Bài gia Đo lường điện - Bài 2: Các cơ cấu đo lường điện cơ bản - Mai Quốc Khánh

© Mai Quốc Khánh - 04/2010 1/28
Môn học: Đo lường điện
Bài 2
Các cơ cấu đo lường điện cơ bản
Mai Quốc Khánh
Khoa Vô tuyến điện tử
Học viện KTQS
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 2/28
Nội dung
 Nguyên lý hoạt động của CCĐ
 Cơ cấu đo từ điện
 Cơ cấu đo điện từ
 Cơ cấu đo điện động
 Cơ cấu đo tĩnh điện
 Đo dòng điện và điện áp sử dụng cơ cấu đo
Bộ
 m
ô
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Vị trí của CCĐ trong dụng cụ đo 
đánh giá trực tiếp
3/28
Cơ cấu
đo
Y
(I, U)
Mạch 
đoX
Thiết bị
chỉ thị
α = f(Y)
 Mạch đo: biến đổi đại lượng X thành đại lượng điện Y 
(dòng điện hoặc điện áp)
 Cơ cấu đo: chuyển đổi đại lượng điện thành chuyển 
dịch cơ học (sự thay đổi vị trí của phần động so với 
phần tĩnh)
 Thiết bị chỉ thị: phản ánh độ lớn của đại lượng đo 
thông qua chỉ số trên thang đoBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Nguyên lý hoạt động của CCĐ
4/28
 Biến đổi liên tục điện năng thành cơ năng làm quay phần 
động của nó. Trong quá trình quay lực sinh công cơ học, 
một phần thắng lực ma sát, một phần làm biến đổi thế 
năng phần động
I (hoặc U) Wđtt F Mq α
 Mô men quay dttq
dWM
dα
=
 Mô men phản kháng .pkM Dα=
 Phương trình cân bằng mô men q pkM M=
 Phương trình thang đo
1 dttdW
D d
α
α
=Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 5/30
C¬ cÊu ®o tõ điện
 Là CCĐ mà mô mem quay 
sinh ra do tương tác giữa 
từ trường của nam châm 
vĩnh cửu với từ trường 
của khung dây có dòng 
điện chạy qua
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo từ điện
Phần tĩnh:
 Nam châm vĩnh cửu
 Hai má cực từ
 Lõi sắt từ
Trong khe từ có từ trường đồng 
nhất hướng tâm
Phần động:
 Khung dây
 Kim chỉ thị
 Lò so phản kháng
 Đối trọng
6/28
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 7/30
C¬ cÊu ®o tõ ®iÖn
 T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men:
. . . .q pk B SM M In Dα= ⇔ =
0
. . . .B S n I I
D
Sα = =
 Phương trình thang đo: 
So - độ nhạy 
của CCĐ
B -Cảm ứng từ
S - diện tích 
khung dây
n - số vòng của 
khung dây
D – hệ số lò so 
phản kháng
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo từ điện
 Đặc điểm: 
 Chỉ đo ở mạch một chiều
 Thang đo tuyến tính
 Công suất tiêu thụ nhỏ
 Chịu quá tải kém
 Cấu tạo phức tạp
 Ứng dụng: chế tạo ampemét, vônmét, dùng làm thiết 
bị chỉ thị cho các vônmét điện tử và cầu đo
8/28
CCĐ từ điện Volmet và ampemet từ điệnBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 9/30
C¬ cÊu ®o điện tõ
 Là CCĐ mà mô mem quay 
sinh ra do tương tác giữa 
từ trường của cuộn dây 
(phần tĩnh) có dòng điện 
chạy qua với phần tử làm 
bằng vật liệu sắt từ (phần 
động)
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo điện từ
10/28
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 11/30
C¬ cÊu đo ®iÖn từ
 T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men: 21 .
2q pk
dLM M I D
d
α
α
= ⇔ =
2 2
0
1 .
2
dL I S I
D d
α
α
= =
 Đặc điểm: 
 Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều 
 Thang đo phi tuyến 
 Cấu tạo đơn giản
 Chịu quá tải tốt
 Ứng dụng: chế tạo ampe mét, vôn mét
 Phương trình thang đo: 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 12/30
C¬ cÊu ®o điện động
 Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa 
từ trường của các cuộn dây (động và tĩnh) khi có dòng 
điện chạy qua
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo điện động
13/28
ElectrodynamometerBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo điện động
 Với dòng điện một chiều, tại thời điểm cân bằng mô men
14/28
12
1 2 .q pk
dM M I I D
d
M
α
α
= ⇔ =
1 2 0 1 2( .)
1 I If S I I
D
αα = =
 Với dòng điện xoay chiều, tại thời điểm cân bằng mô men
1 2( ) cos .qtb pkM M f I I Dα ϕ α= ⇔ =
Hàm của 
góc quay α
1 2 0 1 2
1 ( ) cos .f I I S I I
D
α α ϕ= =
M12 - hỗ 
cảm giữa 2 
cuộn dây
 Phương trình thang đo: 
 Phương trình thang đo: φ - góc 
lệch pha 
giữa 2 
dòng điệnBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 15/30
C¬ cÊu đo ®iÖn động
 Đặc điểm: 
 Đo ở cả dòng một chiều và xoay chiều 
 Thang đo phi tuyến 
 Cấu tạo đơn giản
 Ứng dụng: chế tạo ampe mét, vôn mét, pha mét, tần 
mét, oát mét 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 16/30
C¬ cÊu ®o tĩnh điện
 Là CCĐ mà mô mem quay sinh ra do tương tác giữa hai 
hoặc một số vật tích điện
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo tĩnh điện
17/28
 T¹i thêi ®iÓm c©n b»ng m« men: 2
1 .
2q pk
dC UM M D
d
α
α
= ⇔ =
2 2
0
1 .
2
dC U S U
D d
α
α
= =
 Phương trình thang đo: 
C – điện dung 
giữa 2 cực
U – điện áp 
giữa 2 cực
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Cơ cấu đo tĩnh điện
 Đặc điểm: 
 Đo ở cả mạch một chiều và xoay chiều 
 Thang đo phi tuyến 
 Trở kháng vào lớn, năng lượng tiêu thụ nhỏ, dải tần 
rộng
 Độ nhạy thấp
 Ứng dụng: chế tạo vônmét
18/28
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Đo dòng điện một chiều
 Các cơ cấu đo từ điện, điện từ và điện động có 
thể đo dòng một chiều trực tiếp ampe mét một 
chiều
 Để đo các dòng điện lớn, cần mở rộng thang đo
 Phương pháp mở rộng thang đo dòng điện một 
chiều là dùng điện trở shunt mắc song song với 
CCĐ
19/28
Bộ
 m
ôn
LT
M
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Mở rộng thang 
đo dòng điện
20/28
 Rm – điện trở trong của CCĐ
 Imax – dòng điện tối đa của CCĐ
 It – dòng điện tối đa của thang đoBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 21/28
 Imax – dòng điện tối đa của CCĐ
 It – dòng điện tối đa của thang đo
với Imax = 50 μA; Rm = 1 kΩ; It = 1 mA
Hãy tính điện trở shunt?
Mở rộng thang đo dòng điện: Ví dụ 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 22/28
 Đối với ampe mét có nhiều thang đo, cần dùng nhiều 
điện trở shunt
Mở rộng thang đo dòng điện
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Đo dòng điện xoay chiều
23/28
 Đối với cơ cấu đo từ điện: 
 Ampe mét xoay chiều thường sử dụng CCĐ từ điện (do 
độ chính xác cao)
 Cần chỉnh lưu dòng AC thành dòng DC
 Đối với cơ cấu đo điện từ và điện động:
 Đo trực tiếp dòng AC, không cần chỉnh lưu
 Mở rộng thang đo:
 Sử dụng điện trở shunt
 Sử dụng biến dòng đo lường
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Chỉnh lưu bằng điốt
24/28
 Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu
0
1 ( )
T
cltbI i t dtT
= ∫
Chỉnh lưu cả chu kỳChỉnh lưu nửa chu kỳ
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 25/28
Mở rộng thang đo dòng điện 
xoay chiều
Mở rộng thang đo dòng 
điện AC bằng shunt
Mở rộng thang đo dòng 
điện AC bằng biến dòng 
đo lường
Analog Clamp MeterBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 26/28
Mở rộng thang đo dòng xoay chiều: 
Ví dụ
 Dòng tối đa của cơ cấu đo là Imax = 1 mA
 Điện áp trên điốt là VD = 0,6 V
 Điện trở trong của CCĐ là Rm = 50 Ω
Hãy tính shunt để có thể đo được dòng (hiệu dụng) Iđo = 100 mA ?
 Dòng qua điốt 0,318 2cltb hdI I=
 Ta có
max
1100 97,8
0,318 2s hd
mAI I I mA mA
 
= − = − = 
 
do
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Đo điện áp một chiều
27/28
 Nguyên lý đo: biến đổi điện áp thành 
dòng điện đi qua cơ cấu chỉ thị
 Mở rộng thang đo điện áp: sử dụng 
điện trở phụ mắc nối tiếp với CCĐ
 Rm – điện trở trong của CCĐ
 Imax – dòng điện tối đa của CCĐ
 Iđo – dòng điện tối đa của thang đo
mIdodo ax
s m
VI
R R
= ≤
+
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 28/28
 CCĐ từ điện có Imax = 100μA; Rm = 0,5kΩ
 Hãy tính điện trở phụ cho 3 thang đo V1 = 2,5V; V2 = 10V; V3 = 50V
 Ở thang đo V1 = 2,5V
 Để vôn mét có ĐCX cao, nên chọn sai số của điện trở 
R1, R2, R3 ≤ 1% độ nhạy Ω/VDC của vôn mét
Mở rộng thang đo điện áp 
một chiều: ví dụ
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Mở rộng thang đo điện áp 
một chiều: ví dụ
29/28
 Ở thang đo V2 = 10V
 Ở thang đo V3 = 50V
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010
Đo điện áp AC
30/28
 Đối với cơ cấu đo từ điện: 
 Cần chỉnh lưu điện áp AC thành điện áp DC
 Sử dụng bộ biến đổi nhiệt điện
 Đối với cơ cấu đo điện từ, điện động:
 Mở rộng thang đo dùng điện trở phụ như đo điện áp 
một chiều
 Đối với cơ cấu đo tĩnh điện:
 Thường không mắc điện trở phụ
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 31/28
VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...
Cảm ơn
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L