Chương 5: Thiết bị cân l ự c Là thiết bị không thể thiếu trong thiết bị đo công suất loại cân bằng. Đây là t h iết bị đo lực (momen) lấy ra từ thiết bị gây t ải. Thiết bị gây lực rất đa dạng, dựa v à o nguyên tắc làm việc có thể chia làm các loại s a u : Thiết bị cân lực kiểu cơ họ c Thiết bị cân lực kiểu thuỷ lực khí n é n Thiết bị cân lực kiểu đàn hồi dùng chuyển đổi đ iệ n 1.3.2.1 Thiết bị cân lực kiểu cơ họ c : Nguyên tắc đo của thiết bị này là dựa trên nguyên lý cân b ằng lực cần đo v ới trọng lực hay lực đàn hồi đã biết. Việc sử dụng các cơ cấu cánh tay đòn cho ph é p các đối trọng không lớn để cân bằng những lực tương đối lớn. Hệ thống cánh ta y đòn có thể xây dựng theo hai các h : Thay đổi vị trí đối trọng trên cánh tay đòn Thay đổi vị trí của đối t rọng Trong các cân cơ học, cân kiểu con lắc đơn là đơn giản nh ất . Nguyên lý: dưới tác dụng của lực F truyền từ thiết bị gây tải sang hệ thống cá nh tay đòn làm hệ thống quay đi một góc cho t ới khi cân b ằ ng. l 1 l Φ Hình: thiết bị cân lực kiểu cơ họ c Phương trình cân bằng viết cho hệ thống như sau: F.l. cosΦ = G.l 1 .sinΦ +M ms + M ’ Trong đó : l , l 1 :là chiều dài các cánh tay đòn G: trọng lượng của đối t rọng M ms : momen ma sát tại các kh ớ p M ’ : momen ổn định của cánh tay đòn do trọng lượng của cánh tay đòn và các cơ cấu liên quan gắn trên cánh tay đòn. Vì M ’ phụ thuộc vào góc quay nên để thuận lợi người ta thay b ằ ng dM ' M Φ , M Φ = : gọi là độ ổn định của cánh tay đòn d M Φ > 0 thì M ’ tăng theo góc qu a y M Φ <0 thì M ’ giảm theo góc quay, lúc này lực tác dụng c ủa F, G không lớn v à cánh tay đòn không cân bằng vì vậy không th ể tiến hành phép đo. Nếu bỏ qua lực ma sát ở các khớp nối thì từ công thức trên ta c ó : ( tag M ) l . F Khi Φ đủ nhỏ thì ta gΦ ≈ Φ G . l 1 l 1 . G M (1 ) G . l 1 l . F l 1 . G Như vậy ta thấy M Φ /l 1 .G là số hạng kể đến tính chất thực c ủa hệ thống cánh ta y đòn. Khi tỉ số này giảm, hệ thống con lắc đi gần đến hệ thống lí tưở ng. Trong trường hợp Φ đủ lớn, để giảm ảnh hưởng đến sai số của phép đo người ta thay thế cánh tay đòn bằng một bánh r ăng hình quạt có bán kính R=l, nhờ đó m à cánh tay đòn của l ực tác dụng không đổi. Lúc này đặc tính tĩnh của hệ thống c ó d ạ ng ( sin M ) l . F G . l 1 l 1 . G Người ta căn cứ vào t ổng : sin M để đánh giá tính chính xác của phép đo. G . l 1 1.3.2.2 Thiết bị cân lực kiểu thuỷ lực và khí n é n: Cả hai thiết bị này có nguyên tắc đo chung là biến đổi lực c ần đo thành áp su ất của chất lỏng hay khí. Áp suất đo được nhờ áp k ế . Cấu tạo chung gồm một cặp piston, xylanh có khả năng đo được lực từ xa v ới một giá trị bất k ì . Lực cần đo khi tác dụng vào piston sẽ gây ra một áp lực trên ch ất lỏng và c húng có quan hệ với nhau theo biểu t h ức: F= p. S h hay p = F / S h Như vậy nếu S h = const thì p và F tỉ lệ với nhau. Do đó dùng áp kế đo được p t h ì sẽ có được F. Tuỳ theo cách làm cho S h = const ng ười ta chia thiết bị cân lực k iể u này t h à nh : Lực kế kiểu chất lỏng tĩ nh Lực kế kiểu chất lỏng hay chất khí có bộ phận truyền d ẫ n Lực kế kiểu bù Các cân thuỷ lực có phạm vi đo khá rộng từ vài trăm đến hàng tri ệu Newton, s ai số đo khoảng 0.2%, có nhược điểm là độ chính xác phép đo phụ thuộc nhiệt độ v à tính chất của chất lỏng, kết cấu khá ph ức tạ p . bất k ì . Lực cần đo khi tác dụng vào piston sẽ gây ra một áp lực trên ch ất lỏng và c húng có quan hệ với nhau theo biểu t h ức: F= p. S h hay p = F / S h Như vậy nếu S h = const thì p và F tỉ lệ với nhau momen ổn định của cánh tay đòn do trọng lượng của cánh tay đòn và các cơ cấu liên quan gắn trên cánh tay đòn. Vì M ’ phụ thuộc vào góc quay nên để thuận lợi người ta thay b ằ ng dM ' M Φ , M Φ = :. là dựa trên nguyên lý cân b ằng lực cần đo v ới trọng lực hay lực đàn hồi đã biết. Việc sử dụng các cơ cấu cánh tay đòn cho ph é p các đối trọng không lớn để cân bằng những lực tương đối lớn.