Bài giảng Đo điện tử - Chương 3: Đo điện trở

Chương 3: Đo điện trở

3.1.Đo điện trở bằng vôn-kế và ampe-kế.

3.2.Đo điện trở dùng phương pháp đo điện áp

bằng biến trở.

3.3.Mạch đo điện trở trong ohm kế.

3.4.Cầu Wheatstone đo điện trở.

3.5.Cầu đôi Kelvin.

3.6.Đo điện trở có trị số lớn.

3.7.Xác định chỗ hỏng cách điện dây dẫn bằng

phương pháp mạch vòng.

3.8.Đo điện trở cọc đất.

3.9.Đo điện trở trong V.O.M. điện tử

3.1.Đo điện trở bằng vôn-kế ampe-kế

Hình a: Cách mắc rẻ dài. Hình b: Cách mắc rẻ ngắn.

• Rẻ dài: Trị số đo R^’_x= V/I = R_x+R_a..Để kết quả

đo chính xác: R_x» R_a.(nội trở ampe-kế).

• Rẻ ngắn: Trị số đo R^’_x= V/I = R_x//R_g. Để kết

quả đo chính xác: R_x« R_g(nội trở vôn kế ).

3.2.Đo điện trở dùng phương pháp

đo điện áp bằng biến trở

• Nguồn E cung cấp dòng I , điện áp rơi trên R_xlà

V_Rx, trên điện trở mẫu R_slà V_s, ta có :

• V_Rx/V_s= R_xI/R_sI, suy ra: R_x= R_s.V_Rx/V_s.

• V_Rxvà V_sđược đo bằng phương pháp biến trở.

• Phương pháp này không phụ thuộc vào dòng I.

3.3.Mạch đo điện trở trong ohm kế

• Có 2 loại ohm kế: Nối tiếp và song song.

3.3.1.Ohm kế nối tiếp: Mạch đo như hình a. Dòng điện qua cơ

cấu chỉ thị I_m= E_b/(R_x+R₁+R_m).

• Khi R_x→ 0Ω, I_m→ I_max(dòng cực đại cơ cấu đo).

• Khi R_x→ ∞Ω , I_m→ 0 (không có dòng qua cơ cấu đo).

• khi R_x= R₁+R_m, I_m= I_max/2 (kim ở vị trí giữa thang đo).

• Thang đo không tuyến tính như hình b .

3.3.2.Ohm kế nối tiếp thực tế

• Thực tế nguồn E_bcó thể thay đổi,khi R_x→0, I_mqua cơ

cấu không bằng I_maxnên mạch đo mắc thêm R₂.

• Theo mạch trên ta có: I_b= E_b/(R_x+R₁+R₂//R_m).

• Nếu R₂//R_m<<R₁,thì :I_b= E_b/(R_x+R₁);I_m= I_b(R₂//R_m)/R_m

• Do đó mỗi lần cho R_x→0 điều chỉnh R₂để có:

I_m= E_b(R₂//R_m)/ R₁R_m= I_max

H.3.6a.Mặt ngoài ohm kế. H.3.6b.Mạch đo điện trở có nhiều tầm

• Để thay đổi tầm đo ta thay đổi điện trở tầm đo kết hợp

thay đổi nguồn pin cung cấp.

• Khi thay đổi tầm đo (X1, X10 hoặc X100….) dòng điện

qua cơ cấu đo vẫn bằng nhau nhưng trị số đọc trên

thang đo được nhân với giá trị tầm đo.

3.3.3.Độ chính xác của ohm kế

• Do mạch đo điện trở không tuyến tính theo thang đo,

nên sai số tăng nhiều ở khoảng đo phi tuyến.Thang

đo có sai số cho phép trong khoảng từ 10% đến 90%

khoảng hoạt động với điều kiện chỉnh “0” trước khi đo.

• Việc đo sẽ trở nên không chính xác khi nguồn pin

cung cấp giảm nhiều (khi đó không chỉnh được “0”

trước khi đo) cần phải thay nguồn pin mới.

• Để có độ chính xác cao, nên chọn tầm đo cho điện trở

ở khoảng ½ thang đo, vì tại đó sai số được chứng

minh là nhỏ nhất.

3.3.4.Ohm kế song song

• Theo mạch trên ta có: I_b= E_b/(R₁+R_m//R_x).

• Dòng qua cơ cấu đo: I_m= I_b(R_m//R_x)/R_m= f(R_x).

• Khi R_x→ 0Ω; I_m→ 0 (không có dòng qua cơ cấu đo).

• Khi R_x→ ∞Ω; I_m→ I_max(dòng cực đại cơ cấu đo).

• Thang đo điện trở không tuyến tính.

3.4.Cầu Wheatstone DC

• Có 2 loại cầu : cầu cân bằng và cầu không cân bằng.

3.4.1.Cầu Wheatstone cân bằng: Như hình trên.

a.Nguyên lý: P,Q: điện trở mẫu có trị giá:1, 10, 100Ω.

S: Biến trở mẫu thay đổi từ 0 đến 1KΩ.

G: Điện kế chỉ cầu cân bằng có kim chỉ “0” ở giữa.

• Khi cầu cân bằng: R/P = S/Q hay R = SP/Q

b.Độ nhạy và sai số của cầu

• Độ nhạy Ѕ:∆θ/ ∆R = (∆θ/∆I_g).(∆I_g/∆R).

Trong đó ∆θ: Độ lệch của điện kế, ∆R: Độ thay

đổi của điện trở cần đo, ∆I_g: Dòng đi qua điện

kế khi cầu mất cân bằng.

• S_i= ∆θ/∆I_g: Độ nhạy dòng của điện kế.

• S_r= ∆I_g/∆R = f(E,S,P,Q):Độ nhạy riêng của cầu.

• Muốn S_rlớn E phải đủ lớn (6v, 12v) và P/Q

phải chọn thích hợp.

• Sai số : ∆R/R = ∆S/S + ∆P/P + ∆Q/Q.

• Kết quả đo không phụ thuộc vào nguồn E

nhưng muốn việc đo chính xác ta cần cầu có

độ nhạy cao và các điện trở mẫu có sai số bé.

c.Tầm đo của cầu Wheatstone

• Để kết quả đo chính xác thì giá trị đo phải lớn hơn điện trở tiếp

xúc và dây nối.Như hình trên do ảnh hưởng của dây nối có

điện trở nối giữa S và Q khi đó điện kế G được xem như nối ở

a hoặc b, do đó:

R = (S+Y)P/Q hoặc R = SP/(Q+Y).

• Thực tế cầu đo được điện trở chính xác nhỏ nhất cở 5Ω, cầu

cũng đo điện trở nhỏ đến 10^-2Ω, điện trở lớn cở vài MΩ đến

vài trăm MΩ (cách đo đặc biệt).

3.4.2.Cầu Wheatstone không cân bằng

• Trong công nghiệp người ta thường sử dụng cầu

không cân bằng nhờ đo điện áp ra hoặc dòng điện ra.

• Điện áp ra của cầu: V_R– V_S= E_b(R/(R+P)-S/(Q+S)).

• Tổng trở ngõ ra của cầu: r = (P//R)+(Q//S).

• Dòng điện ra của cầu: I_g= (V_R-V_S)/(r+r_g).

• r_g: nội trở của điện kế.

3.5.Cầu đôi Kelvin

• Cầu đo điện trở nhỏ chính xác đến 10^-4Ω.

• Q: điện trở cần đo; S: điện trở mẫu có trị giá 10^-2đến

10^-3Ω; r, R có trị giá 1,10,100Ω; p, P có trị giá từ 0 đến

1KΩ.

• Khi đo chọn P/r = p/R (P = p và R = r). Khi cầu cân

bằng điện trở dây nối Y được loại bỏ ra kết quả đo:

Q = SP/R = Sp/r.

• Điện trở 4 đầu:Thực tế cầu đôi

Kelvin dùng điện trở mẫu S có 4

đầu để tránh sai số do sự tiếp

xúc của đầu điện trở với dây dẩn

điện có dòng điện lớn đi qua, do

sự xuất hiện hiệu ứng nhiệt điện

có thể có.Hai đầu dòng điện có

diện tích lớn, còn 2 đầu nhỏ gọi

là đầu thế, giá trị điện trở được

tính ở 2 đầu này và không có

điện áp rơi trên đầu thế này do

hiệu ứng nhiệt điện.

Đầu dòng

Đầu thếá

Đầu dòng

• Độ nhạy và sai số: Tương tự

như cầu Wheatstone. Muốn kết

quả đo chính xác cầu phải có độ

nhạy lớn, sai số điện trở mẫu

nhỏ và loại bỏ hiệu ứng nhiệt

điện ra khoải kết quả đo. Cách

loại bỏ hiệu ứng nhiệt điện?

Đầu thếá

Hình 3.11.Điện trở 4 đầu

3.6.Đo điện trở có trị số lớn

• Ta đề cập đến phương pháp đo điện trở lớn (vào

khoảng vài megohm trở lên) dùng vôn kế +

microampe-kế, cầu wheatstone và megohm-kế

chuyên dụng. Khi đo điện trở lớn như đo điện trở

cách điện của vật liệu hay thiết bị thông thường sẽ

có 2 phần tử điện trở:

• Điện trở khối và điện trở rỉ bề mặt.

• Hai phần tử điện trở này mắc song song với nhau,

như vậy điện trở rỉ ảnh hưởng đến điện trở khối

cần đo.

• Thông thường điện trở cách điện của thiết bị phải

đạt trị giá tối thiểu là 1 megohm đối với điện áp sử

dụng là 100v, điện áp càng lớn điện trở cách điện

đòi hỏi càng lớn.

3.6.1.Đo điện trở lớn dùng vôn kế+microampe-kế

• H.a) Dòng rỉ bề mặt I_s

H.b) Có vòng dây bảo vệ

• Khi đo dòng đi vào dây dẫn thì sẽ có 2 dòng điện đi qua

microampe-kế, đó là I_vđi qua lớp cách điện của vỏ bọc, dòng I_s

đi qua bề mặt của dây dẩn và lớp cách điện. Để tránh ảnh

hưởng của R_sbằng cách loại bỏ I_squa microampe-kế ta dùng

vòng dây bảo vệ bằng dây dẩn điện không có vỏ bọc cách điện

quấn quanh lớp vỏ cách điện và nối trước microampe-kế.

3.6.2.Đo điện trở lớn dùng cầu

Wheatstone

a)Cầu Wheatstone đo điện trở cách điện. b)Mạch tương đương

• Cầu Wheatstone đo điện trở cách điện để loại bỏ điện trở rỉ bề

mặt, chúng ta cũng dùng vòng bảo vệ có mạch tương đương

như hình trên , điện trở b và c là hai điện trở rỉ bề mặt trên và

dưới của vật liệu cần đo điện trở cách điện. Vì b>>r_gnên:

b//r_g≈ r_gvà c>>S nên c//S ≈ S.

• Vậy b và c không ảnh hưởng đến điện trở bề mặt R cần đo.

3.6.3.Megohm-kế chuyên dùng

• Đây là megohm-kế loại tỉ số kế từ điện, cơ cấu đo gồm 2 cuộn

dây: Cuộn dây lệch và cuộn dây kiểm soát. Dòng qua cuộn dây

kiểm soát I₁= E/(R₁+r₁), dòng qua cuộn lệch I₂=E/(R_x+R₂+r₂).

• Ta có : I₁/I₂= (R_x+R₂+r₂)/(R₁+r₁) = K(θ_i): là 1 hàm theo θ_i.

Khi R_x→∞;I₂→ 0: Kim lệch tối đa về phía trái thang đo có trị số ∞.

Khi R_x→ 0; I₂→ I_2max: Kim lệch tối đa về phía phải (trị số 0) .

Khi kim chỉ thị giữa thang đo: I₁/I₂= 1 →R_x= R₁+r₁- R₂- r₂

3.6.4.Đo điện trở cách điện của

đường dây tải điện

• Điện trở cách điện được đo giữa 2 đầu dây dẩn hoặc từng dây

với dây trung tính bằng cách dùng megohm kế với điều kiện

dây dẩn được tháo khoải nguồn điện lưới và tải. Kết quả đo

được thường hơi nhỏ hơn trị số thật.Trong trường hợp dây dẩn

có nguồn cung cấp ta có thể đo điện trở cách điện bằng cách

dùng vôn kế. Tại sao phải đo điện trở cách điện của thiết bị?

Cách đo?

3.7.Xác định chỗ hỏng cách điện của

dây dẫn bằng ph. ph. mạch vòng

3.7.1Mạch vòng Murray: Như hình trên, khi cầu cân bằng:

R₂/R₁= (R_a+R_b-R_x)/R_x, vậy:

R_x= R₁(R_a+R_b)/(R₁+R₂) .Nếu đoạn dây R_xcó chiều dài L_x;

R_acó chiêu dài L_a; R_bcó chiều dài L_b; cá c dâ y có cùng

điện trở suất, L_a= L_b= L và cùng thiết diện A:

ρL_x/A = (R₁/(R₁+R₂)).(L_aρ/A + L_bρ/A); L_x= R₁.2L/(R₁+R₂)