Đo dòng điện_chương 8
Trong các đại lượng điện, dòng điện và điện áp là các đại lượng cơ bản nhất. Vậy trong công nghiệp cũng như trong các công trình nghiên cứu khoa học người ta luôn quan tâm đến đo dòng điện phổ biến gồm:
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
CHƯƠNG 8.
ĐO DÒNG ĐIỆN (2 LT)
8.1. Cơ sở chung.
Trong các đại lượng điện, dòng điện và điện áp là các đại lượng cơ bản nhất. Vì
vậy trong công nghiệp cũng như trong các công trình nguyên cứu khoa học người ta
luôn quan tâm đến các phương pháp và thiết bị đo dòng điện.
Các phương pháp đo dòng điện phổ biến gồm:
- Phương pháp đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo dòng điện như ampemét,
mili ampemét, micrô ampemét ... để đo dòng và trực tiếp đọc kết quả trên thang chia
độ của dụng cụ đo.
- Phương pháp đo gián tiếp: có thể dùng vônmét đo điện áp rơi trên một điện
trở mẫu (mắc trong mạch có dòng điện cần đo chạy qua ); thông qua phương pháp
tính toán ta sẽ được dòng điện cần đo.
- Phương pháp so sánh: đo dòng điện bằng cách so sánh dòng điện cần đo với
dòng điện mẫu, chính xác; ở trạng thái cân bằng của dòng cần đo và dòng mẫu sẽ
đọc được kết quả trên mẫu.
Có thể so sánh trực tiếp và so sánh gián tiếp.
8.2. Các dụng cụ đo dòng điện.
8.2.1. Yêu cầu đối với các dụng cụ đo dòng điện:
Các yêu cầu cơ bản bao gồm công suất tiêu thụ và dải tần hoạt động.
a) Công suất tiêu thụ: khi đo dòng điện ampemét được mắc nối tiếp với các
mạch cần đo. Như vậy ampemét sẽ tiêu thụ một phần năng lượng của mạch đo từ đó
gây sai số phương pháp đo dòng. Phần năng lượng này còn được gọi là công suất
tiêu thụ của ampemét PA, được tính:
PA = I A2 .R A
với: I A là dòng điện qua ampemét (có thể xem là dòng điện cần đo)
R A là điện trở trong của ampemét.
Trong phép đo dòng điện yêu cầu công suất tiêu thụ PA càng nhỏ càng tốt, tức là
yêu cầu RA càng nhỏ càng tốt.
b) Dải tần hoạt động: khi đo dòng điện xoay chiều, tổng trở của ampemét còn
chịu ảnh hưởng của tần số:
Z A = RA + X A
với: X A ≈ ωLA là thành phần trở kháng của cuộn dây ampemét.
Để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo, dụng cụ đo xoay chiều phải được
thiết kế chỉ để đo ở các miền tần số sử dụng nhất định (dải tần nhất định). Nếu dùng
dụng cụ đo dòng ở miền tần số khác miền tần số thiết kế sẽ gây ra sai số do tần số.
8.2.2. Các ampemét một chiều:
a) Các đặc tính cơ bản: các ampemét một chiều được chế tạo chủ yếu dựa trên
cơ cấu chỉ thị từ điện với các đặc tính cơ bản sau:
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 1
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
- Dòng cho phép: thường là 10-1 ÷ 10-2A
- Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,05.
- Điện trở cơ cấu: khoảng từ 20Ω ÷ 2000Ω.
Vì vậy muốn sử dụng cơ cấu này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn
dòng qua cơ cấu chỉ thị, phải dùng thêm một điện trở sun phân nhánh nối song song
với cơ cấu chỉ thị từ điện (hình 8.1):
Hình 8.1. Mắc điện trở sun phân nhánh nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện
Sơ đồ cấu tạo của ampemét từ điện trên hình 8.1.
b) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện chỉ có một thang đo: dựa trên các
thông số của cơ cấu chỉ thị từ điện và dòng điện cần đo, có thể tính giá trị điện trở
sun phù hợp cho từng dòng điện cần đo là:
rct
RS = (8-2)
n −1
với: rct : điện trở trong của cơ cấu chỉ thị từ điện
I
n= : hệ số mở rộng thang đo của Ampemét
I ct
I : dòng điện cần đo
Ict : dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu được.
Đối với các ampemét đo dòng điện nhỏ hơn 30A thì sun đặt trong vỏ của
ampemét. Còn các ampemét dùng đo dòng điện lớn hơn hoặc bằng 30A thì sun đặt
ngoài vỏ (coi như một phụ kiện kèm theo ampemét; phần này sẽ nghiên cứu trong
mục đo dòng điện lớn).
c) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có nhiều thang đo: trên cơ sở mắc
sun song song với cơ cấu chỉ thị có thể chế tạo ampemét từ điện có nhiều thang đo.
Hình 8.2 là sơ đồ ampemét từ điện 4 thang đo (I1, I2, I3, I4). Các điện trở sun RS1,
RS2, RS3, RS4 mắc nối tiếp với nhau rồi nối song song với rct. Tính các điện trở sun
RS1, RS2, RS3, RS4 bằng cách lập hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:
rCT I4
R ΣS 4 = = RS 1 + RS 2 + RS 3 + RS 4 ; n4 =
n4 − 1 I CT
rCT + RS 4 I3
R ΣS 3 = = RS 1 + RS 2 + RS 3 ; n3 =
n3 − 1 I CT
rCT + RS 4 + RS 3 I2
RΣS 2 = = RS1 + RS 2 ; n2 =
n2 − 1 I CT
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 2
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
rCT + RS 4 + RS 3 + RS 2 I1
RΣS 1 = = RS 1 ; n1 =
n1 − 1 I CT
Ta có 4 phương trình với 4 ẩn số, giải ra tìm được RS1, RS2, RS3, RS4.
Hình 8.2. Mắc điện trở sun trong ampemét có nhiều thang đo.
Để giữ cho cấp chính xác của ampemét từ điện không thay đổi ở các giới hạn đo
khác nhau, phải chế tạo sun với độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu từ
điện ít nhất là một cấp.
Ví dụ cơ cấu từ điện có cấp chính xác 0,5 thì sun phải có cấp chính xác 0,2. Thường
chế tạo sun bằng mangannin và chỉnh định rất chính xác.
d) Sai số do nhiệt độ ampemét: thường sun được chế tạo bằng các vật liệu có
điện trở suất ít thay đổi theo nhiệt độ như mangannin, do đó điện trở của sun không
thay đổi theo nhiệt độ. Trong khi đó khung quay của cơ cấu chỉ thị làm bằng đồng
có điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo qui luật:
rct = rct 0 (1 + αt )
với: rct : điện trở của cơ cấu ở nhiệt độ t0C
rcto : điện trở của cơ cấu ở 00C
α : hệ số nhiệt độ của dây quấn trên khung quay (đối với đồng a = 0,04%/độ)
- Tính sai số đo nhiệt dộ của ampemét từ điện:
Gọi: I : dòng điện chạy qua Ampemét
Icto, Ict: dòng điện chạy qua cơ cấu chỉ thị ở nhiệt độ 00C, t0C
RA0 : điện trở của Ampemét ở nhiệt độ 00C
RAt : điện trở của Ampemét ở t0C
RS : điện trở sun của ampemét tương ứng với dòng điện I.
Ta có sai số của dòng điện qua cơ cấu chỉ thị:
I I
∆I ct = I ct 0 − I ct = −
n 0 nt
rct 0 + RS rct + RS
với : n0 = ; nt = ; rct = rct 0 (1 + αt )
RS RS
RS RS
⇒ ∆I ct = I . − I.
rcto + RS rct + RS
RS rcto.α .t
∆I ct = I . .
(rcto + RS ) [rcto (1 + αt ) + RS ]
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 3
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
vậy sai số tương đối của ampemét do nhiệt độ là:
∆I ct
γt% = .100(%)
I ct
rct 0 .α .t r .α .t
= .100(%) ≈ ct 0 .100 = α .t.100(%)
rcto + RS rcto
- Khắc phục sai số do nhiệt dộ của ampemét từ điện: ở những dụng cụ đo có
độ chính xác thấp sai số nhiệt độ γt thường nhỏ hơn sai số của cơ cấu. Ở những
dụng cụ đo cấp chính xác cao, γt thường lớn hơn sai số cơ cấu. Để khắc phục nhược
điểm này người ta phải tìm cách loại trừ hoặc giảm sai số do nhiệt độ.
Biện pháp đơn giản nhất là nối tiếp vào mạch cơ cấu chỉ thị một điện trở RT (như
hình 8.3):
Hình 8.3. Mắc điện trở phụ để bù sai số do nhiệt độ.
Theo sơ đồ này, sai số nhiệt độ được tính:
r .α .t + RT .β .t
γ t = ct
rct + RT
với: β : hệ số nở nhiệt của nhiệt điện trở RT.
Để bù hoàn toàn sai số nhiệt độ (γt = 0) phải thỏa mãn điều kiện:
rct .α .t = − RT .β .t
như vậy điện trở RT phải có hệ số nhiệt điện β âm. Giá trị RT được tính :
r .α
RT = ct
−β
khi đó điện trở sun của ampemét được tính là:
rct + RT
RS =
n −1
Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ β càng lớn thì giá trị RT càng nhỏ và RS sẽ nhỏ,
sai số hệ thống đo ampemét gây ra sẽ nhỏ.
Thường dùng RT là nhiệt điện trở bán dẫn. Nhiệt điện trở bán dẫn là phần tử phi
tuyến đối với nhiệt độ. Vì vậy nó chỉ bù hoàn toàn ở một nhiệt độ nhất định. Điều
này khó thực hiện.
Thực tế trong các ampemét từ điện chính xác cao, thường bù nhiệt độ bằng nhiệt
điện trở đồng, phối hợp với điện trở manganin, bố trí mạch theo sơ đồ hình 8.4:
Hình 8.4. Mạch bù sai số do nhiệt độ trong các ampemét từ điện chính xác cao
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 4
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
Trong sơ đồ này: RS, R1, R2 bằng Manganin. Còn rct và R3 bằng đồng. Các điện
trở này phải phối hợp với nhau sao cho khi dòng I không đổi; nhiệt độ thay đổi
nhưng vẫn giữ dòng qua cơ cấu không đổi.
8.2.3. Các ampemét xoay chiều:
Tùy theo phạm vi và mục đích sử dụng mà có các loại ampemét xoay chiều cơ
bản sau:
- Để đo dòng điện xoay chiều miền tần số công nghiệp: thường dùng các
ampemét điện từ, điện động và sắt điện động.
- Đo dòng điện ở miền tần số âm tần và có thể dùng ở nhiều thang đo khác
nhau: thường sử dụng ampemét vòng từ điện chỉnh lưu.
- Đo dòng xoay chiều có tần số cao và siêu cao: thường dùng ampemét nhiệt
điện.
a) Ampemét điện từ : được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu
điện từ được chế tạo với số ampe.vòng nhất định (I.W):
- Cơ cấu cuộn dây tròn: thường có I.W = 200A vòng
- Cơ cấu cuộn dây dẹt: thường có I.W = 100 ÷ 150A vòng
- Cơ cấu có mạch từ khép kín: I.W = 50 ÷ 1000A vòng
Như vậy để mở rộng thang đo của ampemét điện từ chỉ cần thay đổi thế nào để
đảm bảo I.W = const.
- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng phương pháp phân đoạn cuộn
dây tĩnh của cơ cấu điện từ: ampemét điện từ nhiều thang đo được chế tạo bằng
cách chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau, thay đổi cách nối ghép
các phân đoạn (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau.
Ví dụ ampemét điện từ có hai thang đo: ta chia cuộn dây tĩnh thành hai phần
bằng nhau. Nếu nối tiếp hai phân đoạn với nhau ta sẽ đo được dòng điện là 2I (h.8-
5).
Hình 8.5. Mở rộng thang đo của ampemét điện từ:
a) Đo được dòng điện I b) Đo được dòng điện 2I
Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ áp dụng để chế tạo ampemét điện từ có
nhiều nhất là ba thang đo, vì khi tăng số lượng thang đo việc bố trí mạch chuyển
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 5
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
thang đo phức tạp không thể thực hiện được.
- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng cách dùng biến dòng: khi
muốn tăng số lượng thang đo lên nhiều thường kết hợp biến dòng với ampemét điện
từ để mở rộng giới hạn đo dòng xoay chiều.
b) Ampemét điện động: thường dùng để đo dòng điện ở miền tần số cao hơn tần
số công nghiệp (cỡ 400÷2000Hz). Do cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao đối
với tín hiệu xoay chiều vì vậy ampemét điện động cũng có chính xác cao (0,2 ÷ 0,5)
nên thường được sử dụng làm dụng cụ mẫu.
Có hai loại sơ đồ mạch của ampemét điện động :
- Khi dòng điện cần đo nhỏ hơn hoặc bằng 0,5A: thì trong mạch của ampemét
cuộn dây động và cuộn dây tĩnh ghép nối tiếp với nhau (H.8.6a).
- Khi dòng điện cần đo lớn hơn 0,5A: thì trong sơ đồ mạch của ampemét cuộn
dây động và cuộn dây tĩnh ghép song song với nhau (H.8.6b).
Các phần tử R và L trong sơ đồ này dùng để tạo mạch bù sai số do tần số và làm
cho dòng điện trong cuộn dây động và trong cuộn dây tĩnh cùng pha với nhau.
Hình 8.6. Cách sắp xếp mạch ampemét điện động:
a) Mắc nối tiếp; b) Mắc song song
A: cuộn dây tĩnh; B: cuộn dây động
Cách mở rộng thang đo và chế tạo ampemét điện động nhiều thang giống như ở
ampemét điện từ.
Sai số do tần số của các ampemét điện từ và điện động ở tần số vài kHz đến vài
chục kHz khá lớn. Vì vậy để đo dòng điện âm tần người ta thường dùng các
ampemét từ điện chỉnh lưu.
c) Ampemét chỉnh lưu: là ampemét kết hợp cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh
lưu bằng điốt hoặc chỉnh lưu bằng cặp nhiệt ngẫu (gọi là ampemét nhiệt điện).
Các mạch chỉnh lưu thường gặp trong các ampemét chỉnh lưu bao gồm: chỉnh
lưu nửa chu kì: hình 8.7a; chỉnh lưu hai nửa chu kì: hình 8.7b,c,d. Trong các mạch
chỉnh lưu này dùng điốt dòng (Si hoặc Ge).
- Mạch theo hình 8.7b: dòng điện được chỉnh lưu hoàn toàn và qua cơ cấu chỉ
thị, vì vậy hệ số chỉnh lưu cao.
- Mạch theo hình 8.7c: một phần dòng điện được chỉnh lưu và qua cơ cấu chỉ
thị, phần còn lại ở điện trở R, hệ số chỉnh lưu của mạch không cao.
- Mạch theo hình 8.7d: một phần dòng điện được chỉnh lưu và qua cơ cấu chỉ
thị, phần còn lại qua điện trở R, hệ số chỉnh lưu của mạch không cao.
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 6
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
- Nói chung các ampemét chỉnh lưu chính xác không cao vì hệ số chỉnh lưu
thay đổi theo nhiệt độ, trong đó khi nhiệt độ thay đổi, điện trở thuận và ngược của
điốt thay đổi không như nhau (cụ thể khi nhiệt độ tăng, điện trở ngược của điốt
giảm nhiều hơn so với điện trở thuận). Dẫn đến hệ số chỉnh lưu của điốt sẽ giảm.
Hình 8.7. Các dạng ampemét chỉnh lưu
- Cách biến đổi để khắc độ Ampemét chỉnh lưu theo trị hiệu dụng: với cách
bố trí các sơ đồ chỉnh lưu, các ampemét chỉnh lưu sẽ chỉ giá trị trung bình của dòng
xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động... đo dòng xoay
chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng
cụ đo xoay chiều thì các ampemét chỉnh lưu cũng phải khắc độ theo trị hiệu dụng.
Cách biến đổi để khắc độ Ampemét chỉnh lưu theo trị hiệu dụng như sau:
Phương trình đặc trưng của cơ cấu từ điện:
B.S .W B.S .W I B.S .W I
α= .I tb = .I tb . = .
D D I D ( I / I tr .b )
gọi: I / I trb = k d là hệ số hình dáng của dòng điện
B.S .W.I
⇒α =
D.k d
Như vậy khi khắc độ để lấy giá trị hiệu dụng thì thang đo phải chia cho hệ số kd.
Nếu dòng điện có dạng sin thì kd = 1,11
- Một số sơ đồ Ampemét từ điện chỉnh lưu (H.8.8a,b)
Hình 8.8. Bù tần số ở ampemét chỉnh lưu:
a) Bù bằng cuộn cảm trong ampemét chỉnh lưu đo dòng nhỏ.
b) Bù bằng điện dung trong ampemét chỉnh lưu đo dòng lớn.
Đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị một ít): mắc
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 7
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
mạch chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo,
không cần sun.
Đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị: mắc cơ cấu song song với sun
(H.8.8). Ở đây sun làm nhiệm vụ mở rộng giới hạn đo dòng, đồng thời vừa để
bù sai số do nhiệt độ và tần số.
Trong sơ đồ hình 8.8a: RCU để bù nhiệt độ, còn L để bù tần số.
Trong sơ đồ hình 8.8b: dùng C để bù sai số do tần số.
Ngày nay thường chế tạo các dụng cụ chỉnh lưu tổng hợp: vừa đo dòng, áp một
chiều, xoay chiều và điện trở nhờ bộ đổi nối. Các dụng cụ này có nhiều thang đo về
dòng, áp, điện trở nhờ có sử dụng các sun; điện trở phụ nhiều giá trị khác nhau.
Ví dụ thang đo về dòng điện từ 3mA đến 6A; về điện áp từ 75mV đến 600V
(thang 75mV chỉ đo áp một chiều); về điện trở từ 500Ω đến 5MΩ ...
Thang đo của dụng cụ chỉnh lưu với điện xoay chiều và điện một chiều khác
nhau. Do đặc tính V.A của ở dòng điện xoay chiều nhỏ là phi tuyến nên phần đầu
thang đo (10 ÷ 15%) không đều.
- Ưu điểm cơ bản của dụng cụ chỉnh lưu bằng điốt: là độ nhạy cao, tiêu thụ
công suất nhỏ, có thể làm việc ở tần số cao (không có mạch bù tần số có thể dùng ở
tần số 500 đến 2000Hz); có mạch bù tần số có thể dùng đến 50kHz vẫn đảm bảo
chính xác.
- Nhược điểm: là chính xác không cao (khoảng cấp 1,5 ÷ 2,5), các ampemét
chỉnh lưu thường khắc độ theo tín hiệu sin. Nếu dùng các ampemét này đo dòng
điện không sin thì sẽ xuất hiện sai số hình dáng.
d) Ampemét nhiệt điện: cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ cặp nhiệt ngẫu đã
biến dòng điện xoay chiều thành một chiều cấu tạo như hình 8.9:
Hình 8.9. Ampemét nhiệt điện.
- Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện: khi có dòng điện xoay chiều IX
chạy qua sợi dây dẫn làm dây này bị đốt nóng. Nhiệt độ của dây dẫn là:
T0 = k0I2X
với k0 là hằng số, phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn.
Nhiệt độ này làm nóng đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ
xuất hiện sức điện động nhiệt:
Et = k1.T0 = k1k0 I2X = k2 I2X
(k1 cũng là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của cặp nhiệt ngẫu).
Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với cơ cấu chỉ thị từ điện nên suất
điện động Et được đặt lên cơ cấu này sinh ra dòng điện qua cơ cấu làm kim chỉ lệch
một góc α :
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 8
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
B.S .W B.S .W Et
α= .I 0 = .
D D rct + Rn
với: I0 : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị
Rn : điện trở cặp nhiệt ngẫu
rct : điện trở của cơ cấu chỉ thị.
Từ đó có quan hệ giữa góc quay (độ chỉ của chỉ thị) và dòng điện cần đo:
B.S .W k 2 .I X2
α= . = K .I X2
D rct + Rn
Để tăng sức điện động nhiệt Et nhằm dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị
từ điện, người ta thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua
một bộ khuyếch đại một chiều.
- Ưu điểm của ampemét nhiệt điện: là cho phép đo dòng điện ở tần số cao; dải
tần làm việc rộng (từ một chiều đến hàng trăm MHz).
- Nhược điểm của ampemét nhiệt điện: có sai số lớn, khả năng qua tải kém,
công suất tổn hao lớn.
8.3. Đo dòng điện nhỏ.
Đo dòng điện nhỏ tức là dòng IX GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
Bằng cách sử dụng các biện pháp trên đây mới đạt được độ nhạy của điện kế cỡ
10 ÷ 10-14A/m.
-12
Ví dụ về điện kế từ điện có khung quay (H.8.10):
Hình 8.10. Điện kế từ điện có khung quay dùng hệ thống quang học:
1. Khung dây; 2. Dây treo
3. Gương phản chiếu; 4. Dây không mômen
Dòng điện cần đo được dẫn vào khung dây (1) trực tiếp nhờ dây treo (2) và dây
không mômen (4).
Dùng dây treo (2) và gương (3) cùng hệ thống quang học (gương, đèn chiếu
sáng) để tăng độ nhạy. Hệ thống đèn chiếu sáng phát ra chùm tia sáng chiếu lên
gương (3) và phản chiếu lên thang chia độ để lấy số đo - đây là nguyên lí của điện
kế gương.
Hằng số của điện kế gương với cấu trúc loại này phụ thuộc vào khoảng cách
giữa gương và thang chia độ. Thường tính khoảng cách từ gương đến thang chia độ
là 1m.
8.3.2. Tăng độ nhạy bằng khuếch đại điện tử:
Trường hợp này chủ yếu dùng các mạch khuếch đại bán dẫn, vi điện tử...
Trong đo lường các mạch khuếch đại được dùng với các mục đích :
- Tăng độ nhạy về dòng, áp, tức là giảm điện trở vào trường hợp đo dòng và
tăng điện trở vào trường hợp đo áp.
- Nâng cao đặc tính tần của các thiết bị đo.
Đầu ra của các dụng cụ có khuếch đại điện tử được nối với các cơ cấu từ điện (ở
dạng micrôAmpemét 50 ÷ 100µA). Vì vậy vấn đề chủ yếu ở đây không phải là hệ
số khuếch đại mà là biện pháp giảm ngưỡng nhạy tức là phải sử dụng các mạch có
các đặc tính: ít nhiễu, ít trôi điểm không, có quan hệ vào ra tuyến tính...
Nhược điểm của khuyếch đại bán dẫn là nhiễu đầu vào lớn, không hạ thấp được
ngưỡng nhạy của dòng hoặc áp vào.
Thường dùng các bộ khuếch đại vi sai bằng vi điện tử vì công nghệ vi điện tử
bảo đảm hai bán dẫn đồng nhất. Ngoài ra còn dùng khuếch đại một chiều có điều
chế (với nhiễu đầu vào cỡ 5-10 micrôvôn hoặc nanôampe) cũng có thể điều chế
bằng bán dẫn trường để tăng điện trở đầu vào.
8.3.3. Khuếch đại điện kế:
Khuếch đại điện tử và vi điện tử có ngưỡng nhạy cao và ổn định thấp, vì vậy để
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 10
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
giảm ngưỡng nhạy và tăng độ ổn định người ta dùng khuếch đại điện kế kiểu bù.
Đây là thiết bị kết hợp giữa khuếch đại điện tử và điện kế cơ điện.
Sơ đồ khối của khuếch đại điện kế kiểu bù như hình 8.11:
Hình 8.11. Sơ đồ khối của khuếch đại điện kế kiểu bù:
1. Cơ cấu sơ cấp (điện kế)
2. Chuyển đổi đo lường
3. Khuếch đại điện tử
4. Cơ cấu thứ cấp ( thường là cơ cấu chỉ thị
từ điện dưới dạng micrôAmpemét)
a) Nguyên lí làm việc: đại lượng điện cần đo (X) được đưa vào khuếch đại điện
kế; đầu tiên qua cơ cấu sơ cấp, cơ cấu này thưòng là một điện kế có độ nhạy cao,
biến đổi đại lượng điện (X) thành di chuyển góc (α); qua bộ biến đổi đo lường,
chuyển α thành đại lượng điện (X1) đưa vào khuếch đại điện tử rồi đến bộ phận chỉ
thị kết quả đo (4).
Để nâng cao ổn định của hệ thống đo, người ta dùng phản hồi (β) từ đầu ra về cơ
cấu sơ cấp.
Trong khuếch đại điện kế, bộ chuyển đổi đo lường đóng vai trò khá quan trọng.
Vì vậy theo các loại chuyển đổi ta chia khuếch đại điện kế thành: khuếch đại điện
kế cảm ứng, khuếch đại điện kế quang nhiệt, khuếch đại điện kế nhiệt điện, khuếch
đại điện kế tĩnh điện...
Sau đây xét một số ví dụ về cấu tạo, nguyên lí của khuếch đại điện kế:
b) Khuếch đại điện kế cảm ứng (H.8.12):
Hình 8.12. Khuếch đại điện kế cảm ứng:
1. Điện kế từ điện
2. Cuộn dây cảm ứng
3. Chuyển đổi cảm ứng
Dòng điện IX cần đo được đưa vào điện kế từ điện làm cho khung quay của điện
kế lệch so với vị trí ban đầu một góc α; cuộn dây cảm ứng (2) của chuyển đổi cảm
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 11
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
ứng (3) được nối với khung quay điện kế nên cũng lệch một góc α. Đồng thời cuộn
dây cảm ứng khi dịch chuyển sẽ cắt đường sức của chuyển đổi cảm ứng làm sinh ra
sức điện động cảm ứng trong cuộn dây (2). Sức điện động cảm ứng này được
chuyển đến khuếch đại điện tử, chỉnh lưu và đến cơ cấu chỉ thị. Một phần áp ở đầu
ra chỉnh lưu được đưa về bù lại ở đầu vào để tăng độ ổn định ở hệ thống đo.
c) Micrô Ampemét nhiệt điện dùng khuếch đại điện kế quang điện (H.8.13):
Hình 8.13. Khuếch đại quang điện kế
Cấu tạo của thiết bị gồm 3 bộ phận chính:
- Cặp nhiệt ngẫu (chuyển đổi nhiệt điện loại tiếp xúc).
- Khuếch đại điện kế quang điện, bao gồm: điện kế gương (5) được chiếu sáng
nhờ đèn sợi đốt (4) và tia sáng từ gương lại phản chiếu lên hai quang điện trở mắc
mạch với hai nguồn sức điện động tạo áp bù Uk.
- MicrôAmpemét từ điện: làm nhiệm vụ chỉ thị kết quả đo.
MicrôAmpemét nhiệt điện hoạt động như sau: dòng điện cần đo IX qua dây đốt
của cặp nhiệt ngẫu làm xuất hiện sức điện động nhiệt EX ở đầu tự do của cặp nhiệt.
EX được so sánh với Uk.
Nếu EX ≠ Uk thì trong mạch điện kế gương có dòng điện chạy qua, sẽ làm lệch
tia sáng từ đèn đến gương và đến hai quang điện trở (QĐ). Cầu tạo bởi hai quang
điện trở QĐ và hai nguồn sức điện động e mất cân bằng, làm thay đổi dòng qua Rk
và qua µA.
Khi EX = Uk khung quay (gương) của điện kế sẽ đứng yên. Giá trị Rk không đổi;
dòng qua nó tỉ lệ với EX tức là tỉ lệ với dòng IX. Vì vậy người ta khắc độ
micrôAmpemét theo giá trị của dòng cần đo IX.
Nhờ sử dụng điện kế có độ nhạy cao và sơ đồ có mạch bù nên micrôAmpemét
này có độ nhạy khá cao. Đồng thời độ chỉ của micrôAmpemét không phụ thuộc vào
tính chất của đèn chiếu sáng, sự dao động của nguồn cung cấp và các thông số của
tế bào quang địên.
8.4. Đo dòng điện lớn.
8.4.1. Đo dòng một chiều lớn:
Ta có thể dùng các phương pháp và thiết bị đo như sau:
a) Ghép song song các sun: dòng điện cần đo là:
IX = I1 + I2 + .... + Ii + ... + In
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 12
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
với: I1; I2; ... dòng điện định mức ghi trên sun
R1; R2; ... điện trở sun tương ứng
r1; r2; ...; r’1; r’2;... các điện trở được mắc tương ứng với R1; R2; ...
r1 r r
trong mạch áp theo quan hệ: = 2 = ... = i sao cho dòng qua các ri r’i rất nhỏ so
R1 R2 Ri
với dòng qua sun.
Hình 8.14. Đo dòng điện một chiều lớn bằng cách ghép song song các sun
Tiến hành đo U0 là điện áp rơi trên các sun, bằng phương pháp gián tiếp ta sẽ đo
được dòng điện cần đo:
n
1
I X = U 0 .∑
i =1 Ri
phương pháp này đơn giản nhưng không an toàn cho người sử dụng.
b) Đo từ trường sinh ra xung quanh dây dẫn: quan hệ giữa từ cảm B và dòng
điện qua dây dẫn là:
µ
B = 0 .W .I X
δ
với: I X: dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra lực từ F
B : từ cảm
W : số lượng vòng dây quấn trên mạch từ.
δ : khoảng cách giữa hai cực của mạch từ hở (khe hở không khí)
S : Tiết diện của cực từ
µ0 : Hệ số thẩm từ của không khí.
như vậy có thể đo từ cảm B rồi suy ra dòng điện IX.
Muốn đo dòng IX phải tạo mạch từ trở hình xuyến và lồng dây dẫn qua mạch từ
này (H. 8.15):
Hình 8.15. Nguyên lý cấu tạo dụng cụ đo dòng
điện bằng cách đo từ trường xung quanh dây dẫn:
1. Mạch từ hình xuyến
2. Dây dẫn có dòng cần đo IX chạy qua
3. Khe hở không khí
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 13
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
Mạch từ hình xuyến được tạo bởi vật liệu từ mềm (có µ lớn) để cho từ trở của
mạch từ (rm) nhỏ hơn nhiều so với từ trở Rm của khe hở không khí, có thể bỏ qua rm.
Khi dòng IX chạy trong dây dẫn thì trong khe hở không khí (như chứng minh
trên) sẽ có từ cảm B, với mạch từ nhất định thì:
W = const; µ0 = const; δ = const
µ
B = k .I X với k = 0 .W = const
δ
như vậy bằng ccáh đo từ cảm B có thể suy ra dòng điện cần đo IX.
Thường từ cảm B được đo bằng các thiết bị đo từ hoặc bằng chuyển đổi Hall.
Sai số chủ yếu của phương pháp này phụ thuộc vào tính chất phi tuyến của lõi
sắt từ. Nếu đo từ cảm B bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân thì chính xác sẽ
rất cao (0,01%).
c) Đo dòng điện một chiều lớn bằng biến dòng một chiều: biến dòng một chiều
dựa trên cơ sở bộ điều chế từ, tức là dựa trên sự ảnh hưởng của từ trường một chiều
lên lõi sắt từ được kích thích bởi dòng xoay chiều.
Hình 8.16. Sơ đồ nguyên lý của biến dòng một chiều
- Cấu tạo: biến dòng một chiều (H.8.16) gồm hai lõi hình xuyến I, II làm bằng
vật liệu sắt từ (pecmaloi) có hệ số thẩm từ µ lớn. Trên đó quấn hai cuộn dây W1 và
W2 . Cuộn W2 quấn trên lõi sắt II ngược chiều với W1 quấn trên lõi xuyến I. W1 mắc
vào mạch một chiều có dòng cần đo IX chạy qua; W2 mắc vào mạch xoay chiều U2.
- Nguyên lý làm việc: dòng một chiều cần đo IX chạy trong W1 tạo ra sức từ
động IXW1 trong cả hai lõi (I) và (II) (theo chiều như hình vẽ). Dòng i2 chạy trong
W2 tạo ra trong hai xuyến (I) và (II) sức từ động i2W2 (theo chiều như hình vẽ ở nửa
chu kỳ đầu).
Cường độ từ trường trong hai lõi xuyến (I) và (II) được xác định theo định luật
dòng toàn phần :
F1 F2
H1 = ; H2 =
l l
với: F1; F2 : sức từ động tổng trong từng lõi xuyến (I) và (II)
l : chiều dài trung bình của lõi xuyến.
Trong lõi xuyến (I), chiều của F1 và F2 ngược nhau nên ta có:
I X W1 − i2 W2
H1 =
l
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 14
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
Trong lõi xuyến (II), chiều của F1 và F2 trùng nhau nên ta có:
I X W1 + i2 W2
H2 =
l
Giả sử i2 biến thiên theo dạng sin nên khi i2 = 0 thì trong lõi xuyến chỉ còn IX tác
dụng, tức là :
I X W1
H = H1 = H 2 =
l
Dựa vào mối quan hệ giữa cường độ từ trường H và từ cảm B; giữa H và độ
thẩm từ µ (H.8.17) để sét sự tác dụng của i2 trong lõi xuyến và ảnh hưởng đến IX;
tìm mối liên hệ giữa IX và i2:
Hình 8.17. Quan hệ giữa cường độ từ trường H và từ cảm B;
giữa H và độ thẩm từ µ.
Xét trong nửa chu kỳ dương, dòng i2 tăng; cường độ từ trường H2 sẽ tăng còn H1
sẽ giảm. Do mối quan hệ giữa H và µ (H.8.17a) nên khi H2 tăng đến một phạm vi
nào đó độ thẩm từ µ sẽ bằng hằng số (trong lõi (II) ). Trong khi đó H1 trong lõi
xuyến (I) sẽ giảm đến một giá trị H0 (gần đúng H0 ≈ 0; tức là IX.W1 ≈ i2.W2), ở
phạm vi này, độ thẩm từ µ tăng rất nhanh, làm cho điện cảm L2 của cuộn dây W2
(trong xuyến (I) ) cũng tăng nhanh:
W22 µ 0 .S .W22
L2 = =
Rm l
điện cảm L2 thay đổi làm xuất hiện sức điện động cảm ứng EC trong cuộn dây:
dL2
EC = −i2 .
dt
EC có hướng ngược với U2 làm cho i2 không tăng được nữa mà phải có giá trị
thỏa mãn điều kiện:
W1
IX.W1 ≈ i2W2 ⇒ i2 = .I X
W2
Như vậy nếu dùng ampemét đo dòng xoay chiều i2 sẽ suy ra được dòng một
chiều cần đo IX. Và giống như biến dòng xoay chiều: tỉ số W1/W2 là hệ số biến dòng
một chiều.
- Ưu điểm của phương pháp dùng biến dòng một chiều: bảo đảm an toàn cho
người sử dụng; thay đổi thang đo dễ dàng bằng cách thay đổi số lượng vòng dây.
Ngày nay đã chế tạo được biến dòng một chiều với định mức từ 15÷17 kA; cấp
chính xác đến 0,5.
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 15
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 8. ĐO DÒNG ĐIỆN
8.4.2. Đo dòng xoay chiều lớn:
Để đo dòng điện xoay chiều lớn thì phương pháp thông dụng nhất là sử dụng các
ampemét kết hợp biến dòng xoay chiều.
Trong các ampemét điện từ, sức từ động tối đa F = I.W là 200(ampe.vòng), như vậy
nếu số dây là một thì có thể đo được dòng tối đa là 200A. Muốn đo dòng lớn hơn
200A phải dùng các ampemét điện từ, điện động kết hợp với biến dòng.
Biến dòng cũng giống như biến áp đo lường: lõi thường là hình xuyến bằng thép
kĩ thuật điện, trên có quấn hai cuộn dây: sơ cấp W1 và thứ cấp W2 (H.8.18a):
Hình 8.18. a) Nguyên lý cấu tạo của biến dòng
b) Cách mắc ampemét kết hợp với biến dòng.
thường dòng sơ cấp I1 lớn nên số lượng vòng dây W1 ít hơn số lượng vòng dây W2.
Biến dòng làm việc ở chế độ biến áp ngắn mạch vì điện trở trong RA của
ampemét thường nhỏ, ta có:
I1 W2
I1.W1 = I 2 .W2 ⇒ = = kI
I 2 W1
với kI gọi là hệ số biến dòng. Thường biến dòng được chế tạo sẵn có dòng thứ cấp I2
định mức và hệ số biến dòng kI thay đổi phụ thuộc vào dòng sơ cấp I1 với các thang
biến dòng nhất định.
Ví dụ : biến dòng YTT-S của Liên Xô (cũ) có : I2 = 5A còn I1 =15A ;30A; 100A;
200A; 400A; 500A; 600A.
Ứng với mỗi dòng I1 sẽ có k1 nhất định. Để đo dòng điện xoay chiều lớn, phải
kết hợp biến dòng và ampemét xoay chiều có thang đo phù hợp với dòng thứ cấp I2
của biến dòng.
Ví dụ : I2đ.m = 5A thì phải chọn ampemét có thang đo Iđ.m = 5A.
Mắc biến dòng và Ampemét vào mạch đo như hình 8.18b.
Đọc kết quả phép đo trên ampemét (I2) kết hợp với hệ số biến dòng ta sẽ được
dòng cần đo:
I1 = k1.I2
Sai số của phép đo phụ thuộc sai số của cả biến dòng và sai số của ampemét.
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 16
