế (có trở kháng nội cao) mắc song song sẽ hút một phần dòng điện, dẫn đến sai số. Trong đo điện áp, trở kháng nội của Vôn kế càng cao, sai số càng nhỏ. Đối với mạch đo điện trở, trở kháng của dụng cụ đo phải được cân nhắc để tránh ảnh hưởng đến giá trị đo thực tế.

III. Giải pháp cải thiện độ chính xác trong đo lường điện

Để nâng cao độ chính xác trong đo lường điện, cần áp dụng các giải pháp từ khâu thiết kế thiết bị, lựa chọn phương pháp đo đến hiệu chuẩn định kỳ. Sử dụng thiết bị đo có cấp chính xác cao, phạm vi đo phù hợp và được hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn quốc tế là biện pháp cơ bản. Phương pháp đo gián tiếp như cầu Wheatstone hoặc cầu đo Kohlrausch cung cấp kết quả chính xác hơn so với phương pháp trực tiếp. Việc giảm thiểu nhiễu điện từ bằng cách sử dụng dây đo ngắn, bọc chống nhiễu cũng góp phần cải thiện độ chính xác. Ngoài ra, ghi chép đầy đủ điều kiện đo (nhiệt độ, độ ẩm) và áp dụng các công thức hiệu chỉnh sai số sẽ giúp kết quả đo đáng tin cậy hơn.

3.1. Phương pháp đo điện trở bằng cầu Wheatstone

Cầu Wheatstone là phương pháp đo điện trở có độ chính xác cao, thường được sử dụng cho các giá trị điện trở trung bình (1Ω đến 1MΩ). Nguyên lý hoạt động dựa trên sự cân bằng cầu: khi cầu cân bằng, dòng điện qua điện kế bằng không. Công thức tính điện trở cần đo: Rx = (R1/R2) * R3. Ưu điểm của phương pháp này là không phụ thuộc vào điện áp nguồn, giảm thiểu sai số do trở kháng nội. Tuy nhiên, phương pháp yêu cầu các điện trở chuẩn có độ chính xác cao và điều kiện môi trường ổn định.

3.2. Sử dụng thiết bị đo chuyên dụng cho từng loại đại lượng

Mỗi loại đại lượng điện cần một thiết bị đo chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác tối ưu. Đo dòng điện DC sử dụng cơ cấu từ điện, trong khi đo dòng điện AC yêu cầu cơ cấu điện động hoặc điện tử. Đo điện áp AC cao cần Vôn kế có khả năng chịu điện áp lớn và tần số rộng. Đối với đo điện dung, thiết bị chuyên dụng như LCR meter cung cấp độ chính xác cao hơn so với phương pháp thủ công. Lựa chọn thiết bị phù hợp không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật đo lường điện

Kỹ thuật đo lường điện được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, kiểm định chất lượng và nghiên cứu khoa học. Trong sản xuất, đo lường điện đảm bảo các linh kiện điện tử đạt tiêu chuẩn kỹ thuật trước khi lắp ráp. Trong lĩnh vực năng lượng, đo lường điện giúp giám sát hiệu suất của các nhà máy điện, trạm biến áp. Trong nghiên cứu, kỹ thuật đo lường điện hỗ trợ phân tích đặc tính của vật liệu mới hoặc phát triển các cảm biến thông minh. Ngoài ra, đo lường điện còn đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán lỗi hệ thống điện, đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng. Các ứng dụng này đòi hỏi không chỉ độ chính xác cao mà còn sự linh hoạt trong lựa chọn phương pháp đo.

4.1. Đo lường điện trong sản xuất công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, đo lường điện là bước không thể thiếu để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ví dụ, trong sản xuất linh kiện điện tử, đo lường điện giúp kiểm tra độ chính xác của các mạch in, đảm bảo không có lỗi hàn hoặc đứt mạch. Các thiết bị đo tự động (như máy kiểm tra điện trở tự động) tăng tốc độ kiểm tra và giảm thiểu sai sót do con người. Đo lường điện cũng được sử dụng để giám sát hiệu suất của động cơ điện, đảm bảo chúng hoạt động trong phạm vi an toàn và hiệu quả.

4.2. Đo lường điện trong nghiên cứu khoa học

Trong nghiên cứu khoa học, đo lường điện hỗ trợ phân tích đặc tính của vật liệu mới hoặc phát triển các cảm biến tiên tiến. Ví dụ, đo điện dung của vật liệu nano giúp xác định khả năng lưu trữ năng lượng của chúng. Đo điện trở suất của vật liệu siêu dẫn giúp nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thấp. Các phòng thí nghiệm vật lý sử dụng kỹ thuật đo lường điện để nghiên cứu hiện tượng từ tính, siêu dẫn hoặc quang điện. Độ chính xác cao trong đo lường là yếu tố quyết định sự thành công của các nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đo lường điện 1.2 Cấp chuẩn hóa Việc chuẩn hóa một thiết bị được chia làm 4 cấp:  Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) Các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được 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 tuyệt 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 (National standard) Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới phải được chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế, đồng thời được định chuẩn theo tiêu chuẩn riêng của mỗi quốc gia. Những thiết bị đo được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn này sẽ mang chuẩn quốc gia.

 Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone standard) 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 trung tâm này đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia. Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các trung tâm định chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực.  Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm (Lab standard) Trong từng khu vực chuẩn hóa 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 phòng thí nghiệm. Do đó các thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được định chuẩn tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường cấp đó. Một thiết bị sau khi đã được định chuẩn và đem sử dụng thì sau một khoảng thời gian nhất định phải được kiểm định và cấp giấy chứng nhận chất lượng lại. Nói một cách khác giấy chứng nhận chất lượng chỉ có giá trị trong một thời hạn nhất định.8 Sai số trong đo lường Sai số của phép đo là biểu hiện sự không chính xác của kết quả đo lường so với giá trị chính xác của đại lượng đo.

Có thể khẳng định rằng tất cả các phép đo đều mắc sai số. 9 Chương 1: Tổng quan về đo lường điện Thiết bị đo dù có chất lượng cao đến thế nào cũng vẫn mắc sai số, chỉ khác là sai số đó lớn hay bé mà thôi.1 Nguyên nhân gây ra sai số Nguyên nhân chủ quan: là nguyên nhân do người thực hiện phép đo gây ra vì không nắm vững nguyên lí đo, không đảm bảo các điều kiện khi đo, hoặc ghi sai kết quả đo. Nguyên nhân khách quan: là các nguyên nhân còn lại (không phải do nguyên nhân chủ quan). Sai số do nguyên nhân khách quan gây ra thường rất phức tạp, có thể do chính thiết bị đo hoặc do sự tác động từ phía môi trường ngoài ảnh hưởng lên quá trình đo.2 Phân loại sai số Sai số chủ quan: do lỗi lầm của người sử dụng thiết bị đo, sử dụng thiết bị đo sai quy cách, đọc hoặc ghi sai kết quả, lựa chọn phương pháp đo và dụng cụ đo không hợp lý,… Sai số hệ thống: là sai số được lặp đi lặp lại, mang tính thường xuyên và có quy luật lên kết quả đo.

Sai số này do chính bản thân dụng cụ đo gây ra, do ảnh hưởng của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, từ trường hoặc điện trường nhiễu. Do vậy ta có thể loại trừ hoặc giảm nhỏ sai số hệ thống. Sai số ngẫu nhiên: do các yếu tố bất thường, không có quy luật tác động. Thông thường sai số ngẫu nhiên được thu thập từ một số lớn những ảnh hưởng nhỏ được tính toán trong đo lường có độ chính xác cao.

Sai số ngẫu nhiên thường được phân tích bằng phương pháp thống kê.3 Tính toán sai số Sai số tuyệt đối: là độ sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. 4) Trong đó: ∆X : Sai số tuyệt đối XĐ : Giá trị đo được của đại lượng cần đo XT : Giá trị thực của đại lượng cần đo 10 Chương 1: Tổng quan về đo lường điện Giá trị thực XT của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo được xác định bằng dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét. Giá trị thực là kết quả trung bình của việc thực hiện nhiều phép đo độc lập. Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khi đánh giá sai số của phép đo người ta sử dụng giá trị thực XT của đại lượng đo.

Sai số tương đối: là sai số tính theo tỷ số phần trăm giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số tương đối hay còn gọi là giới hạn sai số dùng để đánh giá độ chính xác của phép đo. 5) XT Trong đó: δX : Sai số tương đối ΔX : Sai số tuyệt đối XT : Giá trị thực của đại lượng cần đo Sai số quy dẫn: là sai số tính theo tỷ số phần trăm giữa sai số tuyệt đối với giới hạn lớn nhất của thang đo (tầm đo). Sai số quy dẫn con được gọi là sai số tương đối của tầm đo.

6) X max Trong đó: δqd : Sai số quy dẫn ∆X : Sai số tuyệt đối Xmax : Giới hạn lớn nhất của thang đo (giá trị định mức) Mỗi dụng cụ đo có một giá trị sai số tuyệt đối cho phép lớn nhất, khi đó sai số quy dẫn cho phép lớn nhất (cấp chính xác) là: X max CCX . 7) X max Trong đó: CCX : Cấp chính xác, sai số tầm đo ∆Xmax : Sai số tuyệt đối cho phép lớn nhất Xmax : Giá trị lớn nhất thang đo 11 Chương 1: Tổng quan về đo lường điện Sai số quy dẫn cho phép lớn nhất cũng chính là cấp chính xác được dùng để đánh giá tính chính xác của dụng cụ đo. Cấp chính xác thường gặp là: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 5… Như vậy một dụng cụ đo sẽ cho ra kết quả có sai số nhỏ hơn hoặc bằng sai số quy dẫn, nếu vượt quá sai số này thì dụng cụ đo không còn đảm bảo tiêu chuẩn và cần phải được hạ cấp chính xác xuống.5: Một đồng hồ đo điện áp có thang đo từ 0 đến 150V, nếu sai số cao nhất là ±1,5V thì cấp chính xác là 1%.6: Cấp chính xác của một Ampe kế trong hình 1.3 là: CCX = 2,5% ứng với giá trị lớn nhất của thang đo: Imax = 10A Hình 1.3: Ampe kế dạng chỉ thị kim với cấp chính xác là 2,5% 1.4 Cách viết kết quả đo Kết quả đo đại lượng X không cho dưới dạng con số cụ thể, mà cho dưới dạng một khoảng giá trị (tập giá trị). 8) Trong đó: X T  X : Giới hạn trên của kết quả đo X T  X : Giới hạn dưới của kết quả đo Để đơn giản hơn, kết quả đo đại lượng X được viết: X Đ  X T  X (1.

9) Kết quả đo đại lượng X được viết theo sai số tương đối có dạng: X Đ  XT   X (1. 10) 12 Chương 1: Tổng quan về đo lường điện Ví dụ 1.7: Kết quả sau nhiều lần đo điện áp 200V nằm trong khoảng [190V; 210V], kết quả này có thể được viết lại là: U = 200 ± 10V hoặc U = 200V ± 5%.8: Kết quả sau nhiều lần đo điện trở 200Ω nằm trong khoảng [180Ω; 220Ω], kết quả này có thể được viết lại là: R = 200 ± 20Ω hoặc R = 200Ω ± 10%.  Kiểm định đồng hồ Xác định chất lượng làm việc của đồng hồ bằng cách so sánh với đồng hồ chuẩn để đánh giá mức độ làm việc. Thông thường dùng đồng hồ có CCX là 0,1; 0,2 để kiểm định các đồng hồ cấp chính xác lớn hơn 0,5…1.

Các đồng hồ chuẩn cấp 1 (CCX < 0,1) thì kiểm định bằng phương pháp đặc biệt và dùng đồng hồ chuẩn gốc. Đồng hồ chuẩn cấp 2 (0,1≤ CCX ≤ 0,2) thì dùng đồng hồ chuẩn cấp 1 để kiểm định. Các đồng hồ có ghi cấp chính xác là 1, nghĩa là đồng hồ có giới hạn sai số cho tầm đo là 1%.9: Người ta cần kiểm tra cấp chính xác của một Vôn kế, biết Vôn kế này có giới hạn đo là 200V. Dùng một Vôn kế mẫu có cấp chính xác là 0,1 và giới hạn đo là 200V để kiểm tra.

Khi đo điện áp, Vôn kế mẫu chỉ 128V và Vôn kế cần kiểm tra chỉ 124,5V. Tính sai số tuyệt đối, sai số tương đối của Vôn kế cần kiểm tra? b. Tìm cấp chính xác của Vôn kế cần kiểm tra, biết rằng sai số tuyệt đối đã tìm được là sai số tuyệt đối lớn nhất? Giải: a. Sai số tuyệt đối: U  U Đ  UT  124,5  128  3,5V U 3,5 Sai số tương đối: U .

Cấp chính xác: CCX  .10: Một nguồn điện có điện áp định mức là 30V. Dùng Vôn kế có tầm đo cực đại là 50V để đo điện áp này. Kết quả đo được 30,1V. Tính sai số tuyệt đối, sai số tương đối của kết quả đo trên? b.

Giả sử sai số tuyệt đối đã tìm được là cực đại, tìm cấp chính xác của đồng hồ đo? Giải: a. Sai số tuyệt đối: U  U Đ  UT  30,1  30  0,1V 13 Chương 1: Tổng quan về đo lường điện U 0,1 Sai số tương đối: U . Cấp chính xác: CCX  .11: Một Vôn kế có sai số tầm đo ±1% ở tầm đo 300V. Dùng Vôn kế này để đo điện áp 120V.

Tính giới hạn sai số và viết kết quả đo? b. Tìm khoảng giá trị của kết quả đo? Giải: U max CCX .100  U max    3V U max 100 100 U 3 Giới hạn sai số: U  .100  2,5% UT 120 Kết quả đo: U Đ  120V  3V hoặc U Đ  120V  2,5% b. Khoảng giá trị của kết quả đo: 117V  U Đ  123V 1. Bài tập chương 1 A – Phần trắc nghiệm Câu 1: Đại lượng đo lường được chia thành: A.

Đại lượng điện và đại lượng vật lý B. Đại lượng điện và đại lượng không điện C. Đại lượng điện và đại lượng cơ D. Đại lượng trực tiếp và đại lượng gián tiếp Câu 2: Trong đo lường, sai số hệ thống thường được gây ra bởi: A.

Người thực hiện phép đo B. Đại lượng cần đo D. Phương pháp đo Câu 3: Để giảm nhỏ sai số hệ thống thường dùng phương pháp: A. Kiểm định thiết bị đo thường xuyên B.