1 Tổng quan

Khái niệm về đo lường

Đo là so sánh đại lượng cần đo với mẫu đo

A = X/Xo

VD: cục pin nếu cần đo điện áp U với điện áp mẫu Uo=1V

A=U/Uo=12V/1V=12

=> Điện áp cần đo là U=12.1V=12V

Đo lường học

Kỹ thuật đo lường

Đo lường học là ngành khoa học nghiên cứu về phương pháp đo, mẫu và đơn vị đo

Kỹ thuật đo lường áp dụng các thành tựu của đo lường học

Các đại lượng đo

Theo bản chất vật lý: đại lượng đo điện và đại lượng đo không điện

• Điện tác dụng là nguồn năng lượng, tín hiệu điện tự phát ra tín hiệu điện. VD: U, I, P, f cắm thiết bị vào đo trực tiếp

• Điện thụ động là thông số, đặc tính của linh kiện không tự phát ra tín hiệu điện. VD: R, L, C phải cấp nguồn phụ vào rồi mới đo

• Không điện là trạng thái tự nhiên không tự phát ra tín hiệu điện. VD: nhiệt độ dùng cảm biến chuyển thành điện rồi mới đo

Theo tính chất tác dụng: đại lượng đo tương tự analog và đại lượng đo số digital

• analog thay đổi liên tục theo thời gian

• digital không thay đổi liên tục theo thời gian

Theo tính chất biến đổi: đại lượng đo tiền định và đại lượng đo ngẫu nhiên

• Tiền định biết trước giá trị qua công thức

• Ngẫu nhiên bất ngờ, đo bằng xác suất thống kê

Phân loại phương pháp đo

Đo trực tiếp: kết qua nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất

Đo gián tiếp: kết quả được suy ra từ nhiều kết qủa của phép đo trực tiếp

Đo hợp bộ: gần giống đo gián tiếp, kết quả thông qua giải phương trình hay hệ phương trình

Đo thống kê: đo với số lần đủ lớn sau đó lấy giá trị trung bình

Đo tuyệt đối và tương đối

Đo điện và đo không điện

Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp đo điện

Đơn vị, hệ đơn vị đo lường

Có 7 đại lượng vật lý cơ bản, tất cả các đại lượng còn lại đều là đại lượng dẫn xuất

1 chiều dài, 2 khối lượng, 3 thời gian (cơ học)

4 nhiệt độ (nhiệt học)

5 cường độ dòng điện (điện học)

6 cường độ sáng (quang học)

7 lượng chất (vật lý nguyên tử)

phép đo phải thực hiện 3 thao tác chính

Biến đổi tín hiệu và tin tức

So sánh đại lượng đo với đơn vị

Chỉ báo kết quả

Các hệ thống đo lường

Hệ thống đo biến đổi thẳng

1 vào, ra cùng số chiều

2 vào n chiều, ra một chiều

3 vào n chiều, ra m chiều

Hệ thống kiểu so sánh

1 phương pháp so sánh cân bằng

2 phương pháp so sánh vi sai

3 phương pháp mã hóa thời gian

4 phương pháp mã hóa tần số xung

5 phương pháp mã hóa số xung

6 phương pháp mã hóa số xung ngược

7 phương pháp đếm xung

8 phương pháp trùng phùng

Hệ thống đo biến đổi thẳng

Tín hiệu cần đo chui vào máy, đi qua các công đoạn mắt xích nối tiếp nhau, mỗi công đoạn nhân tín hiệu lên một tỷ lệ nhất định, cuối cùng cho ra kết quả ở đầu ra

Y=SX

Y=Tn.Tn-1…T1.X

T: hệ số biến đổi của từng mắt xích trong máy đo

S: hệ số biến đổi tổng cộng

Vào, ra cùng số chiều

Đo bao nhiêu tín hiệu thì xuất ra bấy nhiêu kết quả

Kênh biến đổi độc lập: tín hiệu kênh nào đi theo kênh đó. X1 qua hệ thống biến thành Y1, Xn qua hệ thống biến thành Yn

X1 có thay đổi thế nào cũng không ảnh hưởng Y2, Yn

Vào n chiều, ra 1 chiều

Nhiều tín hiệu vào (X1, X2, Xn) sau đó đưa vào mạch tính toán để suy ra đúng 1 kết quả duy nhất (Y)

S(n, 1) khối biến đổi, tính toán

vào n chiều, ra m chiều

Thu thập n tín hiệu gốc để tính ra m đại lượng dẫn xuất khác

Hệ thống đo hợp bộ: là thiết bị đo tích hợp cao tất cả trong 1, thay vì phải dùng nhiều đồng hồ đo rời rạc, chỉ cần 1 máy đo duy nhất để xử lý toàn bộ

Đầu vào Xn, đầu ra Ym ( số lượng m có thể bằng, ít, nhiều hơn n)

S(n, m): mô hình giải hệ phương trình

Hệ thống đo kiểu so sánh

Giống như việc dùng một chiếc cân đĩa (cân 2 bên) không đo trực tiếp ngay mà mang đại lượng cần đo đi so sánh với một mẫu chuẩn đã biết trước

X: đầu vào

T: khâu biến đổi

Yx: tín hiệu đại diện cho vật cần đo sau khi qua khâu T

Yk: đại lượng mẫu chuẩn (hoặc đại lượng bù) đã biết chính giá trị từ trước

SS: mạch so sánh, mạch trừ

ΔY=Yx-Yk

Phương pháp so sánh cân bằng

Chỉnh mẫu chuẩn sao cho sự chênh lệch giữa mẫu và vật đo bằng 0

Yx: tín hiệu của đại lượng cần đo

Yk: đại lượng bù, mẫu chuẩn

SS: mạch so sánh

ΔY=0: trạng thái cân bằng

hình bên là mô phỏng cân đĩa

Phương pháp so sánh vi sai

Không chỉnh về 0 mà đo trực tiếp khoảng chênh lệch

Yx: tín hiệu của đại lượng cần đo

Yk: mẫu Yk cố định

ΔY=Yx-Yk≠ 0

Phương pháp mã hóa thời gian

Chuyển điện áp cần đo thành một khoảng thời gian dài/ngắn

Đại lượng đo Yx giữ cố định trong quá trình đo

Đại lượng bù Yk=Yo.tx (điện áp đường dốc/răng cưa tăng đều theo thời gian với tốc độ Yo)

Δ Y=Sign(Yx-Yk)=1 khi Yx-Yk>0

0 khi Yx-Yk<=0

Sơ đồ:

+Bắt đầu đo(t=0): Yk=0, trong khi Yx>0 lúc này Yx>Yk nên bộ so sánh xuất ra ΔY=1 mạch bắt đầu phát ra một xung điện áp ở mức cao

+Quá trình tăng áp: điện áp mẫu Yk bắt đầu leo dốc theo thời gian(Yk=Yo.t)

+Thời điển cân bằng (t=tx) điện áp mẫu Yk leo tới đúng bằng điện áp cần đo

Bộ so sánh nhận ra Yx-Yk<=0 nên lập tức ngắt đầu ra (ΔY=0)

Xung điện bị ngắt, kết thúc khoảng thời gian tx

Phương pháp mã hóa tần số xung

Chuyển điện áp cần đo thành chuỗi xung phát ra mạnh hay chậm

Đại lượng đo cần đo X: đóng vai trò là tốc độ leo dốc của điện áp (Yx=X.t) càng lớn thì điện áp tăng càng nhanh

Đại lượng bù Yk: là một mức ngưỡng cố định

Chu kỳ xung tx: thời gian điện áp Yx leo từ 0 lên chạm ngưỡng Yk tại điểm cân bằng:

X.tx=Yk

Tần số xung fx số chu kỳ xung phát ra trong 1s: fx=1/tx=(1/Yk).X

Phương pháp mã hóa số xung

Chuyển điện áp cần đo thành một số lượng xung nhất định

Đại lượng cần đo Yx: Điện áp đầu vào cần đo, được giữ cố định trong quá trình đo

Đại lượng bù Yk(điện áp bậc thang)

Bộ so sánh Y=Sign(Yx-Yk), Yx>Yk mạch vẫn tiếp tục phát xung cho cho bậc thang leo lên

tại nấc n Yk=n.Yo=Yx bộ so sánh lật trạng thái và dừng quá trình đếm

Phương pháp mã hóa số xung ngược

Giữ đại lượng bù Yk cố định, biến đổi đại lượng vào Yx thành hàm bậc thang để so sánh

Đo một khoảng thời gian bằng cách đếm xem có bao nhiêu xung vào khoảng thời gian đó

Yx(dãy xung nhịp) là chuỗi các xung liên tiếp phát ra đều đặn với chu kỳ T

Yk(khung thời gian đo) là khoảng thời gian mở cổng từ t1 đến t2( độ rộng Δt=t2-t1)

Phương pháp trùng phùng

So sánh nhịp của 2 chuỗi xung để tìm điểm khớp nhau (dùng khi cần độ chính xác cực kì cao)

Hai dạng chỉ thị cơ bản

Chỉ thị tương tự analog kết quả thể hiện qua vị trí của kim chỉ trên một mặt số có chia vạch

Chỉ thị số digital kết quả hiện trực tiếp thành con số điện tử trên màn hình LCD/LED

Chỉ thị tương tự analog

Cách hoạt động: đại lượng cần đo( điện áp, dòng điện) làm xuất hiện lực quay cơ học, kéo kim chỉ thị lệch một góc tương ứng trên mặt chia độ

Dòng điện chạy qua cơ cấu đo, tạo ra từ trường, tích lũy năng lượng điện từ

Sự biến thiên của năng lượng này theo góc quay sinh ra mô men quay M đẩy kim xoay một góc a

Cơ cấu đo từ điện

Đặc tính quan trọng:

Thang đo đều: góc quay a tỉ lệ thuận với I nên các vạch chia trên mặt số cách đều nhau

Chỉ đo trực tiếp dòng DC: từ trường nam châm cố định nên kim chỉ quay theo 1 chiều, nếu muốn đo AC phải dùng mạch chỉnh lưu

Độ nhạy và độ chính xác rất cao nhờ từ trường của nam châm vĩnh cửu mạnh và ổn định

(+Phương trình mô men quay M=dW/da=BSNI

M: lực đẩy, B: độ lớn cảm ứng từ, S: diện tích khung dây, N: số vòng dây, I: dòng điện cần đo

+Phương trình mô men cản(do lò xo tạo ra): Mc=K.a

K: độ cứng lò xo, a: góc quay của kim

+Điều kiện cân bằng và công thức góc lệch:

M=Mc <=> BSNI=Ka=>a=BSNI/K

vì B, S, N, K là các hằng số cố định của máy đo, góc quay của kim tỉ lệ thuận với dòng điện)

Chỉ thị bằng ánh sáng bằng hệ thống quang học: Khi dòng điện, điện áp cực kì nhỏ uA, uV lực từ sinh ra quá yếu nên thay kim kim loại bằng 1 tấm gương nhỏ gắn trên khung dây, khi có dòng điện khung dây quay làm gương quay theo, hắt vệt sáng chiếu lên thước đo

Cơ cấu đo điện từ

Khi cho dòng điện I qua cuộn dây cố định, sinh ra từ trường làm từ hóa tấm kim loại tĩnh và tấm kim loại động, hai tấm kim loại trở thành hai nam châm cùng cực nên đẩy nhau (hoặc hút nhau), đẩy kim quay một góc a

Đo được cả DC và AC

Đặc điểm thang đo: phi tuyến (không đều), độ chính xác thấp hơn cơ cấu từ điện

cơ cấu đo điện động

Cuộn dây tĩnh: tách làm 2 nửa nối tiếp, đặt cố định để tạo từ trường

Cuộn dây động: nằm gọn bên trong cuộn dây tĩnh, gắn trực tiếp với trục quay và kim chỉ thị

Hoạt động: Khi có dòng I1 qua cuộn tĩnh và dòng I2 qua cuộn động, từ trường của 2 cuộn dây tương tác với nhau, sinh ra lực từ làm quay cuộn động một góc a

Có thể đo được dòng DC và AC

Cơ cấu đo logomet

Chyên dùng để đo tích số hoặc tỉ số của 2 đại lượng điện. VD: P=V.I, R=V/I

Cấu tạo, nguyên lý: không dùng lò xo để tạo mô men cản, cuộn dây động chia làm hai nửa bắt chéo nhau một nhánh mắc nối tiếp với tải chịu dòng I một nhánh mắc nối tiếp với tải chịu áp V

Nguyên lý cân bằng: Hai dòng điện tạo ra hai mô men quay ngược chiều, kim dưng lại khi hai mô men này cân bằng nhau

Chỉ thị dạng số

Dạng cơ

Trục quay chuyển động qua hệ thống bánh răng làm xoay các đĩa số lần lượt từ hàng đơn vị, chục, trăm

Ứng dụng: bộ đếm của công tơ điện cơ(kWh)

Dạng cơ điện

Dùng bóng đèn chiếu sáng xếp thành dạng chữ, số điều khiển bằng công tắc cơ điện hoặc mạch công suất

Bảng hiển thị (panel) kích thước lớn, công suất tiêu thụ cao

Đèn điện tử

Cấu tạo: vỏ thủy tinh chứa khí neon, 1 Anode và 10 Cathode riêng uốn hình các số 0-9

Nguyên lý phát sáng: dựa trên hiện tượng phóng điện ion hóa khí Neon khi cấp điện áp

Cathode nào được nối mạch thì con số đó sẽ phát sáng màu cam đỏ

LED 7 đoạn

Nguyên lý Led: bức xạ ánh sáng nhờ sự tái hợp điện tử, lỗ trống tại tiếp giáp PN khi phân cực thuận

Phân loại Led 7 đoạn: gồm 8 đoạn a, b, c, d, e, f, g và DP

Cathode chung (CC) nối chung cực âm, kích sáng bằng mức 1

Anode chung (CA) nối chung cực dương, kích sáng bằng mức 0