Cấu trúc thiết bị đo dạng so sánh năm 2024

1. THANH HUYỀN Ths. ĐỖ VIỆT HÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Trường ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI Khoa Điện – Điện tử Bộ môn Kỹ thuật điện tử
3. thuật đo lường được biên soạn để phục vụ giảng dạy học phần “KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG” cho các ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá, Kỹ thuật Điện tử- truyền thông, Kỹ thuật Điện –Điện tử. Học phần Kỹ thuật đo lường gồm 2 tín chỉ với 24 tiết lý thuyết và 12 tiết bài tập. Nội dung lý thuyết được chia thành 4 chương như sau:  Chương 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG  Chương 2: CẤU TRÚC CƠ BẢN VÀ CÁC PHẦN TỬ CHỨC NĂNG CỦA DỤNG CỤ ĐO  Chương 3: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN  Chương 4: THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG Và phần bài tập. Các tác giả biên soạn: 1. Ths. Phạm Thanh Huyền 2. Ths. Đỗ Việt Hà Mặc dù bài giảng này được các tác giả biên soạn rất cẩn thận và nhận được nhiều góp ý của các đồng nghiệp, đặc biệt là Ths. Đỗ Lương Hùng nhưng chắc vẫn còn những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến phản hồi của người đọc để hoàn thiện hơn cho lần xuất bản sau.
5. QUAN CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN.............................................................................................................9 1. Định nghĩa.............................................................................................................. 9 2. Phân loại phép đo ................................................................................................. 10 II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KTĐL..........................................................................................11 1. Tín hiệu đo và đại lượng đo .................................................................................. 11 2. Điều kiện đo......................................................................................................... 12 3. Đơn vị đo ............................................................................................................. 12 4. Thiết bị đo và phương pháp đo ............................................................................. 15 5. Người quan sát ..................................................................................................... 15 6. Kết quả đo............................................................................................................ 15 III. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO..................................................................................................15 1. Phương pháp đo biến đổi thẳng............................................................................. 15 2. Phương pháp đo kiểu so sánh................................................................................ 16 IV. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO................................................................................................18 1. Mẫu [chuẩn] ......................................................................................................... 18 2. Thiết bị đo lường điện .......................................................................................... 20 3. Chuyển đổi đo lường ............................................................................................ 21 4. Hệ thống thông tin đo lường ................................................................................. 21 V. ĐỊNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG ...........................................................................21 1. Nguyên nhân và phân loại sai số........................................................................... 21 2. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số........................................................................ 22 3. Sai số trung bình bình phương và sai số trung bình............................................... 24 4. Sự kết hợp của các sai số ...................................................................................... 24 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ CÁC PHẦN TỬ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO I. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO ...........................................................................26 II. CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ.......................................................................................................26 1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện........................................................................................... 27 2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi ............................................................................................. 34 3. Cơ cấu chỉ thị số................................................................................................... 37 III. CÁC MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU.......................................................38 1. Mạch tỉ lệ ............................................................................................................. 38
6. đại đo lường.................................................................................... 43 3. Mạch gia công tính toán........................................................................................ 44 4. Mạch so sánh........................................................................................................ 44 5. Mạch tuyến tính hóa ............................................................................................. 48 6. Các bộ chuyển đổi tương tự – số A/D và số – tương tự D/A.................................. 49 IV. CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP ................................................................................51 1. Khái niệm chung................................................................................................... 51 2. Phân loại các chuyển đổi sơ cấp............................................................................ 52 3. Các hiệu ứng được ứng dụng trong các cảm biến tích cực..................................... 53 CHƯƠNG 3: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN I. ĐO DÒNG ĐIỆN ..................................................................................................................56 1. Ampe kế một chiều............................................................................................... 57 2. Ampe kế xoay chiều ............................................................................................. 59 II. ĐO ĐIỆN ÁP .......................................................................................................................62 1. Vôn kế một chiều................................................................................................. 63 2. Vôn kế xoay chiều ................................................................................................ 64 3. Vôn kế số ............................................................................................................. 66 4. Điện thế kế [đo điện áp bằng phương pháp so sánh].............................................. 69 5. Vôn kế và Ampe kế điện tử tương tự .................................................................... 72 III. ĐO ĐIỆN TRỞ ...................................................................................................................75 1. Đo gián tiếp.......................................................................................................... 75 2. Đo điện trở trực tiếp bằng Ôm kế.......................................................................... 77 IV. ĐO ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN CẢM .....................................................................................83 1. Cầu xoay chiều đo điện dung ................................................................................ 83 2. Cầu xoay chiều đo điện cảm ................................................................................. 85 V. ĐO TẦN SỐ ........................................................................................................................87 1. Khái niệm chung................................................................................................... 87 2. Tần số kế cộng hưởng điện từ............................................................................... 88 3. Tần số kế điện tử .................................................................................................. 89 4. Tần số kế chỉ thị số............................................................................................... 89 5. Tần số kế cộng hưởng điện tử............................................................................... 90
7. ĐO LƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG I. GIỚI THIỆU CHUNG ...........................................................................................................92 II. ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG ......................................................................................................93 1. Đồng hồ vạn năng tương tự................................................................................... 93 2. Đồng hồ vạn năng số ............................................................................................ 94 III. MÁY HIỆN SÓNG .............................................................................................................96 1. Máy hiện sóng tương tự........................................................................................ 97 2. Ứng dụng của máy hiện sóng trong kỹ thuật đo lường điện tử............................. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO: .................................................................................................108
9. quan chung về Kỹ thuật đo lường 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Lý thuyết: 3 tiết Bài tập: 2 tiết Mục tiêu chính của chương này là cung cấp kiến thức về:  Các khái niệm cơ bản trong đo lường  Các phương pháp đo  Khái niệm chuẩn và truyền chuẩn  Đánh giá sai số trong kết quả đo I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Định nghĩa a. Đo lường Theo Điều 1 - PHÁP LỆNH CỦA UỶ BAN THƯỜNG VỤ QUỐC HỘI SỐ 16/1999/PL- UBTVQH10 NGÀY 06 THÁNG 10 NĂM 1999 VỀ ĐO LƯỜNG Đo lường là việc xác định giá trị của đại lượng cần đo. Chính xác hơn về mặt kỹ thuật ta có thể diễn giải như sau: Đo lường là việc định lượng độ lớn của đại lượng cần đo, dựa trên việc thiết lập quan hệ giữa đại lượng cần đo và một đại lượng có cùng tính chất vật lý được quy định dùng làm đơn vị đo. Đo lường là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo để tìm ra tỉ lệ giữa chúng. Độ lớn của đối tượng cần đo được biểu diễn bằng trị số của tỉ lệ nhận được kèm theo đơn vị đo dùng khi so sánh. Đại lượng nào so sánh được với mẫu hay chuẩn thì mới đo được. Nếu các đại lượng không so sánh được thì phải chuyển đổi về đại lượng so sánh được với mẫu hay chuẩn rồi đo. Tóm lại: Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: XoAX Xo X A .=→= trong đó: A: con số kết quả đo X: đại lượng cần đo Xo: đơn vị đo b. Đo lường học Đo lường học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo. c. Kỹ thuật đo lường [KTĐL] KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội.
10. quan chung về Kỹ thuật đo lường 10 2. Phân loại phép đo Phép đo là quá trình thực hiện việc đo lường. a. Phép đo trực tiếp Phép đo trực tiếp là phép đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một lần đo duy nhất . Nghĩa là kết quả của phép đo chính là giá trị của đại lượng cần đo mà không phải tính toán thông qua bất kỳ một biểu thức nào. Nếu không tính đến sai số thì trị số đúng của đại lượng cần đo X sẽ bằng kết quả đo được A. Cách đo trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ được sai số do tính toán. Ví dụ:Ôm kế đo điện trở, Ampe kế đo cường độ dòng điện như trong Hình 1a, b. a] b] c] Hình 1:a] Dùng Ohm kế đo điện trở, b]Dùng Ampe kế đo cường độ dòng điện và c]Dùng Ampe kế, Vôn kế đo công suất b. Phép đo gián tiếp Phép đo gián tiếp là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Nghĩa là, kết quả đo không phải là trị số của đại lượng cần đo, các số liệu cơ sở có được từ các phép đo trực tiếp sẽ được sử dụng để tính ra trị số của đại lượng cần đo thông qua một biểu thức toán học biểu thị sự liên quan giữa các đại lượng này. X = f[A1, A2, …An] Trong đó A1, A2 … An là kết quả đo của các phép đo trực tiếp. Ví dụ: để đo công suất [P] có thể sử dụng Vôn kế để đo điện áp [U], Ampe kế đo cường độ dòng điện [I], sau đó sử dụng phương trình: P = U.I ta tính được công suất như minh họa trong Hình 1c.
11. quan chung về Kỹ thuật đo lường 11 Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trực tiếp được tích luỹ lại. Thêm nữa, nếu người thực hiện việc đo sử dụng biểu thức toán học phức tạp và không tối ưu thì có thể dẫn tới kết quả đo có sai số rất lớn. Vì vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các trường hợp không thể dùng dụng cụ đo trực tiếp mà thôi. c. Phép đo hợp bộ Phép đo hợp bộ là cách đo mà kết quả đo có được nhờ giải một hệ phương trình với các thông số đã biết trước chính là các số liệu đo được từ các phép đo trực tiếp. d. Phép đo tương quan Phép đo tương quan là cách đo được sử dụng trong trường hợp cần đo các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập trực tiếp một quan hệ hàm số nào giữa các đại lượng đo được và đại lượng cần đo. e. Phép đo thống kê Phép đo thống kê là cách đo được thực hiện nhiều lần và tính theo xác suất thống kê để tìm giá trị của kết quả đo có độ chính xác nhất có thể. Cách này thường được sử dụng khi muốn kết quả đo có độ chính xác cao, khi đo tín hiệu ngẫu nhiên có biến động lớn hoặc kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo. II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KTĐL 1. Tín hiệu đo và đại lượng đo Tín hiệu đo lường là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo lường. Đại lượng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể người ta chỉ quan tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định. Ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một trong các thông số như: biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung … Có nhiều cách để phân loại đại lượng đo, dưới đây là một số cách thông dụng. * Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo: Có hai loại đại lượng đo là: + Đại lượng đo tiền định là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng. + Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nhất định nào. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên. Chú ý: Trên thực tế, đa số các đại lượng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, có thể giả thiết rằng trong suốt thời gian tiến hành phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết trước, nghĩa là tín hiệu ở dạng biến đổi chậm. Còn khi đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh thì cần sử dụng phép đo lường thống kê. * Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo Có hai loại tín hiệu đo là tín hiệu đo liên tục hay tương tự và tín hiệu đo rời rạc hay số. Khi đó ứng với 2 loại tín hiệu đo này có hai loại dụng cụ đo là dụng cụ đo tương tự và dụng cụ đo số. * Phân loại theo bản chất của đại lượng đo + Đại lượng đo năng lượng là đại lượng mà bản thân nó mang năng lượng.
12. quan chung về Kỹ thuật đo lường 12 Ví dụ: điện áp, dòng điện, sức điện động, công suất … + Đại lượng đo thông số là đại lượng đo các thông số của mạch Ví dụ:điện trở, điện dung, điện cảm … + Đại lượng phụ thuộc vào thời gian Ví dụ:tần số, góc pha, chu kỳ … + Đại lượng không điện. Để đo các đại lượng này bằng phương pháp điện cần biến đổi chúng thành các đại lượng điện Ví dụ:để đo độ co giãn của vật liệu có thể sử dụng tenzo để chuyển sự thay đổi của hình dạng thành sự thay đổi của điện trở và đo giá trị điện trở này để suy ra sự biến đổi về hình dạng. 2. Điều kiện đo Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn với môi trường sinh ra đại lượng đo. Môi trường ở đây có thể điều kiện môi trường tự nhiên và cả môi trường do con người tạo ra. Khi tiến hành phép đo cần tính đến ảnh hưởng của môi trường tự nhiên đến kết quả đo và ngược lại. Ví dụ: các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung … Khi sử dụng dụng cụ đo cần lựa chọn loại không làm ảnh hưởng đến đối tượng đo. Ví dụ:với phép đo cường độ dòng điện thì cần sử dụng Ampe kế có điện trở trong càng nhỏ càng tốt nhưng khi đo điện áp thì cần dùng vôn kế có điện trở trong càng lớn càng tốt. 3. Đơn vị đo Mỗi quốc gia có một tập quán sử dụng các đơn vị đo lường khác nhau và điều này gây nhiều rắc rối khi sự trao đổi diễn ra trên toàn cầu. Để thống nhất các đơn vị này người ta thành lập Hệ đơn vị đo lường quốc tế, viết tắt là SI. Ngày 20-1-1950 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã ký sắc lệnh số 8/SL quy định hệ thống đo lường Việt nam theo hệ SI, và ngày 20/1 hằng năm là ngày Đo Lường Việt nam. Theo Pháp lệnh Đo lường ngày 06 tháng 10 năm 1999: Đơn vị đo lường hợp pháp là đơn vị đo lường được Nhà nước công nhận và cho phép sử dụng. Nhà nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam công nhận Hệ đơn vị đo lường quốc tế [viết tắt là SI]. Chính phủ quy định đơn vị đo lường hợp pháp phù hợp với Hệ đơn vị đo lường quốc tế. Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản, các đơn vị khác được định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản gọi là các đơn vị dẫn xuất. [xem chi tiết trong Nghị định của chính phủ số 65/2001 NĐ-CP về việc Ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp của nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam] Chính phủ quy định đơn vị đo lường hợp pháp phù hợp với Hệ đơn vị đo lường quốc tế.
13. quan chung về Kỹ thuật đo lường 13 Bảng 1: 7 đơn vị cơ bản của Hệ đo lường quốc tế SI: Đại lượng Đơn vị Tên Ký hiệu Chiều dài Met m Khối lượng Kilogram kg Thời gian Second s Cường độ dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kelvin K Cường độ sáng Candela Cd Số lượng vật chất Mol mol Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được. a] Đơn vị chiều dài : +] 1 met – là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/29.979.258 giây [CGMP lần thứ 17 năm 1983] +] Chuẩn chiều dài 1 met hiện nay có sai số = 0,002 mm [ = 2.10-9 m] b] Đơn vị đo nhiệt độ : Kelvin [K] +] 0 K là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần nhiệt độ đông của điểm thứ 3 của nước [là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng, hơi] +] Thang Kelvin là thang chuẩn và được sử dụng ưu tiên trong tính toán bởi vì thang này không có nhiệt độ âm mà chỉ có nhiệt độ dương. Ngoài ra, sử dụng thang Kelvin, sai số của phép đo chuẩn được giảm đi 50 lần. c] Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe [A] +] 1 Ampe là cường độ dòng điện một chiều chạy qua 2 dây dẫn song song dài vô hạn, có diện tích mặt cắt nhỏ không đáng kể, được đặt trong chân không cách nhau 1m và trên mỗi đoạn chiều dài 1m của dây dẫn xuất hiện lực tương tác bằng 2.10-7 N. d] Đơn vị đo thời gian: giây [s] +] 1 giây bằng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa 2 mức siêu tĩnh của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium – 133 [133 Cs]. Độ chính xác là 10-12 ; nghĩa là 36.000 năm mới sai 1 giây. e] Đơn vị đo cường độ ánh sáng [ Candela ]. +] Candela là cường độ ánh sáng theo một phương xác định của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 Hz và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 W/steradian[CGPM - lần thứ 16, năm 1979] f] Đơn vị đo khối lượng: [Kg]
14. quan chung về Kỹ thuật đo lường 14 +] Kilogram - là đơn vị đo khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilogram quốc tế đặt tại trung tâm mẫu và cân quốc tế tại Paris g] Đơn vị đo số lượng vật chất: [Mol] +] Mol là lượng vật chất có số phân tử [hay nguyên tử, các hạt] bằng số nguyên tử chứa trong Carbon - 12[12 C] với khối lượng là 0,012[kg]. Ngoài các đơn vị cơ bản trên, các đơn vị khác được định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản [vẫn có thể có định nghĩa riêng] gọi là các đơn vị dẫn xuất. Dưới đây là bảng một số đơn vị dẫn xuất điện và từ Bảng 2:Một số đơn vị dẫn xuất điện và từ Đại lượng Đơn vị Tên Ký hiệu Công suất Oát W Điện tích, điện lượng Culông C Hiệu điện thế, điện thế, điện áp, suất điện động Von V Điện dung Fara F Điện trở Ôm Ω Điện dẫn Simen S Độ tự cảm Henry H Thông lượng từ [từ thông] Vebe Wb Mật độ từ thông, cảm ứng từ Tesla T Cường độ điện trường Vôn/met V/m Cường độ từ trường Ampe/met A/m Năng lượng điện Electronvon eV Trong hệ SI người ta cũng quy định các giá trị bội số và ước số thập phân của các đơn vị như biểu diễn trong Bảng 3. Bảng 3: Bội số và ước số thập phân của các đơn vị SI Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân Yotta Y 1024 yocto y 10-24 Zetta Z 1021 zepto z 10-21 Exa E 1018 atto a 10-18 Peta P 1015 femto f 10-15 Tera T 1012 pico p 10-12
15. quan chung về Kỹ thuật đo lường 15 Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân giga G 109 nano n 10-9 mega M 106 micro µ 10-6 kilo k 103 milli m 10-3 hecto h 102 centi c 10-2 deka da 10 deci d 10-1 4. Thiết bị đo và phương pháp đo Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường. [xem chi tiết ở phần sau] Phương pháp đo được chia làm 2 loại chủ yếu là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh. [xem chi tiết ở phần sau] 5. Người quan sát Là người tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo. Yêu cầu nắm được phương pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo [phải nằm trong chuẩn cho phép để sai số chấp nhận được] và biết cách gia công số liệu thu được sau khi đo. 6. Kết quả đo Giá trị xác định bằng thực nghiệm được gọi là ước lượng của đại lượng đo, giá trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực. Sử dụng các phương pháp đánh giá sai số để đánh giá kết quả đo. [xem chi tiết ở phần sau] III. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO Phương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó là tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể để thực hiện phép đo, trong đó có nguyên tắc để xác định thông số đo. Các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toán học hay mối quan hệ vật lý có liên quan tới đại lượng đo. Có hai phương pháp đo cơ bản là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo kiểu so sánh. 1. Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có quá trình đo biến đổi thẳng đại lượng cần đo thành các đại lượng trung gian cho tiện việc tính toán kết quả và chỉ thị. Khi đó trong cấu trúc của thiết bị đo không có khâu phản hồi và thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng.
16. quan chung về Kỹ thuật đo lường 16 Hình 2: Cấu trúc của một thiết bị đo biến đổi thẳng Chú thích: CĐSC: bộ chuyển đổi sơ cấp để biến đổi đại lượng đo không điện thành đại lượng điện, nếu X đã là đại lượng điện thì không cần bộ chuyển đổi này BĐ: Bộ biến đổi trung gian CT: cơ cấu chỉ thị X: đại lượng cần đo X0: đại lượng mẫu [hay đơn vị đo] Cũng có thể mô tả phương pháp đo biến đổi thẳng qua lưu đồ thuật toán trong Hình 3, ở khâu cuối cùng, đại lượng đo cần được biến đổi thành con số để xác định kết quả đo. Hình 3: Lưu đồ thuật toán của phương pháp đo biến đổi thẳng và Chuyển đổi đại lượng đo liên tục thành con số 2. Phương pháp đo kiểu so sánh Là phương pháp đo có sử dụng khâu hồi tiếp để so sánh đại lượng mẫu Xk [tỉ lệ với đơn vị đo Xo] với đại lượng đo X ban đầu. Thiết bị đo theo phương pháp so sánh có sơ đồ cấu trúc như mô tả trong Hình 4. Hình 4: Cấu trúc của một thiết bị đo kiểu so sánh
17. quan chung về Kỹ thuật đo lường 17 Chú thích: CĐSC: bộ chuyển đổi sơ cấp, có nhiệm vụ biến đổi đại lượng cần đo không điện thành đại lượng điện [thường là dòng hoặc áp]. BĐ: bộ biến đổi tín hiệu, có thể gồm nhiều mạch điện để gia công tín hiệu thành dạng phù hợp với chỉ thị BĐN: bộ biến đổi ngược để biến đổi tín hiệu sau khi gia công ở phần trên trở về dạng như tín hiệu cần đo X, nghĩa là biến đổi tín hiệu hồi tiếp về để đưa đi so sánh. SS: bộ so sánh đại lượng điện cần đo X và đại lượng mẫu Xk CT: bộ chỉ thị hiển thị kết quả đo là Nk Đại lượng cần đo và đại lượng mẫu được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh [dòng hoặc áp] Quá trình so sánh X và tín hiệu Xk [tỉ lệ với đơn vị đo X0] diễn ra trong suốt quá trình đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả Xk sẽ có được kết quả đo như mô tả trong lưu đồ thuật toán dưới đây. Hình 5: Lưu đồ thuật toán của phương pháp đo kiểu so sánh và Chuyển đổi con số Nk thành đại lượng liên tục Xk để so sánh với X Dựa vào giá trị của ∆ X thì có hai cách so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng. Dựa vào thời điểm so sánh X với Xk thì có hai cách so sánh là so sánh đồng thời và so sánh không đồng thời. a. So sánh cân bằng Phép so sánh được thực hiện liên tục cho tới khi ∆ X = 0 và khi đó: X = Xk = Nk.Xo Như vậy đại lượng mẫu Xk chính là một đại lượng thay đổi bám theo X sao cho khi X thay đổi luôn được kết quả như trên. Phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng [đôi khi người ta còn gọi phương pháp này là phương pháp cân]. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của Xk và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng [thường là thiết bị chỉ thị 0]
18. quan chung về Kỹ thuật đo lường 18 Các dụng cụ đo theo phương pháp so sánh cân bằng thường là các cầu đo và điện thế kế cân bằng. b. So sánh không cân bằng Nếu Xk là đại lượng không đổi biết trước và xác định được ∆ X, khi đó ta có: X = Xk + ∆X Nghĩa là kết qủa đo được đánh giá thông qua ∆ X với Xk là đại lượng mẫu đã biết trước. c. So sánh không đồng thời Với phương pháp này, đại lượng X và Xk không được đưa vào thiết bị cùng một lúc. Đại lượng cần đo X được đưa vào trước, giữ nguyên trạng thái của thiết bị để đưa đại lượng mẫu Xk vào, điều chỉnh Xk để nó gây ra tác động lên thiết bị đo giống như X đã tác động. Khi đó ta có kết quả đo chính là Xk. d. So sánh đồng thời Là phương pháp so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xk được đưa vào thiết bị đo cùng một lúc. IV. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO Thiết bị đo là sự thể hiện phương pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể. Thiết bị đo gồm các loại sau: 1. Mẫu [chuẩn] Là thiết bị để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Những dụng cụ mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tuỳ theo từng cấp chính xác và từng loại thiết bị. Mẫu được sử dụng để chuẩn hoá lại các dụng cụ đo lường. * Chuẩn hoá thiết bị đo lường: Yêu cầu chuẩn hoá thiết bị đo lường là rất quan trọng và cần thiết vì mỗi quốc gia có tập quán sử dụng các đơn vị đo lường riêng và có rất nhiều công ty sản xuất các thiết bị đo lường. Hơn nữa, việc sử dụng các đơn vị đo lường khác nhau, kiểu mẫu khác nhau sẽ đem lại những bất tiện không thể tránh khỏi cho người dùng. Để thống nhất được đơn vị thì người ta phải tạo được chuẩn [mẫu] của đơn vị ấy và phải truyền được các chuẩn ấy cho các thiết bị đo. Chuẩn đo lường là phương tiện kỹ thuật để thể hiện đơn vị đo lường và dùng làm chuẩn để xác định giá trị đại lượng thể hiện trên phương tiện đo. Chuẩn là vật đo, phương tiện đo, mẫu chuẩn hoặc hệ thống đo để định nghĩa, thể hiện, duy trì hoặc tái tạo đơn vị hoặc một hay nhiều giá trị của đại lượng để dùng làm mốc so sánh. Ngoài ra, vì mục đích sử dụng của các thiết bị đo lường rất khác nhau nên ngoài việc quy ước sử dụng một hệ thống quốc tế chung [hệ SI] thì độ chính xác của các thiết bị cũng được quy định một cách chặt chẽ. Nếu lấy tiêu chí là độ chính xác thì thiết bị đo lường được chia làm 4 cấp: + Cấp 1- chuẩn quốc tế [International standard], các thiết bị đo chuẩn quốc tế được đặt tại trung tâm đo lường quốc tế- tại PARIS -Pháp + Cấp 2- chuẩn quốc gia [National standard] là chuẩn đo lường có độ chính xác cao nhất của quốc gia được dùng làm gốc để xác định giá trị các chuẩn còn lại của lĩnh vực đo lường. Chuẩn quốc gia được đặt tại các viện đo lường quốc gia, chúng được chuẩn hoá định kỳ theo chuẩn quốc tế hoặc qua các chuẩn quốc gia của nước ngoài. + Cấp 3- chuẩn khu vực [Zone standard] là chuẩn cho các trung tâm khu vực, nó tuân theo chuẩn quốc gia.
19. quan chung về Kỹ thuật đo lường 19 + Cấp 4- chuẩn phòng thí nghiệm [Lab-standard] đây là cấp chuẩn để chuẩn hoá các thiết bị đo lường dùng cho sản xuất công nghiệp, nó tuân theo cấp nào thì sẽ mang chuẩn cấp đó [cấp 2,3] Tại Trung tâm đo lường Nhà nước Việt Nam có 24 đại lượng chuẩn: 1. Độ dài 2. Góc 3. Khối lượng 4. Khối lượng riêng 5. Dung tích 6. Độ nhớt 7. pH 8. Lực 9. Độ cứng 10. Áp suất 11. Điện áp DC 12. Dòng DC 13. Điện trở 14. Điện dung 15. Điện cảm 16. Công suất 17. Điện năng 18. Điện áp cao tần 19. Công suất cao tần 20. Mức 21. Độ suy giảm 22. Thời gian 23. Tần số 24. Nhiệt độ Tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bộ Quốc Phòng có 2 đại lượng chuẩn: 1. Cường độ sáng 2. Quang thông. Tại Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam có 2 đại lượng chuẩn: 1. Hoạt độ phóng xạ 2. Liều lượng phóng xạ. Hình 6:Biến áp đo lường chuẩn đến 220 kV và biến dòng đo lường chuẩn đến 10 kA Cơ quan quản lý Nhà nước về đo lường các cấp có trách nghiệm tổ chức xây dựng các cơ sở có đủ điều kiện thực hiện việc kiểm định, ta đã có các đơn vị kiểm định từ Trung ương đến địa phương bao gồm các cơ sở kiểm định thuộc các cơ quan quản lý nhà nước về đo lường và các cơ sở được uỷ quyền kiểm định. Trung tâm đo lường nhà nước và các trung tâm tiêu chuẩn kỹ thuật đo lường chất lượng ba miền Bắc, Trung, Nam thực hiện việc kiểm định đối với chuẩn đo lường, những phương tiện đó có yêu cầu kỹ thuật cao nhất. Các cơ sở kiểm định thuộc Chi cục Tiêu chuẩn, Đo lường, Chất lượng tỉnh, thành phố thực hiện việc kiểm định đối với những phương tiện thông dụng, phổ biến được sử dụng với số lượng lớn gắn với đời sống nhân dân. Cơ sở pháp lý là các văn bản: Pháp lệnh đo lường số 16/1999/PL - UBTVQH 10, nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP Ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp của Việt Nam, các thông tư hướng dẫn các vấn đề cụ thể về quy chế và quy trình kiểm định phương tiện đo, duyệt mẫu, công nhận khả năng và uỷ quyền kiểm định...
20. quan chung về Kỹ thuật đo lường 20 * Hiệu chuẩn Hiệu chuẩn là việc so sánh giá trị của đại lượng thể hiện bằng phương tiện đo với giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn đo lường. Hiệu chuẩn được áp dụng đối với các phương tiện đo dùng làm chuẩn và các phương tiện đo ngoài danh mục phải kiểm định; riêng các chuẩn dùng trong kiểm định thì áp dụng chế độ kiểm định.Để thống nhất quản lý đo lường, đảm bảo đo lường cho công nghiệp, thương mại, và đời sống, mỗi quốc gia đều tổ chức hệ thống mẫu chuẩn và truyền chuẩn của quốc gia đó. Các hằng số vật lý dùng để làm chuẩn:  Chuẩn mẫu mét  Chuẩn mẫu về khối lượng  Chuẩn mẫu về thời gian và tần số.  Chuẩn mẫu về các đại lượng điện  Chuẩn mẫu về điện từ trường  Chuẩn mẫu về nhiệt  Chuẩn mẫu về áp suất  ….. Sau khi tạo mẫu quốc gia, phải tổ chức mạng lưới để truyền chuẩn đến những phòng thí nghiệm tiêu chuẩn khu vực. Những chuẩn này phải đạt độ chính xác yêu cầu: cách bố trí, quy luật biến đổi phù hợp với tín hiệu kiểm tra và thiết bị so sánh. Dưới đây là sơ đồ truyền chuẩn của Việt Nam. Hình 7: Sơ đồ liên kết chuẩn để truyền chuẩn của Việt Nam 2. Thiết bị đo lường điện Là thiết bị đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng vật lý cần đo. Dựa vào cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị người ta phân dụng cụ đo điện thành 2 loại là: * Dụng cụ đo tương tự: là dụng cụ đo mà giá trị của kết qủa đo thu được là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lượng đo. Dụng cụ đo chỉ thị kim và dụng cụ đo kiểu tự ghi [có thể ghi trên giấy, màn hình, băng đĩa từ …] là hai loại dụng cụ đo tương tự. * Dụng cụ đo số: là dụng cụ đo bên trong có quá trình xử lý tín hiệu số và kết qủa đo được hiển thị bằng con số.
21. quan chung về Kỹ thuật đo lường 21 3. Chuyển đổi đo lường Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo lường để tiện cho việc biến đổi, đo, gia công và lưu giữ kết quả Có hai loại chuyển đổi đo lường là: * Chuyển đổi từ đại lượng không điện thành đại lượng điện * Chuyển đổi từ đại lượng điện thành đại lượng điện khác 4. Hệ thống thông tin đo lường Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ trợ để tự động thu thập kết qủa từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lường … để phục vụ việc đo và điều khiển. Có thể phân thành nhiều nhóm như sau: * Hệ thống đo lường: đo và ghi lại kết quả đo * Hệ thống kiểm tra tự động: kiểm tra đại lượng đo * Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật * Hệ thống nhận dạng: kết hợp giữa việc đo và kiểm tra để phân loại * Tổ hợp đo lường tính toán V. ĐỊNH GIÁ 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.Sai số là một trong những đặc tính cố hữu của kết quả đo lường và không thể tránh khỏi vì mọi mẫu chuẩn dùng để so sánh đều có sai số nhất định dù ở bất kỳ cấp chính xác nào. Giá trị thực X của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó [thường nhờ các dụng cụ mẫu có cấp chính xác cao hơn dụng cụ đo được sử dụng trong phép đo đang xét].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 X của đại lượng đo. 1. Nguyên nhân và phân loại sai số a. Nguyên nhân gây sai số Đo lường là một phương pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu được những tin tức về đặc tính số lượng của một quá trình cần nghiên cứu. Nó được thực hiện bằng cách so sánh một đại lượng cần đo với đại lượng đo tiêu chuẩn. Kết quả đo có thể biểu thị bằng số hay biểu đồ. Tuy nhiên, kết qủa đo được chỉ là một trị số gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số. Vấn đề là cần đánh giá được độ chính xác của phép đo. Khi tính toán sai số cần tính tới trường hợp các sai số kết hợp với nhau theo hướng bất lợi nhất với các nguyên nhân: * Nguyên nhân chủ quan: do lựa chọn phương pháp đo và dụng cụ đo không hợp lý, trình độ của người sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo … * Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoàn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu do môi trường bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất … b. Phân loại sai số * Phân loại theo nguyên nhân gây ra sai số:
22. quan chung về Kỹ thuật đo lường 22 + Sai số chủ quan + Sai số khách quan * Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số: + Sai số hệ thống là do những yếu tố thường xuyên hay các yếu tố có quy luật tác động. Nó khiến cho kết quả đo có sai số của lần đo nào cũng như nhau, nghĩa là kết quả của các lần đo đều lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực của đại lượng đo. Nhóm các sai số hệ thống thường do các nguyên nhân sau: . Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo . Do phương pháp đo, cách xử lý kết quả đo hoặc bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng. . Do khí hậu + Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất thường, không có quy luật tác động. Do vậy, sai số hệ thống có thể xử lý được nhờ lấy lại chuẩn nhưng sai số ngẫu nhiên không thể xử lý được vì không biết quy luật tác động. * Phân loại theo biểu thức: cách phân loại này được sử dụng phổ biến trong quá trình tính toán + Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa 2 trị số tuyệt đối của giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. XAX −=∆ * với A là giá trị đo được và X là giá trị thực vì chưa biết X nên thông thường người ta lấy max* XX ∆=∆ của một loạt các phép đo. + Sai số tương đối là tỷ số của sai số tuyệt đối và trị số thực của đại lượng đo. Sai số tương đối biểu thị đầy đủ hơn sai số tuyệt đối. %100. X X X ∆ =δ sai số tương đối chân thực %100. A X X ∆ =δ sai số tương đối danh định Sai số tương đối quy đổi [hay sai số chiết hợp] %100. Xm Xm % ∆ =xγ Xm∆ là sai số tuyệt đối cực đại Xm là giá trị lớn nhất của thang đo [giới hạn cực đại của lượng trình thang đo hay độ lệch toàn thang] 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. [nó được ghi trực tiếp lên mặt dụng cụ đo hoặc trong bảng thông số kỹ thuật].Cấp chính xác của dụng cụ đo cho biết giá trị sai số cực đại mà các kết quả đo sử dụng dụng cụ đo này mắc phải. 2. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số Để đánh giá kết quả phép đo ta cần xét giới hạn và định lượng được sai số ngẫu nhiên. Nếu ta xét kết quả của các lần đo riêng biệt, sau khi loại bỏ sai số hệ thống thì nó hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên. Muốn đánh giá sai số ngẫu nhiên ta phải tìm được quy luật phân bố sai số ngẫu nhiên thông qua lý thuyết xác suất thống kê. Để loại bỏ sai số hệ thống thì các lần đo
23. quan chung về Kỹ thuật đo lường 23 phải tiến hành với cùng một độ chính xác như nhau [cùng một máy đo, cùng một điều kiện đo, cùng một phương pháp đo …]. Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số Giả sử đo đại lượng X n lần với các sai số lần luợt là x1, x2, … xn Sắp xếp các sai số theo độ lớn thành từng nhóm riêng biệt n1, n2 … nm ví dụ: có n1 sai số nằm trong khoảng 0 – 0,01 có n2 sai số nằm trong khoảng 0,01 – 0,02 có n3 sai số nằm trong khoảng 0,02 – 0,03 …. Lập tỉ số: n n n n 2 2 1 1 = = ν ν …. gọi là tần suất các lần đo có sai số ngẫu nhiên nằm trong khoảng tương ứng. Hình 8: Ví dụ về một biểu đồ phân bố tần suất và hàm phân bố tiêu chuẩn sai số Diện tích các hình chữ nhật biểu thị xác suất xuất hiện các sai số ngẫu nhiên ở những khoảng tương ứng trên trục hoành. Khi thực hiện phép đo nhiều lần, n tiến tới vô cùng, theo quy luật tiêu chuẩn của lý thuyết xác suất biểu đồ trên sẽ tiến đến một đường cong trung bình p[x] gọi là hàm phân bố tiêu chuẩn sai số. ∞→ = n xxp ][lim][ ν Hàm p[x] còn được gọi là hàm Gausse với công thức sau: p[x] = 22 . xh e h − π với h là tham số về độ chính xác Nhận xét: + Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số có dạng hình chuông đối xứng qua trục tung, h càng lớn đường cong càng cao và càng hẹp, tức là độ chính xác càng cao. + Xác suất xuất hiện các sai số có giá trị bé lớn hơn xác suất xuất hiện các sai số có giá trị lớn + Xác suất xuất hiện không phụ thuộc vào dấu, tức là các sai số có giá trị tuyệt đối như nhau sẽ có xác suất xuất hiện như nhau. x p[x] h1 h2 h3 h1 > h2 > h3 P x
24. quan chung về Kỹ thuật đo lường 24 + Khi biết p[x] thì có thể xác định được xác suất xuất hiện sai số trong một khoảng bất kỳ như sau: dxe h dxxpxxxp x x xh x x ∫∫ − ==≤≤ 2 1 2 1 22 ][]21[ π [đây chính là diện tích giới hạn bởi đường cong p[x] và 2 đường x1, x2] dxe h dxxpxxp x xh x ∫∫ − ==≤ 1 0 1 0 222 ][2]1[ π ]1[1]1[ xxpxxp ≤−=≥ 3. Sai số trung bình bình phương và sai số trung bình a. Sai số trung bình bình phương σ n x n i i∑= = 1 2 σ với xi là sai số của phép đo thứ i khi đó p[x] = 2 2 2 . 2 1 σ σπ x e − h biểu thị độ cao của đồ thị còn σ biểu thị độ rộng của đồ thị %7,99]3,3[ %95]2,2[ %3,68],[ ≈− ≈− ≈− σσ σσ σσ p p p Kết quả trên cho thấy khi lấy sai số trung bình bình phương lên tới 3σ thì tới 99,7% các phép đo có sai số trong khoảng này. b. Sai số trung bình d d là trị số trung bình cộng của tất cả các trị số tuyệt đối của các sai số của phép đo. σ ππ 211 === ∑= hn x d n i i 4. Sự kết hợp của các sai số Ở những phép đo có sử dụng nhiều dụng cụ đo hay nhiều phép đo thì các sai số hệ thống có xu hướng tích tụ lại, khi đó sai số của toàn bộ hệ thống thường lớn hơn bất kỳ sai số của phép đo đơn lẻ nào. Khi tính toán cần giả định rằng sai số kết hợp với nhau theo hướng bất lợi nhất. a. Sai số của tổng các đại lượng ][]V[ ][][ 2121 2211 VVV VVVVE ∆+∆±+= ∆±+∆±=
25. quan chung về Kỹ thuật đo lường 25 b. Sai số của hiệu các đại lượng ][]V[ ][][ 2121 2211 VVV VVVVE ∆+∆±−= ∆±−∆±= ví dụ: E1 = 100V ± 2V = 100V ± 2% E2 = 80V ± 4V = 80V ± 5% E1 + E2 = 180V ± 6V = 180V ± 3,3% E1 – E2 = 20V ± 6V = 20V ± 30% từ đó ta thấy sai số % trong hiệu của các đại lượng rất lớn nên cần tránhcác phép đo có bao hàm phép hiệu của các đại lượng. c. Tích của hai đại lượng ]..[. .... ]][[ 122121 21122121 2211 VVVVVV VVVVVVVV VVVVE ∆+∆±≈ ∆∆±∆±∆±= ∆±∆±= %100].[%100]. .. [ 2 2 1 1 21 1221 V V V V VV VVVV E ∆ ± ∆ ±= ∆+∆ ±=δ Nhận xét: sai số tương đối của tích hai đại lượng bằng tổng sai số tương đối của từng thành phần. Trường hợp riêng, khi nâng lên luỹ thừa EE δαδ α .][ = d. Thương của hai đại lượng ][ 21 2 1 22 11 VVE V V VV VV E δδδ +±= ≈ ∆± ∆± =
26. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 26 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ CÁC PHẦN TỬ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO Lý thuyết: 5 tiết Mục tiêu chính của chương này là cung cấp kiến thức về:  Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo  Các loại cơ cấu chỉ thị  Các mạch biến đổi tín hiệu đo  Các hiệu ứng của chuyển đổi sơ cấp I. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO Hình 9: Sơ đồ khối cơ bản của một thiết bị đo lường + CĐSC - Chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo không điện thành tín hiệu điện. Đây còn gọi là các cảm biến hay sensor, độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của biểu thức chuyển đổi. + MĐ - Mạch đo: là khâu gia công tính toán sau CĐSC, nó làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện phép tính trên sơ đồ mạch. Đó có thể là mạch điện tử thông thường hoặc bộ vi xử lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo. Tín hiệu cuối cùng ra khỏi mạch đo phải phù hợp với chỉ thị. Việc sử dụng chỉ thị loại nào, kết quả ra khỏi CĐSC ra sao sẽ quyết định chức năng và kết cấu của mạch đo. Mạch này cũng phải đảm bảo cả việc mở rộng thang đo cho thiết bị đo. + CT - Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị đo. Có 3 cách hiển thị kết quả đo: . Chỉ thị bằng kim trên vạch chia độ . Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi [màn hình, giấy từ, băng đĩa từ …] . Chỉ thị bằng số II. CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ Đây là khâu hiển thị kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị của đại lượng cần đo. Có 3 kiểu chỉ thị cơ bản là chỉ thị bằng kim chỉ [còn gọi là cơ cấu đo độ lệch hay cơ cấu cơ điện]; chỉ thị kiểu tự ghi [ghi trên giấy, băng đĩa từ, màn hình ...] và chỉ thị số. Dưới đây sẽ giới thiệu những cơ cấu điển hình nhất cho mỗi kiểu thị trên.
27. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 27 1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện Với loại chỉ thị cơ điện, tín hiệu vào là dòng điện hoặc điện áp, còn tín hiệu ra là góc quay của phần động [có gắn kim chỉ]. Những dụng cụ này là loại dụng cụ đo biến đổi thẳng. Đại lượng cần đo như dòng điện, điện áp, điện trở, tần số hay góc pha ... được biến đổi thành góc quay của phần động, nghĩa là biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học: ][XF=α với X là đại lượng điện, α là góc quay [hay góc lệch] Nguyên tắc làm việc của các chỉ thị cơ điện: Chỉ thị cơ điện bao giờ cũng gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động. Nguyên tắc làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một vật dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong từ trường của một nam châm thì nó sẽ chịu tác dụng của lực từ theo quy tắc bàn tay trái [xem Hình 10a]. a] b] Hình 10: a]Quy tắc bàn tay trái để xác định chiều lực từ b] Xác định góc lệch của kim chỉ thị khi Mc = Mq Độ lớn của lực sẽ phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cường độ dòng điện chạy trong vật dẫn. Khi này sẽ xuất hiện mômen quay làm quay phần động và được tính theo biểu thức: αd dWe Mq = với We là năng lượng từ trường và α là góc quay của phần động Phần động sẽ quay liên tục với tốc độ phụ thuộc vào độ lớn của năng lượng từ trường hay dòng điện đưa vào cơ cấu. Lực làm quay phần động còn gọi là lực làm lệch. Nếu gắn một lò xo cản [hoặc một cơ cấu cản] với trục quay của phần động thì khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại [hoặc giãn ra] và sinh ra một momen cản trở sự chuyển động của phần động. Lực chống lại sự di chuyển của phần động còn gọi là lực điều khiển. Moment cản tỉ lệ với góc lệch α và được biểu diễn qua biểu thức: Mc = D.α với D là hệ số momen cản riêng của lò xo, nó phụ thuộc vào vật liệu, hình dáng và kích thước của lò xo. Chiều tác động lên phần động của hai momen kể trên ngược chiều nhau nên khi momen cản bằng momen quay thì phần động sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng [xem Hình 10b]. Khi đó: α αα α d dWe DMqMc .. D 1 d dWe =⇒=⇒=
28. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 28 Phương trình trên được gọi là phương trình đặc tính [hay lượng trình] của thang đo, từ phương trình này ta biết được đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị. Những bộ phận chính của cơ cấu chỉ thị cơ điện Hình 11: Các bộ phận chính của cơ cấu chỉ thị cơ điện + Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục như khung dây, kim chỉ, lò xo cản ... Trục thường được làm bằng loại thép cứng pha irini hặc osimi, còn trụ đỡ làm bằng đá cứng. + Lò xo phản kháng hay lò xo cản là chi tiết thực hiện nhiệm vụ là tạo ra momen cản, đưa kim chỉ thị về vị trí 0 khi chưa đưa đại lượng cần đo vào, đồng thời dẫn dòng điện vào khung dây [trong trường hợp cơ cấu chỉ thị từ điện hoặc điện động]. Lò xo được chế tạo dạng xoắn ốc bằng đồng berili hoặc đồng phốt pho để có độ đàn hồi tốt và dễ hàn. Thông thường sẽ có hai lò xo đối xứng ở hai đầu khung dây, chúng có kích thước rất mảnh nên rất dễ hỏng. + Dây căng và dây treo: để tăng độ nhạy cho chỉ thị người ta thay lò xo bằng dây căng hoặc dây treo. + Kim chỉ thường được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm và có thể là cả bằng thuỷ tinh với nhiều hình dáng khác nhau. Hình dáng của kim chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ để quan sát. Kim chỉ được gắn vào trục. Giá trị tương ứng với vị trí lệch tối đa của kim chỉ gọi là độ lệch toàn thang [ĐLTT]. + Thang đo là bộ phận để khắc độ các giá trị của đại lượng cần đo. Có nhiều loại thang đo tuỳ vào độ chính xác của chỉ thị cũng như bản chất của cơ cấu chỉ thị.. Thang đo thường được chế tạo từ nhôm lá, đôi khi còn có cả gương phản chiếu phía dưới thang đo. Nhìn vào thang đo của thiết bị đo tương tự có thể xác định độ phân giải và độ nhạy của thiết bị. Độ phân giải bằng ĐLTT / tổng số vạch của thang đo đó; độ nhạy bằng độ phân giải bé nhất trong số các thang đo. Ví dụ: Một Vôn kế tương tự có các thang đo 50 vạch với ĐLTT là 10V; 100V; 500V. Khi đó độ phân giải tương ứng với mỗi ĐLTT là 0,2V; 2V và 10V; độ nhạy của Vôn kế này là 0,2V. + Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động và xác định vị trí cân bằng. Quá trình này còn gọi là quá trình làm nhụt. Có hai loại cản dịu là cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ. Cản dịu không khí đơn giản nhất là làm hộp kín có nắp đậy bên trong có cánh cản dịu. Cản dịu cảm ứng từ có thể thực hiện nhờ lợi dụng chính dòng xoáy [dòng Fuco] xuất hiện trong phần động khi phần động quay. Ngoài ra để tránh ảnh hưởng của các tác động từ bên ngoài, toàn bộ cơ cấu có thể được đặt trong một màn chắn từ. Trục Lò xo Lò xo Khung dây Thang đo Kim chỉ Gương Lò xo Lò xo Trục Trụ đỡ Thang đo
29. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 29 Hình 12: a]Bộ phận cản dịu và b] Quá trình di chuyển của kim chỉ trước khi cân bằng a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu [NCVC] Dụng cụ đo từ điện còn gọi là dụng cụ đo kiểu D’Arsonval với ký hiệu và cấu trúc như Hình 13. a] b] c] Hình 13: a] Ký hiệu, b] hình chiếu đứng và c] hình chiếu bằng của cơ cấu chỉ thị từ điện Cấu tạo: Phần tĩnh:Nam châm vĩnh cữu [nam châmhình móng ngựa], lõi sắt, cực từ [bằng sắt non]. Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất hẹp. Phần động: Khung dây được quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục, nó quay trong khe hở không khí. Ngoài ra còn một số bộ phận khác như: trục, trụ, 2 lò xo cản ở hai đầu trục, kim chỉ … Hình 14: Cấu trúc thực tế và sơ đồ giản lược của cơ cấu chỉ thị từ điện I NCVC Lõi sắt Cực từ Khung dây
30. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 30 Nguyên tắc hoạt động: Khi có dòng điện chạy trong khung dây, dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc α . Momen quay do từ trường của nam châm tương tác với từ trường của khung dây tạo ra được tính bằng: αd dWe Mq = với We là năng lượng điện từ tỉ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở không khí và độ lớn của dòng điện chạy trong khung dây. IWSBIWe ..... α=Φ= với : Φ là từ thông B là mật độ từ thông của từ trường tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu S là diện tích của khung dây W là số vòng dây của khung dây D.Mc:cãtamµ α α α = ==⇒ IWSB d IWSBd Mq ... ]....[ IKIWSB D MqMc .... 1 ==⇒ =⇔=⇒ α α B.S.W.ID. Từ phương trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có thang đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K. Kết quả hiển thị là giá trị trung bình của đại lượng đo. Dụng cụ đo kiểu từ điện thường có cơ cấu chỉnh zero để đưa kim chỉ về vị trí 0 trước khi tiến hành phép đo. Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và kim chỉ khi không có dòng điện vào. Quá trình làm nhụt [ổn định vị trí của kim chỉ thị] được thực hiện nhờ lợi dụng sự xuất hiện dòng cảm ứng Fuco khi khung dây quay. Từ trường do dòng này tạo ra sẽ hạn chế sự dao động của kim chỉ để nó nhanh chóng đạt vị trí cân bằng, khi khung dây đứng im dòng Fuco sẽ mất và như thế cũng không còn lực làm nhụt. Muốn vậy người ta thường tạo khung dây bằng cách quấn dây đồng trên một khung bằng nhôm, một vật liệu dẫn điện rất tốt nhưng lại không có đặc tính từ. Dòng cần đo đưa vào cơ cấu chỉ được phép theo một chiều nhất định, nếu đưa dòng vào theo chiều ngược lại kim chỉ sẽ bị giật ngược trở lại và có thể gây hỏng cơ cấu. Vì vậy, phải đánh dấu + [dây màu đỏ] và - [dây màu xanh hoặc đen] cho các que đo. Tính chất này được gọi là tính phân cực của cơ cấu chỉ thị, nghĩa là chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng điện nên các đại lượng xoay chiều [tần số từ 20Hz – 100KHz] muốn chỉ thị bằng cơ cấu từ điện phải chuyển thành đại lượng một chiều và đưa vào cơ cấu theo một chiều nhất định. Tuy nhiên, vì đại lượng xoay chiều AC thường được biểu thị bởi giá trị hiệu dụng [rms] nên người ta phải hiệu chỉnh thang đo bằng cách nhân kết quả đo [là giá trị trung bình] với hệ số 1,1. Hệ số này chỉ đúng với tín hiệu hình sin, vì vậy với tín hiệu AC ngẫu nhiên bất kỳ thì đo bằng dụng cụ đo từ điện dùng mạch chỉnh lưu sẽ có sai số rất lớn. Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều nên được ứng dụng để chế tạo Vôn kế, Ampe kế, Ôm kế nhiều thang đo với dải đo rộng. Giá trị bé nhất mà dụng cụ này đo được đối với dòng điện một chiều là cỡ microAmpe.
31. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 31 Hình 15: Vôn kế thí nghiệm và Vôn kế thực tế làm từ cơ cấu chỉ thị từ điện b. Cơ cấu chỉ thị điện từ Hình 16: Ký hiệu, hình chiếu bằng, hình chiếu trục đo và sơ đồ giản lược của một cơ cấu chỉ thị điện từ Dụng cụ đo điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc khi hai chi tiết bằng sắt kề nhau bị từ hoá bởi dòng điện chạy qua một cuộn dây thì xuất hiện một lực đẩy giữa các cực cùng cực tính [N hoặc S]. Cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện từ được cho ở Hình 16. Phần tĩnh:ống dây; lá thép cố định nằm trong lòng ống dây, gọi là lá tĩnh. Phần động: lá thép có khả năng di chuyển tương đối với lá tĩnh trong khe hở không khí Khi đưa dòng điện chạy vào ống dây bao quanh các lá thép, từ trường tạo ra bởi ống dây sẽ từ hoá các lá thép với cùng một cực do đó chúng đẩy nhau. Lực đẩy tổng hợp sẽ làm cho lá động dịch ra xa khỏi lá tĩnh, đây chính là lực làm lệch. Kim chỉ gắn với trục quay khi đó sẽ bị lệch một góc tương ứng. Lò xo dây quấn tạo ra momen cản hay lực điều khiển để dừng kim chỉ. Momen quay do từ trường của nam châm điện tạo ra được tính bằng: 2 . 2 1 ILWe d dWe Mq = = α αd dL IMq 2 2 1 =⇒ I Kim chỉ
32. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 32 với L là điện cảm của ống dây, có trị số phụ thuộc vào vị trí của lá động, tức là phụ thuộc α Momen cản do lò xo cản tạo ra nên Mc = D.α Khi kim chỉ dừng ở vị trí cân bằng, nghĩa là khi: Mc = Mq α α α α d dL I D d dL ID 2 2 .2 1 2 1 . =⇒ =⇒ Vậy, độ lệch α không phụ thuộc vào chiều của I, thang đo không đều vì tỉ lệ với I2 và với dL/dα Biểu thức trên cho thấy giá trị đo được là giá trị trung bình bình phương [rms] của đại lượng đo. Để tuyến tính hóa thang đo người ta điều chỉnh dL/dα . Cơ cấu chỉ thị điện từ không cần phân biệt cực tính cho dây đo, có thể được dùng để chế tạo dụng cụ đo dòng một chiều và dòng xoay chiều như Vôn kế, Ampe kế tần số công nghiệp [50 – 60 Hz] nhưng độ chính xác thấp và tiêu thụ điện năng lớn. Giá trị bé nhất mà dụng cụ này đo được trong dải giá trị miliAmpe; tần số nhỏ hơn 150Hz. Hình 17: Ampe kế thí nghiệm và Vôn kế thực tế được tạo ra từ cơ cấu chỉ thị điện từ c. Cơ cấu chỉ thị điện động Cấu tạo: xem Hình 18 a] b] c] Hình 18:a]Ký hiệu; b]Sơ đồ giản lược; c Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động Cuộn dây tĩnh hay còn gọi là cuộn kích thích được chia làm 2 phần nối tiếp nhau [quấn theo cùng chiều] để tạo thành nam châm điện khi có dòng chạy qua. Cuộn động Cuộn tĩnh
33. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 33 Cuộn dây động quay trong từ trường được tạo ra bởi cuộn tĩnh. Các cuộn dây có lõi làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao để tạo ra từ trường mạnh. Thông thường chúng sẽ được bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh hưởng của từ trường bên ngoài Kim chỉ thị được gắn trên trục quay của phần động. Lò xo tạo momen cản và các chi tiết phụ trợ khác. Hoạt động: Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thì từ trường của 2 cuộn dây tương tác với nhau khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí zero. Các lò xo xoắn tạo ra lực điều khiển và đóng vai trò dẫn dòng vào cuộn động. Việc tạo ra sự cân bằng của hệ thống động [điều chỉnh zero] được thực hiện nhờ điều chỉnh vị trí lò xo . Dụng cụ đo kiểu điện động thường làm nhụt bằng không khí vì nó không thể làm nhụt bằng dòng xoáy như dụng cụ đo kiểu từ điện. Do không có lõi sắt trong dụng cụ điện động nên môi trường dẫn từ hoàn toàn là không khí do đó cảm ứng từ nhỏ hơn rất nhiều so với ở dụng cụ từ điện. Điều này đồng nghĩa với việc để tạo ra momen quay đủ lớn để quay phần động thì dòng điện chạy trong cuộn động cũng phải khá lớn. Như vậy, độ nhạy của dụng cụ đo điện động nhỏ hơn rất nhiều so với dụng cụ đo từ điện. Momen quay do 2 từ trường tương tác nhau được tính bằng: αd dWe Mq = với We = 12212 2 21 2 1 .... 2 1 . 2 1 MIILILI ++ vì các cuộn dây có hệ số tự cảm L riêng không phụ thuộc vào góc lệch trong quá trình hoạt động [tức là 0= αd dL ] nên: αd dM IIMq 12 21 ..=⇒ Vậy độ lệch của kim chỉ thị được tính theo biểu thức: α α d dM II D 12 21 ... 1 = Nếu mắc các cuộn dây nối tiếp nhau, nghĩa là I1 = I2 2 .IC=⇒ α với C là hằng số. Trong trường hợp này cần chú ý rằng để có lực đẩy làm quay phần động thì chiều quấn dây trên phần động phải ngược với chiều quấn dây trên hai phần của cuộn kích. Vì góc lệch không tỉ lệ tuyến tính với dòng cần đo nên thang đo của cơ cấu điện động là thang đo không đều.Giá trị đo được là giá trị trung bình bình phương [rms]. Cơ cấu điện động có thể được sử dụng để đo dòng xoay chiều và một chiều. Tuy nhiên, do nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất khá lớn nên chủ yếu dùng để chế tạo Watt kế.
34. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 34 a] b] Hình 19: a] Sơ đồ mắc dây để đo công suất và b] Watt kế được chế tạo từ cơ cấu chỉ thị điện động 2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi Trong kỹ thuật đo lường vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy hiện sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia điện tử – CRO [Cathode Ray Osciloscope]. Dưới đây là cấu tạo cơ bản của một CRO, nó có nguyên tắc gần giống như CRT [Cathode Ray Tube] là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh quang. Chùm electron do Catot phát ra sẽ được hướng tới màn hình theo sự điều khiển từ bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào. Hình 20: Cấu tạo cơ bản của một ống phóng tia điện tử a. Cấu tạo: + Phần 3 cực [triot] gồm Catot, lưới và anot [còn được gọi là súng điện tử]. Catotlàm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử. Một sợi đốt nằm bên trong Catot có nhiệm vụ nung nóng Catot để tăng cường thêm số điện tử phát xạ. Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V nhưng Catot có điện thế xấp xỉ –2kV. Lưới là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy Catot. Thế của lưới xấp xỉ từ - 2kV đến – 2,05kV để điều khiển dòng electron từ Catot hướng tới màn hình. Khi thế của lưới thay đổi sẽ điều chỉnh lượng electron bắn ra khỏi Catot, tức là làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau. Vì vậy thành phần điều khiển thế của lưới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói. Anot gồm từ 2 đến 3 anot. Anot đầu tiên có thế dương hơn Catot để hút và gia tốc cho chùm tia điện tử, anot tiếp theo sẽ hội tụ chùm tia điện tử trong quá trình bay về phía màn hình, vì
35. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 35 thế nó còn được gọi là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện tử. Vì các electron cùng mang điện tích âm nên chúng có xu hướng đẩy nhau, nghĩa là chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra và khi đập vào màn huỳnh quang sẽ tạo ra một vùng sáng, nghĩa là hình ảnh hiển thị bị nhoè. Nhờ có các điện cực điều tiêu, chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron hướng tới 1 điểm nhỏ trên màn hình, tức là hình ảnh hiển thị được rõ nét, xem Hình 21. Hình 21: Hệ thống Anot gia tốc điều chỉnh độ hội tụ của chùm điện tử + Hệ thống làm lệch [hay còn gọi là lái tia] a] b] Hình 22: Tia điện tử a]bay thẳng và b] bị lệch đi dưới tác động của tấm làm lệch Khi các tấm làm lệch ngang và đứng được tiếp đất hoặc không nối thì chùm electron có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình, xem Hình 22a. Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có thế dương và bị đẩy ra xa khỏi tấm có thế âm. Để tác dụng của các điện áp làm lệch + / - gây ra những khoảng lệch như nhau thì thế +E/2 phải đưa vào một tấm và thế –E/2 đi vào tấm còn lại [với E là thế chênh lệch giữa hai tấm], xem Hình 22b. Để xác định vị trí của điểm hiển thị trên màn hình người ta dùng 1 cặp làm lệch đứng [Y] và một cặp làm lệch ngang [X].  Điện áp cần thiết để tạo ra 1 vạch chia độ lệch ở màn hình được gọi là hệ số làm lệch đứng của ống, đơn vị là V/cm  Độ lệch do 1V tạo ra trên màn hình gọi là độ nhạy lái tia, đơn vị là cm/V Ngoài ra, để tránh ảnh hưởng của điện trường giữa các cặp lái tia người ta đôi khi còn sử dụng một màn chắn cách điện giữa cặp lái tia ngang và cặp lái tia đứng. + Màn hình của CRO được mạ một lớp Photpho ở mặt trong của ống, khi chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển lên mức năng lượng cao và khi trở
36. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 36 về trạng thái bình thường sẽ phát ra ánh sáng. Sự lưu sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s nên mắt người mới nhìn thấy hình dạng sóng hiện lên liên tục như ảnh tĩnh. Lớp than chì có tác dụng thu hồi các electron thứ cấp vì nếu không thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra một thế âm ở màn hình và thế âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng electron tiến đến màn hình. Ngoài ra, người ta có thể sử dụng màng nhôm để thu góp electron và dẫn xuống đất. Màng nhôm này còn có tác dụng tăng cường độ chói của lớp sáng do phản xạ ánh sáng về phía màn thuỷ tinh và tản nhiệt cho màn hình. Đường xoắn ốc làm bằng chất có điện trở cao kết tủa trong ống thuỷ tinh từ chỗ tấm lái tia tới màn hình có tác dụng gia tốc cho electron sau khi làm lệch để có được độ chói cần thiết. [nếu gia tốc trước lúc làm lệch thì sẽ làm giảm khả năng điều chỉnh dòng electron của các tấm làm lệch]. Chú ý: với các máy hiện sóng nhiều kênh [nhiều tia] thì có thể thực hiện theo 2 cách như sau: + Sử dụng cho mỗi kênh một súng điện tử và cặp làm lệch đứng riêng nhưng cùng chung cặp làm lệch ngang + Sử dụng một súng điện súng, tách chùm tia điện tử thành nhiều phần trước khi cho qua các cặp làm lệch đứng [ứng với số kênh] và tất cả cùng qua một cặp làm lệch ngang. b. Nguyên tắc hiện hình của CRO: Catot phát ra electron và được các hệ thống điện cực điều khiển để có số lượng hạt, vận tốc và độ hội tụ cần thiết. Hệ thống làm lệch sẽ làm cho chùm tia điện tử di chuyển trên màn hình theo phương ngang và phương đứng để hiện dạng của tín hiệu. Ở chế độ hiển thị dạng sóng thông thường tín hiệu cần hiển thị được đưa vào cặp làm lệch đứng còn một tín hiệu dạng răng cưa được đưa vào cặp lệch ngang [xem Hình 23dưới đây]. Khi đó với tần số răng cưa [còn gọi là tần số quét] phù hợp trên màn hình sẽ có một sóng đứng của dạng sóng cần hiển thị. Hình 23: Nguyên tắc hiện hình của CRO Y X0 Tín hiệu đưa vào cặp làm lệch Y Tín hiệu răng cưa đưa vào cặp làm lệch X Tín hiệu hiển thị trên màn hình
37. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 37 3. Cơ cấu chỉ thị số a. Cấu tạo Chỉ thị số là chỉ thị đưa ra kết quả đo dưới dạng con số rời rạc tùy vào độ phân giải của thang đo. Chỉ thị loại này có thể dưới dạng đèn thập phân, LED 7 vạch, LCD 7 vạch và thậm chí là ma trận LED, hay ma trận LCD. Ví dụ : Hiển thị 7 vạch Đèn hiển thị LED 7 vạch có thể là loại anot chung hoặc catot chung. Chúng có thể biểu diễn tới 16 ký tự trong đó có 10 số và 6 chữ cái như hình dưới đây: Hình 24: LED 7 vạch và các ký tự số hiển thị được b. Thông số cơ bản của chỉ thị số:  Loại màn hình: dựa vào cấu tạo để xác định loại màn hình LED, LCD hay đèn halogen  Số hiển thị : đây là thông số cho biết khả năng hiển thị các giá trị của màn hình. Mỗi số hiển thị được gọi là đầy đủ nếu hiển thị được từ 0 đến 9 ; nếu hiển thị 0 hoặc 1 thì là loại ½ số ; nếu hiển thị 0 đến 3 thì là loại ¾ số. Xem bảng sau để thấy sự khác biệt về giá trị hiển thị của một số loại màn hình dù hình thức của chúng là như nhau. Ký hiệu loại màn hình Dải giá trị hiển thị Số giá trị khác nhau 4 số 0000 đến 9999 10000 33/4 0000 đến 3999 4000 31/2 0000 đến 1999 2000 Hình 25: 4 LED 7 thanh và bảng giá trị hiển thị được theo số màn hình  Độ phân giải : r = 1 / X với X là số giá trị khác nhau mà màn hình hiển thị được
38. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 38 Ví dụ :Màn hình loại 4 số có độ phân giải là : 1/10000 = 10-4 Màn hình loại 31/2 số có độ phân giải là : 1/2000 = 5.10-4  Độ nhạy : là sự thay đổi nhỏ nhất ở phía đầu vào mà thiết bị đo phát hiện được. Nó được tính bằng công thức : S = r x ĐLTTmin Với r là độ phân giải ; ĐLTTmin là giá trị của thang đo bé nhất Ví dụ : một Vôn kế số có thang đo 10V, 100V và 500V ; loại màn hình hiển thị là 4 số. Khi đó số giá trị có thể hiển thị được của loại màn hình này là 104 , vì vậy độ nhạy S = 10-4 x 10V = 0,001V Cơ cấu chỉ thị số có ưu điểm là hiển thị kết quả duy nhất, không phụ thuộc vào người quan sát. Tuy nhiên, cơ cấu này đòi hỏi mạch đo phức tạp nên thiết bị hiển thị số thường khá đắt so với thiết bị chỉ thị kim. Ngoài ra, việc thiết bị số hoạt động còn chính xác hay không khó xác định hơn so với chỉ thị kim và không thể điều chỉnh từ bên ngoài. Trong khi đó thiết bị chỉ thị kim có cơ cấu chỉnh zero rất đơn giản và hiệu quả. Hình 26: Một số thiết bị đo hiển thị số nhờ LED hoặc LCD III. CÁC MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU Mạch đo lường và gia công tín hiệu làm nhiệm vụ biến đổi, gia công tính toán, phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất.Có thể coi mạch đo lường là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu của thiết bị đo.Mạch đo lường có nhiều loại khác nhau với các chức năng và thông số cụ thể, dưới đây là một số mạch thông dụng nhất. 1. Mạch tỉ lệ Đây là mạch rất thông dụng trong các mạch đo lường, có hai loại là mạch tỉ lệ về dòng và mạch tỉ lệ về áp. a. Mạch tỉ lệ về dòng Để biến đổi dòng trong mạch một chiều người ta mắc các điện trở sun còn trong mạch xoay chiều người ta sử dụng các biến dòng điện. * Điện trở sun là điện trở thường có giá trị nhỏ, được mắc song song với cơ cấu chỉ thị dùng để chia dòng một chiều.
39. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 39 a] b] Hình 27: a]Mô tả điện trở sun 4 cực ; b] Hình dạng thực tế a] I Ict Is Rs Rct b] Is Ict I KI3 I2 I1 R3R2R1 Rct Hình 28: a]Sơ đồ mắc 1 điện trở sun và b] Sơ đồ mắc nhiều điện trở sun Điện trở sun có cấu trúc đặc biệt với 4 đầu [xem Hình 27]. Hai đầu dòng để đưa dòng Is vào còn hai đầu áp sẽ lấy áp ra mắc với cơ cấu chỉ thị. Điện trở sun được chế tạo với dòng từ mA đến 10.000A và điện áp khoảng 60, 75, 100, 150 và 300mV. Rs, Rct là điện trở sun và điện trở của cơ cấu chỉ thị n là hệ số chia dòng. Khi đó xác định được: Muốn dùng điện trở sun có nhiều hệ số chia dòng khác nhau người ta mắc như Hình 28b. Khi đó: Ict I n n Rct RRRRs Ict I n n RRct RRRs Ict I n n RRRct RRs 3 3, 13 3213 2 2, 12 3 212 1 1, 11 32 11 = − == = − + =+= = − == Chú ý: Dòng xoay chiều nếu muốn dùng điện trở sun để chia thì tải phải là thuần trở. * Biến dòng điện Ict I n n Rct Rs = − = 1
40. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 40 Biến dòng thực chất là một biến áp mà cuộnsơ cấp chỉ có 1 vòng và chính là dòng điện lớn cần chia nhỏ ra còn cuộn thứ cấp sẽ có nhiều vòng dây tùy vào tỉ lệ chia. Nếu biến dòng lý tưởng và không có tổn hao thì hệ số tỉ lệ K được tính bằng: 2 1 1 2 N N I I KI == với I1, I2 là dòng qua cuộn sơ cấp và thứ cấp; N1, N2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Biến dòng được sử dụng nhằm lấy được dòng nhỏ ở bên thứ cấp tỉ lệ với bên sơ cấp nên số vòng dây N2 lớn hơn rất nhiều so với số vòng dây N1. Biến dòng thường được làm bằng lõi thép silic hình chữ E, O hay Π có tiết diện dây quấn lớn hơn và số vòng nhỏ hơn biến áp động lực. Biến dòng cần có tổn hao lõi thép nhỏ và điện trở tải [Rct] càng nhỏ càng tốt. Biến dòng được chế tạo với điện áp từ 0,5 – 35kV; dòng sơ cấp định mức từ 0,1 – 25.000A; dòng thứ cấp định mức là 1A hoặc 5A; cấp chính xác là 0,05 – 0,5 Cuộn thứ cấp thường ngắn mạch và nối đất để tránh trường hợp cuộn thứ cấp hở mạch gây ra điện áp cực lớn [hàng chục V tới hàng kV] vì biến dòng thực chất là một biến áp tăng áp. a] b] Hình 29: a] Cấu trúc và b]Hình dạng thực tế của biến dòng b. Mạch tỉ lệ về áp Có hai mạch phân áp cơ bản là mạch sử dụng điện trở và mạch sử dụng tụ điện * Mạch phân áp điện trở a] u1 R2 R1 u2 b] Uct U1 U2 U3 Rct R1 R2 R3 c] Hình 30: a] Nguyên tắc chung của mạch phân áp; b] Mạch phân áp nhiều điện trở và c] Mạch phân áp đầu vào của Vôn kế
41. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 41 Xem Hình 30a, gọi hệ số phân áp là: 2 1 U U m = . Khi đó: 2 1 1 2. ]21[ 2 1 R R RI RRI U U m += + == Khi tải là những cơ cấu chỉ thị có điện trở không đổi, người ta dùng R2 là điện trở của ngay bản thân chỉ thị. R1 gọi là điện trở phụ. ]1.[ ]1.[21 −=⇒ −= mRctRp mRR Để tăng thêm độ chính xác người ta sử dụng biến trở trượt được gắn thang chia độ, trên ấy có khắc hệ số phân áp tương ứng hoặc các hệ số phân áp nhảy cấp. Điện áp vào U1 cố định, điện áp ra U2 có thể từ 0,0001U1 đến 0,9999U1. Khi muốn có nhiều hệ số chia áp khác nhau người ta có thể mắc điện trở phụ như Hình 30b. Trong đó: Mạch phân áp điện trở thường được sử dụng trong các mạch vào của các dụng cụ đo, ví dụ như được sử dụng trong vôn kế xoay chiều, xem Hình 30c. * Mạch phân áp điện dung và điện cảm a] U1 U2 C2 C1 R2 R1 b] U2 U1 W1 W2 L Hình 31: a]Mạch phân áp điện dung và b] Mạch phân áp điện cảm dùng biến áp tự ngẫu Các mạch này thường được sử dụng trong mạch xoay chiều. Từ Hình 31a ta có hệ số phân áp được tính bằng công thức sau: Uct U3 m3víi Uct U2 m2víi Uct U1 m1víi =−=++= =−=+= =−== ]13[3213 ]12[212 ]11[11 mRctRRRRp mRctRRRp mRctRRp 1 1 1 2 1 2 1 11/1 22/1 1 2 1 1 2 1 Rj C Rj C CjR CjR m Z Z U U m ω ω ω ω ω ω + + += + + +=⇒ + == + == +== C2j1/R2 1 R2//C22Z C1j1/R1 1 R1//C1Z1víi
42. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 42 Khi tần số ω khá lớn thì có thể tính m như sau: 1 2 C C += 1m Nghĩa là chỉ phụ thuộc vào giá trị điện dung của các tụ điện. Do đó, mạch phân áp điện dung thường được sử dụng trong mạch có tần số cao như máy hiện sóng hay Vôn kế cao tần. Xem Hình 31b. Có thể coi mạch như một biến áp tự ngẫu, đầu vào và đầu ra được nối với nhau cả về phần điện lẫn phần từ. Khi đó hệ số phân áp là: 2 1 2 1 W W U U m == Với W1, W2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Để đảm bảo điều kiện biến áp lý tưởng lõi thép phải chế tạo kiểu mạch từ kín, từ thông móc vòng đều trên toàn cuộn phân áp, từ thông tản vừa nhỏ vừa đều. Muốn vậy lõi thép phải là hình xuyến bằng những lá thép mỏng [dày cỡ 0,03mm]. Cuộn dây được quấn đồng đều và chia làm nhiều đoạn ứng với số cấp của phân áp. Mạch phân áp điện cảm sẽ có sai số nhiều khi tần số thay đổi nhưng lại có ưu điểm là khi tải đầu ra thay đổi m hầu như không đổi. * Mạch biến áp đo lường Đầu vào / ra có thể liên hệ với nhau bằng điện và từ [trong trường hợp biến áp tự ngẫu] hoặc chỉ bằng từ và cách điện với nhau. a] W1 W2 U~ b] Hình 32: a] Sơ đồ nguyên tắc của biến áp đo lường và b]Đo điện áp lớn và dòng lớn nhờ sử dụng biến dòng và biến áp Hệ số phân áp là: 2 1 2 1 W W U U m == Mạch biến áp này dùng để đo điện áp xoay chiều có điện áp rất cao ở cuộn sơ cấp bằng một Vôn kế có khả năng đo điện áp nhỏ hơn rất nhiều mắc ở cuộn thứ cấp. Khi đó hệ số phân áp m đã biết nên có thể tính 2.1 UmU = Vôn kế phải có điện trở rất lớn, ngoài ra, để đề phòng dòng lớn xuất hiện khi hai đầu cuộn thứ cấp bị chập người ta mắc một đầu xuống đất.
43. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 43 Sai số của biến áp giống của biến dòng, nó gồm sai số về modun và pha.Cấp chính xác của biến áp là 0,05; 0,1; 0,2 và 0,5. Hình 32b mô tả một mạch đo công suất của nguồn có điện áp và dòng rất lớn nhờ sử dụng biến áp và biến dòng để hạ áp, hạ dòng xuống giá trị nhỏ có thể đo được bằng Vôn kế và Ampe kế thông thường. 2. Mạch khuếch đại đo lường Mạch khuếch đại cho tín hiệu ra có công suất lớn hơn rất nhiều so với đầu vào. ở phương tiện gia công tin tức thì Xr = K.Xv Mạch khuếch đại đo lường còn có khả năng mở rộng đặc tính tần của thiết bị đo và đặc biệt là tăng độ nhạy lên nhiều lần cũng như tăng trở kháng đầu vào của thiết bị. Mạch khuếch đại có thể được thực hiện bởi đèn điện tử, đèn bán dẫn và vi mạch. a. Mạch khuếch đại dòng [lặp điện áp] Mạch này có nhiệm vụ khuếch đại dòng điện lên giá trị lớn hơn còn điện áp lặp lại như đầu vào hoặc suy giảm chút ít. +Ec Ur Uv R Q1 NPN Q2 NJFET +Ec Ur Uv R UrUv + U1 OPAMP5 Hình 33: Ví dụ một số sơ đồ lặp điện áp b. Mạch khuếch đại công suất Đây là mạch kết hợp cả khuếch đại dòng và khuếch đại áp để có công suất lớn. Ur Uv R2 Re Rt R1 Rc C3 C2 +15V C1 Hình 34: Sơ đồ khuếch đại công suất dùng transistor mắc kiểu emito chung. c. Mạch khuếch đại điều chế
44. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 44 Khi cần khuếch đại các thành phần một chiều, người ta phải sử dụng các bộ khuếch đại vi sai nhưng hiện tượng trôi điểm lệch 0 và lệch điện áp ra là không thể tránh khỏi. Do đó, người ta thường biến đổi tín hiệu một chiều thành tín hiệu xoay chiều, sau đó khuếch đại tín hiệu xoay chiều này và cuối cùng lại biến đổi về tín hiệu một chiều. Sơ đồ khối của bộ khuếch đại điều chế được mô tả trongHình 35. Hình 35: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại điều chế Bộ =/~ : chuyển từ tín hiệu một chiều sang tín hiệu xoay chiều tương ứng Bộ ~/=: chuyển từ tín hiệu xoay chiều sang tín hiệu một chiều Máy phát tần số [MP ts] có nhiệm vụ đóng mở 2 khoá điện tử ở đầu vào và ra của bộ khuếch đại d. Mạch khuếch đại cách li Khi cần khuếch đại một điện áp hoặc dòng điện nhưng yêu cầu phải cách li về điện người ta sử dụng các biến áp hoặc ghép quang. 3. Mạch gia công tính toán Bao gồm các mạch cộng, trừ, nhân, chia , tích phân, vi phân, logarit, đối logarit … Thông thường các mạch này sử dụng các bộ KĐTT để làm phần tử tích cực. 4. Mạch so sánh Trong kỹ thuật đo lường điện tử người ta sử dụng rất nhiều những bộ so sánh để phát hiện thời điểm bằng nhau của 2 đại lượng vật lý nào đó. Ví dụ về một số mạch so sánh thông dụng. a. Mạch so sánh các tín hiệu khác dấu bằng KĐTT mắc theo một đầu vào =ơ ~ ~ơ MP ts Uv Ur
45. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 45 Ura +E -E + - Uc + - Ech R3 R2 R1 + OPAMP5 U Ech 0 Uct[t] E -E 0 t t Hình 36: Sơ đồ mạch so sánh một đầu vào và dạng điện áp đầu vào/đầu ra Sơ đồ trong hình trên có Uc[t] là điện áp cần so sánh với điện áp chuẩn một chiều Ech với điều kiện Uc và Ech ngược dấu nhau. + Khi độ lớn của Uc nhỏ hơn độ lớn của 2 1 R R Ech thì Ech sẽ quyết định chế độ làm việc của bộ KĐTT. Do đó điện áp ra: Ur ≈-E vì Ech > 0 đi vào cửa đảo và bộ KĐTT làm việc ở chế độ bão hoà + Khi độ lớn của Uc lớn hơn độ lớn của 2 1 R R Ech thì Uc sẽ quyết định chế độ làm việc của bộ KĐTT. Khi đó điện áp ra: Ur ≈ +E vì Uc[t] < 0 đi vào cửa đảo Chú ý: Thực tế khi bộ KĐTT làm việc ở chế độ bão hoà giá trị điện áp ra nhỏ hơn giá trị điện áp nguồn cung cấp. Tại thời điểm Uc[t]= - 2 1 R R Ech bộ KĐTT chuyển trạng thái nhưng do các thành phần ký sinh trong mạch nên có một độ trễ τ∆ nhất định.Do đó, đặc tuyến thực tế có dạng đường liền như hình trên thay vì đường nét đứt là đặc tuyến lý tưởng. b. Mạch so sánh các tín hiệu cùng dấu bằng KĐTT mắc 2 đầu vào Sơ đồ mạch và biểu đồ điện áp cho ở hình dưới đây: -E +E Ura + U1 OPAMP5R1 + - Ech + - Uc U Ec 0 t 0 t E - E Uc[t]
46. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 46 Hình 37: Sơ đồ mạch so sánh 2 đầu vào và dạng điện áp vào / ra Khi đó: + Khi Uc[t] < Ech ta có: Ura = +E + Khi Uc[t] > Ech ta có: Ura = -E c. Mạch so sánh 2 mức Ux2 Ux1 Uc[t] 0 t 0 t Ura2 Ura1 Ura Ech1 Ux Uc[t] R3 + R2 R1 Ech Hình 38: Sơ đồ mạch so sánh 2 mức và dạng điện áp vào/ra Mạch được sử dụng trong hệ thống kiểm tra hay điều chỉnh tự động một thông số nào đó luôn phải nằm trong khoảng giữa 2 mức cho trước [Ux1< Ux2]. Trong sơ đồ mạch trên, 2 mức Ux được xác định bởi 2 nguồn điện áp chuẩn Ech. + Khi Uc[t] > Ux2 tín hiệu ra Ura = Ur1 và giá trị này được giữ nguyên tới khi Uc[t] giảm xuống Ux1 + Khi Uc[t] = Ux1 có sự thay đổi trạng thái của Ura = Ur2 và giá trị Ur2 được giữ tới khi Uc[t] giảm xuống đỉnh âm và tăng tới Ux2 d. Mạch so sánh cực đại Hình 39: Mạch chọn giá trị lớn nhất trong số các giá trị đầu vào -U R10 Uramax Uc3 D3 R9 R8 R7 + OA3 + OA2R6 R5 R4 D2Uc2 Uc1 D1 R3 R2 R1 + OA1
47. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 47 Các đầu Catot của các diode bị ghim ở một mức xác định phụ thuộc vào giá trị của U. Nếu Uc nào có giá trị vượt giá trị chuẩn cho phép thì diode tương ứng với nó sẽ thông. Tuy nhiên nếu có nhiều Uc cùng vượt giá trị chuẩn thì diode ứng với giá trị Ucmax sẽ thông và đầu ra sẽ là hàm của Ucmax đó, nghĩa là mạch đã chọn được giá trị cực đại trong số các đầu vào vượt giá trị chuẩn. e. Mạch cầu đo a] b] Hình 40:a] Sơ đồ mạch nguyên lý và b] Mạch đo nhiệt độ bằng cách đo điện trở của một điện trở nhiệt R3 Mạch cầu đo là một mạch rất thông dụng để đo chính xác các giá trị của điện trở, điện cảm hay điện dung và là dụng cụ để phát hiện độ lệch áp rất nhỏ. Khi dùng để đo điện trở người ta dùng nguồn cung cấp một chiều nên gọi là cầu một chiều còn khi đo điện dung và điện cảm người ta dùng nguồn cung cấp xoay chiều nên gọi là cầu xoay chiều. Xem Hình 40a, tại thời điểm cầu cân bằng Ucd = 0 và giá trị trở kháng trên các nhánh phải thoả mãn điều kiện: Z1.Z4 = Z2.Z3 Chỉ thị thường là chỉ thị lệch không, điện thế kế hoặc máy hiện sóng để phát hiện trạng thái mất cân bằng của cầu. Hình 40b mô tả một mạch đo nhiệt độ nhờ đo giá trị của điện trở nhiệt R3. Khi nhiệt độ thay đổi thì R3 thay đổi nên khi xác định được giá trị của R3 thì sẽ xác định được giá trị của nhiệt độ. Mạch KĐTT trong mạch hoạt động như bộ so sánh để phát hiện trạng thái mất cân bằng của cầu. f. Mạch điện thế kế Đây là mạch đo dựa trên phương pháp so sánh cân bằng giữa 2 điện áp: điện áp cần đo là Ux và điện áp mẫu Uk. c d
48. trúc và các phần tử chức năng của dụng cụ đo 48 Hình 41:Sơ đồ khối và sơ đồ thực tế của một điện thế kế Trong đó: RN và EN là điện trở mẫu và pin mẫu được chế tạo với độ chính xác cao. Điện thế kế hoạt động như sau: + Khi K ở vị trí 1-1’, điều chỉnh chiết áp Rđc để chỉ thị chỉ zero. Khi đó: N N R E Ip = + Giữ nguyên Rđc và chuyển K sang vị trí 2-2’, điều chỉnh con trượt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero, nghĩa là dòng qua chỉ thị bằng 0, điện áp mẫu bằng điện áp cần đo. Khi đó: Rk R E RkIpUkUx N N .. === Nếu: n N N R E 10= RkUx n .10=⇒ Với n là số tự nhiên 1, 2 … khi đó ta có thang đo theo hệ số mũ thập phân Chỉ thị của điện thế kế thường là cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy cao [10-6 – 10-9 A/vạch] 5. Mạch tuyến tính hóa Trong kỹ thuật đo lường, chuyển đổi sơ cấp thường cho tín hiệu ra dưới dạng phi tuyến trong khi các bộ chuyển đổi chuẩn hoá thường làm việc với tín hiệu tuyến tính để giảm thiểu sai số. Do vậy, mạch thực hiện tuyến tính hoá các đặc tính phi tuyến là rất cần thiết. a. Mạch tạo hàm tuyến tính bằng biến trở Biến trở có thiết diện được chế tạo theo hệ số mong muốn RxKRx R U Ur .1. == Giả sử độ di chuyển của con chạy là l, tỉ lệ với đại lượng vào X theo biểu thức: l = K2.X Nếu ][lfRx = thì hàm Ur sẽ là một hàm của X theo biểu thức: Ur = K1.Rx = K1. f[l] = K1.f[K2.X] = K1.K2.f[X] = K.f[X] Với K1, K2, K là hằng số. Ux Uk SS