Bài gia Đo lường điện - Bài 5: Đo điện áp - Mai Quốc Khánh

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/31
Mụn học: Đo lường điện
Bài 5
Đo điện ỏp
Mai Quốc Khỏnh
Khoa Vụ tuyến điện tử
Học viện KTQSBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 2/31
Nội dung
 Khỏi niệm chung về phộp đo điện ỏp
 Vụn một điện tử loại tương tự
 Vụn một số
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/31
Khái niệm chung về phép đo điện áp
 Là một trong những phép đo thông dụng và quan trọng
nhất trong đo lường. 
 Cú thể dùng để đo gián tiếp nhiều đại lượng vật lý khác 
(ví dụ như cường độ điện trường, công suất, dòng 
điện...)
 Phạm vi đo rộng: từ 10-9V đến hàng trăm KV 
 Dải tần đo rộng (tới 3.109 Hz)
 Đối với điện áp xoay chiều người ta đo các giá trị biên 
độ, trung bình và hiệu dụng
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/31
Cỏc giỏ trị đặc trưng 
cho điện ỏp xoay chiều
 Giá trị biên độ (P): giá trị lớn nhất của 
điện áp xoay chiều trong một chu kỳ
 Phõn biệt giỏ trị đỉnh - đỉnh (P-P) với 
giỏ trị đỉnh (P)
 Giá trị trung bình (AVG): trung bình của 
các giá trị tức thời trong một chu kỳ
 Với điện ỏp hỡnh sin đú là giỏ trị 
“trung bỡnh chỉnh lưu”
 Giá trị hiệu dụng (RMS): trung bình bình 
phương của các giá trị tức thời trong một 
chu kỳ
 Đối với điện áp có chu kỳ không sin 
với n hài
0
1 | ( ) |
T
tbU U t dtT
= ∫
2
0
1 ( )
T
U U t dt
T
= ∫
∑
=
=
n
i
iUU
0
2
Giỏ trị 
biờn độ
đỉnh-đỉnh
Giỏ trị 
biờn độ
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/31
Cỏc giỏ trị đặc trưng 
cho điện ỏp xoay chiều
 Mối quan hệ giữa các giá trị của điện áp 
xoay chiều :
 Hệ số biên độ Kb = Um/U
 Hệ số dạng tín hiệu Kd = U/Utb
 Đối với điện áp dạng hình sin: 
 Kb = 1,41, Kd = 1,11
 Đối với điện áp hình chữ nhật 
 Kb = Kd = 1
 Đối với điện ỏp hỡnh tam giỏc: 
 Kb = 1,73, Kd = 1,15
Cỏc giỏ trị của điện ỏp hỡnh sinBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/31
Sai số phương pháp 
của phép đo điện áp
 Vôn mét được mắc song song với phụ tải Zt có điện áp 
cần đo
 Giá trị thực của điện áp trên tải (trước khi mắc vôn 
mét):
 Mắc vôn mét vào mạch, vôn mét sẽ chỉ giá trị điện áp:
 Sai số tương đối của phép đo do ảnh hưởng của trở 
kháng vào của vôn mét
 Để giảm sai số cần chọn vôn mét có trở kháng vào lớn
t
x
o t
Z
U E
Z Z
=
+
E
ZZZZZ
ZZZZU
tvvt
tvvt
x .)/(
)/(
0
,
++
+
=
, 1
.100 [%] .100 [%]
1
x
x x
u
v vx
o t
U U
Z ZU
Z Z
δ
−
= = −
+ +
~
Z0
Zt
E
VZV
Bộ
 m
ụ
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/31
Các phương pháp đo điện áp
 Phương pháp đánh giá trực tiếp: đo trực tiếp bằng các vôn mét
 vôn mét nhiệt điện
 vôn mét tĩnh điện
 vôn mét điện động
 vôn mét điện từ
 vôn mét điện tử
 Nhóm phương pháp so sánh
 Phương pháp vi sai
 Phương pháp chỉnh “0" 
 Phương pháp bù
 Phân loại vôn mét
 Theo dạng chỉ thị (vôn mét tương tự, vôn mét hiện số) 
 Theo giá trị điện áp cần đo (vôn mét biên độ, vôn mét trung 
bình, vôn mét hiệu dụng)
 Theo phạm vi đo (vôn mét, milli vôn mét), dải tần công tác 
(vôn mét cao tần, vôn mét thấp tần), cấu trúc mạch (vôn mét 
biến đổi thẳng, vôn mét biến đổi cân bằng)...Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/31
Vôn mét điện tử loại tương tự
 Vôn mét điện tử (VMĐT) loại tương tự 
được xây dựng trên cơ sở kết hợp các 
bộ tách sóng, bộ khuếch đại và cơ cấu 
đo từ điện
Sơ đồ khối của VMĐT
Cơ cấu đo từ điện
Bộ tách sóng trong VMĐT
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/31
Sơ đồ khối của VMĐT loại tương tự
 VMĐT một chiều
Khuếch đại 
một chiều
I-
Biến đổi 
1C XC
Khuếch đại 
xoay chiều
Chỉ thị
Ux-
Tách sóng
I-
Chỉ thị
~Ux- ~
ưu điểm: đơn giản
Nhược điểm: hiện tượng
trôi điểm “0”
ưu điểm: khắc phục được hiện 
tượng trôi điểm “0”
Nhược điểm: phức tạpBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/31
Sơ đồ khối của VMĐT loại tương tự
 VMĐT xoay chiều
 Chỉ thị của VMĐT thường dùng cơ cấu đo từ điện
Khuếch đại 
một chiều
I-
Khuếch đại 
xoay chiều
Chỉ thị
-
Tách sóng
I-
Chỉ thị
~
Tách sóngUx~
Ux~
ưu điểm: Dải 
tần rộng
Nhược điểm: 
độ nhạy kém
ưu điểm: độ 
nhạy cao
Nhược điểm: 
dải tần hẹp
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/31
Cơ cấu đo từ điện
 Là cơ cấu đo 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
CCĐ từ điện
Cỏc bộ phận CCĐTĐ:
(1) nam chõm vĩnh cửu
(2) lũ xo phản khỏng
(3) chốt giữ lũ xo. 
(4) thang chia độ 
(5) cuộn dõy dẫn điện
(6) kim. 
Volmet từ điện (điện cơ)Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/31
Cơ cấu đo từ điện
 Mô men quay . φ
α α
= =dtt cq
dw dM I
d d
 Trong khe hở của cơ cấu đo cú từ trường đồng nhất, do vậy
 Do vậy, mô men quay . . .qM B S n I=
với - biến thiên từ thông móc vòng qua khung dây vòng
 - là dòng điện qua cuộn cảm
φcd n
I
. .φ α=cd S B nd
2S S rl
r
l
B
n
=






 - diện tích của khung dây 
 - bán kính quay 
 - chiều dài khung dây
 - cảm ứng từ trong khe hở không khí
 - số vòng của khung dây
với
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/31
Cơ cấu đo từ điện
 Tại thời điểm cân bằng mô men: . . . .q pkM M B S n I Dα= ⇔ =
 Do đó
với S0 là độ nhạy của cơ cấu đo từ điện
 Đặc điểm của cơ cấu đo từ điện:
 Thang đo tuyến tính
 Độ nhạy cao
 Tiêu thụ dòng điện nhỏ
 Chịu tải kém
 Thường dùng để chế tạo ampe mét, vôn mét, ôm mét, làm thiết 
bị chỉ thị cho vôn mét điện tử và các cầu đo
0
. . . .B S n I S I
D
α = =
Bộ
 m
ụn
LT
M
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/31
Phương trình thang đo của VMĐT
2 0 1 ~[ . . . ( . )]KD MD PA xN F K K S F K U=
αPhân 
áp
Tách 
sóng
Khuếch 
đại
Mạch 
đo
KPA F1(U~)
I-
CCĐ
Ux~ U- U’-
KKĐ KMĐ
F2( )
S0
 Theo cấu trúc mạch đơn hướng, phương trình thang 
đo của VMĐT có thể viết như sau:
α
U’x~
 P/T thang đo của VMĐT phụ thuộc chủ yếu vào hàm tỏch 
súng.
 Ba loại BTS thường gặp trong VMĐT
BTS biờn độ BTS trung bỡnh BTS hiệu dụng
N
Bộ
 m
ụn
 L
T
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/31
Bộ tách sóng biên độ
 Bộ tách sóng biên độ (TSBĐ) có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều về 
một chiều với giá trị trung bình bằng giá trị biên độ của điện áp xoay chiều.
tT
0
Ux
Uc
U
Đ
C Rt Đ
C
Rt
TSBĐ đầu vào mở TSBĐ đầu vào đóng 
Ux Ux
+
-
+ -
. .Hằng số thời gian nạp ( ) Hằng số thời gian phóng ( )n d p tR C R Cτ τ
+= = Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/31
Bộ TSBĐ với đầu vào mở
 Sau một khoảng thời gian nhất định 
URt = Uc = Um
 Đặc điểm:
 “Mở” với thành phần điện áp một chiều ở đầu vào
Độ nhạy thấp
Dải tần rất rộng
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/31
Bộ TSBĐ với đầu vào đóng
 Sau một thời gian, tụ C được nạp tới giá trị biên độ của 
điện áp hình sin:
Uc ≈ Um
 Điện áp trên tải:
URt = Ux + Uc = Umsin (ωt) + Um = Um [sin (ωt) + 1]
 Khi Ux ở các thời điểm dương cực đại Um+ thì URt = 2Um
 Khi Ux ở các thời điểm âm cực đại Um- thì URt = 0
 Như vậy, giá trị trung bình của điện áp trên tải trong một chu kỳ 
tín hiệu bằng giá trị biên độ Um của điện áp vào Ux.
Bộ
m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/31
Ứng dụng của bộ TSBĐ
 Bộ TSBĐ dựng để chế tạo:
 VMĐT đo cỏc giỏ trị biờn độ, 
trung bỡnh và hiệu dụng của 
điện ỏp hỡnh sin
 Cỏc đầu đo trong cỏc VMĐT, 
cỏc mỏy hiện súng và cỏc 
thiết bị khỏc
RF MillivolmeterBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/31
Bộ tách sóng trung bình
 Bộ tỏch súng trung bỡnh (TSTB) trong vụn một điện tử 
làm nhiệm vụ chỉnh lưu điện ỏp xoay chiều 
 Chỉnh lưu cú thể thực hiện trong nửa chu kỳ và cả chu 
kỳ điện ỏp 
Ux~ Rt Rt
Rt
Ux~ Ux~
CCĐ
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/31
Bộ TSTB
0 0 0
0
1. ( ) . .
Góc quay phần động cơ cấu đo:
=
T
tbS I S K U t d t S K UT
α = =∫
 Ứng dụng của TSTB:
 Chế tạo cỏc đồng hồ vạn năng và cỏc AVO đo giỏ trị điện 
ỏp hiệu dụng của điện ỏp xoay chiều hỡnh sin
Digital MultimeterBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/31
Bộ TSTB
 Cỏc mạch TSTB thực hiện 
theo kiểu mạch cầu
 Mạch TSTB thường mắc thờm bộ 
phận bự tần số: khi tần số điện ỏp 
đo tăng, trở khỏng a-b giảm, trở 
khỏng b-c cũng giảm (do C0), 
phõn bố điện ỏp a-b và c-d khụng 
thay đổi
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/31
Bộ tỏch súng hiệu dụng
 Ba thao tỏc biến đổi khi đo giỏ trị hiệu dụng: 
 bỡnh phương điện ỏp
 lấy giỏ trị trung bỡnh 
 khai căn 
 Bộ tỏch súng hiệu dụng (TSHD) làm nhiệm vụ bỡnh phương điện 
ỏp, cơ cấu đo từ điện cú gúc quay phần động tỷ lệ thuận với giỏ trị 
trung bỡnh của bỡnh phương điện ỏp, cũn việc khai căn thực hiện 
nhờ khắc độ thang đo
 Trong thực tế, sử dụng phương phỏp gấp khỳc gần đỳng để chế 
tạo bộ TSHD
2
0
1 ( )
T
U U t dt
T
= ∫
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/31
Phương phỏp 
gấp khỳc gần đỳng
CCĐ
Đ1 Đ2 Đ3
R’2
R2
R’3
R3
R’4
R4
Đ4 Đ5
R1R5 C U U1 U2 U3
+
-
Đ3
R’2
R2 U1U
+
U1
i
u
i1
u
U1
i2
u
U2
i3
u
U3
i4
ui1 i1+i2
i1+i2+i3
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/31
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 25/31
 Vụn một điện tử loại hiện số được xõy dựng theo 
những nguyờn tắc sau:
Biến đổi thời gian xung
Biến đổi tần số
Biến đổi cõn bằng
Vôn mét số
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/31
Vôn mét số tích phân hai lần
R
C
UX
KĐ
ĐAM
2
1
CM
U
0
K
ĐK
SS
TXC
K
BĐX
HTS
TX f0
NX
Bộ tích phân
ĐK1
T1
UĐK
ĐK3ĐK2
TX
UĐK
T0UTXC t
Un Up
TX
NXUĐX Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/31
Hoạt động của vôn mét số tích phân hai lần
 Bước 1: Bộ điều khiển đưa ra tín hiệu ĐK1 
 chuyển bộ đếm BĐX về trạng thái ban đầu
 đóng khóa K
 chuyển CM về vị trí 1.
Điện áp Ux nạp cho tụ C
 Bước 2: Bộ điều khiển đưa ra tín hiệu ĐK2 
 chuyển CM về vị trí 1
 mở khóa K
 BĐX bắt đầu đếm 
Điện áp U0 nạp cho tụ C
1
10
1 T KD
n KD x x
KU K U dt U T
RC RC
= =∫
0
1 .x
T x
p o o
TU U dt U
RC RC
= =∫Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/30
Hoạt động của vôn mét số tích phân hai lần
 Vỡ Un = Up
 Hay là
 Như vậy mó thiết lập trờn bộ đếm Nx sau thời điểm 
ĐK3 tỷ lệ với điện ỏp cần đo, thụng qua hệ số tỷ lệ
1
.KD x
x
o
K UT T
U
=
x
o
oKD
oxx UU
TfKfTN .1==
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/31
Sai số của vôn mét số tích phân hai lần
 Sai số của vụn một tớch phõn hai lần phụ thuộc
sai số của bộ khuếch đại vào
sự ổn định của cỏc tham số T1, fo, Uo
sai số lượng tử húa
 Khụng phụ thuộc vào tham số bộ tớch phõn
Digital Millimeter
Digital Millimeter
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/31
Sai số của vôn mét số tích phân hai lần
 Nếu chọn T1 = n Tnh thì vôn mét giảm hoặc loại trừ được ảnh hưởng 
của nhiễu có chu kỳ, trong đó có nhiễu nguồn nuôi 50Hz
 Với nhiễu nguồn nuôi Unhsinωt thì ở đầu vào vôn mét tín hiệu có 
dạng:
 Trong bước tích phân thứ nhất ở vôn mét ta có:
 Khi T1 bằng số nguyên lần chu kỳ nhiễu thì
 do đó
tUUU nhxx ωsin
, +=
∫∫
∫
+=
=+=
11
1
00
0
sin1
)sin(1
T
nh
KDT
xKD
T
nhKDxKDn
dttU
RC
KdtUK
RC
dttUKUK
RC
U
ω
ω
1
0
sin 0
T
t dtω =∫
1TURC
KU xKDn =Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 31/31
VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...
CẢM ƠN
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L