Giáo trình Kỹ thuật đo lường (Phần 1)

 1
LỜI GIỚI THIỆU 
Quyển sách này nhằm mục đích cung cấp kiến thức cơ bản về thiết bị 
và phương pháp đo lường các đại lượng điện. Nội dung giáo trình phục 
vụ cho sinh viên các ngành Điện - Điện tử - Máy tính của các trường đại 
học. Đồng thời cũng giúp ích cho sinh viên các chuyên ngành khác và 
các cán bộ kỹ thuật có quan tâm đến lĩnh vực đo điện. 
Khi viết giáo trình này chúng tôi có tham khảo kinh nghiệm của các 
nhà giáo đã giảng dạy nhiều năm ở các trường đại học, đồng thời đã cập 
nhật những nội dung mới, vừa đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào 
tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá, vừa đảm bảo tính 
sát thực của các thiết bị đo cũng như phương pháp đo mà các cán bộ kỹ 
thuật đang vận hành trong thực tế. 
Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình 
sẽ không tránh khỏi những khiêm khuyết. Chúng tôi mong nhận được sự 
đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp và các bạn sinh viên để giáo trình 
này được hoàn thiện. 
Sau hết chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự đóng góp đáng kể của 
Thạc sỹ Nguyễn Văn Chí, cảm ơn Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ 
thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho 
chúng tôi hoàn thành quyển sách này. 
Tác giả 
 2 
Chương 1 
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 
1.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị 
1.1.1. Định nghĩa 
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để 
có kết quả bằng số so với đơn vị. 
Với định nghĩa trên thì đo lường là quá trình thực hiện ba thao tác 
chính: Biến đổi tín hiệu và tin tức. 
- So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo 
lường. 
- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị. 
Căn cứ vào việc thực hiện các thao tác này ta có các phương pháp và 
hệ thống đo khác nhau. 
Thiết bị đo và thiết bị mẫu 
Thiết bị đo là một hệ thống mà đại lượng đo gọi là lượng vào, lượng 
ra là đại lượng chỉ trên thiết bị (là thiết bị đo tác động liên tục) hoặc là 
con số kèm theo đơn vị đo (thiết bị đo hiện số). Đôi khi lượng ra không 
hiển thị trên thiết bị mà đưa tới trung tâm tính toán để thực hiện các 
Algorithm kỹ thuật nhất định. 
- Thiết bị mẫu dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị đo và đơn vị 
đo. 
Theo quy định hiện hành thiết bị mẫu phải có độ chính xác lớn hơn ít 
nhất hai cấp so với thiết bị kiểm tra. 
Ví dụ: Muốn kiểm định công tơ cấp chính xác 2 thì bàn kiểm định 
công tơ phải có cấp chính xác ít nhất là 0,5. 
1.1.2. Phân loại 
1.1.2.1. Thiết bị đo lường 
Có nhiều cách phân loại song có thể chia thiết bị đo lường thành hai 
loại chính là thiết bị đo chuyển đổi thẳng và thiết bị đo kiểu so sánh. 
 3
Thiết bị đo chuyển đổi thẳng 
Đại lượng cần đo đưa vào thiết bị dưới bất kỳ dạng nào cũng được 
biến thành góc quay của kim chỉ thị. Người đo đọc kết quả nhờ thang 
chia độ và những quy ước trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị 
đo cơ điện. Ngoài ra lượng ra còn có thể biến đổi thành số, người đo đọc 
kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt máy hoặc máy tự động làm việc 
đó, ta có thiết bị đo hiện số. 
Thiết bị đo kiểu so sánh 
Thiết bị so sánh cũng có thể là chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số. Tuỳ 
theo cách so sánh và cách lập đại lượng bù (bộ mã hoá số tương tự) ta có 
các thiết bị so sánh khác nhan như: thiết bị so sánh kiểu tuỳ động (đại 
lượng đo x và đại lượng bù xù luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh 
kiểu quét (đại lượng bù xù biến thiên theo một quy luật thời gian nhất 
định và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm trong chu kỳ). 
Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập đại lượng bù người ta chia thành 
dụng cụ mã hoá số xung, tần số xung, thời gian xung. Căn cứ vào điều 
kiện cân bằng người ta chia thành dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng 
cụ bù có lệch (vi sai). 
Căn cứ vào quan hệ giữa lượng ra và lượng vào, người ta chia thành: 
thiết bị đo trực tiếp (đại lượng ra biểu thị trực tiếp đại lượng vào), thiết bị 
đo gián tiếp (đại lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua 
những biểu thức toán học xác định), thiết bị đo kiểu hợp bộ (nhiều đại 
lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua các phương trình 
tuyến tính). 
1.1.2.2. Chuyển đổi đo lường 
Có hai khái niệm: 
- Chuyển đổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi 
tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 ÷ 10V; 
I = 4 ÷ 20mA). 
Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến 
điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại... đã được nghiên cứu kỹ ở 
các giáo trình khác nên ta không xét. 
 4 
- Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến một tín hiệu 
không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo. Có rất 
nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau như: chuyển đổi điện trở, điện 
cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện... 
1.1.2.3. Tổ hợp thiết bị đo 
Với một thiết bị cụ thể (một kênh): 
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống đo một kênh 
+ Chuyển đổi đo lường: biến tín hiện cần đo thành tín hiệu điện. 
+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin.... bao gồm: nguồn, 
các mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ... 
+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho người quan sát, thường gồm chỉ thị 
số và chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v... 
1.1.2.4. Với hệ thống đo lường nhiều kênh 
Trường hợp cần đo nhiều đại lượng, mỗi đại lượng đo ở một kênh, 
như vậy tín hiệu đo được lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hoá 
tới mạch điều chế tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đưa qua phân kênh 
(multiplexer) để được sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống 
dẫn truyền. Để có sự phân biệt, các đại lượng đo trước khi đưa vào mạch 
phân kênh cần phải mã hoá hoặc điều chế (Modulation - MOD) theo tần 
số khác nhau (thí dụ như f10, f20...) cho mỗi tín hiệu của đại lượng đo. 
Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế 
(Demodulation - DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo. Đây chính là hình 
thức đo lường từ xa (TE1emety) cho nhiều đại lượng đo. 
 5
Hình 1.2. Hệ thống đo lường nhiều kênh 
1.2. Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 
1.2.1. Hệ thống đo hiến đổi thẳng 
Trong hệ thống đo biến đổi thẳng, đại lượng vào x qua nhiều khâu 
biến đổi trung gian được biến thành đại lượng ra z. Quan hệ giữa z và x 
có thể viết: 
z = f(x) 
trong đó f() là một toán tử thể hiện cấu trúc của thiết bị đo. 
 6 
Trong trường hợp quan hệ lượng vào và lượng ra là tuyến tính ta có 
thể viết: 
z = S.x (1.1) 
ở đây S gợi là độ nhạy tĩnh của thiết bị. 
- Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lượng 
vực và lượng ra có thể viết: 
trong đó Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị. 
1.2.2. Hệ thống đo kiểu so sánh 
Trong thiết bị đo kiểu so sánh đại lượng vào x thường được biến đổi 
thành đại lượng trung gian yX qua một phép biến đổi T: 
yX = T.x. 
Hình 1.3. Hệ thống đo kiểu so sánh 
Sau đó yX được so sánh với đại lượng bù yk 
Ta có: ∆y = yX - yk 
Có thể căn cứ vào thao tác so sánh để phân loại các phương pháp đo 
khác nhau. 
1.2.2.1. Phân loại phương pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng 
a) Phương pháp so sánh kiểu cân bằng (Hình 1.4) 
Trong phương pháp này, đại lượng vào so sánh: yX = const; đại 
lượng bù yk = const. 
Tại điểm cân bằng: 
b) Phương pháp so sánh không cân bằng (Hình 1.5) 
 7
Cũng giống như trường hợp trên song ∆y →ε ≠0 
1.2.2.2. Phân loại phương pháp đo căn cứ vào cách tạo điện áp bù 
a) Phương pháp mã hoá thời gian 
Trong phương pháp này đại lượng vào yX = const còn đại lượng bù yk 
cho tăng tỉ lệ với thời gian t: 
yk = y0.t (y0 = const) 
Hình 1.6. Phương pháp mã hóa thời gian 
Tại thời điểm cân bằng yX = yk = y0.tX 
Đại lượng cần đo yX được biến thành khoảng thời gian tX ở đây phép 
so sánh phải thực hiện một bộ ngưỡng 
 8 
b) Phương pháp mã hoá tần số xung 
Trong phương pháp này đại lượng vào yX cho tăng tỉ lệ với đại lượng 
cần đo x và khoảng thời gian t: yX = t.x, còn đại lượng bù yk được giữ 
không đổi. 
Hình 1.7. Phương pháp mã hoá tần số xung 
Tại điểm cân bằng có: 
Đại lượng cần đo x đã được biến thành tần số fX. Ở đây phép so sánh 
cũng phải thực hiện một bộ ngưỡng. 
c) Phương pháp mã hoá số xung 
Trong phương pháp này đại lượng vào yX = const, còn đại lượng bù 
yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang với những bước 
nhảy không đổi vo gọi là bước lượng tử. 
T = const còn gọi là xung nhịp. 
Ta có: 
 9
Tại điểm cân bằng đại lượng vào yx được biến thành con số NX 
yX ≈ NX.y0 (1-6) 
Để xác định được điểm cân bằng, phép so sánh cũng phải thực hiện 
một bộ ngưỡng: 
Ngoài ra còn phương pháp mã hoá số xung ngược, phương pháp đếm 
xung, phương pháp trùng phùng. 
1.3. Các đặc tính của thiết bị đo 
1.3.1. Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của thiết bị đo 
1.3.1.1. Độ nhạy và ngưỡng độ nhạy 
Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x). Để có một sự 
đánh giá về quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của thiết bị đo, ta dùng 
khái niệm về độ nhạy của thiết bị: 
trong đó: ∆z là biến thiên của lượng ra và ∆x là biến thiên của lượng 
vào. 
Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi ∆x đủ nhỏ 
thì S là một hằng số. Với thiết bị có quan hệ giữa lượng vào và lượng ra 
là tuyến tính, ta có thể viết: z = S.x, lúc đó S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết 
 10 
bị đo. 
Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp thì độ 
nhạy được tính ∏
=
=
n
1i
iSS , với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị. 
Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao 
nhiêu cũng được, song trên thực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z không thể 
thấy được. 
Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10A nhỏ hơn 
10W (chẳng hạn) thì công tơ không quay nữa. 
Nguyên nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do 
hiện tượng trễ... ε được gọi là ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo. 
Có thể quan niệm ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất 
mà thiết bị đo có thể phân biệt được. 
Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác 
nhau nó chưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị. Vì vậy để so sánh 
chúng với nhau người ta phải xét tới quan hệ giữa ngưỡng độ nhạy và 
thang đo của thiết bị. 
Thang đo (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân 
theo phương pháp đo lường của thiết bị 
Từ đó đưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo: 
và so sánh các R với nhau. 
1.3.1.2. Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo 
- Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo.. Bất kỳ 
một phép đo nào đều có sai lệch so với đại lượng đúng 
trong đó xi là kết quả của lần đo thứ 
xđ là giá trị đúng của đại lượng đo 
 11
δi là sai lệch của lần đo thứ i 
- Sai số tuyệt đối của một thiết bị đo được định nghĩa là giá trị lớn 
nhất của các sai lệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo: 
- Sai số tuyệt đối chùn đánh giá được tính chính xác và yêu cầu công 
nghệ của thiết bị đo. Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc 
một thiết bị đo được đánh giá bằng sai số tương đối: 
+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính 
+ Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính 
Giá trị, γ % gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết 
bị đo thành các cấp chính xác. 
Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ điện có 
cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4. 
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 
0,5; 1. 
Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai 
số tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các 
phép đo cụ thể. 
Ta có: 
trong đó γ là sai số tương đối của thiết bị đo, phụ thuộc cấp chính xác và 
không đổi nên sai số tương đối của phép đo càng nhỏ nếu D/x dần đến 1. 
Vì vậy khi đo một đại lượng nào đó cố gắng chọn D sao cho: D ≈ x. 
1.3.2. Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo 
Thiết bị đo phải thu năng lượng từ đối tượng đo dưới bất kì hình thức 
 12 
nào để biến thành đại lượng đầu ra của thiết bị. Tiêu thụ năng lượng này 
thể hiện ở phản tác dụng của thiết bị đo lên đối tượng đo gây ra những 
sai số mà ta thường biết được nguyên nhân gọi là sai số phụ về phương 
pháp. Trong khi đo ta cố gắng phấn đấu sao cho sai số này không lớn 
hơn sai số cơ bản của thiết bị. 
- Với các thiết bị đo cơ học sai số chủ yếu là phản tác dụng của 
chuyển đổi. Với các thiết bị đo dòng áp, sai số này chủ yếu là do ảnh 
hưởng của tổng trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị. 
Tổn hao năng lượng với mạch đo dòng áp là: 
Vậy ta tạm tính sai số phụ do ảnh hưởng của tổng trở vào là: 
với RA là điện trở của ampemet hoặc phần tử phản ứng với dòng; 
RV là điện trở của volmet hoặc phần tử phản ứng với áp; 
Rt là điện trở tải. 
Ví dụ 1.2: Phân tích sai số phụ khi đo áp trên Hình 1.9. 
+ Giả sử cần kiểm tra điện áp UA0. 
Theo lý lịch [ UA0] = 50 ± 2 (V). 
+ Xét khi chưa đo (k mở), ta có ngay: 
UA0 = 50 V. 
+ Xét khi đo (k đóng). 
 13
Giả sử RV = 100 kΩ. Vậy điện áp đo được: Uv = UA0 = 33,3 V. 
Sai số từ 33 V trở lên 50 V chính là sai số phụ về phương pháp do 
ảnh hưởng điện trở của V sinh ra. 
1.3.3. Các đặc tính động của thiết bị đo 
Khi đo các đại lượng biến thiên ta phải xét đến đặc tính động của 
dụng cụ đo Đặc tính động của dụng cụ đo thể hiện ở các đặc trưng sau: 
- Hàm truyền đạt của thiết bị đo hay độ nhạy động của thiết bị đo 
K(p) tức là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào ở trạng thái động 
Đặc tính này thể hiện dưới các dạng sau: 
+ Đặc tính quá độ ứng với tín hiệu vào có dạng bước nhảy: 
+ Đặc tính xung hay tín hiệu vào là xung hẹp: 
+ Đặc tính tần lúc tín hiệu vào có dạng hình sin: 
+ Đặc tính tần thể hiện ở hai dạng: đặc tính biên tần A(ω) và đặc tính 
pha tần θ(ω). 
Đặc tính còn thể hiện dưới dạng sai số tần số, sai số này thể hiện ở 
sai số biên tần γA và sai số pha tần γθ: 
trong đó: A(ω) là biên độ đầu ra phụ thuộc tần số; 
A0 là biên độ của khâu lý tưởng không phụ thuộc tần số; 
θ(ω) là góc pha ở đầu ra phụ thuộc tần số; 
θ0 là góc pha lý tưởng không phụ thuộc tần số. 
Trong dụng cụ đo các sai số này phải nhỏ hơn một giá trị cho phép 
 14 
quy định bởi nhà nước. Giải tần của dụng cụ đo là khoảng tần số của đại 
lượng vào để cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. 
Thời gian ổn định hay thời gian đo của thiết bị là thời gian kể từ khi 
đặt tín hiệu vào của thiết bị cho tới khi thiết bị ổn định có thể biết được 
kết quả. 
Chính dựa vào thời gian đo của thiết bị này cho phép ta tự động rời 
rạc hoá đại lượng cần đo để đo giá trị tức thời, sau đó dùng các phép gia 
công toán học hoặc dùng phương tiện để phục hồi lại hoàn toàn hiện 
tượng xảy ra. 
1.4. Gia công kết quả đo lường 
Gia công kết quả đo lường là dựa vào kết quả của những phép đo cụ 
thể ta xác định giá trị đúng của phép đo đó và sai số của phép đo ấy. 
Dụng cụ đo nào cũng có sai số và nguyên nhân sai số rất khác nhau, 
vì vậy cách xác định sai số phải tùy theo từng trường hợp mà xác định. 
Hiện nay đã dùng nhiều phương pháp khác nhau để phép đo đảm bảo yêu 
cầu kỹ thuật đề ra. 
1.4.1. Tính toán sai số ngẫu nhiên 
-  ... của w1 và w2 
Ta xác định Uk2 = I2R2 (R2 là một phần điện trở của AB được xác 
định nhờ vị trí của con trượt D2 trên A'B'). Vì Ukl = I1R1 và Uk2 = I2R2 mà 
I1 và I2 lệch nhau một góc 90o nên Ukl và Uk2 cũng lệch pha nhau 90o. 
Chú ý rằng khi tần số f thay đổi ω = 2πf, như vậy khi ω thay đổi dẫn 
tới I2 thay đổi và giá trị khắc độ trên AB cũng thay đổi. Để khắc phục 
người ta dùng hộp điện trở phụ Rf để bù cho tần số không đổi (tức là Rf 
thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của tần số nguồn cung cấp). 
Mạch đo là mạch chủ yếu của điện thế kế bao gồm nguồn tín hiệu 
cần đo UX, điện thế kế chỉ không G, các phần của biến trở dây quấn 
chuẩn D1O, D2O'. 
Đồ thị biểu diễn các giá trị Uk như Hình 3.19. 
Điều chỉnh các con trượt Uk1 và Uk2 trên các biến trở dây quấn AB và 
AB thông qua tính toán ta sẽ được trị hiệu dụng và góc pha của điện áp 
UX cần đo 
Sai số chủ yếu của điện thế kế xoay chiều là sai số của ampemet (nhỏ 
nhất là 0,1) 
3.5.3.3. Điện thế kế tự động tự ghi 
Loại này thường dùng đo nhiệt độ lò tôi, ram, nhiệt luyện, dùng nhận 
 68 
dạng các đối tượng là lò gia nhiệt. 
- Sơ đồ tóm tắt nguyên lý như Hình 3.23. 
Sơ đồ gồm các khối như sau: 
+ Cặp nhiệt điện có nhiệm vụ biến đổi từ nhiệt độ tx sang suất điện 
động một chiều Ex. Với hệ thống thực thường có thêm mạch bù nhiệt độ 
đầu tự do. 
+ Cầu so sánh gồm EP, RP và các điện áp mẫu khác như: R0, R1, R2, 
R3, R4. Nhiệm vụ là tạo ra các điện áp mẫu một chiều với độ chính xác 
cao (Trong thiết bị thực tế EP được lấy từ nguồn điện áp xoay chiều 
220V qua bộ chỉnh lưu, qua ổn áp một chiều với chất lượng cao). 
+ Bộ biến đổi một chiều, xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp 
một chiều ∆U thành điện áp xoay chiều tần số 50Hz. Mạch này có thể là 
con rung cơ học hoặc rung điện tử. 
+ Mạch khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu xoay chiều với 
công suất đủ lớn để cung cấp cho cuộn dây điều khiển động cơ KĐB. 
Tầng cuối của mạch khuếch đại sẽ là khuếch đại công suất nhạy pha 
+ Hai động cơ gồm một động cơ không đồng bộ có nhiệm vụ kẻo 
con trượt trên các biến trở RP, R0 và một động cơ đồng bộ có nhiệm vụ 
 69
kẻo băng giấy chuyển động trong chế độ tự ghi. 
Quá trình đo được chia làm hai bước: 
Kiểm tra độ chính xác của các điện áp mẫu 
Lúc này khoá K ở vị trí H trục hộp giảm tốc của động cơ KĐB được 
đưa vào ăn khớp với đầu biến trở RP. Khi đó nguồn suất điện động chuẩn 
Ec được so sánh với điện áp U4 là điện áp rơi trên điện trở R4 
Ta có: 
∆U= Ec - U4 
trong đó Ec là một nguồn chuẩn với độ chính xác rất cao có sẵn trong 
thiết bị. 
∆U được đưa vào mạch biến đổi một chiều, xoay chiều sau đó được 
đưa tới mạch khuếch đại và tín hiệu được khuếch đại lên với công suất 
đủ lớn để cung cấp cho cuộn dây điều khiển của động cơ KĐB. Vì tầng 
cuối của mạch khuếch đại là khuếch đại công suất nhạy pha nên pha của 
điện áp trên cuộn dây điều khiển sẽ phụ thuộc vào dấu của ∆U. 
Tóm lại, khi ∆U ≠ 0, động cơ KĐB sẽ quay kẻo con trượt trên đầu 
biến trở RP để thay đổi điện áp Uk theo chiều hướng sao cho ∆U → 0. 
Lúc đó mất tín hiệu điều khiển và dừng lại. Các điện áp mẫu trên các 
nhánh của cầu coi như đạt yêu cầu về độ chính xác. 
Quá trình đo nhiệt độ 
Lúc này khoá K ở vị trí X, trục hộp giảm tốc của động cơ KĐB được 
đưa về ăn khớp với đầu biến trở R0 
Nhờ cặp nhiệt điện, nhiệt độ cần đo biến thành suất điện động một 
chiều Ex. Khi đo Ex ta so sánh với U12 là điện áp rơi trên các điện trở mẫu 
R1, R2 và một phần R0. Ta có: ∆U= Ex - U12 
Khi ∆U ≠ 0 thì theo nguyên lý ở phần trên, động cơ KĐB sẽ quay, 
kéo con trượt trên đầu biến trở R0 để thay đổi U12 có xu hướng sao cho 
∆U → 0 thì mất tín hiệu điều khiển và dừng lại. Lúc đó ta xác định được 
Ex = U12. Vậy căn cứ vào vị trí của con trượt trên biến trở R0 ta xác định 
được U12 rồi ta suy ra Ex. Thực tế trên R0 người ta có sẵn các vạch chia 
theo đơn vị nhiệt độ nên ta đọc được kết quả. 
 70 
Quá trình tự ghi 
Lúc này trên đầu biến trở R0 ta gắn sẵn một ngòi ghi, ngòi ghi tỳ lên 
băng giấy (một cách liên tục hoặc gián đoạn hoặc bằng nhiệt). 
Trong chế độ tự ghi băng giấy được động cơ đồng bộ kẻo chuyển 
động với tốc độ không đổi. Như vậy sẽ tạo ra trục thời gian t. 
Ta thấy khi to thay đổi, ngòi ghi sẽ chuyển động từ trái sang phải nhờ 
động cơ KĐB, còn băng giấy thì chuyển động với tốc độ không đổi từ 
dưới lên trên nhờ động cơ đồng bộ nên ngòi ghi sẽ vẽ trên băng giấy biểu 
đồ nhiệt độ theo thời gian. 
3.6. Đo điện áp bằng các volmet chỉ thị số 
Ngày nay volmet số được sử dụng rộng rãi trong đo lường vì khả 
năng chính xác khá cao, gọn nhẹ, thuận tiện cho người sử dụng. Tuỳ theo 
cách biến đổi điện áp thành các đại lượng để chỉ thị số mà người ta chia 
ra thành ba loại volmet số như sau: 
- Volmet số chuyển đổi thời gian; 
- Volmet số chuyển đổi tần số; 
- Volmet số chuyển đổi trực tiếp (chuyển đổi bù). 
3.6.1. Volmet số chuyển đổi thời gian 
Nguyên lý chung là biến đổi điện áp cần đo thành khoảng thời gian, 
sau đó lấp đầy khoảng thời gian bằng các xung có tần số chuẩn (f0) sau 
đó dùng bộ đếm để đếm số lượng xung (N) tỷ lệ với Ux để suy ra Ux 
Sơ đồ cấu trúc chung của volmet số như sau: 
 71
Hình 3.25. Sơ đồ cấu trúc volmet số chuyển đổi thời gian một nhịp 
Biểu đồ thời gian: 
Nguyên lý làm việc: 
Khi mở máy tại thời điểm t1, máy phát xung chuẩn qua bộ chia tần 
khởi động máy phát xung răng cưa, đầu ra máy phát xung răng cưa có 
Urc (Uk) ới tiến bộ so sánh để so sánh với điện áp Ux cần đo ở đầu vào. 
Đồng thời cũng từ đầu ra của bộ phát điện áp răng cưa có xung thứ nhất 
đến trigơ và đặt trigơ ở trạng thái kích hoạt để mở khoá K cho phép các 
xung mang tần số chuẩn (f0) từ phát xung qua khoá K đến bộ đếm và chỉ 
thị số. Tại thời điểm t2 khi Ux = Urc thiết bị so sánh phát xung thứ 2 tác 
động vào trigơ và khoá khoá K, thời gian từ t1 đến t2 tương ứng với tx. Từ 
đây ta có mối quan hệ: 
 72 
Với một máy phát điện áp răng còn cố định thì tế và trẻ là hằng số, vì 
vậy Ux tỷ lệ với tx số lượng xung đến bộ đếm trong khoảng thời gian tx sẽ 
là: 
Số lượng xung đi qua khoá K trong một chu kỳ của điện áp răng cưa 
tỷ lệ với điện áp cần đo. 
Sai số chủ yếu là do máy phát điện áp răng cưa gây ra, tức là tế và trẻ 
khác hằng số, tiếp theo là sai số lượng tử. 
Chú ý: Khi Ux biến thiên với một tốc độ nào đó thì không thể đo 
được vì đường cong điện áp răng cưa không cắt Ux. Do vậy sự biến thiên 
của điện áp Ux Phải đảm bảo điều kiện sau: 
3.6.2. Volmet số chuyển đổi tần số 
Nguyên lý làm việc của volmet số chuyển đổi tần số dựa trên nguyên 
tắc biến điện áp thành tần số rồi dùng các máy đo tần số để chỉ thị theo 
điện áp. 
Sơ đồ cấu trúc của volmet số chuyển đổi tần số như sau 
 73
Điện áp cần đo Ux được đưa đến đầu vào, qua khâu tích phân sẽ được 
điện áp U1. U1 được so sánh với điện áp U2 (điện áp U2 có độ ổn định cao 
Khi U1 = U2 thiết bị so sánh phát xung qua khuếch đại 2 (tại thời điểm từ 
thông khoá K1 và K để đến bộ đếm, chỉ thị số. Khi K1 thông, điện áp U0 
(ngược dấu với U1) qua K1 đến bù với điện áp U1 (đây là mạch phóng 
điện của tụ C) trong khoảng thời gian Tk (từ t1 đến t2) tại t2 điện áp U0 bù 
hoàn toàn U1 
 74 
Vậy tần số fx tỷ lệ với điện áp cần đo Ux 
Để chỉ thị số ta dùng phần tạo gốc thời gian và các khoá, bộ đếm và 
chỉ thị số giống như một máy đo tần số nhưng hiển thị theo điện áp. Cụ 
thể bộ tạo gốc thời gian là máy phát xung chuẩn T0 để tạo thời gian 
Tc = kT0 điều khiển khoá cho các xung mang tần số fx qua nó. Số lượng 
xung mang tần số fx qua khoá K trong khoảng thời gian Tc đến chỉ thị số 
được xác định như sau: 
Để đảm bảo chính xác thì nguồn tạo điện áp U0 phải ổn định, sai số 
của volmet loại này có hai loại đó là sai số do chuyển từ điện áp sang tần 
số khoảng 0,2% và sai số lượng tử khoảng 0,01%. 
3.6.3. Volmet số chuyển đổi trực tiếp 
 75
Ta so sánh điện áp cần đo Ux với điện áp chuẩn Uk phụ thuộc vào 
việc gia công đại lượng bù Uk và quy trình so sánh với Ux mà người ta 
phân ra thành volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu bù quét và volmet số 
biến đổi trực tiếp kiểu tuỳ động. 
3.6.3.1. Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu bù quét 
Điện áp bù Uk thay đổi lặp lại theo chu kỳ, trong mỗi chu kỳ biến 
thiên của Uk ta lấy số do một lần tức là tại thời điểm Ux, Uk ta đọc kết 
quả của phép đo. Điện áp bù Uk có thể thay đổi tuyến tính hoặc thay đổi 
theo bậc thang. Nếu thay đổi theo bậc thang thì có bậc thang bằng nhau 
và bậc thang không bằng nhau. 
Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: phần chuyển đổi điện áp Ux thành 
khoảng thời gian Tx và phần đo khoảng thời gian. Thực chất gồm hai 
phần là phần biến đổi điện áp cần đo thành số lượng xung N1 và phần 
tiếp theo làm nhiệm vụ biến đổi số lượng xung N1 thành mã thập phân 
N10 để điều khiển các phần tử hiện số. 
 76 
Nguyên lý làm việc: 
Khi mở máy, bộ phát xưng chuẩn bắt đầu làm việc, các xung f0 đến 
bộ đếm 1 và khoá K; sau một tập xung f0 tương ứng với thời điểm t0 thì 
bộ đếm 1 phát xung đến thông khoá K, trong thời gian K thông các xung 
mang f0 qua K đến bộ đếm 2 và chỉ thị số. Đồng thời cứ mỗi xung f0 đến 
D/A sẽ tăng điện áp ra của nó Uk lên một mức ∆U (các mức ∆U bằng 
nhau). Quá trình tiếp tục cho đến khi Uk ≈ Ux (tại thời điểm trị bộ so sánh 
tác động vào bộ khuếch đại tạo tín hiệu khoá khoá K. Quá trình đo kết 
thúc và bộ phận chỉ thị hiện kết quả. Nếu tất cả các mức điện áp ∆U tạo 
nên Uk liệu bằng nhau thì số lượng xung N1 sẽ tỷ lệ với điện áp cần đo 
Ux tức là Ux ≈ Uk = N1∆U. Đây là giá trị tức thời của điện áp cần đo tại 
thời điểm t1. Nếu muốn đo Ux tại thời điểm khác thì quá trình đo sẽ lặp 
lại từ đầu. 
Đối với volmet chỉ thị bù quét với đại lượng Uk thay đổi theo các bậc 
thang không bằng nhau. Trong các volmet này các mức bậc thang ∆U 
không như nhau, có thể tạo các ∆U theo từng hàng đếm của con số ở hệ 
đếm nhất định. Do đó có thể dựa vào hệ đếm nhị phân, nhị thập phân và 
thập phân để gia công điện áp bù Uk. 
Ví dụ 3.4: Quá trình gia công điện áp bù Uk theo hệ đếm thập phân. 
 77
Hình 3.31. Quá trình gia công điện áp bù 
Quá trình so sánh từ hàng lớn nhất, với Ux = 43V. Con số thập phân 
có hai hàng đếm là hàng chục và hàng đơn vị. Nguyên lý của quá trình so 
sánh như sau: 
+ Nếu Uk > Ux thì mã sẽ ghi là 0. 
+ Nếu Uk ≤ Ux thì mã sẽ ghi là một số tương ứng với hàng đếm của 
Uk và khi hiệu |Uk - Ux| < ∆U (mức của hàng đếm) thì quá trình so sánh 
sẽ chuyển sang hàng đếm nhỏ hơn). Cụ thể ở đây ta bắt đầu so sánh Ux 
với Uk = 90 ta sẽ được mã ra là 0, Uk = 80 ta sẽ được mã ra là 0,... cho 
đến khi Uk = 40 tức là: 
Lúc này mã ra sẽ là 4 (ở hàng chục nên ghi là 40) tiếp tục quá trình 
so sánh sẽ diễn ra ở hàng đơn vị với giá trị lớn nhất của hàng là 9 và mỗi 
mức ∆U = 1 
Quá trình gia công Uk kết thúc ta sẽ được tổng giá trị 
Ở đây Uk10 là mã hàng chục, Uk1 là mã hàng đơn vị. 
3.6.3.2. Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động 
Trong các volmet này đại lượng bù Uk thay đổi luôn bám theo sự 
biến thiên của đại lượng cần đo Ux. Vì vậy trong câu trúc của nó có bộ 
chuyển đổi A/D, D/A tác động theo hai chiều thuận nghịch. Đặc điểm cơ 
bản của dụng cụ đo là khả năng cho kết quả liên tục tại thời điểm bất kỳ. 
Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động có hai loại bao gồm loại 
gia công đại lượng bù Uk thay đổi theo bậc thang bằng nhau và loại gia 
 78 
công đại lượng bù Uk thay đổi theo bậc thang không bằng nhau. 
a) Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động có Uk thay đổi theo bậc 
thang bằng nhau. 
Nguyên lý cơ bản 
Điện áp Ux được so sánh với điện áp bù Uk bắt đầu từ thời điểm t1 
điện áp Uk tăng liên tục, mỗi mức tăng là ∆Uk (là nhưng bậc thang bằng 
nhau) cho đến thời điểm t2 khi Ux ≈ Uk. Xuất hiện bất phương trình 
Ux - Uk < ∆Uk sẽ kết thúc quá trình đo và cho ra kết quả ở chỉ thị số. 
Thời gian gia công được xác định bởi số mức lượng tử lớn nhất (Ndm) 
và thời gian ∆t của một mức lượng tử. 
t0 = Ndm∆t 
Dựa vào sai số lượng tử yêu cầu để xác định Ndm. 
+ Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động với bộ đếm thuận 
nghịch có cấu trúc như sau: 
 79
Khi bắt đầu làm việc bộ phát xung chuẩn phát liên tục đến chờ ở 
khoá (K). Tại thời điểm Ux = 0 hoặc Ux = Uk thì khoá (K) khoá, các xung 
mang tần số f0 không thể đến bộ đếm thuận nghịch. Khi Ux > Uk tức là 
Ux - Uk = ∆U > 0, tín hiệu ∆U qua khuếch đại có lệch đến thông khoá K 
và điều khiển bộ đếm làm việc ở chế độ cộng. Mã ra của bộ đếm điều 
khiển bộ chuyển đổi D/A tăng dần Uk cho đến khi Ux ≈ Uk thì khoá K sẽ 
khoá, kết thúc quá trình đo, bộ phận chỉ thị số cho kết quả đo. Khi 
Ux < Uk tức là Ux - Uk = ∆U < 0 thì khuếch đại có lệch tạo xung thông 
khoá K, điều khiển bộ đếm làm việc ở chế độ trừ. Mã ra của bộ đếm điều 
khiển chuyển đổi A/D giảm Uk cho đến khi Ux ≈ Uk thì khoá K sẽ khoá, 
bộ phận chỉ thị số cho kết quả đo. 
+ Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động với động cơ thuận 
nghịch. 
Sơ đồ khối như sau: 
Ta mã hoá góc quay α của động cơ (tức là ∆U đã được biến thành 
 80 
góc α của động cơ). Dụng cụ thường có hai đầu ra, một đầu là mã số, 
một đầu khác là tín hiệu tương tự (sau động cơ) có thể ghi hoặc chỉ thị 
bằng kim trên thang chia độ. Khâu A/D của dụng cụ là chuyển đổi không 
gian dùng mặt nạ hoặc thước mã hoá để biến đổi góc quay α thành mã 
Gray rồi từ mã Gray thành mã nhị phân, giải mã, chỉ thị số. 
b) Volmet số chuyển đổi trực tiếp kiểu tuỳ động có Uk thay đổi theo bậc 
thang không bằng nhau. 
Volmet gồm hai loại với hai phép gia công Uk như sau: 
+ Gia công Uk từ hàng đếm lớn nhất 
Trạng thái ban đầu, tất cả các hàng đếm (Đề các) đều bằng 0 tức là 
Uk = 0. Trong mỗi hàng bắt đầu từ số nhỏ nhất của hàng đếm tăng dần Uk 
cho đến khi hiệu Ux - Uk < ∆Uk của hàng đó thì chuyển sang hàng đếm 
nhỏ hơn và quá trình lặp lại như trên. Quá trình đo (gia công) kết thúc 
khi: 
hàng nhỏ nhất, thiết bị so sánh sẽ thông báo điều này. 
Nếu Ux = const thì Uk sẽ tăng liên tục hoặc giảm liên tục, số mức 
lượng tử không lớn lắm. Nếu Ux biến thiên, Uk sẽ thay đổi cho phù hợp 
với sự biến thiên của Ux sơ đồ điều khiển sẽ phức tạp hơn, số lượng nhịp 
thực hiện gia công Uk được xác định: 
trong đó: n là số lượng nhịp; a1, a2 a3, là số mức của các Đề các tạo 
thành giá trị số của đại lượng cần đo. 
Thời gian cực đại gia công theo phương pháp này: 
t0 = k.9.∆t 
k là số Đề các, 9 là chữ số trong một Đề các. 
+ Gia công Uk từ hàng nhỏ nhất 
Trạng thái ban đầu Uk = 0 và bắt đầu từ giá trị nhỏ nhất của hàng nhỏ 
nhất. Ví dụ hàng đơn vị: Uk = 0, 1, 2, 3,..., 9. Nếu gia công hết hàng nhỏ 
 81
mà hiệu Ux - Uk > ∆Uk1 (∆Uk1 là mức giá trị của hàng nhỏ nhất) thì tiếp 
tục gia công đến hàng lớn hơn khi xuất hiện Uk > Ux tức là hiệu Ux - Uk 
đổi dấu thì quay trở về hàng đếm nhỏ nhất và giảm dần từng mức ∆Uk1 
để giảm Uk cho đến khi Uk ≈ Ux. Quá trình đo kết thúc và kết quả hiện ra 
ở chỉ thị số. Ưu điểm của phương pháp này là sơ đồ điều khiển tương đối 
đơn giản, nhược điểm là thời gian gia công dài, nhất là trường hợp dùng 
bốn Đề các đếm số 9090 phải thực hiện 90 nhịp. Thời gian gia công số 
có bốn chữ số: 
t0 = 90.∆t.