Giáo trình Đo lường điện và điện tử - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

Chia sẻ: Cuahuynhde Cuahuynhde | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Đo lường điện và điện tử với mục tiêu nhằm giúp các bạn Nắm vững các phương pháp đo lường điện – điện tử cơ bản. Mô tả được nguyên lý cấu tạo, tính năng kỹ thuật của các máy đo chuyên dụng VOM, DMM, Osilloscope, các máy phát tín hiệu, máy tạo hàm trong thực nghiệm để đo các đại lượng điện: I, U, R, L, C và đo các tham số tín hiệu: biên độ, chu kỳ, tần số, góc pha. Sử dụng thành thạo các máy đo chuyên dụng VOM, DMM, Osilloscope, các máy phát tín hiệu trong đo kiểm phục vụ sửa chữa, bảo hành các thiết bị điện, điện tử dân dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Đo lường điện và điện tử - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

11 TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chủ biên: TRẦN THỊ THU HUYỀN -------***--------- GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ( Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI 2012
12 LỜI NÓI ĐẦU Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế. Nội dung của giáo trình “ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành. Xin trân trọng cảm ơn!
13 Tuyên bố bản quyền Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thông tin có thể được tham khảo. Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành. Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền. Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình. MỤC LỤC
14 TRANG Lời giới thiệu...................................................................................................2 Bài 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 11 1. Định nghĩa đo lường. 11 1.1. Định nghĩa. .................................................................................... 11 1.2. Ví dụ. ............................................................................................. 11 2. Đại lượng điện và đại lượng không điện. 11 2.1. Đại lượng điện. .............................................................................. 11 2.2. Đại lượng không điện..................................................................... 13 3. Phân loại phương pháp đo 13 3.1. Phân loại theo thao tác đo .............................................................. 13 3.2. Phân loại theo phương pháp và kỹ thuật đo .................................... 13 3.3. Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện. .............. 14 4. Đơn vị, hệ đơn vị đo lường. 15 4.1. Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (Système International d’Unites).... 16 4.2. Ước, bội thập phân của các đơn vị cơ bản. ..................................... 16 5. Sai số, phân loại, cấp chính xác của dụng cụ đo điện. 17 5.1. Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số .......................................... 18 5.2. Phân loại theo biểu thức diễn đạt sai số .......................................... 18 5.3. Cấp chính xác của đồng hồ đo điện. ............................................... 19 6. Các bộ phận chủ yếu của máy đo. 20 6.1. Khái niệm. ..................................................................................... 20 6.2. Mạch đo. ........................................................................................ 20 6.3. Cơ cấu đo. ...................................................................................... 21 6.4. Cơ cấu chỉ thị ................................................................................. 22 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ............................................................................. 25 Bài 2. MÁY ĐO ĐA DỤNG VOM, DMM....................................................... 30 1. Các thông số kỹ thuật của máy đo VOM 30 1.1. Khái niệm chung. ........................................................................... 30 1.2. Độ nhạy của đồng hồ. .................................................................... 33 1.3. Cấp chính xác. ............................................................................... 34
15 1.4. Tính thăng bằng. ............................................................................ 34 2. Sơ đồ khối chức năng của VOM 34 3. Nguyên lý cấu tạo mạch đo trong VOM 35 3.1. Mạch đo dòng DC. ......................................................................... 35 3.2. Mạch đo áp DC. ............................................................................. 38 3.3. Mạch đo điện trở. ........................................................................... 40 3.4. Đo điện áp AC ............................................................................... 42 4. Máy đo đa dụng chỉ thị số DMM 42 4.1. Các tham số kỹ thuật của DMM (Digital Multimeter) .................... 42 4.2. Sơ đồ khối chức năng của DMM.................................................... 44 5. Sử dụng và bảo quản VOM, DMM 44 5.1. Sử dụng và bảo quản VOM. ........................................................... 44 5.2. Bảo quản VOM. ............................................................................. 46 5.3. Sử dụng và bảo quản DMM. .......................................................... 46 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .................................................................................. 48 Bài 3. ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VOM ............................................................... 49 1. Các phương pháp đo điện trở 49 1.1. Phương pháp đo gián tiếp ............................................................... 49 1.2. Phương pháp mạch cầu .................................................................. 50 1.3. Phương pháp đo trực tiếp ............................................................... 51 2. Sử dụng VOM để đo điện trở 53 2.1. Phép thử liền mạch......................................................................... 53 2.2. Đo thử và kiểm tra các phần tử mạch: R, L, C................................ 55 2.3. Đo thử và kiểm tra các linh kiện bán dẫn ....................................... 59 3. Bảo quản VOM. 64 CÂU HỎI ÔN TẬP .......................................................................................... 64 Bài 4. ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP BẰNG VOM ..................................... 66 1. Đo dòng điện và điện áp một chiều 66 1.1. Mạch đo dòng điện một chiều trong VOM ..................................... 66 1.2. Mạch đo điện áp một chiều. .......................................................... 70 1.3. Sử dụng VOM đo dòng điện và điện áp một chiều. ........................ 72
16 2. Đo dòng điện và điện áp xoay chiều 74 2.1. Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều. .................................................... 74 2.2. Sử dụng VOM đo điện áp xoay chiều. ........................................... 75 3. Bảo quản máy đo VOM. 76 CÂU HỎI ÔN TẬP .......................................................................................... 77 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ............................................................................. 77 Bài 5. DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ .............................................. 83 1. Nguyên lý cấu tạo, tính năng và các thông số kỹ thuật 83 1.1. Sơ đồ khối của dao động ký ........................................................... 84 1.2. Nguyên tắc vẽ dao động đồ của dao động ký ................................. 84 1.3. Bố trí mặt máy và các núm chức năng cơ bản của dao động ký...... 85 2. Kiểm tra và cài đặt chế độ ban đầu cho dao động ký 89 2.1. Kiểm tra tổng thể. .......................................................................... 89 2.2. Sử dụng nguồn tín hiệu chuẩn VCAL trong máy. ............................. 91 2.3. Sử dụng các chế độ của OSC 2 kênh .............................................. 92 3. Chuẩn độ cho dao động ký 95 3.1. Kiểm tra và đặt đường mức một chiều DC ..................................... 95 3.2. Hiệu chỉnh đầu đo (probe).............................................................. 96 3.3. Khảo sát việc chuẩn độ hệ tọa độ lưới X-Y .................................... 97 3.4. Hiệu chỉnh đồng bộ của dao động ký. ............................................ 99 CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 100 Bài 6. DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ SỐ ........................................................... 101 1. Nguyên lý cấu tạo, tính năng và các thông số kỹ thuật 101 1.1. Sơ đồ khối của dao động ký. ........................................................ 101 1.2. Bố trí mặt máy và các núm điều khiển chức năng cơ bản. ............ 102 2. Kiểm tra và cài đặt chế độ ban đầu cho dao động ký. 107 3. Chuẩn độ cho dao động ký 109 3.1. Kích hoạt kênh đo ........................................................................ 109 3.2. Sử dụng chức năng Autoset.......................................................... 109 3.3. Chạy và dừng chế độ Trigger. ...................................................... 110 3.4. Thay đổi vị trí và thang độ ngang Time/DIV ............................... 111
17 3.5. Thay đổi vị trí và thang độ dọc Volts/DIV ................................... 111 3.6. Sử dụng tín chuẩn trong máy. ...................................................... 111 3.7. Tự động đo lường tín hiệu đầu vào .............................................. 113 3.8. Con trỏ đo lường .......................................................................... 114 4. Sử dụng và bảo quản dao động ký số 116 CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 117 Bài 7. MÁY PHÁT TÍN HIỆU CHUẨN ........................................................ 118 1. Khái niệm chung 118 2. Máy phát hàm 119 2.1. Tính năng kỹ thuật ....................................................................... 119 2.2. Sơ đồ chức năng........................................................................... 112 2.3. Sử dụng máy phát hàm................................................................. 113 3. Máy phát sóng âm tần (Audio Generator) 115 3.1. Tính năng kỹ thuật. ...................................................................... 115 3.2. Sơ đồ chức năng........................................................................... 117 3.3. Sử dụng máy phát sóng âm tần..................................................... 118 4. Máy phát tín hiệu điều chế 130 4.1. Khái niệm .................................................................................... 130 4.2. Máy phát tín hiệu điều chế AM, FM ............................................ 132 5. Bảo quản máy phát tín hiệu 133 CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 134 Bài 8. ĐO BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU.......................................................................136 1.1. Sơ đồ đấu nối thiết bị cho phép đo ............................................... 136 1.2. Chức năng của các thiết bị trong phép đo ..................................... 138 1.3. Các bước thực hiện phép đo ......................................................... 139 2. Đo biên độ của tín hiệu 140 2.1. Chuẩn độ dao động ký. ................................................................ 140 2.2. Đo điện áp một chiều. .................................................................. 141 2.3. Đo biên độ điện áp tín hiệu. ......................................................... 143 3. Bảo quản thiết bị đo 145 CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 145
18 Bài 9 .............................................................................................................. 147 ĐO TẦN SỐ VÀ GÓC PHA TÍN HIỆU ........................................................ 147 1. Phương pháp đo tần số và góc pha của tín hiệu 147 1.1. Khái niệm chung .......................................................................... 147 1.2. Sơ đồ đấu nối thiết bị cho phép đo ............................................... 148 1.3. Các bước thực hiện phép đo. ........................................................ 149 2. Đo tần số của tín hiệu 150 2.1. Đấu nối thiết bị đo ....................................................................... 150 2.2. Điều chỉnh thiết bị đo. .................................................................. 150 2.3. Đọc và tính kết quả. ..................................................................... 151 3. Đo độ di pha 152 3.1. Đấu nối thiết bị. ........................................................................... 152 3.2. Điều chỉnh thiết bị........................................................................ 153 3.3. Đọc kết quả. ................................................................................. 153 4. Bảo quản thiết bị đo 154 CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 154 ĐÁP ÁN CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................ 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 155
19 TÊN MÔ ĐUN: ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Mã mô đun: MĐ 11 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung và môn học điện kỹ thuật và MĐ10 ở học kỳ 1. - Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Trang bị cho học sinh các phương pháp và kỹ thuật đo lường điện - điện tử. Rèn luyện kỹ năng sử dụng các dụng cụ và thiết bị đo chuyên dụng trong đo kiểm, sửa chữa, bảo dưỡng các thiết bị điện, điện tử dân dụng. Mục tiêu của mô đun:  Nắm vững các phương pháp đo lường điện – điện tử cơ bản.  Mô tả được nguyên lý cấu tạo, tính năng kỹ thuật của các máy đo chuyên dụng VOM, DMM, Osilloscope, các máy phát tín hiệu, máy tạo hàm trong thực nghiệm để đo các đại lượng điện: I, U, R, L, C và đo các tham số tín hiệu: biên độ, chu kỳ, tần số, góc pha.  Sử dụng thành thạo các máy đo chuyên dụng VOM, DMM, Osilloscope, các máy phát tín hiệu trong đo kiểm phục vụ sửa chữa, bảo hành các thiết bị điện, điện tử dân dụng.  Kỹ năng phán đoán và xử lý các sự cố bất thường và hư hỏng thông qua các phép đo kiểm. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Số Tên các bài trong mô đun TT Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra* Khái niệm về đo lường điện tử 6 05 01 0 Máy đo đa dụng VOM/DMM 6 05 01 0 Đo điện trở bằng VOM 3 01 02 0 Đo điện áp bằng VOM 3 01 02 0 Đo dòng điện bằng VOM 2 01 01 0
20 Dao động ký 13 05 08 0 Máy phát sóng tín hiệu chuẩn 10 02 07 01 Máy đếm tần số 4 02 02 0 Đo tần số của tín hiệu 5 02 02 01 Đo góc pha của tín hiệu 5 02 02 01 Đo biên độ của tín hiệu 3 01 02 0 Cộng 60 27 30 3 Bài 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG Mã bài: MĐ 11 01 Mục tiêu: - Kiến thức: Nắm vững những khái niệm cơ bản của kỹ thuật đo lường: đại lượng đo, đơn vị đo, phương pháp đo, cơ cấu đo và chỉ thị. - Kỹ năng:  Mô tả được sơ đồ nguyên tắc và thiết kế được cấu hình của một hệ đo lường.  Phân biệt được các đại lượng đo điện, đại lượng không điện.  Viết đúng đơn vị các đại lượng đo.  Biết tính sai số phép đo, cấp chính xác của đồng hồ đo điện.  Giải thích được nguyên tắc các cơ cấu đo và chỉ thị trong đo lường. - Thái độ: Rèn luyện đức tính cẩn thận, chu đáo và khoa học. Nội dung chính: 1. Định nghĩa đo lường. Mục tiêu: Nắm được các khái niệm và trả lời được các câu hỏi sau: - Đo lường là gì ? - Định nghĩa đo lường ? - Phương trình đo lường ?
21 Đo lường là quá trình lượng hóa đại lượng đo để có thể biết đại lượng đo lớn hay bé, cao hay thấp, to hay nhỏ, dài hay ngắn, nặng hay nhẹ, nóng hay lạnh, v.v… Phép đo thực chất là phép so sánh đại lượng đo với mẫu, hay chuẩn quy ước (gọi là đơn vị đo), từ đó đánh giá định lượng bằng số kết quả đo. 1.1. Định nghĩa. Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đại lượng đo bằng cách so sánh đại lượng đo với đơn vị. Phép đo có thể biểu diễn bằng phương trình: X A = (1.1) X0 Trong đó: X - đại lượng đo, X0 - đơn vị đo (hay mẫu), A - giá trị bằng số của đại lượng đo. Kết quả phép đo thường được biểu diễn dưới dạng: X = A.X0 (1.2) 1.2. Ví dụ. Biểu diễn số đo của một số đại lượng vật lý ta viết:  Cường độ dòng điện trong mạch là : I = 5A  Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch là : U = 25V  Điện trở của dây dẫn là : R = 2,  Nhiệt độ sôi của nước là : T = 1000C  Chiều dài quãng đường là : l = 2500 m.  Vận tốc trung bình của xe ô tô là : v = 40 km/h.  v.v… Trong các ví dụ trên thì: I, U, R, T, l, v, … là các đại lượng đo; A, V, , 0C, m, km/h,… là các đơn vị đo, còn các con số đứng trước chính là giá trị bằng số của đại lượng đo tương ứng. 2. Đại lượng điện và đại lượng không điện. Mục tiêu: Phân biệt và định nghĩa được đại lượng điện, đại lượng không điện. Căn cứ vào tính chất điện của các đại lượng vật lý người ta phân các đại lượng đo ra các đại lượng điện và các đại lượng không điện.
22 2.1. Đại lượng điện. Là những đại lượng vật lý được dùng để mô tả các tính chất điện, các hiện tượng và các quá trình điện từ trong tự nhiên. Các đại lượng điện lại được chia ra 2 loại: tác động (active) và thụ động (passive).  Đại lượng điện tác động (active). Là những đại lượng lượng có mang năng lượng như dòng điện, điện áp, công suất. Khi đo các đại lượng điện năng lượng của đại lượng đo sẽ tác động lên mạch đo và cơ cấu đo để làm quay phần động của cơ cấu chỉ thị.  Đại lượng điện thụ động (passive). Là những đại lượng bản thân không mang năng lượng. Các phần tử mạch như điện trở R, điện cảm L, điện dung C, trở kháng Z … là những đại lượng thụ động. Khi đo chúng cần phải cung cấp nguồn cho mạch đo để tạo ra các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện trong mạch. 2.2. Đại lượng không điện. Dùng để mô tả các tính chất, các hiện tượng và các quá trình phi điện. Hầu hết các đại lượng vật lý là các đại lượng không điện, chẳng hạn như:  Các đại lượng cơ: chiều dài, khối lượng, thời gian, ….  Các đại lượng nhiệt: nhiệt độ, nhiệt lượng,…  Các đại lượng quang: quang thông, cường độ sáng, v.v… Hầu hết các đại lượng vật lý bắt gặp trong thực tế đều là không điện. 3. Phân loại phương pháp đo Mục tiêu: Phân loại và mô tả được nguyên tắc của các phương pháp đo. 3.1. Phân loại theo thao tác đo Đo lường là quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị. Tùy thuộc vào thao tác thực hiện phép đo mà người ta chia ra các phương pháp đo: trực tiếp, gián tiếp, hợp bộ, thống kê. Đo trực tiếp: Là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất.Ví dụ, đo dòng điện bằng ampe kế, đo điện áp bằng vôn kế, đo điện trở bằng ôm kế, v.v… Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo trực tiếp. Ví dụ đo điện trở bằng phương pháp V-A ta phải thực hiện 2 phép đo trực tiếp: thứ nhất dùng ampe kế đo dòng I chạy qua điện trở, thứ 2 dùng vôn kế đo sụt áp U ở 2 đầu điện trở. Giá trị điện trở cần đo được tính theo định luật Ôm: R = U/I. Đo hợp bộ: Là cách đo gần giống như phép đo gián tiếp nhưng số lượng phép đo trực tiếp nhiều hơn và kết quả đo nhận được thường phải thông qua việc
23 giải một phương trình hay một hệ phương trình mà các thông số đã biết chính là các số liệu đo được. Đo thống kê: Là phép đo với số lần đo đủ lớn sau đó lấy giá trị trung bình. Phép tính thống kê cho phép nâng cao độ tin cậy cũng như độ chính xác của phép đo. Đo lường học: Là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo. Kỹ thuật đo lường: Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng các thành tựu của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. 3.2. Phân loại theo phương pháp và kỹ thuật đo Theo phương pháp và kỹ thuật thực hiện phép đo người ta chia ra: đo điện và đo không điện. Đo điện: Là phương pháp đo sử dụng tín hiệu điện (điện áp, dòng điện) để biến đổi và xử lý kết quả và sử dụng các dụng cụ đo điện để chỉ thị. Các tín hiệu điện sử dụng trong hệ thống đo điện có thể ở dạng tương tự (analog) hoặc dạng số (digital). Tín hiệu tương tự có thể là dòng điện, điện áp một chiều hoặc xoay chiều và để chỉ thị các đại lượng đo tương tự thường dùng các dụng cụ đo cơ điện. Các tín hiệu digital thường ở dạng xung hoặc số. Trong trường hợp này phải sử dụng các mạch điện tử để xử lý tín hiệu và thường dùng các bộ chỉ thị số để hiển thị kết quả. Phương pháp đo điện thường đơn giản, dễ thực hiện, có độ chính xác cao và đặc biệt có thể đo từ xa vì tín hiệu điện dễ dàng biến đổi, khuếch đại và truyền dẫn bằng các phương pháp xử lý khác nhau nhờ kỹ thuật điện tử. Các máy đo điện có kết hợp các mạch biến đổi điện tử làm tăng độ nhạy, độ chính xác, phạm vi và giới hạn đo của các dụng cụ đo điện. Các máy đo hiện đại thường là sự kết hợp các mạch đo điện – điện tử với nhiều tính năng, tiện ích cho người dùng. Đặc biệt có thể hiển thị theo quá trình, lưu trữ kết quả, in ấn và tự động hóa quá trình đo lường. Đo không điện: Là phương pháp đo trực tiếp các đại lượng không điện bằng các dụng cụ đo không điện. Ví dụ đo nhiệt độ bằng nhiệt kế thủy ngân. Đo chiều dài bằng thước mét. Đo tốc độ quay bằng bộ truyền động hộp số v.v… Các dụng cụ đo không điện thường có dạng đơn giản, độ chính xác giới hạn và khó hoặc không thể đo lường được từ xa. 3.3. Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện. Do các đặc tính ưu việt của phương pháp đo điện, nên ngày nay các dụng cụ đo điện được sử dụng trong hầu hết các hệ thống đo lường và có thể đo được tất cả các đại lượng vật lý. Để đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện người ta phải sử dụng các bộ chuyển đổi đo lường để chuyển các tín
24 hiệu không điện thành tín hiệu điện, sau đó dùng hệ thống đo điện để xử lý và đo đạc. Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp chỉ ra trên hình 1.1. Hình 1 1. Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện Các bộ chuyển đổi đo lường đóng vai trò như các nhà “phiên dịch” chuyển ngôn ngữ “không điện” lối vào thành ngôn ngữ “điện” lối ra. Chúng thường là các bộ cảm biến (sensor), là các đầu dò thu nhận tín hiệu không điện cần đo lối vào và biến đổi chúng thành tín hiệu điện lối ra. Tùy thuộc vào tín hiệu lối vào là cơ, nhiệt, quang, hóa,… mà ta sẽ sử dụng các bộ chuyển đổi tương ứng:  Chuyển đổi cơ – điện  Chuyển đổi nhiệt – điện  Chuyển đổi quang – điện  Chuyển đổi hóa – điện,  Chuyển đổi bức xạ và ion hóa  v.v… 4. Đơn vị, hệ đơn vị đo lường. Mục tiêu: Nắm vững các khái niệm: đơn vị đo, đơn vị cơ bản, đơn vị vẫn xuất, hệ đơn vị quốc tế SI. Bội và ước của đơn vị cơ bản. Đo là đánh giá định lượng đại lượng đo bằng cách so sánh đại lượng đo với mẫu hay đơn vị. Để biểu diễn các đại lượng đo dưới dạng một con số, phải chọn “cỡ” cho nó, nghĩa là lượng hóa nó, ta phải chọn đơn vị đo. Về mặt nguyên tắc, theo (1.1) ta có thể chọn đơn vị là một lượng tùy ý. Tuy nhiên giá trị của nó phải phù hợp với thực tế và tiện lợi khi sử dụng. Năm 1832, nhà toán học Đức K. Gauss đã chỉ ra rằng, nếu như chọn 3 đơn vị độc lập để đo chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) - thì trên cơ sở 3 đại lượng này nhờ các định luật vật lý, có thể thiết lập được đơn vị đo của tất cả các đại lượng vật lý còn lại. Tập hợp các đơn vị đo theo nguyên tắc Gauss đã đưa ra hợp thành hệ đơn vị đo lường. Đơn vị đo các đại lượng vật lý cơ bản (khối lượng, thời gian, độ dài, ...) được chọn một cách độc lập, chúng thể hiện những tính chất cơ bản của thế giới vật chất được gọi là các đơn vị cơ bản. Các đơn vị cơ bản được định nghĩa theo
25 chuẩn gốc quốc tế với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật có thể đạt được. Các đơn vị được thành lập trên cơ sở các đơn vị cơ bản thông qua các công thức biểu diễn các định luật vật lý dùng để đo các đại lượng vật lý dẫn xuất được gọi là các đơn vị dẫn xuất. Phần lớn các đơn vị trong vật lý học là đơn vị dẫn xuất. Phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa các đơn vị dẫn xuất và các đơn vị cơ bản gọi là công thức thứ nguyên. Đơn vị của một đại lượng cơ bất kỳ có thể biểu diễn qua phương trình thứ nguyên (1.3) dim X  L p M qT r (1) (1.3) 4.1. Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (Système International d’Unites). Năm 1960, Đại hội toàn thể lần thứ XI tại Pari của Ủy ban quốc tế về đo lường đã chính thức thông qua hệ đơn vị đo lường quốc tế SI. Hệ SI được hàng loạt các tổ chức Quốc tế như Tổ chức Quốc tế về Tiêu chuẩn và Đo lường (ISO), các Ủy ban Tiêu chuẩn của Hội đồng kinh tế Châu Âu, Hội đồng tương trợ kinh tế các nước XHCN (cũ), mà Việt Nam là thành viên thừa nhận. Trên bảng 1.1 trình bày tên gọi, ký hiệu và đơn vị đo của 7 đại lượng vật lý cơ bản, 2 đơn vị bổ trợ dùng để đo góc phẳng và góc khối. Các đơn vị còn lại trong vật lý học đều là các đơn vị dẫn xuất. Bảng 1.1 Các đại lượng vật lý Đơn vị đo STT Tên gọi Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu 1 Chiều dài l metre m 2 Khối lượng m kilogram kg 3 Thời gian t second (giây) s 4 Nhiệt độ T Kelvin K 5 Cường độ dòng điện I Ampere A 6 Cường độ sáng J candela cd 7 Lượng vật chất n mole mol 8 Góc phẳng  radian rad 9 Góc khối  steradian sr 1 ( ) dim là viết tắt của từ Latinh dimensio nghĩa là thứ nguyên
26 4.2. Ước, bội thập phân của các đơn vị cơ bản. Tên (hoặc ký hiệu) của các ước và bội thập phân của các đơn vị SI được lập nên bằng cách ghép liền trước tên (hoặc ký hiệu) của một đơn vị SI một tên (hoặc ký hiệu) ghi trong bảng 1.2 dưới đây. Chú ý. 1. Các ký hiệu bội số của đơn vị cơ bản từ Mega (106) đến Yotta (1024) được viết bằng chữ cái IN HOA, các ký hiệu ước và bội còn lại đều phải viết bằng chữ in thường. 2. Tên (hoặc ký hiệu) của ước, bội thập phân được ghép liền với tên (hoặc ký hiệu) của đơn vị (không có khoảng cách). Ví dụ: milimét (mm), kilomét (km). Riêng tên (hoặc ký hiệu) của các ước, bội thập phân đơn vị khối lượng được lập bằng cách ghép liền trước tên (hoặc ký hiệu) của đơn vị "gam" (hoặc ký hiệu là g) một tên (hoặc ký hiệu) trong bảng trên (1g = 0,001 kg = 10-3kg). 3. Không ghép liền hai tên (hoặc ký hiệu) của các ước, bội cho trong bảng trên. Ví dụ: phải viết nanomét (nm) cho 10-9m, không được viết milimicromét (mm). 4. Ngoài hệ đơn vị SI, tồn tại một số hệ đơn vị khác như hệ CGS, hệ CGSC, CGSM, CGSE, MKSC, MKGSC, CGSM, MKSA, CGSM, v.v.. Khi chuyển đổi từ hệ đơn vị này sang hệ đơn vị khác phải tra cứu bảng chuyển đổi hệ đơn vị tương ứng. Bảng 1. 2. Ước và bội thập phân của các đơn vị cơ bản Tên gọi Ký hiệu Ước số Tên gọi Ký hiệu Bội số deci d 10-1 deca da 101 centi c 10-2 hecto h 102 mili m 10-3 kilo k 103 micro  10-6 mega M 106 nano n 10-9 giga G 109 pico p 10-11 tera T 1011 femto f 10-15 peta P 1015 atto a 10-18 exa E 1018 zepto z 10-21 zetta Z 1021
27 yocto y 10-24 yotta Y 1024 5. Sai số, phân loại, cấp chính xác của dụng cụ đo điện. Mục tiêu: Biết cách phân loại và nguyên gây ra sai số. Cấp chính xác của dụng cụ đo điện. Tính được sai số phép đo trong thực nghiệm. Bất kỳ phép đo nào cũng mắc phải sai số. Các nguyên nhân gây ra sai số thì có nhiều, do các yếu tố khách quan và chủ quan khác nhau. Các nguyên nhân khách quan chẳng hạn như: dụng cụ đo lường không hoàn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu nên không hoàn toàn ổn định... Các nguyên nhân chủ quan như: phương pháp đo không hợp lý, bản thân người tiến hành thực nghiệm không thành thạo, thiếu kinh nghiệm... Để phân loại sai số có thể dựa vào các tiêu chí khác nhau: Theo nguồn gốc phát sinh sai số, phân loại theo quy luật xuất hiện sai số hoặc phân loại theo biểu thức diễn đạt sai số. 5.1. Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số 5.1.1. Sai số hệ thống. Sai số hệ thống do những yếu tố thường xuyên hay các yếu tố có quy luật tác động. Nó khiến kết quả đo lần nào cũng mắc phải một sai số như nhau. Tùy theo nguyên nhân mà sai số hệ thống có thể phân ra các nhóm sau:  Do dụng cụ, máy đo chế tạo không hoàn hảo. Ví dụ thang độ của máy không được chuẩn, kim đồng hồ không chỉ đúng vị trí số 0 ban đầu...  Do phương pháp đo, hoặc do cách dùng phương pháp đo không hợp lý. Hoặc khi tính toán, xử lý kết quả đo đã bỏ qua các yếu tố nào đấy làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.  Do yếu tố khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường khác với điều kiện tiêu chuẩn... Sai số hệ thống có thể được loại trừ sau khi biết nguyên nhân gây ra bằng cách chuẩn lại thang độ, đặt lại số “0” ban đầu ... 5.1.2. Sai số ngẫu nhiên. Là sai số do các yếu tố bất thường, không có quy luật gây ra, chẳng hạn sự thay đổi đột ngột của điện áp nguồn. Các nhiễu loạn bất thường của khí hậu, thời tiết, môi trường trong quá trình đo. Khác với sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ được hoàn toàn vì mỗi lần đo ta được một kết quả khác nhau, không theo một quy luật xác định nào. Chỉ biết là kết quả trung bình của nhiều lần đo tiến dần đến giá trị đúng và sai số ngẫu nhiên của kết quả trung bình tiến dần tới không. Nói cách
28 khác, đối với sai số ngẫu nhiên chỉ có thể xử lý bằng lý thuyết thống kê và lý thuyết xác suất. 5.2. Phân loại theo biểu thức diễn đạt sai số 5.2.1. Sai số tuyệt đối. Sai số tuyệt đối được định nghĩa là độ chênh lệch giữa giá trị thực của đại lượng đo và trị số đo được bằng phép đo: a  aT - am (1.3) Trong đó: aT - giá trị thực của đại lượng đo am - giá trị đo được bằng phép đo. Tuy nhiên, do aT ta chưa biết, nên trong thực tế người ta thường lấy giá trị gần đúng của aT bằng cách đo nhiều lần và xem giá trị trung bình số học của n lần đo gần đúng với aT. 1 n aT  a  ami (1.4) n i 1 Và giá trị của a cũng dùng giá trị trung bình số học: 1 n 1 n a   ai   ai  a (1.5) n i 1 n i 1 5.2.2. Sai số tương đối. Để đánh giá độ chính xác của phép đo, người ta dùng sai số tương đối a và biểu diễn ra phần trăm: a  a (%)   100% (1.6) a Thực tế, thường biểu diễn bằng giá trị gần đúng trung bình của nó: a  a (%)   100% (1.7) a 5.3. Cấp chính xác của đồng hồ đo điện. Để đánh giá độ chính xác của đồng hồ đo điện, người ta dùng khái niệm cấp chính xác của dụng cụ, được định nghĩa là: amax %   100% (1.8) Amax Trong đó: amax – là sai số tuyệt đối lớn nhất của dụng cụ đo ở thang đo tương ứng; Amax – là giá trị lớn nhất của thang đo. Dụng cụ đo điện được quy định có 8 cấp chính xác sau:
29 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 và 5. Cấp chính xác thường được ghi trên mặt của đồng hồ đo. Biết cấp chính xác ta có thể tính được sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép của phép đo: amax = % . Amax / 100 (1.9) Ví dụ: Một miliampekế có thang độ lớn nhất Amax = 100mA, cấp chính xác là 2,5. Sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép sẽ là: amax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA Vượt quá giá trị 2,5mA này đồng hồ sẽ không còn đạt cấp chính xác 2,5 nữa. 6. Các bộ phận chủ yếu của máy đo Mục tiêu: Mô tả được sơ đồ cấu trúc của một máy đo. Nguyên tắc làm việc của các cơ cấu đo và chỉ thị đo lường. 6.1. Khái niệm Đo lường là quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị. Phép đo phải thực hiện 3 thao tác chính: - Biến đổi tín hiệu và tin tức - So sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) - Chỉ báo kết quả Thiết bị cho phép thực hiện quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) gọi là dụng cụ đo hay máy đo. Theo phương pháp thực hiện phép đo phân ra hai dạng máy đo chính: máy đo tương tự (analog) và máy đo số (digital). Máy đo tương tự thường là dạng cơ điện, chỉ thị kim và có sơ đồ cấu trúc bao gồm 3 khối chức năng cơ bản: mạch đo, cơ cấu đo và chỉ thị. Khi đo các đại lượng thụ động (R,L,C) mạch đo được cấp thêm nguồn nuôi (hình 1.2). Hình 1. 2. Sơ đồ cấu trúc của một máy đo cơ điện. Máy đo số có sơ đồ cấu trúc như hình 1.3 bao gồm các khối chức năng chính: mạch đo, biến đổi tương tự số, giải mã, mạch chỉ thị số.
30 Hình 1 3. Sơ đồ cấu trúc của một máy đo chỉ thị số. 6.2. Mạch đo. Mạch đo có nhiệm vụ thu nhận và biến đổi tín hiệu cần đo về dạng tín hiệu chuẩn phù hợp với cơ cấu đo. Mạch đo thường thực hiện các chức năng như: mạch chọn thang đo (mạch phân áp, phân dòng), mạch chọn chức năng đo, mạch chỉnh lưu, mạch chuyển đổi dòng- áp, mạch phối hợp trở kháng, … Với máy đo các đại lượng không điện thì mạch đo còn bao gồm cả mạch cảm biến và chuyển đổi đo lường, mạch biến đổi tín hiệu. Với máy đo chỉ thị số thì phần mạch đo còn thực hiện các chức năng như: chuyển mạch thang đo (di chuyển dấu chấm động), biến đổi và lấy mẫu tín hiệu đo, … 6.3. Cơ cấu đo Với máy đo cơ điện cơ cấu đo chính là phần nhận năng lượng điện từ mạch đo để biến đổi thành cơ năng quay phần động của cơ cấu chỉ thị. Theo nguyên lý tác động điện từ có các loại cơ cấu đo sau:  Cơ cấu từ điện,  Cơ cấu điện từ,  Cơ cấu điện động,  Cơ cấu cảm ứng,  Cơ cấu nhiệt điện,  Cơ cấu tĩnh điện. Nguyên lý làm việc của các cơ cấu đo cơ điện dựa trên tác động của từ trường lên phần động của cơ cấu chỉ thị khi có dòng điện chạy qua và tạo ra mô men quay M. Độ lớn của mô men quay tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu đo và được xác định theo hệ thức: dW M  (1.10) d Trong đó: W - năng lượng điện từ đưa vào cơ cấu đo