Các cơ cấu chỉ thị trong đo lường và những phép đo cơ bản

Trong dụng cụ đo tơng tự ngời ta thờng dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động hoặc là di chuyển của bút ghi trên giấy.. Để

lời nói đầu.

Nhà bác học Menđêlêcv đã nói “khoa học bắt đầu từ khi ngời ta biết

đo” Thực vậy ngành “kỹ thuật đo lờng” ngày nay đang đợc sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và cộng nghệ cũng nh trong công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau Để thực hiện đợc các nhiệm vụ đó cần phải tiến hành đo các đại lợng vật lý khác nhau, đó là các đại lợng điện, cơ, cơ học, nhiệt học, các đại lợng từ, các đại lợng hạt nhân nguyên tử…

Để thực hiện việc đo bằng phơng pháp điện, điện tử các đại lợng vật lý khác nhau trớc tiên chúng đợc biến đổi thành đại lợng điện thông qua các chuyển đổi sơ cấp và sau đó chúng đợc đo bằng các phơng pháp và thiết bị

đo điện Các phơng pháp đo điện ngày càng chiếm u thế và nó có những u

điểm tuyệt đối so với phép đo ở khoảng cách xa, thiết bị gọn nhẹ hơn và có thể đa vào máy tính để xử lý và lu kết quả

Thiết bị đo và hệ thống đo lờng có sử dụng kỹ thuật vi điện trở, vi xử

lý và vi tính ngày càng hiện đại và có hiệu quả: ngời ta đã tạo ra các thiết bị

đo thông minh nhờ cài đạt vào chúng các bộ vi xử lý hay vi tính đơn phiến Chúng có những tính năng hơn hẳn thiết bị đo thông thờng đó là: tự xử lý và

lu giữ kết quả đo, làm việc theo chơng trình, tự động thu thập số liệu đo và

có khả năng truyền số liệu đi xa

Chính vì lẽ đó dới sự hớng dẫn của thầy Dơng Kháng tôi chọn đề tài

“Các cơ cấu chỉ thị trong đo lờng và những phép đo cơ bản” làm khoá luận tốt nghiệp cho mình

Bài khoá luận này, tôi chia thành 5 chơng

Chơng I: Giới thiệu những khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo lờng

Chơng II: Giới thiệu những cơ cấu chỉ thị của một số dụng cụ đo ờng gặp

th-Chơng III: Một số phép đo cơ bản trong đo lờng

Chơng IV: Thực hành phép đo điện dung bằng V, A

Tôi rất mong muốn nhận đợc sự quan tâm và góp ý của các thầy, cô giáo và các bạn sinh viên trong khoa Vật lý

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên: Mai Thị Hoà

Nội dung Chơng I các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo lờng

I Định nghĩa phép đo

Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng, đại lợng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Kết quả đo lờng là giá trị bằng số của đại lợng cần đo Ax, nó bằng tỷ

số của đại lợng cần đo X và đơn vị đo X0 Nghĩa là Ax chỉ rõ đại lợng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn ) bao nhiêu lần đơn vị của nó

Vậy quá trình đo có thể viết dới dạng

0 X

X

X

A =

Từ đó ta có: X = Ax X0 (1-1)

Phơng trình (1-1) gọi là phơng trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự

so sánh đại lợng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số

Từ đó ta cũng thấy rằng không phải bất kỳ đại lợng nào cũng đo đợc bởi vì không phải bất kỳ đại lợng nào cũng cho phép so sánh các giá trị của

nó Vì thế chúng ta thờng phải biến đổi chúng thành đại lợng khác có thể so sánh đợc

II Phân loại các cách thực hiện phép đo

Để thực hiện một phép đo ngời ta có thể sử dụng nhiều cách khác nhau, ta có thể phân biệt các cách sau đây:

1 Đo trực tiếp

Là cách đo mà kết quả nhận trực tiếp từ môt phép đo duy nhất Cách

đo này cho kết quả ngay Dụng cụ đo đợc sử dụng thờng tơng ứng với đại ợng đo

l-Ví dụ: Đo điện áp thì dùng vôn kế, trên vôn kế đã khắc sẵn bằng vôn.Thực tế đa số các phép đo đều sử dụng cách đo này

2 Đo gián tiếp

Là cách đo mà kết quả suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép

đo dùng cách đo trực tiếp

Ví dụ: để đo điện trở ta có thể sử dụng định luật ôm

III Các đặc trng của kỹ thuật đo lờng

Trong kỹ thuật đo lờng có chứa các đặc trng sau đây:

Đại lợng cần đo, điều kiện đo, phơng pháp đo, thiết bị đo, ngời quan sát hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo, kết quả đo Các đặc trng này là những yếu tố cần thiết không thể thiếu đợc của kỹ thuật đo lờng Sau đây chúng ta sẽ xét từng đặc trng một

1 Đại lợng đo

Là một thông số đặc trng cho đại lợng vật lý cần đo

a Theo tính chất thay đổi của đại lợng đo có thể chia chúng thành hai loại đó là đại lợng đo tiền định và đại lợng đo ngẫu nhiên

Đại lợng đo tiền định: Là đại lợng đo đã biết trớc quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhng một hoặc nhiều thông số của chúng cha biết cần phải đo.

Đại lơng đo ngẫu nhiên: Là đại lợng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo quy luật nào cả Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta

đều nhận đợc đại lợng ngẫu nhiên

b Theo cách biến đổi đại lợng đo mà ta có thể chia thành đại lợng đo liên tục hay đại lợng đo tơng tự và đại lợng đo rời rạc hay là đại lợng đo số

Đại lợng đo tơng tự : Là biến đổi nó thành đại lợng đo khác tơng tự nó

Đại lợng đo số: Là biến đổi từ đại lợng tơng tự thành đại lợng số

c Theo bản chất của đại lợng đo ta có thể chia thành

Đại lợng đo năng lợng: Là đại lợng đo mà bản thân nó mang năng ợng

l-Các đại lợng đo thông số: Là các thông số của mạch điện nh điện trở,

điện cảm, điện dung, hệ số từ trờng

Các đại lợng đo phụ thuộc thời gian: Nh chu kỳ, tần số…

Các đại lợng đo không điện: Để đo đợc bằng phơng pháp điện, nhất thiết phải biến đổi chúng thành điện nhờ các bộ chuyển đổi đo lờng sơ cấp Nhờ các bộ chuyển đổi nay mà ta nhận đợc tín hiệu Y tỷ lệ với đại lợng cần

đo X tức là Y = f(x)

d Tín hiệu đo

Là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lợng đo vì thế có khi ngời ta coi tín hiệu đo làm đại lợng đo

2 Điều kiện đo

Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ánh hởng của môi trờng đến kết quả đo và ngợc lại khi dùng dụng cụ đo không đợc để dụng cụ đo ảnh hởng

đến đối tợng đo

Những yếu tố của môi trờng ngoài là: Nhiệt độ, độ ẩm của không khí,

từ trờng bên ngoài, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi

bẩn Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn Điều kiện tiêu chuẩn…

là điều kiện đợc quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định Đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn

đợc ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó

Trên thực tế ta phải tiến hành đo nhiều đại lợng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia công thông tin đo Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để chọn thiết bị đo, và tổ chức các phép đo cho tốt nhất

3 Đơn vị đo

Để cho nhiều nớc có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất ngời ta

đã thành lập hệ thống đơn vị quốc tế (SI) (năm 1960) đã đợc thông qua ở Hội nghị quốc tế về mẫu và cân Trong hệ thống đó các đơn vị đợc xác định nhau sau:

Đơn vị chiều dài là mét (m)

Đơn vị khối lợng là kilôgam (kg)

Đơn vị thời gian là giây (s)

Đơn vị cờng độ dòng điện là ampe (A)

Đơn vị nhiệt độ là kelvin (K)

Đơn vị cờng độ ánh sáng là nến candela (Cd)

Đơn vị số lợng vật chất là môn (mol)

Đó là bảng đơn vị cơ bản Ngoài ra còn có các đơn vị kéo theo

4 Thiết bị đo và phơng pháp đo

a Thiết bị đo

Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát Chúng có những tính chất đo lờng học, tức là những tính chất có ảnh hởng đến kết quả và sai số của phép đo

b Các phép đo

Đợc thực hiện bằng các phơng pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phơng pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nh đại lợng lớn hay nhỏ,

điều kiện đo, sai số, yêu cầu Ph… ơng pháp đo có thể có nhiều nhng ngời ta

đã phân loại thành hai loại đó là: phơng pháp đo biến đổi thẳng và phơng pháp đo so sánh

5 Ngời quan sát

Đó là ngời đo và gia công kết quả đo Nhiệm vụ của ngời quan sát khi

đo đó là phải nắm đợc phơng pháp đo, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đó, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trờng xung quanh Biết điều khiển quá trình đo để có kết qủa mong muốn Sau cùng là nắm đợc các phơng pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công số liệu thu đợc sau khi đo

Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay cha, có cần thiết phải

đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phơng pháp đo lờng thống kê

IV Sai số trong đo lờng và cấp chính xác

1 Sai số trong đo lờng

Ngoài sai số của dụng cụ, việc thực hiện quá trình đo cũng gây nhiều sai số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố sau:

Phơng pháp đo đợc chọn

Mức độ cẩn thận khi đo

Do vậy kết quả đo lờng không đúng với giá trị chính xác của phép đo

mà sai số Đó là sai số của phép đo

Xác định sai số của phép đo tức là xác định độ tin tởng của phép đo –

là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lờng học

Ta có thể phân loại sai số của phép đo nh sau:

a Theo cách thể hiện bằng số có thể chia thành:

Sai số tuyệt đối:

Là hiệu giữa đại lơng đo X và giá trị thực Xth

∆X = X - Xth

Sai số tơng đối γx:

Đợc tính bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực:

100.X

X100

.X

Xth

Vì Xth và X gần bằng nhau

Sai số tơng đối đặc trng cho chất lợng của phép đo

Sai số tính đợc có dấu (+) nghĩa là kết quả đo đợc vợt quá giá trị thực

b Theo nguồn gây ra sai số có thể chia thành các loại sai số nh sau:Sai số phơng pháp:

Là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phơng pháp đo và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta biết kết quả của đại lợng đo

Sai số thiết bị:

Là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc

về mạch đo của dụng cụ không đợc hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo

Việc phát hiện sai số hệ thống là phức tạp, nhng nếu đã phát hiện đợc thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không khó khăn.

Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách: phân tích lý thuyết, kiểm tra dụng cụ đo trớc khi sử dụng nó, chuẩn trớc khi đo, chỉnh “0” trớc khi đo Trong tr… ờng hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại đợc bằng cách đa vào một lợng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh

Trong thực tế không thể loại hoàn toàn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên:

Là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lợng duy nhất Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định đợc Vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng giống nhau trong mỗi lần đo cũng nh không thể xác định đợc

Để phát hiện sai số ngẫu nhiên ngời ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một

đại lợng và có thể xét ảnh hởng của nó đến kết quả đo ngời ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất

Sai ngẫu nhiên còn chứa cả sai số là loại sai số vợt quá kỳ vọng của toán học của sai số trong điều kiện đã cho

Còn các sai số quá lớn làm thay đổi hẳn kết qủa đo lờng do dụng cụ

đo bị hỏng, do sai lầm của ngời thao tác thờng đợc loại ngay khi xử lý kết quả đo

Trong quá trình đo các sai số hệ thống và ngẫu nhiên xuất hiện đồng thời và sai số phép đo đợc biểu diễn dới dạng tổng của hai thành phần đó:

∆X = ∆ + θ Nếu nh các thành phần θ và ∆ khác nhau nhiều thì một trong hai thành phần sai số ấy có thể bỏ qua, nếu chúng có độ lớn gần nh nhau thì xuất hiện vấn đề cộng các thành phần sai số Phơng pháp phổ biến nhất hiện nay để tính tổng các sai số là tính tổng đại số của các sai số hệ thống (với dấu tuỳ ý)

Và tổng hình học của tất cả các ớc lợng độ lệch bình quân phơng của sai số ngẫu nhiên có tính đến hệ số tơng quan giữa chúng.

2 kTrong đó N – số các nguồn sai số

Đối với một dụng cụ đo thì sai số cơ bản của nó chứa cả hai thành phần sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên, còn sai số phụ gây ra do biến

động của các yếu tố bên ngoài đợc tính bằng một phần của sai số cơ bản Trong trờng hợp này ngời ta thờng dùng tổng hình học để tính các sai số này

Trong trờng hợp sai số ngẫu nhiên gây ra bởi hai yếu tố ngẫu nhiên thì sai số bình quân phơng tổng số là: 2

2 2 1

2

1 +2ρσ σ +σσ

th 1x

* Ta cũng cần biết rằng:

Xác suất xuất hiện sai số có trị số bé thì nhiều hơn xác suất xuất hiện các sai số có trị số lớn Đờng biểu diễn trong trờng hợp này có hình dạng hình chuông

Xác suất xuất hiện sai số thì không phụ thuộc vào dấu, nghĩa là các sai

số có trị số bằng nhau về trị số tuyệt đối nhng khác dấu nhau, thì có xác suất xuất hiện nh nhau Đờng biểu diễn trong trờng hợp này đối xứng qua trục tung

Chơng II Các cơ cấu chỉ thị

A Các cơ cấu chỉ thị dụng cụ đo tơng tự

I Nguyên tắc chung

Dụng cụ đo tơng tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lợng liên tục tỷ lệ với đại lợng đo liên tục Trong dụng cụ đo tơng tự ngời ta thờng dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động hoặc là di chuyển của bút ghi trên giấy

Các cơ cấu chỉ thị này thờng dùng trong máy đo các đại lợng nh dòng

điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện tử Điện một chiều và xoay…chiều tần số công nghiệp 50 HZ Những dụng cụ này chính là dụng cụ đo chuyển thẳng Tức là thực hiện việc biến đổi từ năng lợng điện thành năng l-ợng cơ học làm quay phần động của góc lệch α so với phần tĩnh

Nh vậy: α = F(x) ; X – là đại lợng điện

1 Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện

Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện do tác động của từ trờng lên phần động của cơ cấu mà sinh ra một mômen quay Mq Độ lớn của mômen này tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đa vào cơ cấu chỉ thị

Momen quay Mq đối với tất cả các loại cơ cấu chính là tốc độ thay đổi của năng lợng điện từ trờng We so với góc lệch pha α của phần động:

α

=d

dWe

Nếu ta đặt vào trục của phần động một lò xo cản thì khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại và sinh ra một mômen cản Me Mômen này tỷ lệ thuận với góc lệch pha α nh sau: Me = D α

Trong đó: D – mômen cản riêng phụ thuộc vào kích thớc và vật liệu chế tạo lò xo Dới tác động đồng thời của hai mômen quay và cản, phần

động của cơ cấu đo sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng của hai mômen ngợc dấu nhau này: Nghĩa là lúc đó thì: Mq = Me

⇒ dWedα = D α

⇒

α

=α

d

dWe.D1

Đây là phơng trình đặc tính thang đo Từ phơng trình này ta có thể biết

đợc đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị

Vị trí cân bằng αc có thể đợc xác định bằng đồ thị:

ứng với các dòng khác nhau ta có góc lệch khác nhau

Ngoài hai mômen cơ bản ở trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ thị còn chịu tác dụng của nhiều mômen khác nữa đó là các mômen ổn

định, mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lợng…

Mô men ổn định:

Là mô men sinh ra do lực quán tính của phần động Khi dòng tăng (hoặc giảm) phần động sẽ không dừng ở vị trí cân bằng ngay mà sẽ giao động xung quanh vị trí cân bằng đó một thời gian Mômen ổn định sẽ là hiệu giữa mômen quay và mômen cản, nó tác động lên phần động để kéo phần động trở về vị trí cân bằng αc Chiều của mômen ổn định là chiều của mômen có trị số nhỏ hơn

Trong đó: Mms là mômen ma sát Chiều của mômen ma sát ngợc với chiều của mômen ổn định Mômen này sẽ gây ra sai số đáng kể Chất lợng chế tạo đầu trụ và trụ đỡ càng tốt thì sai số do ma sát càng nhỏ.

Mômen ma sát là đại lợng rất khó xác định chính xác, nó phụ thuộc nhiều yếu tố nh kích thớc và hình dạng trục, trụ, vật liệu chế tạo, độ bóng

đầu trục và trục đỡ, trọng lợng phần động Để tiện cho việc tính toán ta có…thể dùng công thức gần đúng sau đây:

Mms = k Gn

Trong đó: k – hệ số tỷ lệ

G – Trọng lợng phần động

n – số mũ: 1,3 ữ 1,5 Mô men cản dịu:

Trong quá trình đo, do quán tính phần động không dừng lại tại vị trí cân bằng mà giao động chung quanh vị trí cân bằng Điều đó gây trở ngại cho việc đọc kết quả đo Quá trình chuyển động nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào tính chất phơng trình chuyển động của cơ cấu chỉ thị Để rút ngắn thời gian giao động nhằm xác lập vị trí cân bằng đợc nhanh chóng trong cơ cấu chỉ thị có thêm bộ phận cản dịu để tạo ra mômen có chiều ngợc với chiều chuyển động của phần động, gọi là mômen cản dịu Mcd Mômen cản dịu có

trị số tỷ lệ với độ quay của phần động

Từ biểu thức trên cho thấy khi phần động ở vị trí cân bằng tốc độ quay

dt

dα = 0 Mô men cản dịu M

cd = 0, do đó không ảnh hởng đến kết quả chỉ thị dụng cụ đo

Mômen động lợng:

Ta đã biết rằng một vật chuyển động có mômen động lợng

Mđ = m v R

Trong đó: m – Khối lợng của vật chuyển động

V – Vận tốc dài

R – Bán kính quay từ trọng tâm vật quay đến trục quay

trong cơ cấu chỉ thị thì vận tốc đợc biểu thị theo vận tốc góc

dt

dα nh sau:

V = dt

Trong đó: J = mR2 là mômen quán tính phần động

Nh vậy là do sự tồn tại của nhiều mômen cho nên để xác định đợc dạng thang đo là không chỉ căn cứ vào phơng trình đặc tính thang đo mà cần phải căn cứ vào các yếu tố khác nữa nh ma sát, cản dịu, động lợng Vì vậy…trong thực tế để xác định dạng thang đo của một cơ cấu chỉ thị ngời ta dùng phơng pháp đồ thị

Phơng pháp nh sau: Bằng thực nghiệm ta xây dựng các đờng cong mô men quay Md = f(α) với giá trị X khác nhau

Tuỳ thuộc vào phơng trình đặc tính thang đo mà thang đo có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến Để tuyến tính hoá các đờng cong phi tuyến đó, tuỳ từng loại cơ cấu mà ta có cách khác nhau

2 Những bộ phận và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện

Đối với phần lớn các cơ cấu chỉ thị cơ điện (CTCĐ), tuy về nguyên lý

có khác nhau nhng vẫn có thể chỉ ra các chi tiết và bộ phận chung cho tất cả các loại cơ cấu Đó là các bộ phận để gá lắp phần động của cơ cấu chỉ thị, cách tạo ra mômen cản, bộ phận cân bằng, hiệu chỉnh, chỉ thị thang đo…

Vì bất kỳ một cơ cấu chỉ thị nào cũng bao gồm phần động và phần tĩnh, vì thế để bảo đảm quay tự do của phần động ngời ta sử dụng các phơng

pháp gá lắp khác nhau Gá lắp trên trục và trụ, gá lắp bằng dây căng, gá lắp bằng dây treo.

Sau đây ta sẽ xét từng chi tiết cụ thể:

a Trục và trụ

Trục và trụ là các bộ phận quan trọng trong các chi tiết cơ khí của các cơ cấu chỉ thị cơ điện, là bộ phận bảo đảm cho phần động quay trên trục có gắn các bộ phận của phần động nh kim chỉ, lò xo phản Chất l… ợng chế tạo trục và trụ đặc biệt là đầu trục và bề mặt trụ đỡ có ảnh hởng quyết định đến sai số do ma sát

b Lò xo phản kháng

Lò xo phản kháng để tạo ra mômen cản Để đảm bảo chỉ thị đợc chính xác, mômen cản riêng D của lò xo phải ổn định là trị số không thay đổi theo thời gian và theo nhiệt độ Để đạt yêu cầu trên, lò xo thờng đợc chế tạo từ các vật liệu có khả năng đàn hồi lớn nh hợp kim đồng bêrili, đồng phốt pho hoặc đồng thiếc kẽm

Lò xo có dạng hình xoắn ốc Đầu trong của lò xo gắn với trục quay

Đầu ngoài gắn với bộ phận điều chỉnh không của kim cố định trên phần tĩnh

Trong một cơ cấu chỉ thị thờng có hai lò xo phản kháng đặt ở trên và ở dới khung quay có chiều xoắn ngợc nhau Các lò xo phản kháng có tác dụng dẫn dòng điện vào ra khung dây và cuộn dây động

3 Dây căng và dây treo

Khi sử dụng lò xo phản kháng thờng có một nhợc điểm là mômen cản riêng D của lò xo khá lớn cho nên mômen cản của lò xo cũng sẽ lớn, điều đó làm giảm độ nhạy của cơ cấu chỉ thị

Để khắc phục ngời ta có thể tăng chiều dài của lò xo cũng nh giảm tiết diện của lò xo Tuy nhiên điều đó sẽ không giảm đợc mấy

Trong các cơ cấu chỉ thị có độ nhạy cao, trục trụ và lò xo phản kháng

đợc thay bằng dây treo hoặc dây căng

a) Dây căng b) Dây treo

Dây căng và dây treo có cấu tạo cũng bằng vật liệu nh đối với lo xo, là dây phẳng có tiết diện hình chữ nhật Dây càng mảnh thì mômen cản sinh ra càng yếu, cơ cấu chỉ thị có độ nhạy càng cao

Dây căng, dây treo dùng để định vị phần động để nó quay theo một trục hình học nào đấy Chúng có tác dụng sinh ra mômen phản và dẫn điện vào ra phần động Dùng dây căng và dây treo loại trừ đợc mômen ma sát giữa đầu trục và trụ Giảm đợc mômen cản riêng nh thế sẽ nâng cao đợc độ chính xác và độ nhạy của cơ cấu chỉ thị

Đặc biệt trong các cơ cấu chỉ thị cần mômen cản rất nhỏ, để có độ nhạy cao, làm việc tĩnh tại ngời ta sử dụng dây treo để treo phần động ở phía trên còn ở phía dới khung quay có một dây xoắn không mômen để dẫn điện

Nh thế mômen cản chỉ sinh ra do dây treo phía trên bị xoắn do đó mômen cản rất nhỏ

có bộ phận chắn không cho kim vợt ra ngoài phạm vi thang chia độ, phòng khi quá tải kim sẽ bị chặn lại tránh bị cong, gãy Để sự va đập đó đợc giảm nhẹ bộ phận chắn phải có tính đàn hồi.

Hình dạng của kim phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo và khoảng cách đứng để đọc kết quả đo Một yếu tố khác quan trọng ảnh hởng

đến độ nhạy của kim và độ chính xác của dụng cụ đo đó là độ dài của kim Kim càng dài thì dụng cụ càng chính xác càng nhạy vì lúc đó độ phân ly của vạch chia nhỏ hơn Nhng kim dài sẽ làm phần động nặng dẫn đến giảm độ nhạy và độ chính xác do lực ma sát tăng Mặt khác khi đó mặt số sẽ to ra rất cồng kềnh Vì vậy trong những dụng cụ đo có độ nhạy và độ chính xác cao kim chỉ thị đợc thay thế bằng chỉ thị ánh sáng Hệ thống chỉ thị ánh sáng gồm một gơng quay gắn trên phần động, một hệ thống chiếu sáng và màn

ảnh

Hình vẽ: hệ thống chỉ thị bằng ánh sángTrong hệ thống bao gồm một đèn chiếu sáng 1, hệ thống gơng 2, vòng chuẩn 3, gơng quay 4 và màn ảnh có khắc độ 5, gơng 6

Khi gơng 4 quay một góc α thì tia sáng sẽ lệch một góc 2α Điều đó

sẽ làm tăng độ nhạy của dụng cụ so với dụng cụ kim chỉ Mặt khác để kéo dài tia sáng ta có thể cho tia sáng khúc xạ qua một hệ thống gơng đặt ở bên

trong dụng cụ đo Điều này sẽ làm tăng độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ

đo

5 Thang đo

Thang đo là mặt khắc độ Trên mặt màu trắng ngời ta khắc độ màu đen (hoặc nếu mặt đen thì chỉ trắng) Đặc biệt đối với các dụng cụ đo làm việc cả ban

đêm thờng mặt số đợc kẻ bằng chất phản quang trong buồng tối

Có nhiều loại thang đo khác nhau tuỳ thuộc vào cấp chính xác và bản chất của cơ cấu chỉ thị

Hình vẽ: các loại thang đo

Thông dụng nhất là loại với góc lệch của kim là ± 450 về 2 phía so với trục thẳng đứng, tức là góc α = 900 Thờng sử dụng trong các loại dụng cụ đo

để bàn Để tránh sai số do cách đọc ngời ta đặt một cái gơng ở bên dới thang

đo Khi đọc bắt buộc kim và bóng của kim trong gơng phải trùng nhau Trên

một bảng khắc độ có thể có nhiều thang đo Để đánh dấu các giá trị đạt cấp chính xác, thờng trên thang đo ngời ta sử dụng hai chấm (.) ở hai phía hoặc gạch các giá trị đó (hình a,d) Các giá trị ngoài khoảng đó đều không đảm bảo độ chính xác đã ghi ở trên mặt dụng cụ đo Thang đo có thể đều hay không đều tuỳ loại cơ cấu chỉ thị.

Đối với các dụng cụ treo bảng thờng có cấp chính xác không cao lắm, ngời ta thờng sử dụng thang đo α = 900 trên bảng khắc độ hình vuông, hoặc thang đo với góc α = 2400 (hình c) Đối với các dụng cụ đo tự ghi có hàm thang đo ngời ta thờng sử dụng thang đo thẳng (hình d)

Với các dụng cụ đo mẫu có khi ngời ta khắc độ theo vạch chéo trên một số đờng song song, các giá trị nhỏ sẽ đợc đọc theo các điểm giao nhau giữa đờng chéo và các đờng song song Thang đo của các dụng cụ vạn năng

sẽ có nhiều đờng với các đơn vị đo tơng ứng (hình f)

6 Bộ phận cản dịu

Để rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí cân bằng

đợc nhanh chóng trong cơ cấu chỉ thị có bộ phận cản dịu Thông thờng sử dụng hai loại cản dịu:

Bộ phận cản dịu này gồm một hộp kín trong đó có một cách chuyển gắn liền với trục quay Khi phần động của cơ cấu chỉ thị chuyển động, cách chuyển động di chuyển từ bên này sang bên kia tạo nên một hiệu áp giữa hai mặt cách động làm cản trở sự di chuyển của phần động Cách chuyển động

đợc chế tạo bằng hợp kim nhôm có chiều dày từ 0,1 – 0,15mm để tăng độ bền vững trên mép, cách đợc làm thành những gờ nổi

b Cản dịu cảm ứng từ

Hình vẽ: Cản dịu cảm ứng từCấu tạo gồm một lá nhôm mỏng gắn liền với phần động của cơ cấu chỉ thị Lá nhôm có dạng hình quạt di chuyển trong khe hở của mặt nam châm vĩnh cửu tạo nên một dòng điện cảm ứng từ trong lá nhôm Do sự tác động tơng hỗ giữa dòng điện và từ trờng của nam châm tạo ra lực chống lại sự chuyển động của phần động

Trong cơ cấu chỉ thị từ điện với khung quay có lõi nhôm do tác động tơng hỗ giữa dòng điện cảm ứng trong khung nhôm với từ trờng của nam châm vĩnh cửu mà tạo nên mômen cản dịu

Trong trờng hợp khung quay không có lõi nhôm, nh trong các điện kế,

để tạo mômen cản dịu ngời ta ngắn mạch một số vòng của khung quay

Cản dịu kiểu cảm ứng có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ tác động cản dịu tốt Thờng đợc sử dụng trong các dụng cụ đo tự ghi có mômen quay lớn

II Cơ cấu chỉ thị từ điện

1 Cấu tạo

Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm 2 phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động.Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị từ điện gồm có:

Nam châm vĩnh cửu 1, mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6, hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi 6 có khe hở đều, gọi là khe hở làm việc, trong đó có khung quay chuyển động Đờng sức qua khe hở làm việc hớng tâm tại mọi điểm Trong khe hở này có độ từ cảm B đồng đều tại mọi điểm Ngoài ra trong mạch từ còn có sun từ để điều chỉnh từ thông qua khe hở làm việc

Phần động gồm có khung quay 5 Đó là một khung dây thờng có lõi nhôm nhẹ trên đó quấn dây đồng cỡ 0,03 ữ 0,2mm Cũng có trờng hợp khung quay không có lõi nhôm bên trong Khung quay đợc gắn vào trục quay

Trên trục quay còn có 2 lò xo cản 7 mắc ngợc nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8 Trong cơ cấu chỉ thị từ điện, chất lợng nam châm vĩnh cửu quyết

định rất lớn chất lợng dụng cụ đo Yêu cầu đối với nam châm vĩnh cửu là tạo nên từ cảm lớn trong khe hở làm việc, ổn định theo thời gian và nhiệt độ Trị

số độ từ cảm B trong khe hở làm việc càng lớn thì mômen quay tạo ra càng lớn, độ nhạy của dụng cụ đo càng cao và ít chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài,

do đó tăng độ chính xác của dụng cụ đo

Nam châm vĩnh cửu đợc chế tạo bằng các loại thép đặc biệt nh hợp kim vônfram, hợp kim crôm Trị số từ cảm B đ… ợc tạo bởi các loại nam châm trên có thể từ 0,1ữ 0,12T và 0,2ữ 0,3T

Ngoài cơ cấu chỉ thị từ điện có khung quay còn có loại cơ cấu chỉ thị

từ điện có phần tĩnh là cuộn dây còn phần động là nam châm quay, tuy nhiên loại này trong thực tế ít dùng vì cấu tạo phức tạp và độ nhạy thấp

Trong đó:

B - độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S – Diện tích khung dây

W – Số vòng dây của khung

α - Góc lệch của khung so với vị trí ban đầu

Các giá trị B, D, W là các hằng số nên ta có:

BSWId

)BSW(dd

)(d

α

α

=α

φ

=

⇒ Ta thấy α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I

3 Đặc điểm của cơ cấu từ điện

a Góc lệch α tỉ lệ thuận với dòng điện I cho nên cơ cấu chỉ thị từ

điện chỉ sử dụng trong mạch một chiều

b Góc lệch α tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I nên đặc tính của thang đo đều

c Độ nhạy của cơ cấu BSW

D

1

S = là đại lợng không đổi trong suốt thang đo, là độ nhạy theo dòng cơ số đo là [mm/A] Thông thờng ngời ta hay dùng hệ số nghịch đảo của độ nhạy gọi là hằng số của dụng cụ đo theo dòng

e Nhợc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện là ở chỗ: Chế tạo phức tạp; chịu quá tải kém; do việc dễ cháy lò xo và thay đổi đặc tính của nó, ảnh h-ởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo

4 ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện

Cơ cấu chỉ thị từ điện thờng đợc sử dụng trong các trờng hợp sau đây:

a Dùng để chế tạo các loại ampe mét, vôn mét, ôm mét nhiều thang

đo, giải đo rộng

b Dùng để chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao, có thể đo đợc: dòng đến 10-12 A, điện áp đến 10-4V điện lợng Điện kế còn đợc dùng để phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay trong điện thế kế

c Trong các loại giao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời gian của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15 KHZ cơ cấu chỉ thị từ điện đợc sử dụng để chế tạo các đầu rung

d Dùng cơ cấu chỉ thị từ điện để làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lợng không điện khác nhau

e Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện tơng tự nh : Vôn mét điện tử, tần số kế điện tử ,pha kế điện tử…

f Dùng với các bộ biến đổi khác nh chỉnh lu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo đợc dòng (hay áp) xoay chiều.

III Cơ cấu chỉ thị điện từ

1 Cấu tạo

Hình vẽ: Cơ cấu chỉ thị điện từPhân tích của cơ cấu chỉ thị điện từ là một cuộn dây 1, bên trong có khe hở nhỏ không khí là khe hở làm việc Phần động là một lõi thép 2 đợc gắn trên trục quay 5 Lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây Bộ phận cản dịu không khí 4 đợc gắn vào trục quay Kim 6 và đối trọng 7 cũng

đợc gắn lên trục quay, kim quay trên bảng khắc độ 8 Mômen cản đợc tạo bởi hai lò xo 3 ngợc chiều nhau

L 2

L: là điện cảm của cuộn dây

⇒ Ta có: Mq =

αd

1d

2

I.Ld

2 2

Khi mômen quay bằng mômen cản ở vị trí cân bằng

α

=

α Dd

dLI2

1 2

2I.d

dLD2

1α

=α

⇒

Từ đó ta suy ra các đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ

3 Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ

a Góc quay α tỷ lệ với bình phơng của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của dòng điện, do vậy mà cơ cấu chỉ thị điện từ có thể sử dụng để đo trong mạch một chiều và trong mạch xoay chiều

b Thang đo không đều Ngoài ra đặc tính thang đo lại còn phụ thuộc

vào tỉ số

α

d

dL

là một đại lợng phi tuyến Trong thực tế để đo đặc tính thang

đo đều ngời ta phải tính toán sao cho khi góc lệch α thay đổi thì tỷ số

αddL

thay đổi theo quy luật ngợc với bình phơng dòng điện

c Cản dịu thờng bằng không khí hoặc cảm ứng

d Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu quá tải lớn, có thể vừa đo

đợc xoay chiều vừa đo đợc một chiều

e Nhợc điểm: Công suất tiêu thụ tơng đối lớn, độ chính xác không cao, độ nhạy thấp, bị ảnh hởng của từ trờng ngoài do từ trờng của bản thân cơ cấu yếu khi dòng điện nhỏ

4 ứng dụng

Cơ cấu chỉ thị từ điện đợc ứng dụng để chế tạo các loại ampe kế, vôn

kế trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp ở các dạng để bảng cấp chính xác từ 0,5 – 1

IV Cơ cấu chỉ thị điện động

1 Cấu tạo

Hình vẽ: Cơ cấu chỉ thị điện độngPhân tích gồm cuộn dây 1 để tạo ra từ trờng khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh

Phần động gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2 đợc gắn với trục quay, trên trục còn có lò xo cản bộ phận cản dịu và kim chỉ thị Cả phần động và phần tĩnh đợc bọc bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hởng của từ trờng ngoài đến sự làm việc của cơ cấu chỉ thị Màn chắn từ có thể là đơn hoặc kép

Hình dạng của cuộn dây tĩnh và khung dây động có thể tròn hoặc vuông Loại tròn để chế tạo, loại vuông lại thích hợp khi cần giảm thấp chiều cao của cơ cấu đó

Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động thờng dùng loại cảm ứng từ khi

có màn chắn từ và dùng kiểu không khí khi không có màn chắn từ bảo vệ

2 Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện

từ trờng Từ trờng này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo nên mô men quay làm phần động quay đi một góc α

Mômen quay đợc xác định từ biểu thức chung nh sau:

2 2 2

2 1

1 L I M I I2

1IL2

1

Với: L1, L2: điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động

M12: Hỗ cảm giữa các cuộn dây tĩnh và động

I1, I2: dòng điện một chiều chạy trong các cuộn dây tĩnh và động.Các giá trị điện cảm L1,L2 không đổi khi khung dây quay trong cuộn tĩnh cho nên ta có mômen quay nh sau:

Mq = dα

dWe

= 12 I1.I2d

dMα

ở vị trí cân băng mômen quay bằng mômen cản Mq = Mc

Ta có: 12 I1.I2

d

dM

α = DαD

1

=α

⇒ 12 I1.I2

d

dMα

b Khi cho dòng điện xoay chiều vào các cuộn dây ta có:

Mômen quay tức thời sẽ là: 12i1.i2

d

dMMqt

α

=Phần động vì có quá trình mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong 1 chu kỳ:

Nếu i1 = I1m sin ωt và i2 = I2m sin (ωt - ψ), ta có:

m 2 m 1

d

dM)tsin(

tsinI

.IT

1M

D

1

=α

⇒ 12 I1.I2

d

dM

α cosψ

3 Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện động

a Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch một chiều và xoay chiều

b Góc lệch α phụ thuộc vào tích I1 I2 nên thang đo không đều

c Trong mạch xoay chiều mômen quay tỷ lệ với các giá trị hiệu dụng của các dòng điện và cosψ nên có khả năng sử dụng cơ cấu này để chế tạo các oát kế đo công suất

d Ưu điểm cơ bản của nó là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều Ngày nay để sản xuất đợc những dụng cụ đo điện động có cấp chính xác là 0,05; 0,1; 0,2 chủ yếu là dụng cụ để bàn

e Nhợc điểm là công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện công suất nhỏ không thích hợp

g Chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài lớn nên để đảm bảo cho cơ cấu làm đo làm việc tốt cần phải có màn chắn từ

h Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu

4 ứng dụng

Cơ cấu chỉ thị điện động đợc sử dụng để chế tạo các ampe kế, vôn kế, oát kế một chiều và xoay chiều có tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosψ Khi sử dụng trong mạch xoay chiều tần

số cao, pha có mạch bi tần số có thể đo đợc với dải tần đến 20 KHZ

α(t) Đờng ghi trên băng giấy là sự phối hợp giữa hai chuyển động y = α = f(i) và X = kt

Theo cách ghi có thể phân loại cơ cấu tự ghi làm ba loại:

Loại 1: ghi các đờng cong liên tụcLoại 2: ghi các đờng cong rời rạcLoại 3: in số lên băng giấy

Đối với cơ cấu tự ghi thiết bị quan trọng là cơ cấu tạo ra động tác ghi Trong đó cơ cấu tạo ra động tác ghi bao gồm: Cơ cấu đồng hồ 6, bộ giảm tốc

8, quả ru lô 9, băng giấy 7 và bút ghi 5 Việc ghi đợc tiến hành bằng bút ghi mực gắn ở kim quay của cơ cấu chỉ thị cơ điện hoặc gắn với chiết áp điều chỉnh trong dụng cụ cân bằng

Tốc độ ghi có thể thay đổi bằng cách thay đổi hệ số truyền của bộ giảm tốc 8 thờng trong khoảng 10, 20, 40, 60, 120mm\ h

Cách ghi có thể có nhiều cách thức khác nhau đó là:

Ghi bằng mực trên trang giấy hoặc đĩa giấy

Ghi trên giấy nền hoặc giấy than do bút ghi vạch lên

Ghi bằng cách thay đổi vật chất phủ lên bề mặt vật mang: Nh ghi bằng cách chụp ảnh: Ghi lên băng hay đĩa từ

Để chuyển dịch băng giấy thờng ngời ta đục lỗ khoảng cách giữa các

lỗ thờng là 5mm, lỗ sẽ ăn khớp với các răng ở trên ru lô Đối với băng hẹp chỉ cần một hàng lỗ Còn nếu băng rộng thì thờng là hai hàng lỗ trong đó một hàng có lỗ trong bảo đảm không thay đổi khi giấy bị ẩm và một hàng lỗ

có lỗ tròn bảo đảm không thay đổi khi giấy bị ẩm và một hàng có lỗ dài đề phòng có sự xê dịch khi giấy bị ẩm

Mực để in ghi không đợc khi mở nắp Khi viết rồi phải khô thật nhanh Thành phần của nó thờng là hỗn hợp của thuốc nhuộm anilin, mêtilviolet hoặc metilen với nớc cất Để làm khô nhanh có thể thêm vào một

ít cồn hay đestrin

Các vấn đề cần giải quyết trong các cơ cấu chỉ thị tự ghi là:

Nâng cao tốc độ ghi: Vấn đề này phụ thuộc rất nhiều thiết bị ghi Do phải mang bút ghi phải thẳng lực ma sát của bút ghi lên băng giấy nên mômen quay phải đủ lớn mới đủ độ nhạy

Cần phải cải tiến cách ghi để làm sao vừa đơn giản, vừa ghi đợc nhanh

và bảo đảm độ chính xác theo yêu cầu

2 Các cơ cấu chỉ thị tự ghi

Phụ thuộc vào tốc độ ghi mà ta có thể phân chia làm ba loại sau đây

a Cơ cấu chỉ thị tự ghi có tốc độ thấp

Hình vẽ: Cơ cấu tự ghi sử dụng chỉ thị sắt điện độngKhi tín hiệu cần đo có tần số thấp (dới 10HZ) thờng ngời ta sử dụng các loại chỉ thị tự ghi có tốc độ thấp Đó là các loại bút ghi vạch lên băng giấy chuyển động với tốc độ đều.

b Cơ cấu chỉ thị tự ghi có tốc độ trung bình

Hình vẽ: Chỉ thị tự ghi có tốc độ trung bình sử dụng cơ cấu điện từ

ở những dụng cụ tự ghi có tốc độ trung bình (tần số dới 100HZ), ta sử dụng cơ cấu chỉ thị từ điện hoặc điện từ

Hình vẽ: Cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ trung bình sử dụng cơ cấu từ điện.

c Cơ cấu chỉ thị tự ghi có tốc độ cao

Đối với các loại dụng cụ tự ghi có tốc độ lớn ta có thể sử dụng các cơ cấu cơ điện có tần số dao động riêng cao

Hình vẽ: Cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ cao có tần số riêng 750Hz

c Nguyễn lý của chỉ thị số

Hình vẽ: Sơ đồ khối dụng cụ đo chỉ thị sốTrong dụng cụ đo chỉ thị số ngời ta sử dụng một loạt các thành tựu của

kỹ thuật điện từ và kỹ thuật máy tính để biến đổi và chỉ thị đại lợng đo Để hiểu rõ nguyên lý của chỉ thị số, ta tìm hiểu sơ đồ khối của một dụng cụ đo chỉ thị số

Đại lợng đo X(t) sau khi qua bộ biến đổi thành xung Số xung N tỷ lệ với độ lớn của X(t) Số xung N đợc đa vào bộ mã hoá (MH) cơ số 2-10 (mã BCD) Sau đó đến bộ giải mã (GM) và đa ra bộ hiện số Tất cả 3 khâu mã hoá - giải mã - hiện số cấu thành bộ chỉ thị số