Giáo trình Kỹ thuật Đo điện Tập 1 - Đại học Bách Khoa TPHCM - Đo điện & thiết bị đo điện tử cơ bản

Giáo trình Kỹ thuật Đo điện Tập 1 cung cấp kiến thức nền tảng về đo điện và các thiết bị đo điện. Tài liệu tham khảo lý tưởng cho sinh viên kỹ thuật điện.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Tân
• Trường học: Đại học Bách khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Giáo trình Kỹ thuật Đo điện Tập 1: Đo điện & thiết bị đo
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kỹ thuật đo điện

Giáo trình kỹ thuật đo điện là tài liệu học thuật chuyên sâu do các giảng viên Trường Đại học Bách Khoa biên soạn. Nội dung bao gồm toàn bộ kiến thức nền tảng và nâng cao về đo lường điện tử. Giáo trình trình bày các nguyên lý đo điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung, điện cảm và công suất. Ngoài ra, tài liệu còn giới thiệu phương pháp đo các đại lượng cơ học, nhiệt độ và quang học. Hệ thống đo lường đóng vai trò trung tâm trong mọi quy trình kỹ thuật hiện đại. Mỗi chương đi kèm bài tập thực hành giúp sinh viên củng cố lý thuyết. Giáo trình được thiết kế theo chương trình đào tạo đại học kỹ thuật. Nội dung cập nhật các thiết bị đo hiện đại và phương pháp đo tự động hóa. Tài liệu phục vụ sinh viên ngành Điện - Điện tử, Điều khiển tự động và các ngành kỹ thuật liên quan.

1.1. Cấu trúc nội dung giáo trình

1.2. Đối tượng và phạm vi áp dụng

II. Phân tích các phương pháp đo điện cơ bản

Đo điện áp và dòng điện là hai phép đo cơ bản nhất trong kỹ thuật điện. Giáo trình phân loại đo thành đo một chiều DC và đo xoay chiều AC. Mỗi loại đo sử dụng nguyên lý hoạt động khác nhau của thiết bị chỉ thị. Đo điện áp DC thường dùng vôn kế điện từ với cấu trúc cuộn dây và nam châm. Đo dòng điện sử dụng ampe kế mắc nối tiếp trong mạch đo. Phương pháp đo bằng biến trở cho phép đo điện áp DC với độ chính xác cao. Đo điện trở áp dụng nhiều phương pháp từ đơn giản đến phức tạp. Cầu Wheatstone là phương pháp đo điện trở chính xác được sử dụng rộng rãi. Cầu đôi Kelvin chuyên đo điện trở có trị số nhỏ. Đo điện trở đất và điện trở cách điện đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt. Giáo trình trình bày chi tiết từng phương pháp với sơ đồ mạch cụ thể.

2.1. Đo điện áp và dòng điện một chiều

2.2. Đo điện trở và cầu đo điện

III. Giải pháp đo các đại lượng điện nâng cao

Đo điện dung và điện cảm đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt do tính chất phản kháng. Giáo trình sử dụng vôn kế và ampe kế để đo dung kháng và cảm kháng. Cầu đo điện dung và điện cảm cho kết quả chính xác hơn phương pháp thông thường. Đo hệ số cảm ứng hỗ tương áp dụng nguyên lý biến áp. Đo công suất một chiều đơn giản hơn đo công suất xoay chiều. Công suất xoay chiều một pha sử dụng công tơ điện với nguyên lý hoạt động đặc biệt. Đo công suất tải ba pha áp dụng phương pháp hai công tơ hoặc ba công tơ. Đo điện năng sử dụng công tơ tích lũy với cơ chế đếm xung. Hệ số công suất được xác định bằng watt kế hoặc phương pháp pha. Giáo trình giới thiệu thiết bị đồng bộ hóa và tần số kế. Các giải pháp đo nâng cao đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao trong công nghiệp.

3.1. Đo điện dung và điện cảm chính xác

3.2. Đo công suất và hệ số công suất

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của kỹ thuật đo điện

Kỹ thuật đo điện là nền tảng không thể thiếu trong mọi lĩnh vực công nghiệp. Giáo trình cung cấp kiến thức toàn diện từ đo lường cơ bản đến nâng cao. Ứng dụng thực tế bao gồm giám sát hệ thống điện, kiểm định thiết bị và nghiên cứu phát triển. Đo đại lượng cơ học sử dụng cảm biến điện trở biến dạng và cảm biến vị trí. Đo nhiệt độ áp dụng nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện và cảm biến bán dẫn. Đo đại lượng quang học sử dụng điện trở quang và cảm biến phát xạ quang. Giáo trình còn giới thiệu dao động ký và máy ghi X-Y cho phân tích tín hiệu. Hệ thống đo lường đa kênh cho phép đo đồng thời nhiều đại lượng. Công nghệ đo số hóa với bộ chuyển đổi ADC/DAC đang thay thế phương pháp tương tự. Kiến thức trong giáo trình giúp kỹ sư áp dụng hiệu quả trong thực tế sản xuất và nghiên cứu.

4.1. Ứng dụng trong đo lường công nghiệp

4.2. Xu hướng phát triển đo lường hiện đại

Trích đoạn nội dung tài liệu

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA Nguyeãn Ngoïc Taân - Ngoâ Vaên Ky KYÕ THUAÄT ÑO TAÄP 1 ÑO ÑIEÄN NHAØ XUAÁT BAÛN ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH - 2005 http://www.vn 3 MUÏC LUÏC Lôøi môû ñaàu 7 Chöông 1 KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑO LÖÔØNG 9 1.1 Ñaïi löôïng ño löôøng 9 1.2 Chöùc naêng vaø ñaëc tính cuûa thieát bò ño löôøng 10 1.3 Chuaån hoùa trong ño löôøng 11 1.4 Chaát löôïng cuûa ño löôøng 12 1.5 Nhöõng phaàn töû trong thieát bò ño ñieän töû 20 1.6 Lôïi ích thieát thöïc cuûa ñieän töû trong ño löôøng 21 1.7 Söï choïn löïa, tính caån thaän vaø caùch duøng thieát bò ño 21 1.8 Heä thoáng ño löôøng 22 Chöông 2 ÑO ÑIEÄN AÙP VAØ DOØNG ÑIEÄN 26 2.1 Cô caáu chæ thò kim 26 2.2 Ño doøng moät chieàu (DC) vaø xoay chieàu (AC) 35 2.3 Ño ñieän aùp AC vaø DC 42 2.4 Ño ñieän aùp DC baèng phöông phaùp bieán trôû 48 2.5 Voân-keá ñieän töû ño ñieän aùp DC 52 2.6 Voân-keá ñieän töû ño ñieän aùp AC 61 2.7 Ampe-keá ñieän töû ño doøng AC vaø DC 70 Baøi taäp 71 Chöông 3 ÑO ÑIEÄN TRÔÛ 82 3.1 Ño ñieän trôû baèng Voân-keá vaø Ampe-keá 82 3.2 Ño ñieän trôû duøng phöông phaùp ño ñieän aùp baèng bieán trôû 84 3.3 Maïch ño ñieän trôû trong Ohm-keá 84 3.4 Caàu Wheatstone ño ñieän trôû 91 3.5 Caàu ñoâi Kelvin 94 3.6 Ño ñieän trôû coù trò soá lôùn 96 3.7 Ño ñieän trôû ñaát 105 3.8 Ño ñieän trôû trong V. ñieän töû 111 Baøi taäp 118 Chöông 4 4 http://www.vn ÑO ÑIEÄN DUNG, ÑIEÄN CAÛM VAØ HOÃ CAÛM 125 4.1 Duøng Voân-keá, Ampe-keá ño ñieän dung, ñieän caûm vaø hoã caûm 125 4.2 Duøng caàu ño ño ñieän dung vaø ñieän caûm 128 4.3 Ño hoã caûm 139 Baøi taäp 141 Chöông 5 ÑO COÂNG SUAÁT VAØ ÑIEÄN NAÊNG 146 5.1 Ño coâng suaát moät chieàu 146 5.2 Ño coâng suaát xoay chieàu moät pha 148 5.3 Ño coâng suaát taûi ba pha 155 5.4 Ño coâng suaát phaûn khaùng cuûa taûi 159 5.5 Ño ñieän naêng 162 5.6 Ño heä soá coâng suaát 167 5.7 Thieát bò chæ thò ñoàng boä hoùa (Synchronoscope) 171 5.8 Taàn soá keá 173 Chöông 6 ÑO ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ HOÏC VAÄT THEÅ RAÉN 178 6.1 Caûm bieán vò trí vaø söï dòch chuyeån 178 6.2 Caûm bieán ñieän trôû bieán daïng 202 6.3 Caûm bieán ño toác ñoä 207 6.4 Caûm bieán ño löïc, troïng löôïng 215 6.5 Caûm bieán ño ngaãu löïc 221 6.6 Ño gia toác, ñoä rung vaø söï va chaïm 223 Chöông 7 ÑO NHIEÄT ÑOÄ 228 7.1 Thang ño nhieät ñoä 228 7.2 Ño nhieät ñoä baèng ñieän trôû 228 7.3 Ño nhieät ñoä baèng caëp nhieät ñieän 234 7.4 Duøng diod vaø transistor ño nhieät ñoä 243 7.5 Ño nhieät ñoä baèng IC 246 7.6 Duøng caûm bieán thaïch anh ño nhieät ñoä 248 Chöông 8 ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ HOÏC CHAÁT LOÛNG 255 http://www.1 Ño vaän toác chaát loûng 255 8.3 Ño vaø doø möïc chaát loûng 269 Chöông 9 ÑO ÑAÏI LÖÔÏNG QUANG 273 9.1 Caùc ñaëc tính rieâng cuûa caûm bieán quang 273 9.2 Ñieän trôû quang 276 9.5 Caûm bieán phaùt xaï quang 296 Chöông 10 DAO ÑOÄNG KYÙ, TIA AÂM CÖÏC VAØ MAÙY GHI X-Y 310 10.1 OÁng phoùng ñieän töû (CRT) 310 10.2 Caùc khoái chöùc naêng trong dao ñoäng kyù 314 10.3 Trình baøy tín hieäu treân maøn aûnh cuûa dao ñoäng kyù 317 10.4 Dao ñoäng kyù hai keânh 321 10.5 Thanh ño (Probe) cuûa dao ñoäng kyù 323 10.6 Boä taïo treã 325 10.7 ÖÙng duïng cuûa dao ñoäng kyù 327 10.8 Voân keá töï ghi keát quaû (Voltmeter Recorder) 332 10.9 Maùy ghi treân heä truïc X - Y (X - Y recorder) 333 Phuï luïc 333 Taøi lieäu tham khaûo 343 6 http://www.vn http://www.vn 7 Lôøi môû ñaàu KYÕ THUAÄT ÑO ñöôïc bieân soaïn nhaèm phuïc vuï cho moân hoïc Kyõ thuaät Ño (Ño löôøng Ñieän vaø Ñieän töû - Electrical measurements and Electronic Instrumentation) ñöôïc bieân soaïn thaønh hai taäp: KYÕ THUAÄT ÑO - TAÄP 1 - ÑO ÑIEÄN VAØ THIEÁT BÒ ÑO ÑIEÄN TÖÛ CÔ BAÛN goàm 10 chöông. KYÕ THUAÄT ÑO - TAÄP 2 - ÑO ÑIEÄN TÖÛ goàm 5 chöông. Trong taäp 1 caùc chöông 1, 2, 3, 4, 5, 10, do thaïc só Nguyeãn Ngoïc Taân bieân soaïn: trình baøy nhöõng phaàn cô baûn veà ño löôøng ñieän vaø ño löôøng ñieän töû.

Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thieát bò ño goàm boä chæ thò, maïch ño vaø phöông phaùp ño cuûa voân-keá, ampe-keá, thieát bò ño ñieän trôû, ñieän dung, ñieän caûm, ñieän naêng keá, cosϕ-keá, taàn soá keá. Trong phaàn voân-keá, ampe-keá, ohm-keá chuùng toâi trình baøy theâm maïch ño ñieän töû nhaèm muïc ñích ñeå sinh vieân hieåu roõ nguyeân lyù ño cuûa maùy ño ñieän thoâng thöôøng chuyeån sang nguyeân lyù maùy ño ñieän töû ngaøy nay ñang ñöôïc söû duïng roäng raõi. Caùc chöông 6, 7, 8, 9 vaø baøi taäp chöông 2, 3, 4 do thaïc só Ngoâ Vaên Ky bieân soaïn: trình baøy nguyeân lyù hoaït ñoäng vaø ñaëc tính kyõ thuaät cuûa caùc caûm bieán ño caùc ñaïi löôïng cô, nhieät, quang, cô hoïc löu chaát. Ñaây laø nhöõng caûm bieán cô baûn chuyeån ñoåi ñaïi löôïng khoâng ñieän sang caùc ñaïi löôïng ñieän ñöôïc söû duïng trong caùc thieát bò ño löôøng coâng nghieäp hieän nay (industrial instrumentation) vaø trong heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng.

Cuoán saùch naøy nhaèm cung caáp nhöõng kieán thöùc cô baûn veà thieát bò ño löôøng cho sinh vieân caùc ngaønh Ñieän - Ñieän töû - Maùy tính (Coâng ngheä Thoâng tin) cuûa caùc tröôøng ñaïi hoïc; ñoàng thôøi cuõng giuùp ích cho sinh vieân caùc ngaønh khaùc muoán tìm hieåu veà thieát bò ño.vn Chuùng toâi mong nhaän ñöôïc nhieàu yù kieán ñoùng goùp cuûa quyù ñoàng nghieäp, caùc ñoäc giaû ñeå laàn taùi baûn cuoán saùch ñöôïc hoaøn thieän hôn. Xin chaân thaønh caûm ôn caùc baïn ñoàng nghieäp, Boä moân Cô sôû Kyõ thuaät Ñieän - Khoa Ñieän - Ñieän töû, Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch khoa ñaõ giuùp ñôõ vaø taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho chuùng toâi hoaøn thaønh quyeån saùch naøy. Ñòa chæ: Boä moân Cô sôû Kyõ thuaät Ñieän - Khoa Ñieän - Ñieän töû, Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch khoa - Ñaïi hoïc Quoác gia TPHCM - 268 Lyù Thöôøng Kieät, Q10. Email: [e-mail] [e-mail] Nguyeãn Ngoïc Taân - Ngoâ Vaên Ky http://www.vn 9 Chöông 1 KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑO LÖÔØNG 1.1 ÑAÏI LÖÔÏNG ÑO LÖÔØNG Trong lónh vöïc ño löôøng, döïa treân tính chaát cô baûn cuûa ñaïi löôïng ño, chuùng ta phaân ra hai loaïi cô baûn.

Ñaïi löôïng ñieän Ñaïi löôïng khoâng ñieän (non electrical) laø nhöõng ñaïi löôïng vaät lyù, hoùa hoïc, sinh hoïc, y hoïc,. khoâng mang ñaëc tröng cuûa ñaïi löôïng ñieän. Tuøy thuoäc vaøo töøng tính chaát cuï theå cuûa ñaïi löôïng ño, chuùng ta ñaët ra phöông phaùp vaø caùch thöùc ño ñeå töø ñoù thieát keá vaø cheá taïo thieát bò ño.1 Ñaïi löôïng ñieän Ñöôïc phaân ra hai daïng: Ñaïi löôïng ñieän taùc ñoäng (active) Ñaïi löôïng ñieän thuï ñoäng (passive). 1- Ñaïi löôïng ñieän taùc ñoäng Ñaïi löôïng ñieän aùp, doøng ñieän, coâng suaát laø nhöõng ñaïi löôïng mang naêng löôïng ñieän.

Khi ño caùc ñaïi löôïng naøy, baûn thaân naêng löôïng naøy seõ cung caáp cho caùc maïch ño. Trong tröôøng hôïp naêng löôïng quaù lôùn, seõ ñöôïc giaûm bôùt cho phuø hôïp vôùi maïch ño. Ví duï nhö phaân aùp, phaân doøng. Neáu trong tröôøng hôïp quaù nhoû seõ khueách ñaïi ñuû lôùn cho maïch ño coù theå hoaït ñoäng ñöôïc.vn CHÖÔNG 1 2- Ñaïi löôïng ñieän thuï ñoäng Ñaïi löôïng ñieän trôû, ñieän caûm, ñieän dung, hoã caûm,.

caùc ñaïi löôïng naøy khoâng mang naêng löôïng cho neân phaûi cung caáp ñieän aùp hoaëc doøng ñieän cho caùc ñaïi löôïng naøy khi ñöa vaøo maïch ño. Trong tröôøng hôïp ñaïi löôïng naøy ñang laø phaàn töû trong maïch ñieän ñang hoaït ñoäng, chuùng ta phaûi quan taâm ñeán caùch thöùc ño theo yeâu caàu. Ví duï nhö caùch thöùc ño noùng nghóa laø ño phaàn töû naøy trong khi maïch ñang hoaït ñoäng hoaëc caùch thöùc ño nguoäi khi phaàn töû naøy ñang ngöng hoaït ñoäng. ÔÛ moãi caùch thöùc ño seõ coù phöông phaùp ño rieâng.2 Ñaïi löôïng khoâng ñieän Ñaây laø nhöõng ñaïi löôïng hieän höõu trong ñôøi soáng cuûa chuùng ta (nhieät ñoä, aùp suaát, troïng löôïng, ñoä aåm, ñoä pH, noàng ñoä, toác ñoä, gia toác.

Trong heä thoáng töï ñoäng hoùa coâng nghieäp ngaøy nay, ñeå ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng hoùa caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän noùi treân, chuùng ta caàn chuyeån ñoåi caùc ñaïi löôïng noùi treân sang ñaïi löôïng ñieän baèng nhöõng boä chuyeån ñoåi hoaëc caûm bieán hoaøn chænh, thuaän lôïi, chính xaùc, tin caäy hôn trong lónh vöïc ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng.2 CHÖÙC NAÊNG VAØ ÑAËC TÍNH CUÛA THIEÁT BÒ ÑO LÖÔØNG 1.1 Chöùc naêng cuûa thieát bò ño Haàu heát caùc thieát bò ño coù chöùc naêng cung caáp cho chuùng ta keát quaû ño ñöôïc ñaïi löôïng ñang khaûo saùt. Keát quaû naøy ñöôïc chæ thò hoaëc ñöôïc ghi laïi trong suoát quaù trình ño, hoaëc ñöôïc duøng ñeå töï ñoäng ñieàu khieån ñaïi löôïng ñang ñöôïc ño. Ví duï: trong heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä, maùy ño nhieät ñoä coù nhieäm vuï ño vaø ghi laò keát quaû ño cuûa heä thoáng ñang hoaït ñoäng vaø giuùp cho heä thoáng xöû lyù vaø ñieàu khieån töï ñoäng theo thoâng soá nhieät ñoä. Noùi chung thieát bò ño löôøng coù chöùc naêng quan troïng laø kieåm tra söï hoaït ñoäng cuûa heä thoáng töï ñoäng ñieàu khieån, nghóa laø ño löôøng quaù trình trong coâng nghieäp (industrial process measurements).

Ñaây cuõng laø moân hoïc trong ngaønh töï ñoäng hoùa.2 Ñaëc tính cuûa thieát bò ño löôøng Vôùi nhieàu caùch thöùc ño ña daïng khaùc nhau cho nhieàu ñaïi löôïng coù nhöõng ñaëc tính rieâng bieät, chuùng ta coù theå phaân bieät hai daïng thieát bò ño phuï thuoäc vaøo ñaëc tính moät caùch toång quaùt. KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑO LÖÔØNG http://www.vn 11 Ví duï: Ñeå ño ñoä daãn ñieän chuùng ta duøng thieát bò ño doøng ñieän thuaàn tuùy ñieän laø micro ampe-keá hoaëc mili ampe-keá. Nhöng neáu chuùng ta duøng thieát bò ño coù söï keát hôïp maïch ñieän töû ñeå ño ñoä daãn ñieän thì phaûi bieán ñoåi doøng ñieän ño thaønh ñieän aùp ño. Sau ñoù maïch ño ñieän töû ño doøng ñieän döôùi daïng ñieän aùp.

Nhö vaäy giöõa thieát bò ño ñieän vaø thieát bò ño ñieän töû coù ñaëc tính khaùc nhau. Coù loaïi thieát bò ño, keát quaû ñöôïc chæ thò baèng kim chæ thò (thieát bò ño daïng analog), coù loaïi baèng hieän soá (thieát bò ño daïng digital). Hieän nay loaïi sau ñang thoâng duïng. Ñaây cuõng laø moät ñaëc tính phaân bieät cuûa thieát bò ño.

Ngoaøi ra thieát bò ño löôøng coøn mang ñaëc tính cuûa moät thieát bò ñieän töû (neáu laø thieát bò ño ñieän töû) nhö: toång trôû nhaäp cao, ñoä nhaïy cao, heä soá khueách ñaïi oån ñònh vaø coù ñoä tin caäy ñaûm baûo cho keát quaû ño. Coøn coù theâm chöùc naêng, truyeàn vaø nhaän tín hieäu ño löôøng töø xa (telemetry). Ñaây cuõng laø moân hoïc quan troïng trong lónh vöïc ño löôøng ñieàu khieån töø xa.3 CHUAÅN HOÙA TRONG ÑO LÖÔØNG 1.