Giáo trình Đo lường, cảm biến

 1 
KHOA ĐIỆN TỰ ĐỘNG HÓA 
Trường cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên 
 
GIÁO TRÌNH 
ĐO LƯỜNG-CẢM BIẾN 
(Lưu hành nội bộ) 
 2 
LỜI NÓI ĐẦU 
Môn học Đo lường- cảm biến trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo dùng trong 
ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho các ngành sản 
xuất công nghiệp. 
Kỹ thuật Đo lường –Cảm biến là môn học nghiên cứu các phương pháp đo các 
đại lượng vật lý: đại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất, và đại lượng không 
điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc 
Bài giảng Kỹ thuật Đo lường –Cảm biến được biên soạn dựa trên các giáo trình 
và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh 
viên các ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật 
Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông. 
 Bài giảng gồm 2 phần phần đo lường cung cấp cho sinh viên những kiến thức 
cơ bản và chuyên sâu về kỹ thuật đo lường trong ngành điện. Trình bày các dụng cụ 
đo, nguyên lý đo và phương pháp đo các thông số. Trên cơ sở đó, người học biết cách 
sử dụng dụng cụ đo và xử lý kết quả đo trong công việc sau này. Phần cảm biến trình 
bày cấu tạo nguyên lý hoạt động và ứng dụng của một số cảm biến thông dụng 
 Trong quá trình biên soạn, đã được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, 
mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách được hoàn chỉnh hơn, song chắc 
chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. 
Mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc. 
 3 
MỤC LỤC 
LỜI NÓI ĐẦU2 
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG.. 5 
1.1 Đại lượng đo lường.. 5 
1.2. Chức năng, đặc điểm của thiết bị đo.................................................................. 8 
1.3 Chuẩn hóa trong đo lường. 8 
1.4. Sai số trong đo lường.9 
Chương 2. CÁC DỤNG ĐO CƠ ĐIỆN.....................................................................14 
2.1 Nguyên lý và các chi tiết chính của cơ cấu đo cơ điện...................................... 14 
2.2 Cơ cấu đo từ điện.. 14 
2.3 Cơ cấu đo điện từ. .17 
2.4 Cơ cấu đo điện động. 18 
2.5 Cơ cấu đo cảm ứng. .19 
Chương 3. CÁC THIẾT BỊ ĐO CHỈ THỊ SỐ.................................................22 
3.1. Cơ cấu chỉ thị số................................................................................................. 22 
3.2. Vônmét chỉ thị số ...............................................................................................23 
Chương 4. ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN............................................................24 
4.1. Đo điện áp ..........................................................................................................24 
4.2. Đo dòng điện .....................................................................................................31 
Chương 5: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG TRONG MẠCH BA PHA 
5.1. Đo công suất tác dụng mạch xoay chiều ba pha ..............................................38 
5.2. Đo công suất phản kháng mạch xoay chiều ba pha..........................................40 
5.3. Đo điện năng mạch xoay chiều ba pha .............................................................41 
5.4. Đo công suất và điện năng trong mạch cao áp ................................................46 
Chương 6. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢMBIẾN..................................................47 
6.1 Kh¸i niệm chung47 
6.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn 53 
6.3 C¸c hiÖu øng thưêng dïng trong c¶m biÕn53 
6.4 Chuẩn cảm biến.46 
Chương 7. c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é..59 
7.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ............................................................... 59 
7.2. Cảm biến nhiệt điện trở.....................................................................................59 
 4 
7.3 Cảm biến cặp nhiệt. ............................................................................................65 
7.4 Hoả kế, nhiệt kế bức xa .......................................................................................69 
Chương 8:c¶m biÕn quang73 
8.1.Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn................................................................73 
8.2.Quang trở, tế bào quang điện .............................................................................75 
8.3 Sợi quang............................................................................................................... 82 
8.4 Sơ lược về áp dụng cảm biến quang ...................................................................83 
Chương 9. c¶m biÕn vÞ trÝ..83 
9.1Cảm biến điện cảm 83 
9.2 Cảm biến hỗ cảm .86 
9.3Cảm biến điện dung...88 
9.4 Cảm biến Hall. ..89 
9.5 Cảm biến tiếp cận .89 
Chương 10 ĐO LƯU LƯỢNG VẬN TỐC LƯU CHẤT VÀ MỨC 
10.1 Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất. 92 
10.2 Đo mức bằng cảm biến điện dung 93 
 5 
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 
 Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên khái niệm cơ bản về đo lường, sai số trong hệ 
thống đo 
1.1 Đại lượng đo lường 
1.1.1. Khái niệm về đo lường. 
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả 
bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo lường (Ax) là giá trị bằng số, được định nghĩa 
bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo): 
Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: A =
0X
X
 và ta có X = A.X0 
Trong đó: X - đại lượng đo 
 X0 - đơn vị đo 
 A - con số kết quả đo. 
Từ (1.1) có phương trình cơ bản của phép đo: X = Ax . Xo , chỉ rõ sự so sánh X 
so với Xo, như vậy muốn đo được thì đại lượng cần đo X phải có tính chất là các giá 
trị của nó có thể so sánh được, khi muốn đo một đại lượng không có tính chất so sánh 
được thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng có thể so sánh được. 
1.1.2. Khái niệm về đo lường điện. 
 Đại lượng nào so sánh được với mẫu hay chuẩn thì mới đo được. Nếu các đại 
lượng không so sánh được thì phải chuyển đổi về đại lượng so sánh được với mẫu hay 
chuẩn rồi đo. Đo lường điện là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần 
đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. 
1.1.3. Các phương pháp đo. 
Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao 
gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả 
hay chỉ thị. Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận 
thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, 
yêu cầu 
Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo 
mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá 
trình đo lường. Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường 
phân thành 2 loại phương php đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương 
pháp đo kiểu so sánh. 
 6 
1.1.3.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng 
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, 
nghĩa là không có khâu phản hồi. 
- Quá trình thực hiện: 
* Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số NX, đồng thời 
đơn vị của đại lượng đo XO cũng được biến đổi thành con số NO. 
* Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia 
NX/NO), 
* Thu được kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO . 
Hình 1.1. Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng. 
Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá 
trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XO sau khi 
qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi 
tương tự - số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO. 
Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các 
khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này 
thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm. 
1.1.3.2.Phương pháp đo kiểu so sánh: 
- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa 
là có khâu phản hồi. 
- Quá trình thực hiện: 
+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật 
lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh. 
+ Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá 
trìnhđo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo. 
 Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá 
trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù). 
 7 
Hình 1.2. Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh. 
+ Các phương pháp so sánh: bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo X và 
đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ΔX = X - XK. Tùy thuộc vào cách so 
sánh mà sẽ có các phương pháp sau: 
- So sánh cân bằng: 
 * Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK = NK.XO 
được so sánh với nhau sao cho ΔX = 0, từ đó suy ra X = XK = NK.XO 
+ suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK. Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay 
đổi để được kết quả so sánh là ΔX = 0 từ đó suy ra kết quả đo. 
* Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân 
bằng (độ chính xác khi nhận biết ΔX = 0). 
Ví dụ: cầu đo, điện thế kế cân bằng 
- So sánh không cân bằng: 
* Quá trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trước, qua bộ 
so sánh có được ΔX = X - XK, đo ΔX sẽ có được đại lượng đo X = ΔX + XK từ đó có kết 
quả đo: AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO. 
* Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của XK quyết định, 
ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ΔX, giá trị của ΔX so với X (độ 
chính xác của phép đo càng cao khi ΔX càng nhỏ so với X). 
 Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện, như đo 
ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ 
- So sánh không đồng thời: 
* Quá trình thực hiện: dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị đo khi 
chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, khi hai 
trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = XK . 
 Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo, 
sau đó thay X bằng đại lượng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng thái 
 8 
như khi X tác động, từ đó suy ra X = XK. Như vậy rõ ràng là XK phải thay đổi khi X 
thay đổi. 
* Độ chính xác: phụ thuộc vào độ chính xác của XK. Phương pháp này chính xác vì 
khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên. Thường thì giá 
trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị 
của đại lượng đo X. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp 
như vônmét, ampemét chỉ thị kim. 
- So sánh đồng thời: 
* Quá trình thực hiện: so sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và đại lượng 
mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo. 
 Ví dụ: xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), 
thước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các điểm 
trùng nhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được:1 inch = 127/5 = 
254/10 = 25,4 mm 
 Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của 
các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng. 
Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là: 
- Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo 
- Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp 
- Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ phương trình 
mới có kết quả 
- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả 
1.2. Chức năng, đặc điểm của thiết bị đo 
 Thiết bị đo là sự thể hiện phương pháp đo bằng các khâu cụ thể 
 Đặc tính cơ bản của dụng cụ đo gồm sai số của dụng cụ đo ,độ nhạy, điện trở 
của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ, độ tác động nhanh và độ tin cậy 
1.3 Chuẩn hóa trong đo lường 
 Chuẩn cấp 1 là chuẩn đảm bảo tạo ra những đại lượng có đơn vị chính xác nhất 
của một quốc gia 
- Chuẩn đơn vị dài: m 
- Chuẩn đơn vị khối lượng: kg 
- Chuẩn đơn vị thời gian: s 
 9 
- Chuẩn đơn vị dòng điện : A 
- Chuẩn đơn vị nhiệt độ: Kelvin(K) 
- Chuẩn đơn vị cường độ ánh sang: Cd 
- Đơn vị số lượng vật chất: mol 
1.4. Sai số trong đo lường 
1.4.1. Khái niệm về sai số. 
 Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai 
số. Nguyên nhân của những sai số này gồm: 
- Phương pháp đo được chọn. 
- Mức độ cẩn thận khi đo. 
Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có 
sai số, gọi là sai số của phép đo. Như vậy muốn có kết quả chính xác của phép đo thì 
trước khi đo phải xem xét các điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau khi 
đo cần phải gia công các kết quả thu được nhằm tìm được kết quả chính xác. 
1.4.2. Các loại sai số. 
* Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống. 
- Sai số của phép đo: là sai số giữa kết quả đo lường so với giá trị chính xác của đại 
lượng đo. 
- Giá trị thực Xth của đại lượng đo: là giá trị của đại lượng đo xác định được với một 
độ chính xác nào đó (thường nhờ các dụng cụ mẫu có cáp chính xác cao hơn dụng cụ 
đo được sử dụng trong phép đo đang xét). 
Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, vì vậy khi 
đánh giá sai số của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo. 
Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo. Việc xác định sai số 
của phép đo - tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là một trong những nhiệm vụ 
cơ bản của đo lường học. Sai số của phép đo có thể phân loại theo cách thể hiện bằng 
số, theo nguồn gây ra sai số hoặc theo qui luật xuất hiện của sai số. 
Tiêu chí phân loại Theo cách thể hiện bằng số 
 Theo nguồn gây ra sai số 
 Theo qui luật xuất hiện của sai số 
 Loại sai số 
 10 
 - Sai số tuyệt đối. 
 - Sai số tương đối. 
 - Sai số phương pháp. 
 - Sai số thiết bị. 
 - Sai số chủ quan. 
 - Sai số bên ngoài. 
 - Sai số hệ thống. 
 - Sai số ngẫu nhiên. 
Tiêu chí 
phân loại 
Theo cách thể hiện 
bằng số 
Theo nguồn gây ra 
sai số 
Theo qui luật xuất 
hiện của sai số 
Loại sai số 
- Sai số tuyệt đối 
- Sai số tương đối 
- Sai số phương pháp 
- Sai số thiết bị. 
- Sai số chủ quan. 
- Sai số bên ngoài. 
- Sai số hệ thống. 
- Sai số ngẫu nhiên 
Bảng 1.1. Phân loại sai số của phép đo. 
* Sai số tuyệt đối ΔX: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth : 
 ΔX = X - Xth 
* Sai số tương đối γX : là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng 
phần trăm: (%)100.
.th
X
X
  ; 
 Vì thXX nên có thể có: (%)100.
 XX 
Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo. 
Độ chính xác của phép đo ε : đại lượng nghịch đảo của sai số tương đối: 
 11 
XX
th


1
. 
* Sai số hệ thống (systematic error): thành phần sai số của phép đo luôn không đổi 
hoặc thay đổi có qui luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo. 
 Qui luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kỳ hoặc theo một 
qu ...  mẫu đã được khắc độ theo thứ nguyên điện áp. 
Chú ý: Các dụng cụ bù điện áp đều có nguyên tắc hoạt động như trên nhưng có thể 
khác nhau phần tạo điện áp mẫu Uk 
4.1.3.5.Điện thế kế xoay chiều 
 Nguyên tắc hoạt động chung giống như điện thế kế một chiều, nghĩa là, cũng so 
sánh điện áp cần đo với điện áp rơi trên điện trở mẫu khi có dòng công tác chạy qua. 
Tuy nhiên, do không sử dụng pin mẫu ma sử dụng dòng xoay chiều nên việc điều 
chỉnh cho Ux và Uk bằng nhau là rất phức tạp. 
 Muốn Ux và Uk cân bằng nhau thì phải thoả mãn 3 điều kiện: 
 + Ux và Uk cùng tần số 
 + Ux và Uk bằng nhau về trị số 
 + Ux và Uk ngược pha nhau (1800) 
 31 
4.2. Đo dòng điện 
4.2.1. đo dòng điện một chiều 
* Khái niệm chung 
Dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet 
Ký hiệu là: A 
Ampe kế có nhiều loại khác nhau, nếu chia theo kết cấu ta có: 
+ Ampe kế từ điện 
+ Ampe kế điện từ 
+ Ampe kế điện động 
+ Ampe kế nhiệt điện 
+ Ampe kế bán dẫn 
Hình 4.3: Đồng hồ số và kim 
Nếu chia theo loại chỉ thị ta có: 
+ Ampe kế chỉ thị số (Digital) 
+ Ampe kế chỉ thị kim (kiểu tương tự /Analog) 
Hình bên là hai loại đồng hồ vạn năng số và kim. Nếu chia theo tính chất của đại 
lượng đo, ta có: 
+ Ampe kế một chiều 
+ Ampe kế xoay chiều 
 32 
* Yêu cầu đối với dụng cụ đo dòng điện là: 
- Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý 
tưởng là bằng 0. 
- Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo 
- Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo (hình dưới) 
Hình 4.4: Dùng đồng hồ số đo dòng điện 
4.2.1.1Ampe kế một chiều 
 Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Như đã biết, 
độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo 
ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu 
dòng rất kém. Thông thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10 - 4 đến 
10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20Ω đến 2000Ω với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; và 
0,05. 
 Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta 
mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị như sau: 
1 
n
R
R CTS với 
CTI
I
n gọi là hệ số mở rộng thang đo của ampe kế 
Hình 3.3: Mắc thêm điện trở sun song song với cơ cấu chỉ thị 
I là dòng cần đo và ICT là dòng cực đại mà cơ cấu chịu đựng được (độ lệch cực đại của 
thang đo) 
 33 
Chú ý: Khi đo dòng nhỏ hơn 30A thì điện trở sun nằm ngay trong vỏ của ampe kế còn 
khi đo dòng lớn hơn thì điện trở sun như một phụ kiện kèm theo. Khi ampe kế có 
nhiều thang đo người ta mắc sun như sau: 
Việc tính điện trở sun ứng với dòng cần đo được xác định theo công thức như trên 
nhưng với n khác nhau. ở hình a) 
11
32
11
n
RRr
RR
SSct
S Với 
CTI
I
n 11 ; 
12
3
212
n
Rr
RRR ctS Với 
CTI
I
n 22 
13
3213
n
r
RRRR ctS Với 
CTI
I
n 33 
Ở hình b: 
11
1
n
r
R ctS Với 
CTI
I
n 11 ; 
12
2
n
r
R ctS Với 
CTI
I
n 22 
13
3
n
r
R ctS Với 
CTI
I
n 33 ; 
14
4
n
r
R ctS Với 
CTI
I
n 44 
Chú ý: điện trở sun được chế tạo bằng Manganin có độ chính xác cao hơn độ chính 
xác của cơ cấu đo ít nhất là 1 cấp. Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị được quấn 
bằng dây đồng mảnh, điện trở của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trường 
thay đổi và sau một thời gian lμm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo 
ra nhiệt độ. Để giảm ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay 
đổi, người ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ như sau: 
 Dưới đây là ví dụ thực tế của một sơ đồ mắc điện trở sun của một dụng cụ đo cả 
dòng và áp 
4.2.1.2 Ampemet nhiệt điện 
 34 
 Là dụng cụ kết hợp giữa chỉ thị từ điện và cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện (hay 
còn gọi là cặp nhiệt ngẫu) gồm 2 thanh kim loại khác loại được hàn với nhau tại một 
đầu gọi là điểm làm việc (nhiệt độ t1), hai đầu kia nối với milivonkế gọi là đầu tự do 
(nhiệt độ t0). 
 Khi nhiệt độ đầu làm việc t1 khác nhiệt độ đầu tự do t0 thì cặp nhiệt sẽ sinh ra 
sức điện động 
 01. .kEt 
 01
0 tt  
Khi dùng dòng Ix để đốt nóng đầu t1 thì: 
 xIk
2
2
0 .  
 xxt kIkkE
22
21. . 
Như vậy kết quả hiển thị trên milivon kế tỉ lệ với dòng cần đo 
Hình 4.5: Ampemet nhiệt điện 
Vật liệu để chế tạo cặp nhiệt điện có thể lả sắt – constantan; đồng – constantan; crom – 
alumen và platin – rodi 
 Ampemet nhiệt điện có sai lớn do tiêu hao công suất, khả năng chịu quá tải kém 
nhưng có thể đo ở dải tần rất rộng từ một chiều tới hàng MHz. 
Thông thường để tăng độ nhạy của cặp nhiệt, người ta sử dụng một bộ khuếch 
đại áp như sơ đồ dưới đây: 
 J1, J2 là 2 đầu đo nhiệt 
 35 
Chú ý: Để đo giá trị điện áp của nguồn xoay chiều người ta cũng làm như trên 
vì khi đó nhiệt độ đo được tỉ lệ với dòng qua điện trở nhiệt mà dòng này lại tỉ lệ với áp 
trên hai đầu điện trở, do vậy cũng xác định được giá trị của điện áp thông qua giá trị 
nhiệt độ. Đây chính là nguyên tắc để chế tạo Vônkế nhiệt điện. 
4.2.2. Đo dòng điện xoay chiều 
4.2.2.1. Ampemet xoay chiều 
Để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta thường sử dụng 
ampemet từ điện chỉnh lưu, ampemet điện từ, và ampemet điện động. 
4.2.2.2 Ampemet chỉnh lưu 
 Là dụng cụ đo dòng điện xoay chiều kết hợp giữa cơ cấu chỉ thị từ điện và 
mạch chỉnh lưu bằng diode. 
 Biến áp sử dụng là loại biến áp dòng có số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp 
là W1 và W2. Khi đó tỉ số dòng thứ cấp trên dòng sơ cấp được tính bằng: 
 Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động. RL được chọn 
để gánh phần dòng dư thừa giữa I2tb và Ict 
 36 
 Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình 
phương Irms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau: 
 ptb II .637,0 
 p
p
rms I
I
I .707.0
2
 tbrms II ..11,1 
Chú ý: Giá trị dòng mà kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhưng thang khắc 
độ thường theo giá trị rms. 
Hình 4.6 : Ampemet chỉnh lưu 
Chú ý: Nói chung các ampe kế chỉnh lưu có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do 
hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số. Có thể sử dụng sơ đồ bù 
sai số đo nhiệt và đo tần số cho ampe kế chỉnh lưu như sau: 
Hình 4.7: Ampe kế chỉnh lưu 
4.2.2.3. Ampemet điện động 
 Thường được sử dụng để đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 –
2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 – 0,2). 
 Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động 
còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song như (hình sau). 
 37 
Hình 4.8: Ampemet điện động 
 Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt 
(thường làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai 
cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau). 
 Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2 nên máy đo chỉ giá trị rms. Giá 
trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng như trị số dòng một chiều tương đương nên có 
thể đọc thang đo của dụng cụ như dòng một chiều hoặc xoay chiều rms. 
4.2.2.4. Ampemet điện từ 
 Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ 
được chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W là một hằng số) 
Khi đo dòng có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng 
lớn người ta mắc các cuộn dây song song. 
Hình 4.9: Ampemet điện từ 
 38 
Chương 5: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG TRONG MẠCH BA PHA 
5.1. Đo công suất tác dụng mạch xoay chiều ba pha 
5.1.1Nguyên lý chung 
 Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là : 
với: U
φ, 
I
φ
: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng 
 φ
C
: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng. 
 Nếu tải đối xứng cos3cos33 ddfff IUIUP 
 Thực tế phụ tải không đối xứng nên để đo công suất trong mạch 3 pha xét 
trường hợp chung là mạch 3 pha tải nối sao không có dây trung tính với phụ tải bất 
kỳ.
 Hình 5.1 Sơ đồ mắc oát mét trong mạch điện 3 pha 
a- tải nối sao b-tải nối tam giác 
5.1.2 Các phương pháp đo 
 - Dùng 1 oátmet: Khi tải 3 pha hoàn toàn đối xứng 
 P3f=3Pf 
 39 
Hình 5.2 a-Đo công suất mạch ba pha trung tính giả 
b- sơ đồ véc tơ 
 - Dùng 2 oátmet 
Hình 5.3 Sơ đồ mắc 2 oatsmet đo công suất mạch 3 pha 
 - Dùng 3 oátmet 
 40 
Hình 5.4 Phương pháp 3 oatsmet đo công suất mạch 3 pha 
5.2. Đo công suất phản kháng mạch xoay chiều ba pha 
 Công suất phản kháng trong mạch 3 pha được tính theo công thức 
5.2.1 Khi tải đối xứng 
Hình 5.5 a- công suất phản kháng 1 oatmet b- giản đồ vécto 
5.2.2 Phương pháp 2 oatmet 
 41 
Hình 5.6 - công suất phản kháng dùng 2 oatmet 
5.2.3 Phương pháp 3 oatmet 
Hình 5.7 - công suất phản kháng dùng 3 oatmet 
5.3. Đo điện năng mạch xoay chiều ba pha 
Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha đươc tính: 
 A=P.t 
với: P = U.I.cos là công suất tiêu thụ trên tải. 
 t là khoảng thời gian tiêu thụ của tải. 
 42 
Dụng cụ đo để đo năng lượng là công tơ. Công tơ được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị 
cảm ứng. Chỉ rõ sơ đồ cấu tạo của một công tơ một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm 
ứng: 
Hình 5.8. sơ đồ cấu tạo của một công tơ một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng 
* Công tơ một pha: 
Cấu tạo: như hình 3.1a, gồm các bộ phận chính: 
- Cuộn dây 1 (tạo nên nam châm điện 1): gọi là cuộn áp được mắc song song với phụ 
tải. Cuộn này có số vòng dây nhiều, tiết diện dây nhỏ để chịu được điện áp cao. 
- Cuộn dây 2 (tạo nên nam châm điện 2): gọi là cuộn dòng được mắc nối tiếp với phụ 
tải. Cuộn này dây to, số vòng ít, chịu được dòng lớn. 
- Đĩa nhôm 3: được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn dây 1, 2. 
- Hộp số cơ khí: gắn với trục của đĩa nhôm. 
- Nam châm vĩnh cửu 4: có từ trường của nó xuyên qua đĩa nhôm để tạo ra mômen 
hãm. 
*Nguyên lý làm việc: khi có dòng điện I chạy trong phụ tải, qua cuộn dòng tạo ra 
từ thông Φ
1 
cắt đĩa nhôm hai lần. Đồng thời điện áp U được đặt vào cuộn áp sinh ra 
dòng I
u
, dòng này chạy trong cuộn áp tạo thành hai từ thông: 
 - Φ
U
: là từ thông làm việc, xuyên qua đĩa nhôm 
 - Φ
I
: không xuyên qua đĩa nhôm do vậy mà không tham gia việc tạo ra mômen 
quay. 
Từ sơ đồ vectơ như hình 3.1b có: 
 43 
với: k
I 
, k
U
: là hệ số tỉ lệ về dòng và áp; Z
u
: là tổng trở của cuộn áp 
Hình 3.2. Công tơ một pha:a) Sơ đồ cấu tạo; b) Biểu đồ vectơ 
Sai số của công tơ được tính như sau: 
với: W
N
, C
PN
: là năng lượng và hằng số công tơ định mức. 
W
đo
, C
Pđo
: là năng lượng và hằng số côngtơ đo được. 
Cấp chính xác của công tơ thường là: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5. 
* Kiểm tra công tơ: 
 Để công tơ chỉ được chính xác, trước khi đem sử dụng người ta thường phải 
kiểm tra hiệu chỉnh và cặp chì. 
Để kiểm tra công tơ ta phải mắc chúng theo sơ đồ hình 3.3: 
Hình 5.9. Sơ đồ kiểm tra côngtơ 
 44 
 Từ nguồn điện 3 pha qua bộ điều chỉnh pha để lấy ra điện áp một pha có thể 
lệch pha với bất kỳ pha nào của nguồn điện từ 0 đến 360
0
. Sau đó qua biến dòng (dưới 
dạng biến áp tự ngẫu ) L
1
, dòng điện ra được mắc nối tiếp với phụ tải Z
T 
ampemét và 
các cuộn dòng của watmet và công tơ. 
 Điện áp được lấy ra từ một pha bất kỳ của nguồn điện (ví dụ pha BC), qua biến 
áp tự ngẫu L
2 
và đặt vào cuộn áp của watmet cũng như của công tơ, vônmét chỉ điện 
áp đó ở đầu ra của biến áp tự ngẫu L
2
. 
*Việc kiểm tra công tơ theo các bước sau đây: 
 1. Điều chỉnh tự quay của công tơ: điều chỉnh L
2
, đặt điện áp vào cuộn áp của 
watmet và công tơ bằng điện áp định mức U = U
N
; điều chỉnh L
1 
sao cho dòng điện 
vào cuộn dòng của watmet và công tơ bằng không I = 0, lúc này watmet chỉ 0 và công 
tơ phải đứng yên. Nếu côngtơ quay thì đó là hiện tượng tự quay của côngtơ. 
 Nguyên nhân của hiện tượng này là khi chế tạo để thắng được lực ma sát bao 
giờ cũng phải tạo ra một mômen bù ban đầu, nếu mômen này quá lớn (lớn hơn mômen 
ma sát giữa trục và trụ) thì xuất hiện hiện tượng tự quay của côngtơ. 
Để loại trừ hiện tượng tự quay, ta phải điều chỉnh vị trí của mấu từ trên trục của côngtơ 
sao cho tăng mômen hãm, tức là giảm mômen bù cho đến khi côngtơ đứng yên thì 
thôi. 
 2. Điều chỉnh góc θ = β - α
I 
= 2/π: cho điện áp bằng điện áp định mức U = U
N
, 
dòng điện bằng dòng điện định mức I = I
N 
. Điều chỉnh góc lệch pha φ = π/2 tức là cos 
φ = 0. Lúc này watmet chỉ 0, công tơ lúc này phải đứng yên, nếu công tơ quay điều đó 
có nghĩa là 2/  và công tơ không tỉ lệ với công suất. 
 Để điều chỉnh cho góc 2/  ta phải điều chỉnh góc β hay từ thông Φ
u 
bằng 
cách điều chỉnh bộ phận phân nhánh từ của cuộn áp, hoặc có thể điều chỉnh góc α
1 
hay 
từ thông Φ
I 
bằng cách điều chỉnh vòng ngắn mạch của cuộn dòng. Cứ thế cho đến khi 
công tơ đứng yên. Lúc này thì số chỉ của công tơ tỉ lệ của công suất, tức là góc 
2/  . 
 3. Kiểm tra hằng số công tơ: để kiểm tra hằng số công tơ C
p 
thì cần phải điều 
chỉnh sao cho cos Ф = 1 (tức làФ = 0), lúc này watmet chỉ P = U.I. 
Cho I = I
N
, U = U
N 
lúc đó P = U
N
I
N 
 Đo thời gian quay của công tơ bằng đồng hồ bấm giây t. Đếm số vòng N mà 
công tơ quay được trong khoảng thời gian t. Từ đó ta tính được hằng số công tơ: 
 45 
Hằng số này thường không đổi đối với mỗi loại côngtơ và được ghi trên mặt côngtơ. 
Ví dụ: trên công tơ có viết : “1kWh = 600vòng” . Điều này có nghiã là C
p 
= 600 vòng 
/1kWh. 
 Trong thực tế đôi khi người ta sử dụng một đại lượng nghịch đảo với hằng số 
C
p 
 đó là hằng số k: 
Để thuận tiện, trên hộp số người ta tính toán để cho k = 1kWh/1 số, sẽ dễ dàng cho 
người dùng. Nếu C
p 
(hoặc k) không bằng giá trị định mức đã ghi trên mặt công tơ thì ta 
phải điều chỉnh vị trí của nam châm vĩnh cửu để tăng (hoặc giảm) mômen cản M
c 
cho 
đến khi C
p 
(hoặc k) đạt được giá trị định mức. 
 Sai số của công tơ được tính như sau : 
 Sau khi tính nếu sai số này nhỏ hơn hoặc bằng cấp chính xác ghi ở trên côngtơ 
là được. Trường hợp lớn hơn thì phải sửa chữa và hiệu chỉnh lại côngtơ rồi kiểm tra 
lại. 
m. Công tơ điện tử: 
Để chế tạo công tơ điện tử, người ta biến đổi dòng điện I thành điện áp U
1 
tỉ lệ với nó: 
 U
1 
= k
1
I 
một điện áp khác tỉ lệ với điện áp đặt vào U: 
 U
2 
= k
2
U 
qua bộ phận điện tử (nhân analog) sẽ nhận được điện áp U
3 
tỉ lệ với công suất P: 
 U
3 
= k
3
.P 
Tiếp theo điện áp này sẽ lần lượt qua các khâu: qua bộ biến đổi điện áp-tần số (hoặc bộ 
biến đổi A/D), vào bộ đếm, ra chỉ thị số. Số chỉ của cơ cấu chỉ thị số sẽ tỉ lệ với năng 
lượng N = CW trong khoảng thời gian cần đo năng lượng đó. 
 46 
Hình 5.10. Sơ đồ khối nguyên lý của côngtơ điện tử 
Tất cả các bộ biến đổi trên đây đều thực hiện bằng mạch điện tử. 
Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0,5. 
5.4. Đo công suất và điện năng trong mạch cao áp 
 Đo công suất mạch 3 pha trong mạch cao áp người ta sử dụng thêm các biến 
dòng và biến áp đo lường 
 Kết quả đo được nhân với hệ số máy biến dòng, biến áp 
Hình 5. 11 Đo công suất 3 pha trong mạch điện cao áp