Cách Máy Đo Điện Hoạt Động

Cơ Chế Chuyển Động Cơ Bản Của Đồng Hồ Máy Đo【The Basic Meter Movement】

Bây giờ bạn đã hiểu đủ về điện và từ trường để tìm hiểu một ứng dụng thực tế quan trọng trong các máy đo – các thiết bị đo lường dòng điện.

Chú Thích

• (Moving coil galvanometer): Máy Đo (Galvanometer) Cuộn Dây Di Động
• (Wattmeters): Đồng hồ đo công suất điện
• (Ohmmeters multimeters): Đồng hồ đo điện Trở và Đồng Hồ Đa Năng
• (Ammters): Đồng hồ đo dòng điện (ampe)
• (Voltmeters): Đồng hồ đo điện áp (vôn)
• (Meggers): Đồng hồ đo điện trở cách điện (megom)
• (How the galvanometer works and you will have no trouble understanding most of the meters you will meet in the future): Khi bạn hiểu cách một dụng cụ đo điện (điện kế | galvanometer) hoạt động, bạn sẽ dễ dàng hiểu đa số các loại dụng cụ máy đo điện khác mà bạn sẽ gặp trong tương lai.

Có lẽ bạn đã từng sử dụng đồng hồ đo để kiểm tra xem dòng điện có chạy hay không và đo được cường độ dòng điện đó là bao nhiêu. Khi bạn tiến xa hơn trong công việc về điện, bạn sẽ thấy mình cần sử dụng đồng hồ đo ngày càng nhiều. Đồng hồ đo là công cụ quan trọng không thể thiếu đối với ai làm việc trong lĩnh vực điện hoặc điện tử, vì vậy bây giờ là lúc bạn nên tìm hiểu cách chúng hoạt động.

Tất cả các loại đồng hồ đo bạn đã sử dụng và gần như tất cả các loại đồng hồ đo bạn sẽ sử dụng đều có cùng một loại cơ chế hoặc chuyển động. Cơ chế hoạt động của đồng hồ đo này dựa trên nguyên lý của thiết bị đo dòng điện được gọi là điện kế cuộn dây chuyển động (moving-coil galvanometer). Gần như tất cả các loại đồng hồ đo hiện đại đều sử dụng điện kế cuộn dây chuyển động (moving-coil galvanometer), làm chuyển động cơ bản, vì vậy khi bạn biết cách chúng hoạt động, bạn sẽ không gặp khó khăn gì trong việc hiểu hầu hết các đồng hồ đo mà bạn sẽ sử dụng trong tương lai.

Điện kế (galvanometer) hoạt động dựa trên nguyên lý lực hút và lực đẩy từ trường. Theo nguyên tắc này, các cực từ cùng loại sẽ đẩy lùi nhau, trong khi các cực từ khác loại sẽ hút nhau. Ví dụ, hai cực Bắc sẽ đẩy lùi nhau, cũng như hai cực Nam, trong khi một cực Bắc và một cực Nam sẽ hút nhau. Bạn có thể quan sát hiện tượng này khi treo một thanh nam châm lên một trục quay giữa hai cực từ của một nam châm hình móng ngựa.

Khi thanh nam châm được phép quay tự do, bạn sẽ thấy rằng nó sẽ tự quay cho đến khi cực Bắc của nó càng gần cực Nam của nam châm hình móng ngựa càng tốt, và cực Nam của nó càng gần cực Bắc của nam châm hình móng ngựa càng tốt. Nếu bạn xoay thanh nam châm sang một vị trí khác, bạn sẽ cảm thấy nó đang cố gắng quay trở lại vị trí mà các cực đối diện càng gần nhau càng tốt. Càng cố gắng xoay thanh nam châm ra khỏi vị trí này, bạn sẽ cảm nhận được lực càng lớn hơn. Lực lớn nhất sẽ xuất hiện khi bạn xoay thanh nam châm đến vị trí mà các cực từ cùng loại của mỗi nam châm càng gần nhau càng tốt.

Chú Thích

• (How magnet poles exert a force): Cách cực nam châm tác dụng lực
• (Bar magnet turns to bring opposite poles as close together as possible): Thanh nam châm quay để đưa các cực đối diện gần nhau nhất có thể
• (Bar magnet resists the turning motion of hand since like poles repel each other): Thanh nam châm không muốn quay khi bạn cố quay nó vì các cực giống nhau đẩy lẫn nhau

Khi bạn sử dụng nam châm mạnh hơn, lực hút và lực đẩy giữa các cực từ trở nên mạnh mẽ hơn. Điều này dễ nhận thấy khi bạn đặt một lò xo vào thanh nam châm sao cho lò xo không căng khi cực Bắc của hai nam châm đặt gần nhau nhất có thể. Ở vị trí này, thanh nam châm sẽ tự quay để cực Bắc của nó gần cực Nam của nam châm móng ngựa nhất có thể. Khi gắn lò xo vào, thanh nam châm sẽ chỉ quay một phần, cho đến khi lực quay của nó cân bằng với lực của lò xo. Nếu bạn thay thanh nam châm bằng một nam châm mạnh hơn, lực đẩy giữa các cực giống nhau sẽ mạnh hơn và thanh nam châm sẽ quay xa hơn so với lực của lò xo.

Chú Thích

• (How magnet strength affects turning force): Sức mạnh của nam châm ảnh hưởng đến lực xoay (quay)
• (Spring tension acts to force like poles together): Lực của lò xo tác động để đẩy các cực từ giống nhau lại gần nhau
• (Wewak magnet turns 45°): Nam châm yếu quay một góc là 45 độ
• (Stronger MAGNET TURNS 90°): Nam châm mạnh quay một góc là 90 độ

Nếu bạn tháo thanh nam châm ra và thay vào đó bằng một cuộn dây, bạn sẽ có một thiết bị đo điện, gọi là điện kế (galvanometer). Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây này, nó sẽ tạo ra một từ trường như một nam châm. Sức mạnh của từ trường từ cuộn dây này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, số lượt quấn trong cuộn dây và lượng dòng điện chạy qua nó. Nếu chính cuộn dây không thay đổi, sức mạnh (cường độ) từ trường của cuộn dây sẽ phụ thuộc vào lượng dòng điện chạy qua nó. Dòng điện càng lớn trong cuộn dây, thì nam châm từ cuộn dây càng mạnh.

Nếu không có dòng điện chạy trong cuộn dây, nó sẽ không tạo ra từ trường và cuộn dây sẽ chuyển sang một vị trí mà không còn lực căng từ lò xo. Nếu có một dòng điện nhỏ chạy qua cuộn dây, cuộn dây sẽ trở thành một nam châm và lực từ giữa nam châm từ cuộn dây và nam châm móng ngựa sẽ làm cho cuộn dây quay cho đến khi lực quay từ trường cân bằng với lực căng từ lò xo. Khi có một dòng điện lớn hơn chạy qua cuộn dây, cường độ từ trường của cuộn dây sẽ tăng lên và cuộn dây sẽ quay (xoay) xa hơn so với lực căng của lò xo.

Chú Thích

• (Replace the bar magnet with a coil): Tháo thanh nam châm và dùng một cuộn dây thay thế…
• (Spring tension holds coil in this position when no current is flowing): Khi không có dòng điện chảy, lực căng của lò xo giữ cuộn dây ở vị trí này
• (…And the coil acts as a magnet when current flows): …Và khi có dòng điện chảy qua, cuộn dây trở thành một nam châm
• (The amount of current determines how far the coil will turn against the force of the spring tension): Lượng dòng điện quyết định cuộn dây sẽ quay bao xa so với lực căng của lò xo

Khi bạn muốn biết cường độ dòng điện chạy trong mạch là bao nhiêu, bạn chỉ cần kết nối cuộn dây vào mạch và đo góc mà cuộn dây quay ra khỏi vị trí ban đầu. Việc đo góc này khá khó khăn và tính toán lượng dòng điện gây ra sự quay của cuộn dây cũng không hề đơn giản. Nhưng bằng cách kết nối một con trỏ kim đồng hồ với cuộn dây và thêm một thang đo để con trỏ kim di chuyển, bạn có thể đọc được cường độ dòng điện trực tiếp từ thang đo.

Chú Thích

• (Add a sacle and a pointer and you have a galvanometer): Thêm một thang đo và một trỏ (cây) kim đồng hồ, bạn sẽ có một đồng hồ đo dòng điện (điện kế).

Bây giờ, khi bạn đã thêm thang đo và con trỏ kim, bạn có một loại đồng hồ đo điện cơ bản, được gọi là chuyển động kiểu D’Arsonval (D’Arsonval-type movement), hoạt động dựa trên: nam châm và từ trường của chúng. Trong thực tế, có hai nam châm trong loại đồng hồ này: một là nam châm vĩnh cửu hình móng ngựa cố định; cái còn lại là nam châm điện. Nam châm điện bao gồm các vòng dây quấn trên một khung, và khung này được gắn trên một trục chạy giữa hai vòng bi ngọc được gắn cố định. Một con trỏ kim nhẹ được gắn vào cuộn dây và quay theo nó để chỉ ra (biểu thị ra) lượng dòng điện đang chạy qua. Dòng điện chạy qua cuộn dây làm cho nó trở thành một nam châm, với các cực bị hút và đẩy bởi các cực của nam châm móng ngựa. Cường độ từ trường xung quanh cuộn dây phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua. Dòng điện lớn hơn tạo ra từ trường mạnh hơn, dẫn đến lực hút và lực đẩy lớn hơn giữa các mặt của cuộn dây và các cực của nam châm.

Lực từ trường, hút và đẩy khiến cuộn dây quay để các cực khác nhau của cuộn dây và nam châm được đưa lại gần nhau. Khi dòng điện trong cuộn dây tăng lên, cuộn dây trở thành nam châm mạnh hơn và quay xa hơn do lực từ giữa cuộn dây và cực nam châm lớn hơn. Vì mức độ cuộn dây quay phụ thuộc vào lượng dòng điện trong cuộn dây nên đồng hồ đo sẽ hiển thị trực tiếp dòng điện.

Mặc dù tất cả các máy đo mà bạn sẽ gặp đều hoạt động theo nguyên tắc hai từ trường tương tác, nhưng bạn có thể gặp phải một số sửa đổi. Ví dụ, bạn có thể hỏi tại sao nam châm vĩnh cửu không gắn với phần chuyển động của đồng hồ và nam châm điện ở phần cố định. Điều này sẽ loại bỏ sự cần thiết phải mang dòng điện qua lò xo. Trên thực tế có những máy đo được xây dựng và sử dụng giống như những máy đo mô tả ở trên. Tuy nhiên, những máy đo này kém nhạy hơn nhiều vì cường độ của nam châm vĩnh cửu rất hạn chế do kích thước nhỏ của nó; và hơn nữa, chúng kém chính xác hơn vì khó kiểm soát từ trường liên quan. Máy đo loại này rất rẻ và được tìm thấy trong các thiết bị giá rẻ hơn.

Xem Xét Về Cơ Cấu Chuyển Động Của Đồng Hồ Đo【Meter Movement Considerations】

Mặc dù điện kế rất hữu ích trong việc đo dòng điện cực nhỏ trong phòng thí nghiệm, nhưng chúng không phải là thiết bị di động, nhỏ gọn hoặc đủ chắc chắn để sử dụng ngoài trời. Một bộ chuyển động của đồng hồ đo hiện đại sử dụng nguyên lý của điện kế nhưng lại có tính di động, nhỏ gọn, chắc chắn và dễ đọc. Trong đó, cuộn dây được gắn trên một trục được lắp giữa hai vòng bi ngọc cố định. Một con trỏ kim nhẹ được gắn vào cuộn dây và quay cùng với cuộn dây để chỉ ra lượng dòng điện chảy qua.

Ở mỗi đầu của trục có lò xo cân bằng tạo ra lực quay ngược nhau lên cuộn dây. Bằng cách điều chỉnh độ căng của một lò xo, con trỏ kim đồng hồ có thể được điều chỉnh để đọc số 0 trên thang đo. Vì sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng như nhau đến cả hai lò xo cuộn, nên tác dụng quay của lò xo lên cuộn dây đồng hồ bị loại bỏ. Khi cuộn dây đồng hồ quay, một lò xo được siết chặt để tạo ra lực hãm, trong khi lò xo kia giải phóng sức căng của nó. Ngoài việc tạo ra lực căng, các lò xo còn được sử dụng để truyền dòng điện từ các cực của đồng hồ qua cuộn dây chuyển động.

Để lực quay tăng đều khi dòng điện tăng, các cực nam châm hình móng ngựa được tạo hình thành hình bán nguyệt. Điều này giúp cuộn dây càng gần càng tốt với cực Bắc và Nam của nam châm vĩnh cửu. Lượng dòng điện cần thiết để xoay con trỏ kim đồng hồ sang độ lệch toàn thang (vị trí tối đa), phụ thuộc vào cường độ nam châm và số vòng dây trong cuộn dây chuyển động.

Chú Thích

• (Permanent Magnet): Nam châm vĩnh cửu
• (Zero Adjustment): Cân chỉnh số không
• (Magnet pole): Cực của nam châm
• (Moving element): Bộ phận chuyển động
• (Meter pointer): Con trỏ kim của đồng hồ đo
• (Shaft): Trục
• (Coil): Cuộn dây
• (Balance spring): Lò xo giữ cân bằng
• (meter movement): Cơ chế hoạt động (chuyển động) của đồng hồ đo

Cách Đọc Chỉ Số Trên Thang Đo Của Đồng Hồ Đo【How Meter Scales Are Read】

Khi làm việc với điện, việc đo đồng hồ một cách chính xác là điều quan trọng để kiểm tra xem thiết bị điện có đang hoạt động bình thường hay không và phát hiện một số vấn đề nếu thiết bị đó không hoạt động đúng cách. Có nhiều yếu tố có thể làm cho số đo trên đồng hồ không chính xác, và bạn cần phải nhớ chúng mỗi khi sử dụng đồng hồ đo. Thông thường, phạm vi sử dụng của đồng hồ không bao gồm các điểm cực trị (điểm cuối cùng hoặc giá trị cực đại và cực tiểu trên thang đo). Đối với hầu hết các loại đồng hồ, số đọc chính xác nhất thường là ở gần trung tâm của thang đo. Khi đo dòng điện bằng ampe kế, miliampe kế hoặc microampe kế, bạn nên chọn phạm vi sử dụng của đồng hồ để số đọc gần với giá trị trung bình trên thang đo.

Không phải tất cả các loại đồng hồ đo đều có thể được sử dụng ở cả vị trí nằm ngang và đứng. Do cấu trúc cơ học của nhiều loại đồng hồ, độ chính xác sẽ thay đổi đáng kể tùy theo vị trí của đồng hồ. Thông thường, đồng hồ gắn trên bảng điều khiển được hiệu chuẩn (calibrated) và điều chỉnh để sử dụng ở vị trí đứng (vertical position). Còn đồng hồ đo được sử dụng trong nhiều bộ thử nghiệm và trong một số thiết bị điện được thiết kế để sử dụng ở vị trí nằm ngang (horizontal position).

Chú Thích

Chú Thích

• (Zero set screw): Vít điều chỉnh số 0 (vít được sử dụng để điều chỉnh chỉ số 0 trên đồng hồ đo
• (Zeroing a meter): Thiết lập số 0 cho đồng hồ đo

Thang đo trên đồng hồ thường được chia thành các đoạn bằng nhau, thường từ 30 đến 50 đoạn vạch chia. Để đảm bảo tính chính xác, bạn nên luôn đọc đồng hồ từ vị trí vuông góc với mặt đồng hồ. Vì các đoạn vạch chia trên thang đo nó nhỏ và kim đồng hồ được nâng lên phía trên thang đo, nên việc đọc từ một góc sẽ dẫn đến kết quả đọc không chính xác – thường là một phần, của toàn bộ đoạn vạch chia trên thang đo. Hiện tượng kiểu đọc không chính xác này, được gọi là thị sai (parallax). Hầu hết các đồng hồ đo có mức độ chính xác là không hoàn toàn, do cấu trúc của chúng, và lỗi từ việc đọc thị sai có thể dẫn đến kết quả đọc rất không chính xác. Một số đồng hồ đo chính xác, có gương tích hợp trong thang đo. Để đọc chúng, bạn cần căn chỉnh kim và hình ảnh của chúng trong gương trước khi đọc, điều này giúp loại bỏ vấn đề thị sai (parallax problem).

Chú Thích

• (Correct metter reading): Đọc số đúng trên đồng hồ đo (khi để vuông góc với mắt)
• (Incorrect meter reading): Đọc số không chính xác trên đồng hồ đo (khi không để vuông góc với mắt)
• (Parallax): thị sai (Thị sai là hiện tượng khi đọc chỉ số trên đồng hồ đo từ một góc không đúng, dẫn đến kết quả đo không chính xác)

Khi kim đồng hồ đọc giữa hai vạch chia trên thang đo, thường chúng ta chọn vạch chia gần nhất làm chỉ số đọc trên đồng hồ. Nhưng nếu muốn đọc chính xác hơn, ta có thể ước tính vị trí giữa hai vạch chia và cộng thêm độ lệch vào vạch chia thấp hơn. Quá trình này gọi là nội suy (interpolation) và ta sẽ áp dụng nó theo nhiều cách khác khi làm việc với điện.

Chú Thích

• (Interpolation): Nội suy (Nội suy là quá trình ước lượng giá trị ở giữa hai giá trị đã biết, thông qua việc sử dụng thông tin hiện có. Trong đồng hồ đo, nó được sử dụng để đọc giá trị chính xác khi kim đồng hồ ở giữa hai vạch chia trên thang đo)
• (Meter reading is  23.6 amperes): Số đo trên đồng hồ là 25.6 ampe

Phạm Vi Sử Dụng Của Đồng Hồ Đo【Usable Meter Range】

Phạm vi của ampe kế (thiết bị đo dòng điện theo đơn vị ampe), cho biết dòng điện tối đa mà đồng hồ có thể đo được. Dòng điện vượt quá giới hạn này có thể làm hỏng đồng hồ đo. Ví dụ, nếu ampe kế có dải đo từ 0-15 ampe, nó chỉ có thể đo dòng điện không vượt quá 15 ampe; nhưng dòng lớn hơn 15 ampe có thể gây hỏng đồng hồ.

Mặc dù thang đo của đồng hồ có thể từ 0 đến 15 ampe, nhưng phạm vi sử dụng hữu ích thực tế thường là từ khoảng 1 ampe đến 14 ampe. Khi thang đo này chỉ dòng điện là 15 ampe, dòng thực tế có thể lớn hơn nhiều, nhưng đồng hồ chỉ có thể hiển thị tới giới hạn tối đa của nó. Vì lý do này, phạm vi hữu ích tối đa của mọi đồng hồ đo thường nhỏ hơn một chút so với phạm vi tối đa của thang đo. Dòng điện là 0,1 ampe trên thang đo này sẽ rất khó đọc vì kim đồng hồ không di chuyển đủ xa từ vị trí số 0 để thu được số đọc cụ thể.

Các dòng điện nhỏ hơn như 0,001 ampe không làm kim đồng hồ di chuyển, vì vậy không thể đo được bằng đồng hồ này. Phạm vi hữu ích tối thiểu của một đồng hồ không bao giờ kéo dài xuống 0, mà chỉ mở rộng đến điểm mà số đọc, có thể dễ dàng phân biệt với số 0.

Chú Thích

• (Usable range): Phạm vi có thể sử dụng
• (The ammeter): ampe kế (đồng hồ đo apme)

Tóm Tắt Đánh Giá Lại Về Cơ Chế Hoạt Động Của Đồng Hồ Đo【Review of How a Meter Works】

Mặc dù bạn hiếm khi cần phải mở đồng hồ đo ra để sửa chữa nó, nhưng điều quan trọng là bạn phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động để biết cách sử dụng và bảo quản đúng cách. Như bạn có thể đoán, đồng hồ đo rất nhạy cảm và cần được xử lý cẩn thận. Chúng được sử dụng ở mọi nơi mà điện được sử dụng hoặc tạo ra để cung cấp thông tin về tình trạng của hệ thống điện. Vì vậy, việc bạn hiểu rõ cách đọc đồng hồ đúng cách là rất quan trọng.

1. Cuộn dây của đồng hồ đo (METER COIL) – Là cuộn dây chuyển động như một nam châm khi dòng điện chảy qua cuộn dây.
2. Chuyển động của đồng đo (METER MOVEMENT) – Thiết bị đo dòng điện bao gồm một cuộn dây chuyển động, treo giữa hai cực nam châm hình chữ U. Dòng điện trong cuộn dây làm cho cuộn dây quay.
3. Thị sai (PARALLAX) – Là lỗi đọc đồng hồ do việc đọc từ một góc
4. Nội suy (INTERPOLATION) – Là việc ước lượng (đoán giá trị) trên đồng hồ đo khi nó nằm giữa hai vạch chia trên thang đo.
5. (USEFUL METER RANGE) – Phạm vi sử dụng đo của máy đo