Giáo trình Đo lường điện (Bản đẹp)

 Hình 5.7. Tần số kế chỉ thị số giảm được sai số khi đo tần số thấp 
 Sai số tương đối của phép đo chu kỳ được tính là 
 - 55 - 
 BÀI 6: ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN 
1. Đo điện trở. 
1.1. Đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp 
a) Đo điện trở bằng vôn kế và ampe kế 
 Sơ đồ đo điện trở R dựa trên định luật Ôm.Mặc dù có thể sử dụng các dụng cụ 
đo chính xác nhưng giá trị điện trở nhận được bằng phương pháp này có thể có sai số 
lớn . Tùy theo cách mắc am pe kế và vôn kế mà giá trị Rx đo được sẻ khác nhau. 
b. Đo điện trở bằng Ôm kế 
 *Ôm kế mắc song song 
 Là loại dụng cụ đo trong Rx mắc song song với cơ cấu chỉ thị hình 3.16a. Ưu điểm 
của Ôm kế loại này là có thể đo được điện trở tương đối nhỏ (cỡ kΩ trở lại) và điện trở 
vào của ôm kế RΩ nhỏ khi dòng điện từ nguồn cung cấp không lớn lắm. Do Rx mắc 
song song với cơ cấu chỉ thị nên khi Rx = ∞ (chưa có Rx) dòng điện qua chỉ thị là lớn 
nhất (ICT=ICTmax) với Rx=0 dòng điện qua chỉ thị ICT 0. Thang đo được khắc độ giống 
như vôn kế hình 3.16b. 
 Hình 3.16: Ôm kế chỉ thị mắc song song 
 Điều chỉnh thang đo của ômmét trong trường hợp nguồn cung cấp thay đổi 
cũng dùng một biến trở RM và điều chỉnh ứng với Rx = ∞. Xác Rp và RM giống như sơ 
đồ ômmét mắc nối tiếp. 
*Ômmét nhiều thang đo. 
 - 56 - 
 Hình 3.17: Ôm kế nhiều thang đo 
 Ôm kế nhiều thang đo thực hiện theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn đo này 
sang giới hạn đo khác bằng cách thay đổi điện trở của ômmét với một số lần nhất định 
sao cho khi Rx = 0 kim chỉ thị vẫn đảm bảo lệch thang đo (nghĩa là dòng qua cơ cấu 
đo bằng giá trị định mức đã chọn). 
 Để mở rộng giới hạn đo của ôm kế có thể thực hiện bằng cách dùng nhiều 
nguồn cung cấp và các điện trở phân dòng (điện trở sun) cho các thang cấp với các 
điện trở sun tương ứng có chất lượng tốt. 
 Thiết bị có dòng chỉ thị định mức ICT =37.5µA, điện trở của chỉ RTC=3,82kΩ. 
Điều chỉnh zêrô là một biến trở 5kΩ (với mứcc bình thường). Pin 1,5 V dùng cho tất 
cả các khoảng đo Rx1;Rx100 và Rx1kΩ pin 15V dùng cho khoảng đo Rx10kΩ. Rx 
được mắc vào các đầu ra của mạch (+,-). 
 Hình 3.18: Núm điều chỉnh ôm kế 
 Công tắc đo có phần tiếp xúc động có thể xoay từng nấc cùng chiều hoặc ngược 
chiều kim đồng hồ. Hình 3.18 minh hoạ ômkế thường dùng và núm điều chỉnh ôm kế. 
 - 57 - 
c. Cầu đo điện trở: 
 Cầu đo điện trở thường được chia thành hai loại: Cầu đơn và cầu kép (cầu 
wheatstone và cầu Kelvin) 
*Cầu đơn:( cầu Wheatstone) 
Cầu đơn là một thiết bị dùng để đo điện 
trở rất chính xác. Mạch cầu hình 5-7 gồm 
hai điện trở cố định R2 và R3 và điện trở 
điều chỉnh được R1, điện trở cần đo Rx và 
điện kế chỉ không (CT). Cầu được cung 
cấp bằng nguồn điện một chiều Uo. Các 
điện trở R1, R2, R3 được chế tạo bằng điện 
trở Mangan có độ ổn định và độ chính xác 
cao. 
 Hình 3.19: Cầu đơn 
 Để xác định điện trở chưa biết Rx người ta điều chỉnh biến trở R1 cho tới khi 
điện kế chỉ zêrô, lúc đó cầu đang ở chế độ cân bằng nghĩa là điện thế tại hai điểm 
Va=Vb(Uab=0) do dòng điện không đi qua đện kế nên I1 sẽ chạy qua R1,R2 và I2 chạy 
qua R3, Rx, ta có: 
 I1R2=I2R3 (3-12) 
 I1R1=I2 Rx (3-13) 
 I1R2 I 2 R3 R2 R3
Chia biểu thức (3-12) cho(3-13) ta được hay và RxR2 = R1R3 
 I1R1 I 2 Rx R1 Rx
Từ đó tính được điện trở chưa biết 
 R3
 Rx= R1 
 R2
 R3
 Với R3 và R2 là các điện trở cố định do đó tỷ số k; k là hệ số nhân. Nếu 
 R2
thay đổi điện trở R3 bằng một số các điện trở có giá trị lớn hơn nhau 10 lần và giữ 
nguyên điện trở R2 thì ta sẽ có các hệ số nhân khác nhau. Nên có thể mở rộng thang đo 
của cầu như hình 5-8 
 Điện trở R5 (hình 3-20) dùng để điều chỉnh 
độ nhạy cảm của chỉ thị chỉ không. Trước khi đo 
khóa K được mở ra để chỉnh thô (bảo vệ quá dòng 
điện cho chi thị). Khi cầu đã tương đối cân bằng 
 - 58 - 
người ta đóng khóa K lại để chỉnh tinh cho 
đến khi cầu cân bằng hoàn toàn. 
 Độ chính xác của cầu cân bằng phụ thuộc vào độ nhạy của chỉ thị và điện áp 
cung cấp, vì vậy chỉ thị không cần có độ nhảy cảm cao, nguồn cung cấp đảm bảo dòng 
qua chỉ thị không vượt quá dòng cho phép. Ngoài cầu hộp như hình 3.21 người ta còn 
sử dụng cầu biến trở (hình 3.22). 
 Trong cầu biến trở, điện trở R2 và R3 là một biến trở có thể thay đổi được trị số, 
R1 là một dãy các điện trở có trị số lớn hơn nhau 10 lần. Khi đó, điện trở Rx được mắc 
vào mạch và điều chỉnh trị số R3/R2 cho đến khi chỉ thị Zêro (cầu đã cân bằng) 
 Giá trị điện trở cần đo Rx được xác định theo công thức 
 R3
 Rx = R1 
 R2
 Mở rộng giải đo của cầu bằng cách chế tạo điện trở R1 thành nhiều điện trở có 
giá trị khác nhau và thông qua chuyển mạch B để thay đổi các giá trị 
 Ưu điểm của cầu biến trở là chế tạo gọn nhẹ nhưng độ chính xác không cao do 
sai số của biến trở và con chạy. 
 Cấp chính xác của cầu đơn đo điện trở thuần phụ thuộc vào giới hạn đo. 
 Ví dụ: Giải đo R = 50 ÷ 105 Ω cấp chính xác 0,05 % với giải đo R = 105 ÷ 106 
Ω đạt cấp 0,5%. 
*Cầu kép (Cầu Kelvin) 
 Cầu kép là thiết bị đo điện trở nhỏ và rất nhỏ mà các cầu đơn trong quá trình đo 
không thuận tiện và có sai đó lớn do điện trở nối dây 
và điện trở tiếp xúc. 
 Các điện trở có trị số nhỏ như điện trở sun 
của ampemét phải có các đầu ra điện trở xác định 
chính xác. Để tránh nhửng sai số do tiếp xúc khi 
chịu những dòng điện lớn gây ra, các điện trở trên 
 Hình 3.23: Điện trở nhỏ 4 
 đầu 
 - 59 - 
thường được chế tạo bốn đầu, hai đầu dòng và hai đầu áp (hình 3.23). 
 Các đầu ra dòng lớn hơn và nằm ở các đầu mút ngoài của điện trở. Đầu ra áp 
nằm giữa 2 đầu dòng và những đầu ra đó thường dùng với các dòng điện nhỏ cỡ µA 
hoặc mA nên không có sự sụt áp do tiếp xúc tại các đầu ra điện áp. Điện trở được xác 
định đúng bằng điện trở tồn tại giữa các đầu điện áp. 
 Để đo các điện trở nhỏ nguời ta thường dùng cấu kép, hình 3.24. Cầu kép khác 
với cầu đơn ở chổ có thêm một số điện trở, trong đó R0 là điện trở chuẩn có giá trị nhỏ 
và R1, R2, R3, R4 là những điện trở điều chỉnh được. 
 Hình 3.25: Mạch nguyên lý cầu kép Hình 3.26: Cầu kép thông thường 
 Nếu tỉ số R3/R4 giống như R1/R2 thì sai số do độ sụp áp trên R được bỏ qua. Giả 
sử khi chỉ thị chỉ zêrô (không có dòng điện qua chỉ thị) và điện áp đầu ra của chỉ thị là 
UCT = 0 (hình 3.25). Với điều kiện trên ta có dòng I1 sẽ chạy qua R1 và R2, dòng I chạy 
qua RX, R0, dòng I2 qua R4 và R3 và I – I2 chạy qua R. 
 Do cầu cân bằng (UCT=0) nên điện áp rơi trên R2 bằng tổng các điện áp rơi trên 
R0 và R4: I1R2 = I2R4 + IR0 
 Ta có IR0 = I1R2 – I2R4 
 R4
 Hoặc IR0 = R2(I1- I2 ) (3-16) 
 R2
 Cũng như vậy, điện áp rơi trên R1 bằng tổng điện áp rơi trên R3 và RX 
 I1R1 = IRX 
 Ta có IRX = I1R1- I2R3 
 R3
 Hoặc IRx = R1(I1-I2 ) (3-17) 
 R1
 - 60 - 
 R
 R (I I 3 )
 IR 1 1 2 R
 Chia phương trình (5-17) cho ( 5-16) ta được X = 1 
 R
 IR0 4
 R2 (I1 I 2 )
 R2
 R R R R
 Với điều kiện 3 = 1 hoặc 3 = 4 ta có : 
 R4 R2 R4 R2
 RX R1 R1
 = và RX = R0 (3-18) 
 R0 R2 R2
 Trong quá trình đo người ta điều chỉnh R1, R2, R3, R4 sao cho luôn giữ được tỉ 
 R3 R1
số = . Khi đó giá trị của điện trở RX được xác định qua biểu thức 3-18. 
 R4 R2
 Hình 3.26 cho thấy các biểu diễn cầu kép thông thường trong đó R0 và RX là 
các điện trở có 4 đầu ra và R1, R2, R3, R4 được mắc vào các đầu ra điện áp của chúng. 
Khoảng đo của cầu kép thông thường từ 10µΩ (hoặc 10-5Ω) đến 1Ω. Tùy thuộc vào độ 
chính xác của linh kiện mà độ chính xác của phép đo có thể đạt đến ± 0,2%. 
d. Đo điện trở lớn 
 *Đo điện trở lớn bằng phương pháp gián tiếp 
 Phương pháp gián tiếp (vônmét và ampemét) có thể đo các điện trở lớn 105 ÷ 
1010Ω như điện trở cách điện. Trong quá trình đo cần loại trừ dòng điện rò qua dây dẫn 
hoặc qua cách điện của thiết bị. Muốn tránh dòng điện rò cần phải sử dụng màn chắn 
tĩnh điện hoặc dây dẫn bọc kim. 
 Một vấn đề xuất hiện khi đo những điện trở rất nhỏ là có hai thành phần điển 
trở: Điện trở khối và điện trở rò bề mặt. Trong thực tế điện trở bề mặt và điện trở khối 
tổ hợp lại đó là điện trở hiệu dụng của lớp cách điện. Tuy nhiên trong một số trường 
hợp phải tách riêng hai điện trở đó ra. Để tách hai thành phần điển trở người ta sử 
dụng các điện cực đo và cực phụ hình 3.27. 
 Khi đo điện trở cách điện khối mạch đo được bố trí như hình 3.27a trong đó 
điện kế G đo dòng điện xuyên qua khối cách điện (cỡ µA), còn dòng điện rò trên bề 
mặt vật liệu qua điện cực phụ nối đất. Điện trở cần đo được xác định qua vôn kế và 
điện kế G 
 U
 RX = 
 I đk
Nguồn điện cung cấp cho mạch đo cỡ kilôvôn, điện trở R khoảng 1MΩ. 
 Để đo điện trở các điện mặt sơ đồ mạch được bố trí như hình 3.27b, trong đó 
dòng điện rò trên bề mặt của vật liệu được đo bằng điện kế G, dòng điện xuyên qua 
 - 61 - 
khối vật liệu được nối qua cự chính xuống đất. Điện trở cũng được xác định qua 
vônmét và điện kế G. 
 Hình 3.28 a, sơ đồ đo điện trở khối; 
 b, sơ đo điện trở mặt 
 1- Hai điện cực đo 2- Cực phụ 3- Tấm cách điện 
* Mêgô mét 
 Mêgômmét là dụng cụ đo xách tay 
được dùng rộng rãi để kiểm tra điện trở 
cách điện của các dây cáp điện, các động 
cơ, máy phát và biến áp điện lực. 
 Dụng cụ gồm có nguồn cao áp cung 
cấp từ máy phát điện quay tay, điện áp có 
thể có trị số 500 V hoặc 1000V và chỉ thị là 
 Hình 3.29: Mạch nguyên lý Mêgômmét 
1 lôgômmét từ điện. Chỉ thị lôgômmét 
(hình 3.28) gồm hai khung dây, một khung tạo mômen quay và một khung dây tạo 
mômen phản kháng. Góc quay α của cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện chạy 
qua hai khung dây trong đó dòng điện I1 đi qua khung dây W1, điện trở R1, I2 đi qua 
khung dây W2, điện trở R2, RX, R3. 
 U 0
 Ta có : I1 = 
 R1 r1
 U 0
 I2 = 
 R2 r2 RX R3
 r1, r2 điện trở của khung dây 
 Dưới tác động của lực điện từ giữa từ trường và dòng điện qua các khung sẽ tạo 
ra mômen quay M1 và mômen cản M2. 
Ở tại thời điểm cân bằng M1=M2 
 I R R r R
Ta có : α =F( 1 )= F ( 2 3 2 X ) (3-19) 
 I 2 R1 r1
 - 62 - 
 Hình 3.30: Mêgômmét thông thường 
 Các giá trị R1,R2,R3 và r1,r2 là hằng số nên góc quay αtỷ lệ với Rx và không 
phụ thuộc vào điện áp cung cấp. hình 3.30 là sơ đồ của Mêgômmét thường dùng. 
2. Đo điện cảm. 
 * Khái niệm chung 
 Cuộn cảm lí tưởng là cuộn dây chỉ có thành phần điện kháng(XL=ωL) hoặc chỉ 
thuần khiết là điện cảm L, nhưng trong thực tế các cuộn dây, ngoài thành phần kháng 
XL còn có điện trở của cuộn dây RL. Điện trở RL càng lớn độ phẩm chất của cuộn dây 
càng kém. Nếu gọi Q là độ phẩm chất của cuộn dây thì Q được đặc trưng bởi tỉ số giữa 
điện kháng XL và điện trở của cuộn dây đó. 
 X
 Q L (3-36) 
 RL
 Để đo các thông số XL, XL và Q người ta thường dùng mạch cầu xoay chiều bốn 
nhánh. 
b. Các mạch cầu đo thông số cuộn cảm 
 * Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu 
 Mạch cầu so sánh điện cảm như hình vẽ 3.31 trong đó LX,LX là các thông số 
điện cảm và điện trở càn xác định: RM,RM là các cuộn dây điện cảm và điện trở chuẩn. 
Hai nhánh còn lại là các điện trở R1 và 
R2 cũng là các điện trở có độ chính cao. 
Khi đo người ta điều chỉnh ccá điện trở 
RM và R1,R2 để đạt được cân bằng cầu. 
Ở chế độ cân bằng ta có: 
 - 63 - 
 Hình 3.31: Cầu đo điện cảm 
 Z1.Z4=Z2.Z3 
 Z1=RM+jωLM Z3=R2 
 Z2=Rx+jωLx Z4=R1 
 * Cầu điện cảm Maxwell 
 Các tụ điện chuẩn chính xác dễ chế tạo hơn các cuộn dây điện cảm chuẩn, do đó 
người ta thường dùng điện dung chuẩn để đo điện cảm hơn là sử dụng các cuộn điện 
cảm chuẩn. Cần có tụ điện như vậy được gọi cầu Maxwell (hình 3.32) 
 Trong mạch cầu, tụ điện chuẩn C3 mắc song song với điện trở R3, các nhánh còn 
lại là điện trở R1 và R4. Các điện trở R3,R1,R4 là các điện trở có thể điều chỉnh được Rx 
và Lx biểu diễn cuộn cảm cần đo. Khi mạch cầu cân bằng ta có: 
 Z1.Z4=Z2.Z3 
Trong đó: 
 1
 Z3= 
 1
 jC3
 R3
 Z2=Rx+jωLx 
 Z1=R1 
 Z4=R4 Hình 3.32: Cầu điện cảm Maxwell 
 * Cầu điện cảm Hay 
 Cầu địên cảm Hay tương tự như cầu Maxwell chỉ khác ở chổ điện trở R3 được 
mắc kết nối tiếp tụ C3 (hình 5-22)và điện cảm Lx và Rx được biểu diễn đưới dạng mạch 
song song và Rx , Lx đo được là các thành phần của mạch song song. 
Khi cầu ở trạng thái cân bằng ta có: 
 Z1.Z4=Z2.Z3 
Trong đó: 
 1
 Z 
 2 1 1
 Rx jLx
 1
 Z3= R3+ 
 jC3
 Hình 3.32: Cầu điện cảm Hay 
 - 64 - 
 Z1=R1 Z4=R4 
3. Đo điện dung 
 Tụ điện lý tưởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không đi 
qua tụ ) nhưng trong thực tế do có lớp điện môi nên vẫn có dòng điện nhỏ đi qua từ 
cực này đến cực kia. vì vậy trong tụ có sự tổn hao 
công suất. 
a. Cầu đo xoay chiều đo điện dung 
* Cầu đo điện dung tổn hao nhỏ 
Hình 3.33 là sơ đồ cầu đo tụ điện có tổn hao nhỏ.Cầu 
gồm có 4 nhánh trong đó R1,R2 là thuần trở các nhánh 
còn lại là Xx,Rx và điện trở mẫu Rm,Cm điều chỉnh 
được. Đường chéo cầu được mắc điện kế G chỉ cân 
bằng và nguồn cung cấp xoay chiều U. Hình 3.34: Cầu xoay chiều đo 
 tụ điện có tổn hao ít 
*Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn 
Hình 5-19 là sơ đồ mạch cầu đo tụ điện có tổn 
hao lớn,trong đó R1, R2 là các điện trở thuần, CM 
mắc song song với RM là điẹn dung và điện trở 
mẫu; Rx, Cx là điện trở và điện dung của tụ điện 
cần đo. 
 Khi cần can bằng ta có: 
 Z1.Z3 = Z2.Z4 
 Hình 3.34: Cầu xoay chiều đo 
 1
Trong đó Z1= tụ điện có tổn hao lớn 
 1/ Rx jCx
 Z2=R1;Z3=R2 
 1
 Z4= 
 1/ RM jCM
 - 65 - 
 PHẦNV. TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO 
[1] Kỹ thuật đo - Ngô Văn Ky, Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 
1993. 
[2] Cẩm nang kỹ thuật kèm ảnh dùng cho thợ đường dây và trạm mạng điện trung thế 
[3] Trần Nguyên Thái, Trường Kỹ Thuật Điện, Công Ty Điện lực 2, Bộ năng lượng - 
1994. 
[4] Vật liệu điện - Nguyễn Xuân Phú, NXB Khoa học và Kỹ thuật , 1998. 
[5] Cung cấp điện - Nguyễn Xuân Phú, NXB Khoa học và Kỹ thuật , 1998. 
[6] Đo lường và điều khiển bằng máy tính - Ngô Diên Tập, NXB Khoa học và Kỹ 
thuật, 1997. 
[7] Sửa chữa điện máy công nghiệp - Bùi Văn Yên, NXB Đà nẵng, 1998. 
[8] Kỹ Thuật Điện - Đặng Văn Đào, NXB Giáo Dục, 1999.Giáo trình An toàn lao 
động - Nguyễn Thế Đạt, Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề - NXB Giáo Dục, 
2002. 
[9] Giáo trình An toàn điện - Nguyễn Đình Thắng, Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy 
nghề - NXB Giáo Dục, 2002. 
[10] Giáo trình Đo lường các đại lượng điện và không điện - Nguyễn Văn Hoà, Vụ 
Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề - NXB Giáo Dục, 2002. 
[11] Phạm Thượng Hàn (chủ biên) - Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý T1,2 – 
NXB Giáo dục 1997. 
[12] Lê Văn Doanh (chủ biên) - Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều 
khiển - NXB KH&KT 2001. 
[13] Nguyễn Ngọc Tân (chủ biên) - Kỹ thuật đo - NXB KH&KT 2000. 
[14] Phan Quốc Phô (chủ biên) - Giáo trình cảm biến - NXB KH&KT 2005. 
[15] Ernest O. Doebelin - Measurement Systems-Application and Design - 5st edition -
McGraw-Hill 
[16] Các trang web của các hãng sản xuất thiết bị đo lường và cảm biến: OMRON, 
ABB, FLUKE, SIEMENS, HP, HONEYWELL, OMEGA  
[17] Tạp chí “Tự động hóa ngày nay” + Trang web của tạp chí Tự động hóa ngày nay: 
 www.automation.org.vn - chuyên mục “Thế giới cảm biến”. 
[18] Trang web www.hiendaihoa.com 
 - 66 -