TRƯỜ
Bài giảng
Đo lường điện
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
PHẦN I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 3
1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 3
1.1.1. Khái niệm về đo lường. 3
1.1.2. Khái niệm về đo lường điện 3
1.1.3. Các phương pháp đo. 3
1.2. CÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ. 6
1.2.1. Khái niệm về sai số. 6
1.2.2. Các loại sai số 7
1.2.3. Phương pháp tính sai số 9
1.2.4. Các phương pháp hạn chế sai số 10
PHẦN II. CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG 11
2.1. KHÁI NIỆM VỀ CƠ CẤU ĐO. 11
2.2. CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO. 12
2.2.1. Cơ cấu đo từ điện 12
2.2.2. Cơ cấu đo điện từ. 15
2.2.3. Cơ cấu đo điện động. 16
2.2.4. Cơ cấu đo cảm ứng 17
PHẦN III. ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN 19
3.1. ĐO ĐẠI LƯỢNG U, I. 19
3.1.1. Đo ḍng điện. 19
3.1.2. Đo điện áp. 25
3.2. ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG R, L, C. 33
3.2.1. Đo điện trở 33
3.2.2. Đo điện cảm 40
3.2.3. Đo điện dung 42
3.3.1. Đo tần số. 42

sau này.
Trong quá tŕnh biên soạn, đă được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ư 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 ư kiến đóng góp của bạn đọc.
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
2
TRƯỜNG TCN DTNT AG
Phần I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN
Trong quá tŕnh nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các quá tŕnh công
nghệ… đều yêu cầu phải biết rơ các thông số của đối tượng để có các quyết định phù hợp.
Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách
đo các đại lượng vật lư đặc trưng cho các thông số đó.
1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN.
1.1.1. Khái niệm về đo lường.
Đo lường là một quá tŕnh 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 =
Trong đó: X - đại lượng đo
X
0
- đơn vị đo
A - con số kết quả đo.
X
và ta có X = A.X
0

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa
là không có khâu phản hồi.
- Quá tŕnh thực hiện:
* Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số N
X
, đồng thời đơn vị
của đại lượng đo X
O
cũng được biến đổi thành con số N
O
.
* Tiến hành quá tŕnh so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia
N
X
/N
O
),
* Thu được kết quả đo: A
X
= X/X
O
= N
X
/N
O
.
H́nh 1.2. Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng.
Quá tŕnh này được gọi là quá tŕnh biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá
tŕnh
này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị X

+ 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 X
K
, qua bộ so sánh có: Δ
X
= X - X
K
. Tùy thuộc vào cách so sánh mà
sẽ có các phương pháp sau:
- So sánh cân bằng:
* Quá tŕnh thực hiện: đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu X
K
= N
K
.X
O
được
so sánh với nhau sao cho Δ
X
= 0, từ đó suy ra X = X
K
= N
K
.X
O
+ suy ra kết quả đo: A
X
= X/X
O

+ X
K
)/X
O
.
* Độ chính xác: độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của X
K
quyết định, ngoài
ra c̣n 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 Δ
X
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 tŕnh 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 X
K
, khi hai trạng thái
đáp ứng bằng nhau suy ra X = X
K
.
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
5
TRƯỜNG TCN DTNT AG
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 X
K

kết quả
- Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung b́nh mới có kết quả
1.2. CÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ.
1.2.1. Khái niệm về sai số.
Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá tŕnh 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
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
6
TRƯỜNG TCN DTNT AG
sai số, gọi là sai số của phép đo. Như vậy muốn có kết quả chính xác của phép đo th́ 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 t́m được kết quả chính xác.
1.2.2. 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, v́ 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

Bảng 2.1. Phân loại sai số của phép đo.
* Sai số tuyệt đối ΔX: là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth :
Δ
X
= X - X
th
* Sai số tương đối γ
X
: là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính bằng
phần trăm:

X
V́
X 
X

th

X
100 (%) ;

th
nên có thể có:

X


X
100 (%)


của kết quả đo
khi thực hiện phép đo nhiều lần, như vậy phép đo nào có kết quả với sai số ngẫu nhiên
vượt quá giới hạn sẽ bị loại bỏ.
- Cơ sở toán học: việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa trên giả thiết là sai số ngẫu
nhiên của các phép đo các đại lượng vật lư thường tuân theo luật phân bốchuẩn (luật
phân bố Gauxơ-Gauss). Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó th́ xác suất
xuất hiện sẽ hầu như bằng không và v́ thế kết quả đo nào có sai số ngẫu nhiên như vậy
sẽ bị loại bỏ.
- Các bước tính sai số ngẫu nhiên:
Xét n phép đo với các kết quả đo thu được là x
1
, x
2
, , x
n
.
*. Tính ước lượng ḱ vọng toán học m
X
của đại lượng đo:

X

X
 
X
n
x
m X

X





1
, 
2
 với:
n
2





vi
i 1
,
1 2
n .( n  1 )
với xác suất xuất hiện sai số ngẫu nhiên ngoài khoảng này là 34%.
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
9
TRƯỜNG TCN DTNT AG
*. Xử lư kết quả đo: những kết quả đo nào có sai số dư vi nằm ngoài khoảng 

1, 
2


, x
2
, , x
n
là số liệu chủ yếu để tiến hành gia công
kết quả đo.
* Loại trừ sai số hệ thống.
Việc loại trừ sai số hệ thống sau khi đo được tiến hành bằng các phương pháp. - Sử
dụng cách bù sai số ngược dấu
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
10
TRƯỜNG TCN DTNT AG
- Đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh
H́nh 2.2. Lưu đồ thuật toán quá tŕnh gia công kết quả đo.
Phần II. CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG
2.1. KHÁI NIỆM VỀ CƠ CẤU ĐO.
Cơ cấu đo là thành phần cơ bản để tạo nên các dụng cụ và thiết bị đo lường ở dạng
tương tự (analog) và hiện số Digitans.
- Ở dạng tương tự (analog) là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lượng cần đo X như điện áp,
ḍng điện, tần số, góc pha… được biến đổi thành góc quay α của phần động(so với phần tĩnh),
tức là biến đổi từ năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học.
Từ đó có biểu thức quan hệ:
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
11
TRƯỜNG TCN DTNT AG


(X ) với X là đại lượng điện.

Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
12
TRƯỜNG TCN DTNT AG
S: tiết diện khung dây
W: số ṿng dây của khung dây
Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản:
M q

M c

B
S
W
I

1
D




B
S
W
I
D

S
I I

+ Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau.
+ Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha
kế điện tử…
+ Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo được
ḍng, áp xoay chiều.
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
13
TRƯỜNG TCN DTNT AG
d) Lôgômét từ điện: là loại cơ cấu chỉ thị để đo tỉ số hai ḍng điện, hoạt động theo
nguyên lư giống cơ cấu chỉ thị điện từ, chỉ khác là không có ḷ xo cản mà thay bằng
một khung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khung dây
thứ nhất.
Nguyên lư làm việc: trong khe hở của từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt phần động
gồm hai khung quay đặt lệch nhau góc δ (300 ÷ 900). Hai khung dây gắn vào một trục
chung. Ḍng điện I1 và I2 đưa vào các khung dây bằng các dây dẫn không mômen.
H́nh 2.2. Lôgômét từ điện
d 1
- Ḍng I1 sinh ra mômen quay Mq:
M q

I
1.
d
- Ḍng I2 sinh ra mômen cản Mc:
d

2
M



d

I
1

2
1
 
f (

)
d

1
f (

)
2
d

với f1(α), f2(α) là các đại lượng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc ṿng.
Từ biểu thức trên có:
I 1


F
( )
I 2
Đặc tính cơ bản: góc lệch α tỉ lệ với tỉ số của hai ḍng điện đi qua các khung dây.

q

Tại vị trí cân bằng có:
M

1 2 dL
I
2 d

1 dL 2
M

 
I
q c
2 D d

là phương tŕnh thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ.
c) Các đặc tính chung:
- Góc quay α tỉ lệ với b́nh phương của ḍng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của ḍng
điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều.
- Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dαlà một đại lượng phi
tuyến.
- Cản dịu thường bằng không khí hoặc cảm ứng.
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn.
- Nhược điểm: độ chính xác không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị sai
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
15
TRƯỜNG TCN DTNT AG

 
I
D d

1 I 2
với: M
12
là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động.
- I1 và I2 là ḍng điện xoay chiều:

với: ψ là góc lệch pha giữa I1 và I2.
1 dM 12

I 1
I
2
cos

D d

H́nh 2.4. Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
16
TRƯỜNG TCN DTNT AG
c) Các đặc tính chung:
- Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều.
- Góc quay α phụ thuộc tích (I1.I2) nên thang đo không đều
- Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha ψ giữa hai ḍng điện nên có thể
ứng dụng làm Oátmét đo công suất.

, Ф
2
cắt đĩa nhôm 1 (phần động) → xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng
E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → xuất hiện các ḍng điện xoáy I
x1
, I
x2
(lệch pha với E
1
,
E
2
góc α
1
, α
2
).
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
17
TRƯỜNG TCN DTNT AG
Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tương hỗ với các ḍng điện I
x1
, I
x2
→ sinh ra các
lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động). Mômen
quay được tính:
M
q

+ Ampe kế điện từ
+ Ampe kế điện động
+ Ampe kế nhiệt điện
+ Ampe kế bán dẫn
H́nh 1.1: 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)
H́nh 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
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
19
TRƯỜNG TCN DTNT AG
+ Ampe kế xoay chiều
* Yêu cầu đối với dụng cụ đo ḍng điện là:
- Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lư 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 ḍng phải mắc nối tiếp với ḍng cần đo (h́nh dưới)
H́nh 1.2: Dùng đồng hồ số đo ḍng điện
A. Ampe kế một chiều
Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Như đă biết,
độ lệch của kim tỉ lệ thuận với ḍng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo
ra bởi ḍng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu
ḍng rất kém. Thông thường, ḍng 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 ḍng cho cơ cấu (cho phép ḍng lớn hơn qua) người ta mắc

r 
R
I
ct
R

R

S 2 S 3 1
Với n
ct 3 2
;
R

R

R

Với n

S1 1
n  1
1

S 2 1 2 2
I n  1 I
1
r
ct
CT 2 CT

I n  1 I
1 CT 2 CT
r I r I
ct
R

Với n

3 ct 4
;
R

Với n

S 3
n  1
3 S 4 4
I n  1 I
3 CT 4 CT
Chú ư: 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 ḍng 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 ḍng
và áp
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
21

p
I p
I
I
rms
rms
 
0 707 I
2

1 ,
11 I
tb
p
Chú ư: Giá trị ḍng mà kim chỉ thị dừng là giá trị ḍng trung b́nh nhưng thang khắc
độ thường theo giá trị rms.
Modull: Đo lường điện
http://www.ebook.edu.vn
22
TRƯỜNG TCN DTNT AG
H́nh a : Ampemet chỉnh lưu
Chú ư: 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:
H́nh b: Ampe kế chỉnh lưu
D. Ampemet điện động
Thường được sử dụng để đo ḍng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 -
2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 - 0,2).
Khi ḍng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động c̣n khi
ḍng lớn hơn 0,5A th́ mắc song song như (h́nh sau).