1

Chapter 02Đo Điện áp và Dòng điện 2.1- Bộ chỉ thị

2.2 Đo dòng

2.3 Đo điện áp

2

2.1- Cơ cấu chỉ thị kim1. Cơ cấu từ điện : cuộn dây di động - dòng điện DC,

2.Cơ cấu điện từ : cuộn dây cố định - dòng điện DC &AC,

3. Cơ cấu điện động ( sắt điện động ) :cuộn dây di động và cuộn dây cố định - dòng điện DC& AC

4. Cơ cấu cảm ứng : 2 cuộn dây cố đinh - dòng điện AC

5. Cơ cấu tỉnh điện : 1 bản cực di động và 1bản cực cố định – điện áp DC và AC

KI

2KI

21IKI

21 fK

3

2.2 – Đo dòng điện

• Đo dòng DC : dùng cơ cấu từ điện. Mở rộng tầm đo dùng điện trở shunt, kiểu shunt Ayrton. (shunts across a meter )

Đo dòng DC ( hoặc AC): dùng cơ cấu điện từ. Mở rộng tầm đo thay đổi số vòng dây .( turns of coil )

Lực từ động lớn nhất

Đo dòng DC ( hoặc AC):dùng cơ cấu điện động . Mở rộng tầm đo thay đổi số vòng dây cuộn dây cố định và điện trở shunt cho cuộn dây di động.Cuộn dây cố định nối tiếp với cuộn dây di động

Đo dòng AC: dùng cơ cấu từ điện và diod chỉnh lưu – sử dụng hệ số dạng

để chuyển đổi trị số hiệu dụng ( RMS) sang trị trung bình

chỉnh lưu hoặc ngược lại

đo

m

shunt II

IRR

maxmax

max

2111ININF

MADRMS

fK

Tính toán mạch đo dòng AC• Xem hình 2.19 a sách KT đo :

• Vd ( rms) + Rm Imax . Kf ( rms) = Rs ( Iac,max – Imax . Kf )

• Kf hệ số dạng tín hiệu đo, icltb = Imax - dòng lớn nhất cơ cấu chỉ thị và i’s = Iac,max – Imax . Kf

• Mở rộng tầm đo dòng điện AC dùng biến dòng ( current transformer)

• Nguyên lý hoạt động của biến dòng : n1 i1 = n2 i2 ( n1 số vòng cuộn sơ

cấp,n2 số vòng cuộn thứ cấp ; i1 dòng sơ cấp , i2 dòng thứ cấp) .

• Chú ý : không được để hở cuộn thứ cấp khi cuộn sơ cấp đang có dòng điện• Kẹp đo dòng điện ( clamp ammeter ) : ứng dụng đo dòng AC dùng biến

dòng

4

5

2.3 - Đo điện áp DC & AC

• Mạch đo điện áp DC dùng cơ cấu từ điện : điện trở mắc nối tiếp với cơ cấu từ điện (series with a meter D’ ARSONVAL )

• Mở rộng tầm đo bằng những điện trở nối tiếp• Độ nhạy của vôn kế ( Ω / Vdc ) cho biết : - dòng lớn nhất (I max) qua cơ

cấu .

- tổng trở vào của vôn kế của tầm đo• Thí dụ : 20KΩ / Vdc : Imax = 1Vdc / 20K Ω = 50 µA

và tổng trở vào của tầm đo 2,5 Vdc: 20KΩ x 2,5 = 50 K Ω• Sai số do ảnh hưởng của tổng trở vào của vôn kế và nội trở của ampe

kế khi đưa vào mạch đo (Analyze a circuit in terms of Voltmeter Loading Effect and Ammeter Insertion Errors)

Tính toán mạch đo• Mạch đo điện áp AC dùng cơ cấu từ điện:

V1 ( rms) = (R1 + Rm )Imax x Kf (rms) + Vd (rms)

( mạch đo trong sách kỹ thuật đo hình 2.24)• Độ nhạy vôn kế đo điện áp AC:

Sac = Sdc / kf

• Thí dụ : vôn kế AC chỉnh lưu bán kỳ kf = 2,2 ( sin)

Sac = 20 kΩ/ 2,2 = 9 kΩ

Thí dụ sai số do dạng tín hiệu: vôn kế AC được định chuẩn với tín hiệu sin Kf = 2,2 chỉ trị số 2V rms trên vạch đo ( tương ứng Im (dc) = 40 µA ),khi đo tín hiệu xung vuông Kf = 2 chỉ trị số 2V rms. Tính trị số hiệu dụng thực của tín hiệu?

6

Tính toán sai số do dạng tín hiệu

2 Vrms ( sin) = (R1 + Rm ) 40µA x 2,2 (rms) + Vd (rms)

V’ rms (xung vuông) = (R1 + Rm ) 40µA x 2 (rms) + Vd (rms)

V’rms (xung vuông) = 2V rms x ( 2/2,2) = 1,8 V rms

Sai số ( % ) của xung vuông khi đọc trị số chỉ thị :

( 1,8 – 2 ) / 2 = - 10%

Vôn kế AC được định chuẩn với tín hiệu sin Kf = 2,2 chỉ trị số 2V rms trên vạch đo ( tương ứng Im (dc) = 40 µA ),khi đo tín hiệu xung vuông Kf = 2 có cùng trị số 2V rms. Tính trị số chỉ thị của tín hiệu trên vôn kế ?

2 V rms ( sin) = [ (R1 + Rm ) 40µA x 2,2 ](rms) + Vd (rms)

2 V rms (xung vuông) = [ (R1 + Rm ) I’m (µA ) x 2 ] (rms) + Vd (rms)

I’m (µA ) = 40 µA x ( 2,2 / 2) = 44 µA

vôn kế chỉ 2 V rms x (44/40) = 2,2 V rms

Sai số ( % ) của xung vuông khi đo :( 2,2 – 2 ) / 2 = 10 %

7

Khuyết điểm:

• Máy đo ( vôn kế & ampe kế) dùng PP chỉnh lưu với cơ cấu từ điện , trị số đo phụ thuộc dạng tin hiệu .

• Kêt quả đo phải được điều chỉnh theo hệ số dạng tín hiệu đo so với hệ số dạng của tín hiệu sin.

• Trong trường hợp tín hiệu đo không biết chính xác dạng tín hiệu không nên dùng máy đo có diod chỉnh lưu. Phải dùng phương pháp trị hiệu dụng thực

( true rms )

máy đo còn phụ thuộc tần số đáp ứng của diod chỉnh lưu khi đo tín hiệu tần số cao

8

9

Objectives•Describe the construction and operation of a basic Ammeter & Voltmeter.

•Perform calculations to obtain specific meter range.

•Apply the concepts related to error to the circuits calculation.

10

Outlines•Introduction•pmmc = d’Arsonval meter movement•Ayrton Shunt ( ammeter )•Series resistors ( voltmeter )•d’Arsonval used in DC & AC Voltmeter•d’Arsonval used in DC & AC Ammeter

11

Outlines•Voltmeter Loading Effects•Ammeter Insertion Effects•Multiple-range Ammeter & voltmeter

• signal forms effects, form coefficient kf

12

Outlines•Multi-meter•Example of applications

13

What is a meter?

14

pmmc=d’Arsonval• In the picture above, the meter movement

"needle" is shown pointing somewhere around 35 percent of full-scale, zero being full to the left of the arc and full-scale being completely to the right of the arc.

• An increase in measured current will drive the needle to point further to the right and a decrease will cause the needle to drop back down toward its resting point on the left.

15

pmmc=d’Arsonval• The arc on the meter display is labeled with numbers

to indicate the value of the quantity being measured, whatever that quantity is.

• In other words, if it takes 50 microamps of current to drive the needle fully to the right (making this a "50 µA full-scale movement"), the scale would have 0 µA written at the very left end and 50 µA at the very right, 25 µA being marked in the middle of the scale.

• In all likelihood, the scale would be divided into much smaller graduating marks, probably every 5 or 1 µA, to allow whoever is viewing the movement to infer a more precise reading from the needle's position.

16

pmmc=d’Arsonval• The basic principle of this device is the

interaction of magnetic fields from a permanent magnet and the field around a conductor (a simple electromagnet).

• A permanent-magnet moving-coil (PMMC) movement is based upon a fixed permanent magnet and a coil of wire which is able to move, as in next figures.

17

pmmc=d’Arsonval• The basic principle of this device is the

interaction of magnetic fields from a permanent magnet and the field around a conductor (a simple electromagnet).

• A permanent-magnet moving-coil (PMMC) movement is based upon a fixed permanent magnet and a coil of wire which is able to move, as in next figures.

18

•When the switch is closed, the coil will have a magnetic field which will react to the magnetic field of the permanent magnet. The bottom portion of the coil in Figure 2(a) will be the north pole of this electromagnet. •Since opposite poles attract, the coil will move to the position shown in Figure 2(b).

pmmc=d’Arsonval

19

pmmc=d’ArsonvalTo use pmmc as a meter, 2 problems must be solved. •First, a way must be found to return the coil to its original position when there is no current through the coil.•Second, a method is needed to indicate the amount of coil movement.

20

pmmc=d’ArsonvalThe first problem is solved by the:• use of hairsprings attached to each end of the coil. •These hairsprings can also be used to make the electrical connections to the coil. • With the hairsprings, the coil will return to its initial position when there is no current. •The springs will also tend to resist the movement of the coil when there is current through the coil.

21

pmmc=d’Arsonval• As the current through the coil increases, the magnetic field generated around the coil increases.• The stronger the magnetic field around the coil, the farther the coil will move. This is a good basis for a meter. • But, how will you know how far the coil moves? • If a pointer is attached to the coil and extended out to a scale, the pointer will move as the coil moves, and the scale can be marked to indicate the amount of current through the coil.

22

pmmc=d’Arsonval• 2 other features are used to increase the accuracy& efficiency of this meter.• First, an iron core is placed inside the coil to concentrate the magnetic fields.• Second, curved pole pieces are attached to the magnet to ensure that the turning force on the coil increases steadily as the current increases.• The meter movement as it appears when fully assembled is shown in this figure.

23

pmmc=d’Arsonval• The d’Arsonval meter movement is very

widely used.• Current from a measured circuit passes

through the windings of the moving coils causes it to behave as an electromagnetic.

• The poles of EMT interact with the poles of PM, causing the coils to rotate.

• The pointer deflects up scale whenever current flows in proper direction in the coil.

24

pmmc=d’Arsonval

• For this reason, all DC meter movements show polarity markings.

• d’Arsonval meter movement is a current responding device.

• Regardless of the units (volt,ohm,etc) for which the scale is calibrated, the moving coil responds to the amount of current through its windings.

25

summary• The basic principle and operation of pmmc or d’Arsonval

meter movement.• The two (2) features used to increase the accuracy&

efficiency of this PMMC meters are: • First, an iron core is placed inside the coil to

concentrate the magnetic fields.• Second, curved pole pieces are attached to the magnet

to ensure that the turning force on the coil increases steadily as the current increases.

• Regardless of the units (volt,ohm,etc) for which the scale is calibrated, the moving coil responds to the amount of current thru its windings.

26

conclusion

•The students should be able to describe in detail about the basic principles of operation of the pmmc or d’Arsonval meter movement.

27

evaluationLabel the figure appropriately