MỞ ĐẦU ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN Mã bài: MĐ16_B01 Giới thiệu: Đo lường là sự so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng đã 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 và quan sát kết quả đo được các đại lượng cần thiết trên thiết bị đo. Trong thực tế rất khó xác định ‘‘trị số thực’’ của đại lượng đo. Vì vậy, trị số đo được cho bởi thiết bị đo gọi là trị số tin cậy được (expected value).
Bất kỳ đại lượng đo nào cũng bị ảnh hưởng bởi 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 dưới hình thức sai số. Mục tiêu: - Giải thích các khái niệm về đo lường, đo lường điện; - Tính toán được sai số của phép đo, vận dụng phù hợp các phương pháp hạn chế sai số; - Đo các đại lượng điện bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Nội dung chính: 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN Mục tiêu: Giải thích các khái niệm về đo lường, đo lường điện và các phương pháp đo.
Khái niệm về đo lường a/ Đo lường: - Đại lượng nào so sánh được với mẫu (hay chuẩn) thì mới đo được. Nếu các đại luợng không so sánh được thì phải chuyển đổi về đại lượng so sánh được với mẫu (hay chuẩn) rồi đo. - Đo lường là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với đại lượng cùng loại đã biết, chọn làm mẫu (gọi là đơn vị). b/ Mẫu đo: Dụng cụ giữ mẫu các đơn vị đo gọi là mẫu đo.
c/ Dụng cụ đo: Dụng cụ thực hiện việc so sánh gọi là dụng cụ đo (còn gọi là máy đo, đồng hồ đo. 9 Ví dụ: Việc đo khối lượng là thực hiện so sánh khối lượng cần đo với khối lượng của một khối kim loại chọn làm đơn vị (kilôgam). Dụng cụ đo là chiếc cân. Khái niệm về đo lường điện Đo lường điện là quá trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.
Các phương pháp đo a/ Phương pháp đo trực tiếp Đo trực tiếp là phương pháp đo mà đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với mẫu đo (đơn vị đo) cùng loại. Ví dụ: Đo dòng điện bằng Ampemét ; đo điện áp bằng cách so sánh với sức điện động mẫu; đo điện trở bằng cách so sánh với điện trở mẫu (cầu điện). Nói chung, các đại lượng điện đa số được đo bằng phương pháp đo trực tiếp. Do lượng cần đo so sánh trực tiếp với mẫu đo nên phương pháp này dễ dàng đạt được độ chính xác cao.
Đo trực tiếp có 2 cách: đo đọc thẳng và đo so sánh. - Phương pháp đo đọc thẳng là phương pháp đo mà kết quả đo được chỉ ngay trên mặt chia độ hay mặt hiện số của dụng cụ đo. Chẳng hạn, nếu đo điện áp bằng V-mét thì kết quả đo sẽ là một con số do kim chỉ ngay trên mặt chia độ. Phương pháp này chỉ đạt độ chính xác tới 0,05 là mức cao nhất hiện nay của dụng cụ đo đọc thẳng.
- Phương pháp đo so sánh là phương pháp đo mà đại lượng cần đo được so sánh với một mẫu đo cùng loại đã biết trị số. Chẳng hạn, việc dùng các cữ đo để kiểm tra các kích thước các chi tiết gia công là phương pháp đo so sánh. Kích thước của cữ kiểm tra là mẫu đo đã biết, còn kích thước các chi tiết cần đo được so sánh với mẫu đo. Phương pháp so sánh thực hiện bằng hai cách: Phương pháp so lệch: Lượng cần đo Ax được so sánh với mẫu G o A0, lượng sai lệch ( A = A0 – U Ax) sẽ do dụng cụ đo xác định.
Biết Ex A0 và A ta sẽ tính được giá trị E0 lượng cần đo Ax. Chẳng hạn, hình o 1-1 vẽ sơ đồ nguyên tắc đo sức Hình 1-1 Đo sức điện động bằng điện động hay điện áp bằng phương phương pháp so lệch pháp so lệch sức điện động cần đo 10 Ex được so sánh với sức điện động mẫu E0, điện kế G sẽ thực hiện đo phần chênh lệch U. Từ đó: Ex = E0 U Tuy số đo U đạt độ chính xác không cao lắm nhưng trị số của nó chỉ vào khoảng 0,01 trị số của Ex, nên kết quả đo vẫn đạt được mức chính xác cao tới 0,03% Phương pháp chỉ không: Là phương pháp đo mà lượng cần đo Ax được so sánh với mẫu đo A0 có thể điều chỉnh được, bảo đảm sai lệch A0 –Ax = 0. Kết quả so sánh xác định bằng dụng cụ đo chỉ không.
Thực chất của phương pháp đo chỉ không cũng là phương pháp so lệch, trong đó E0 hoặc Ex có thể điều chỉnh được để đảm bảo U = 0 (hình 1-1). Điện kế G làm nhiệm vụ chỉ 0. Độ chính xác của phương pháp này do dụng cụ chỉ không quyết định và nói chung đạt độ chính xác rất cao. b/ Phương pháp đo gián tiếp Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó lượng cần đo sẽ được tính ra từ kết quả đo các đại lượng khác có liên quan.
Các đại lượng có liên quan thường đo bằng phương pháp trực tiếp. Chẳng hạn, muốn đo điện trở rx ta đặt nó vào điện áp U để có dòng điện I đi qua. Đo U và I bằng Vônmét và Ampemét ta sẽ xác định được trị số rx theo định luật ôm: U rx I Sai số của phương pháp đo gián tiếp bao gồm sai số khi đo các đại lượng liên quan (ít ra cũng là hai đại lượng), sai số do tính toán, nên nói chung, độ chính xác của phương pháp này rất thấp. Tuy nhiên, phương pháp này cho phép đo các đại lượng bằng một số dụng cụ đo thông thường, nên vẫn hay được áp dụng, nhất là khi không có các dụng cụ đo chuyên để đo đại lượng cần đo, như đo điện trở, đo hệ số công suất, đo hệ số trượt của động cơ không đồng bộ,.
11 Ta tóm tắt sự phân loại các phương pháp đo theo sơ đồ (hình 1-2). Các phương pháp đo Đo trực tiếp Đo gián tiếp Đo đọc thẳng Đo so sánh Đo so lệch Đo chỉ không Hình 1-2 Sơ đồ phân loại phương pháp đo 2. CÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ Mục tiêu: Tính toán được sai số của phép đo, vận dụng phù hợp các phương pháp hạn chế sai số. Khái niệm về sai số Khi đo, số chỉ của dụng cụ đo cũng như kết quả tính được luôn luôn sai lệch ít nhiều với giá trị thực của lượng cần đo mà có sai số gọi là sai số của phép đo.
Các loại sai số a/ Sai số tuyệt đối Gọi kết quả đo được là số đo, kí hiệu là A, giá trị thực của lượng đo là giá trị đo được bằng các dụng cụ đo mẫu hoặc bằng các phép tính chính xác, kí hiệu là A1 thì: A = A1-A (1.1) A được gọi là sai số tuyệt đối của phép đo. Từ đó, giá trị thực của lượng đo sẽ nằm trong phạm vi: A - A A1 A + A (1.2) Thực tế, A rất khó xác định chính xác vì giá trị A1 nói chung, cũng chỉ xác định qua các dụng cụ đo. Vì thế, người ta chỉ xác định được giá trị giới hạn của A, gọi là sai số tuyệt đối lớn nhất Amax .Thông thường, nói sai số tuyệt đối của phép đo là ta hàm ý nói sai số lớn nhất (giới hạn lớn nhất của sai số). Ví dụ 1-1: Kiểm tra một Ampemét bằng dụng cụ đo mẫu ta được kết quả 12 như bảng 1-1: Số chỉ của dụng cụ mẫu, A 0 1 2 3 4 5 Số chỉ của Ampemét kiểm tra, A 0 1,02 2,01 2,97 3,97 4,95 Sai số I, A 0 0,02 0,01 0,03 0,03 0,05 Tìm sai số tuyệt đối của Ampemét đó.
Giải: Sai số tuyệt đối của từng lần đo đã tính trong bảng 1-1. Sai số tuyệt đối của Ampemét chính là sai số lớn nhất. I max = 0,05A Các sai số tuyệt đối được chia làm ba loại: Sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, sai số nhiễu. b/ Sai số tương đối Sai số tương đối của phép đo là đại lượng đo bằng tỷ số giữa sai số tuyệt đối và kết quả đo, ký hiệu A thường tính ra phần trăm.3 1 ) Phép đo có A càng nhỏ thì càng chính xác.
Ví dụ 1-2: Tính sai số tương đối của kết quả kiểm tra Ampemét ở ví dụ 1-1. Giải: Áp dụng công thức (1.3) ta tính được như sau: (Bảng 1-2) I Số chỉ của Ampemét mẫu, A 1 2 3 4 5 Sai số tương đối, % 2 0,5 1 0,75 1 c/ Cấp chính xác Là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo và được Nhà nước quy định cụ thể: max qd max 100 % max (1.4) Trong đó: - Cấp chính xác Amax - Sai số tuyệt đối lớn nhất Amax - Giá trị lớn nhất của thang đo 13 Nếu biết cấp chính xác của dụng cụ đo, ta dễ dàng tính ra được sai số tuyệt đối lớn nhất của dụng cụ đo : % (1.5) max max 100 Và từ đó, xác định được sai số tương đối ứng với mỗi giá trị đo (Sai số cơ bản của dụng cụ đo).6) A 100 % 100 kd max Ví dụ 1-3: Qua kiểm tra Ampemét ở ví dụ 1-1 cho biết cấp chính xác của nó. Giải: Biết cấp chính xác của dụng cụ đo chính là: qđmax.
Từ bảng 1-2 ta thấy : qd max 1 % Vậy cấp chính xác của Ampemét là = 1. Ví dụ 1-4: Ampemét ở ví dụ trên, nếu đo dòng điện I1 = 1A ; I2 = 4A thì sai số tương đối lớn nhất mà phép đo gặp phải (sai số cơ bản) là bao nhiêu? Giải: Áp dụng công thức (1.6): 1 1 I1 5% I2 1, 25 % k d1 1 kd2 4 và 5 5 Theo quy định, cấp chính xác được ghi ngay trên mặt dụng cụ đo.