GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: ĐO LƯỜNG ĐIỆN (MÃ MÔ ĐUN: ELEI53115)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Đo lường điện (Mã mô đun: ELEI53115) được biên soạn theo Quyết định số 205/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Tài liệu do nhóm tác giả gồm Lê Thị Thu Hường (Chủ biên), Ninh Trọng Tuấn và Nguyễn Xuân Thịnh biên soạn phục vụ công tác đào tạo hệ Cao đẳng nghề Lắp đặt thiết bị điện và Điện công nghiệp.

Trong cấu trúc chương trình khung đào tạo 95 tín chỉ (tổng thời lượng 2280 giờ), mô đun Đo lường điện có khối lượng 3 tín chỉ với tổng thời lượng thực hiện 75 giờ. Về vị trí đào tạo, mô đun này thuộc nhóm các môn học, mô đun chuyên môn nghề bắt buộc; được bố trí giảng dạy sau các môn học kỹ thuật cơ sở như An toàn điện (ELET5201), Mạch điện cơ bản (ELEI52033), Mạch điện (ELEI53132), Vật liệu điện (ELET62064) và giảng dạy trước các mô đun chuyên ngành nâng cao như Trang bị điện 1 (ELET55157), Máy điện (ELEI56135), Lắp đặt thiết bị đo lường điện (ELEC55130), Điều khiển lập trình PLC (AUTM64116).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức: Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc của các cơ cấu chỉ thị và thiết bị đo điện thông dụng; giải thích phương pháp đo các thông số và đại lượng cơ bản trong mạch điện một chiều và xoay chiều.
  • Về kỹ năng: Lựa chọn đúng dải đo, đấu nối chuẩn xác sơ đồ mạch đo và sử dụng thành thạo các thiết bị đo để xác định các đại lượng dòng điện, điện áp, điện trở, điện dung, điện cảm, công suất, hệ số công suất và điện năng.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tác phong kỷ luật, sự cẩn trọng khi thao tác trên thiết bị và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định an toàn điện.

Cấu trúc giáo trình được phân bổ thành 6 bài học theo chuỗi logic từ đại cương lý thuyết sai số, nguyên lý cơ cấu chỉ thị cho đến các phương pháp đo đạc chuyên biệt từng đại lượng điện từ, kết hợp tỷ trọng thực hành lên đến 58 giờ trên tổng số 75 giờ đào tạo.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN (HÌNH 1.1)

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 6 bài học chuyên biệt với progression logic chặt chẽ:

  • Bài 1: Đại cương về đo lường điện (6 giờ: 3 LT - 3 TH): Trình bày định nghĩa quá trình đo lường, phân loại đại lượng đo (đại lượng điện tác động: $U, I, P$; đại lượng điện thụ động: $R, L, C, M$; đại lượng không điện: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm qua cảm biến/transducer). Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát hệ thống đo (Hình 1.1), phân loại phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp. Trình bày hệ thống 4 cấp chuẩn hóa (Cấp 1: Quốc tế tại Paris; Cấp 2: Quốc gia; Cấp 3: Khu vực; Cấp 4: Phòng thí nghiệm). Khảo sát phân loại sai số (sai số thô, sai số hệ thống $X_{ht}$, sai số ngẫu nhiên $X_n$), các công thức tính sai số tuyệt đối $\Delta X = |X - x|$, sai số tương đối $\varepsilon = \frac{\Delta X}{X} \cdot 100%$, sai số quy dẫn $\gamma = \frac{\Delta X}{X_{max}} \cdot 100%$, sai số quy dẫn lớn nhất xác định cấp chính xác $k = \gamma_{max}$ ($0{,}02; 0{,}05; 0{,}1; 0{,}2; 0{,}5; 1; 1{,}5; 2{,}5; 4; 5$) và quy tắc làm tròn số liệu.
  • Bài 2: Sử dụng các cơ cấu chỉ thị trong đo lường (5 giờ: 4 LT - 1 KT): Khảo sát cấu tạo, phương trình moment quay $M_q$, moment cản $M_c = K_c \cdot \alpha$ và đặc tính thang đo của 6 loại cơ cấu:
    1. Cơ cấu từ điện (PMMC): $M_q = N \cdot B \cdot S \cdot I \Rightarrow \alpha = K_I \cdot I$ (thang đo tuyến tính, cấp chính xác cao $k = 0{,}05$, công suất tiêu hao $25 - 200,\mu\text{W}$, chỉ đo trực tiếp DC).
    2. Cơ cấu điện từ: $M_q = \frac{1}{2} I^2 \frac{dL}{d\alpha} \Rightarrow \alpha = K_I \cdot I^2$ (loại cuộn dây dẹt và tròn, đo được cả AC/DC, thang đo phi tuyến, sử dụng màn chắn từ thép permalloy $0{,}2,\text{mm}$ hoặc cơ cấu astatic vô hướng).
    3. Cơ cấu điện động và sắt điện động: Đo AC/DC, moment quay $M_{qtb} = I_1 I_2 \cos\varphi \frac{dM_{12}}{d\alpha}$, ứng dụng chế tạo Watt kế đo công suất.
    4. Cơ cấu cảm ứng: Tương tác giữa từ thông cuộn dòng $\Phi_i$, cuộn áp $\Phi_u$ và dòng xoáy trong đĩa nhôm, ứng dụng chế tạo công tơ điện năng.
    5. Cơ cấu đo tĩnh điện: Dựa trên lực tĩnh điện giữa các bản cực nhôm $W_E = \frac{1}{2} C U^2$, dải đo từ $10,\text{V}$ đến hàng chục $\text{kV}$, tần số đáp ứng đến $10,\text{MHz}$.
    6. Cơ cấu đo điện tử: Chuyển đổi đại lượng đo thành điện áp DC đưa vào mạch xử lý và hiển thị.
  • Bài 3: Đo dòng điện và điện áp (17 giờ: 1 LT - 16 TH):
    • Đo dòng điện: Mở rộng thang đo Ampe kế DC bằng điện trở Shunt riêng biệt và Shunt vạn năng (Ayrton) chế tạo từ vật liệu Manganin ($\alpha = (1-3) \cdot 10^{-5},\Omega/^\circ\text{C}$) hoặc Constan theo công thức $R_S = \frac{R_m}{n-1}$ (với $n = \frac{I}{I_m}$). Đo dòng AC bằng cơ cấu từ điện kết hợp sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ ($I_{cltb} \approx 0{,}45 I$), toàn kỳ 4 diode ($I_{cltb} \approx 0{,}9 I$, hệ số hình dạng $k_H = 1{,}11$), sơ đồ 2 diode kết hợp 2 điện trở và cặp nhiệt ngẫu cho dòng cao tần.
    • Đo điện áp: Mở rộng thang đo Volt kế DC bằng điện trở phụ riêng biệt và điện trở phụ vạn năng theo công thức $R_p = (n-1)R_m$, tổng trở vào $Z_V = R_m + R_p$. Đo điện áp AC bằng mạch nắn diode. Phân tích ảnh hưởng của nội trở $R_A, R_V$ đến mạch đo. Phương pháp biến trở (dùng điện kế Galvanometer $G$) để định chuẩn Ampe kế và Volt kế DC/AC.
  • Bài 4: Đo điện trở (26 giờ: 3 LT - 23 TH): Phương pháp gián tiếp Volt-Ampe (mắc Volt kế trước và sau Ampe kế), phương pháp biến trở; mạch đo Ohm kế trực tiếp; mạch cầu Wheatstone cân bằng và không cân bằng; nguyên lý MegOhm kế đo điện trở cách điện; kỹ thuật đo điện trở tiếp địa/điện trở đất trực tiếp và gián tiếp.
  • Bài 5: Đo điện dung và điện cảm (11 giờ: 1 LT - 9 TH - 1 KT): Phương pháp và sơ đồ mạch xác định điện dung $C_x$, phương pháp kiểm tra độ rỉ tụ điện bằng Ampe kế và Volt kế; phương pháp xác định điện cảm $L_x$ và điện trở tổn hao cuộn dây.
  • Bài 6: Đo công suất và điện năng (10 giờ: 2 LT - 7 TH - 1 KT): Kỹ thuật đo công suất tác dụng DC ($P=UI$), công suất 1 pha (trực tiếp bằng Watt kế, gián tiếp qua V-A); đo công suất 3 pha (3 pha 4 dây đối xứng/không đối xứng, 3 pha 3 dây bằng phương pháp 2 Watt kế Aron, 3 Watt kế, Watt kế 3 pha 2 phần tử và 3 phần tử); đo công suất phản kháng $Q$ bằng VAR kế; đo hệ số công suất $\cos\varphi$ (dùng Volt kế - Ampe kế - Watt kế hoặc $\cos\varphi$ kế điện động); đo điện năng tiêu thụ bằng công tơ cảm ứng 1 pha và 3 pha.
                               TIẾN TRÌNH NỘI DUNG GIÁO TRÌNH
[Bài 3: Đo I & U]                    [Bài 4: Đo R, Cách điện, Đất]                [Bài 5: Đo C & L]
                                 [Bài 6: Đo P, Q, cosφ, Điện năng]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật thông qua:

  • Fundamental theories: Lý thuyết điện từ trường, quan hệ tương tác lực từ $F = N \cdot I \cdot l \cdot B$, phương trình cân bằng moment cơ học $M_q = M_c$, lý thuyết mạch chỉnh lưu tín hiệu sin và phi sin gắn với hệ số hình dạng $k_H$, lý thuyết sai số xác suất thống kê đánh giá giá trị trung bình phép đo.
  • Core principles: Nguyên lý phân dòng (Current divider) qua điện trở Shunt, phân áp (Voltage divider) qua điện trở phụ, nguyên lý cân bằng cầu Wheatstone, nguyên lý so sánh điện áp không dòng qua biến trở chuẩn và điện kế Galvanometer.
  • Essential frameworks: Mô hình hệ thống đo chuẩn hóa 4 khối, hệ thống thang bậc định chuẩn 4 cấp đo lường, cấu trúc phân cấp đánh giá độ chính xác thiết bị theo tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia.

Kỹ năng phát triển

  • Technical skills: Tính toán thiết kế tham số mạch phân dòng Shunt Ayrton, mạch điện trở phụ đa cấp $R_p$; đấu nối chuẩn xác mạch đo công suất 1 pha và 3 pha; thao tác hiệu chỉnh điểm 0 (Zero calibration) trên cơ cấu kim; sử dụng đồng hồ vạn năng DMM, MegOhm kế và thiết bị đo điện trở đất.
  • Analytical skills: Phân tích và ước lượng sai số hệ thống $X_{ht}$, sai số ngẫu nhiên $X_n$; đánh giá mức độ ảnh hưởng của nội trở thiết bị ($R_A, R_V$) lên chế độ xác lập của mạch điện; đối chiếu và lựa chọn thang đo tương ứng với cấp chính xác $k$.
  • Practical competencies: Thực hiện quy trình kiểm tra an toàn trước khi đo mạch mang điện; tuân thủ quy trình bảo hộ lao động và cô lập nguồn năng lượng (LOTO - Lockout/Tagout) tại phòng thực hành và xưởng sản xuất.

Phương pháp giảng dạy và học tập

                         CƠ CẤU PHÂN BỔ THỜI LƯỢNG (75 GIỜ)
  Lý thuyết: 14 giờ (18.7%)       Thực hành / Bài tập: 58 giờ (77.3%)     KT: 3 giờ (4.0%)
 [████████]                      [████████████████████████████████]       [██]

Pedagogical approach

Chương trình triển khai theo mô hình giảng dạy tích cực kết hợp giữa thuyết giảng lý thuyết cô đọng, phương pháp vấn đáp và dạy học theo vấn đề (Problem-based learning). Hoạt động giảng dạy lý thuyết được tổ chức tập trung, trong khi các nội dung thực hành kỹ năng được chia ca tại phòng thí nghiệm chuyên môn hóa (phòng Thí nghiệm điện, xưởng Trang bị điện).

Bài tập và case studies

Hệ thống bài tập tập trung vào các bài toán tính toán kỹ thuật cụ thể:

  • Thiết kế mạch đo dòng điện dùng Shunt vạn năng 3 dải đo ($R_1, R_2, R_3$) khi biết nội trở cơ cấu $R_m$ và dòng cực đại $I_{FS}$ (Ví dụ 1).
  • Tính toán điện trở phụ riêng biệt và vạn năng cho Volt kế đa thang đo ($6,\text{V}, 30,\text{V}, 150,\text{V}$) (Ví dụ 4, Ví dụ 5).
  • Tính toán sai số đưa vào mạch tải do nội trở Ampe kế ($R_{A1} = 50,\Omega, R_{A2} = 10,\Omega$) và tổng trở Volt kế ($R_V = 200,\text{k}\Omega$) gây ra (Ví dụ 3, Ví dụ 7).
  • Bài tập thiết kế mạch đo áp xoay chiều dùng diode chỉnh lưu có tính điện áp rơi $V_D = 0{,}6,\text{V}$ (Ví dụ 6).

Practical exercises & Assessment methods

Hệ thống đánh giá kết quả học tập được quy định cụ thể tại Mục 7 của chương trình mô đun:

Hình thức đánh giá Số lượng bài Quy cách & Nội dung thực hiện Thời gian
Kiểm tra thường xuyên 01 bài Kiểm tra vấn đáp đầu giờ hoặc bài viết ngắn trên lớp $\le 30$ phút
Kiểm tra định kỳ số 1 01 bài (Lý thuyết) Tự luận/trắc nghiệm nội dung Bài 1 và Bài 2 45 – 60 phút
Kiểm tra định kỳ số 2 01 bài (Thực hành) Đánh giá kỹ năng đo thực nghiệm Bài 3, Bài 4, Bài 5 45 – 60 phút
Kiểm tra định kỳ số 3 01 bài (Thực hành) Đánh giá kỹ năng đo mạch công suất/điện năng Bài 6 45 – 60 phút
Thi kết thúc mô đun 01 bài Tích hợp trắc nghiệm lý thuyết và thao tác thực hành 60 – 90 phút

Self-study guidelines

Người học cần hoàn thành việc nghiên cứu trước tài liệu giáo trình và trả lời hệ thống câu hỏi củng cố (5 câu trắc nghiệm cuối mỗi bài học); chuẩn bị trước các công thức tính toán và quy trình thực hành trước khi vào phòng thí nghiệm.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Chuẩn hóa khung chương trình 2022: Giáo trình được ban hành năm 2022 theo quyết định của Trường Cao đẳng Dầu khí, cập nhật đồng bộ với danh mục 27 môn học/mô đun trong chương trình đào tạo nghề Lắp đặt thiết bị điện (tổng 2280 giờ).
  • Tích hợp song song công nghệ tương tự và số hóa: Giáo trình phân tích tường minh từ bản chất cơ học của các cơ cấu chỉ thị kim truyền thống (từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng, tĩnh điện) đến nguyên lý của Volt kế/Ampe kế điện tử kỹ thuật số có mạch phối hợp trở kháng cao ($Z_{in} \ge 1,\text{M}\Omega$).
  • Gắn liền thực tiễn lắp đặt công nghiệp và an toàn dầu khí: Nội dung đo lường không dừng lại ở các thông số cơ bản mà mở rộng trực tiếp sang các hạng mục kiểm định công nghiệp bắt buộc: đo điện trở cách điện của khí cụ bằng MegOhm kế và đo điện trở tiếp địa hệ thống chống sét/nối đất an toàn.
  • Trang bị kỹ thuật định chuẩn thiết bị: Giới thiệu phương pháp so sánh điện áp bằng biến trở để định chuẩn cấp chính xác cho Ampe kế và Volt kế, gắn liền với hệ thống kiểm định 4 cấp chuẩn hóa.
  • Áp dụng quy chuẩn an toàn LOTO: Chương trình thực hành tích hợp các yêu cầu nghiêm ngặt về thẻ treo và khóa an toàn (LOTO - Lockout/Tagout) khi thao tác với mạch điện nguồn.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                       ĐỐI TƯỢNG VÀ LỘ TRÌNH SỬ DỤNG GIÁO TRÌNH
  • Sinh viên trình độ Cao đẳng: Sinh viên năm nhất hoặc năm hai thuộc khối ngành Kỹ thuật điện (nghề Lắp đặt thiết bị điện, Điện công nghiệp) tại các trường cao đẳng kỹ thuật và trường đào tạo nghề dầu khí.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở trước đó trong khung chương trình: An toàn điện (ELET5201), Mạch điện cơ bản (ELEI52033) hoặc Mạch điện (ELEI53132) và Vật liệu điện (ELET62064).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu quy chuẩn để xây dựng đề cương bài giảng, thiết kế bài tập tình huống kỹ thuật, xây dựng tiêu chí phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và ngân hàng đề thi kết thúc mô đun.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ thuật viên bảo dưỡng điện, thợ lắp đặt điện công nghiệp cần tra cứu nguyên lý đo kiểm cách điện, đo tiếp địa và phương pháp xử lý sai số trong thực tế vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phục vụ cho chương trình đào tạo nào?

Giáo trình được ban hành chính thức phục vụ mô đun Đo lường điện (Mã: ELEI53115) thuộc chương trình đào tạo nghề Lắp đặt thiết bị điện và Điện công nghiệp trình độ Cao đẳng theo chuẩn chương trình khung của Trường Cao đẳng Dầu khí năm 2022.

2. Sinh viên cần hoàn thành các môn học nào trước khi học mô đun này?

Sinh viên cần tích lũy các môn học kỹ thuật cơ sở bao gồm: An toàn điện (ELET5201), Mạch điện cơ bản (ELEI52033) hoặc Mạch điện (ELEI53132) và Vật liệu điện (ELET62064) nhằm nắm vững định luật mạch điện, an toàn lao động và đặc tính vật liệu dẫn điện/cách điện.

3. Cấu trúc thời lượng của mô đun có điểm gì đặc thù?

Mô đun có tổng thời lượng 75 giờ với tỷ trọng thực hành áp đảo: 58 giờ thực hành/thảo luận/bài tập (chiếm ~77,3%), 14 giờ lý thuyết (chiếm ~18,7%) và 3 giờ kiểm tra định kỳ, tập trung rèn luyện kỹ năng thực nghiệm trực tiếp trên khí cụ và thiết bị đo.

4. Quy trình đánh giá kết thúc môn học được thực hiện như thế nào?

Điểm tổng kết mô đun gồm 1 điểm kiểm tra thường xuyên (vấn đáp), 3 bài kiểm tra định kỳ (1 bài lý thuyết 45–60 phút cho Bài 1-2; 2 bài thực hành 45–60 phút cho Bài 3-4-5 và Bài 6) và 1 bài thi kết thúc mô đun bằng hình thức tích hợp trắc nghiệm lý thuyết và thực hành (thời gian 60–90 phút).

5. Giáo trình trích dẫn những nguồn tài liệu tham khảo tiêu chuẩn nào?

Tài liệu được xây dựng dựa trên 2 tài liệu tham khảo chính yếu:

  1. Đo lường điện và cảm biến đo lường (Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thành, Hoàng Sỹ Hồng – Nhà xuất bản Giáo dục, 2005).
  2. Đo lường điện (Nguyễn Hữu Nghĩa – Giáo trình lưu hành nội bộ Trường Cao đẳng Dầu khí).

Kết luận

Giáo trình mô đun Đo lường điện (ELEI53115) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành năm 2022 cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ lý thuyết cơ cấu chỉ thị điện từ, phương pháp phân tích sai số, kỹ thuật mở rộng dải đo đến quy trình thao tác thực hành đo các đại lượng điện DC, AC, điện trở cách điện, tiếp địa và công suất - điện năng công nghiệp.

Việc hoàn thành mô đun 75 giờ này là điều kiện tiên quyết để sinh viên làm chủ kỹ năng đo kiểm, tạo tiền đề vững chắc bước vào các mô đun chuyên môn tiếp theo như Trang bị điện 1 & 2, Máy điện, Lắp đặt thiết bị đo lường điện và PLC. Sinh viên và giảng viên có thể kết hợp tài liệu này cùng giáo trình Đo lường điện và cảm biến đo lường (NXB Giáo dục, 2005) để tối ưu hóa hiệu quả giảng dạy và thực hành chuyên ngành.