Chương 2: Các cơ cấu chỉ thị pdf

2.1.Phương trình cân bằng mômen phần động cơ cấu cơ điện 2.1.1 Khái niệm chung Cơ cấu chỉ thị là thiết bị biến đổi tín hiệu đo thành dạng tiện lợi cho người đo quan sát - Cơ cấu chỉ thị

Chương 2

CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ

2.1 Phương trình cân bằng mômen phần động cơ cấu cơ điện

2.2 Phương trình chuyển đổi của các cơ cấu chỉ thị cơ điện

2.3 Chỉ thị số

Chương 2: Các cơ cấu chỉ thị

2.1.Phương trình cân bằng mômen phần

động cơ cấu cơ điện

2.1.1 Khái niệm chung

Cơ cấu chỉ thị là thiết bị biến đổi tín hiệu đo thành

dạng tiện lợi cho người đo quan sát

- Cơ cấu chỉ thị cơ điện:

+ Góc quay của kim chỉ thị

+ Các đường cong , tự ghi

- Cơ cấu chỉ thị số:

+ Các con số hiển thị bằng LED…

Cơ cấu chỉ thị cơ điện làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học là dịch

chuyển phần quay

Đại lượng vào thường là dòng điện

Đại lượng ra là góc quay

Phương trình mô tả: α = f(x), x là đại lượng vào

CC CT Cơ Điện Góc quay αDòng điện I

Cơ cấu chỉ thị cơ điện bao gồm có:

- phần tĩnh

- phần quay

Dựa theo phương pháp biến đổi năng lượng từ điện sang cơ, CCCTCĐ chia thành:

- cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện

- cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ

- cơ cấu chỉ thị kiểu điện động

- cơ cấu chỉ thị kiểu cảm ứng

Lß xo ph¶n kh¸ng D©y c¨ng D©y treo

c Kim chỉ thị góc quay α

Kim chỉ thị góc quay α được gắn với trục quay

Độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay α

e.Bộ phận cản dịu

Làm nhiệm vụ dập tắt dao động của phần động,

giúp nhanh chóng xác lập vị trí góc quay

Thông thường sử dụng hai loại cản dịu :

- cản dịu kiểu không khí

- cản dịu kiểu cảm ứng

a) Cản dịu kiểu không khí b) Cản dịu kiểu cảm ứng

Một số cơ cấu cản dịu thường gặp

2.1.2 Các mômen tác động lên phần động cơ cấu

a Mô men quay

Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện,

trong sẽ tích lũy một năng lượng điện từ: dWe

Do tác động của từ trường (do nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên phần động của cơ cấu đo sẽ sinh ra mômen quay Mq tỷ lệ với

độ lớn của dòng điện I đưa vào cơ cấu, thực hiện

một công cơ học:

dA: lượng vi phân của công cơ học

M q : mô men quay

dα: lượng vi phân của góc quay

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

dWe = dA

e q

dW M

=

b mômen phản

Được tạo ra bởi các bộ phận phản kháng Mômen này tỷ lệ với góc quay α : Mp = Dα

D là hệ số phụ thuộc vào kích thước, vật liệu chế tạo bộ phận phản kháng

c Mô men ma sát

Với các dụng cụ dùng trục quay ta xét đến mô men ma sát: Mms = K Gn

K: hệ số tỷ lệG: trọng lượng phần động

n = (1.3 ÷ 1.5)

d Mô men cản dịu

Do phần động có quán tính và lò xo bị kéo nên kim

sẽ dao động rồi mới đứng yên

phải có bộ phận ổn định dao động kim:

2.1.3 PT cân bằng phần động của cơ cấu đo

Theo định luật cơ học đối với một chuyển động quay Đạo hàm bậc nhất của mômen động lượng theo thời gian bằng tổng các mô men quay tác động lên vật quay ấy:

M dt

d J dt

d

2 2

J : mô men quán tính phần động

Σ Mi : Tổng các mô men tác động lên phần động của

cơ cấu bao gồm:

M dt

d p dt

d

⇒ 22

cd ms

p

M dt

2.2 Phương trình chuyển đổi của các cơ

cấu chỉ thị cơ điện

2.2.1 Cơ cấu đo từ điện

2.2.1.1 Loại có một khung dây động

a Cấu tạo

Kim chØ thÞ

Cực từ Lõi sắt non

Khung dây

Lò xo phản kháng

Nam châm vĩnh cửu

b Nguyên lý làm việc

- Khi cho dòng điện 1 chiều I chạy vào khung dây, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu sinh ra năng lượng từ trường làm quay phần

động Từ thông Φ đi qua khung dây:

Φ = BSWα

B: Trị số cảm ứng từ trong khe hở không khí;

S: diện tích tác dụng của khung dây;

W: là số vòng dây;

I: trị số dòng điện

Năng lượng từ trường: W e = Φ I = BSWIα

Mômen quay được sinh ra: e

+ Chế tạo khó khăn, giá thành đắt.

+ Do khung dây ở phần động nên phải quấn bằng

dây có kích thước nhỏ nên khả năng quá tải kém

+ Chỉ đo được dòng 1 chiều

bằng một khung dây thứ hai

tạo ra mômen có hướng

chống lại mômen quay của

b Nguyên lý làm việc

Khi ta cho các dòng 1 chiều I1,

I2 chạy vào các cuộn dây động:

M1 = B1.S1.W1.I1

M2 = B2.S2.W2.I2

1

2 2

2 2

1 1

1

).

(

).

(

I

I W

S f

W S

I

⇒ =  ÷

 

Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng

từ B phụ thuộc vị trí của khung dây động

B1 = f 1 (α)  M1 = f 1 (α).S1.W1.I1

B2 = f 2 (α)  M2 = f 2 (α).S2.W2.I2

Phần động sẽ cân bằng khi M1 = M2

Ta có : f 1 (α).S1.W1.I1 = f 2 (α).S2.W2.I2

ngoài

-Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ số hai

dòng điện vẫn được giữ nguyên do vậy mà tránh được sai số

Lá thép di động

Lò xo phản kháng

Cơ cấu điện từ

b Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện chạy vào khung dây, trong lòng cuộn dây sinh ra một từ trường

- Cuộn dây dẹt: từ trường này hút lá thép vào

trong lòng cuộn dây tĩnh

- Cuộn dây tròn: từ trường sẽ từ hoá hai lá thép khi đó hai lá thép có cùng cực tính nên đẩy nhau

Cả Hai trường hợp trên sẽ làm cho phần động

- Khi cho dòng điện 1 chiều chạy vào khung dây:

2

1 2

- Khi cho dòng điện xoay chiều vào cuộn dây

Giả sử i = Imax sinωt Lúc đó Mq theo t sẽ là:

( ) 2 2

max

1

sin 2

Vậy cơ cấu chỉ thị điện từ có thể đo

được cả dòng một chiều và dòng xoay

D

2

2 1

+ Góc quay tỷ lệ với bình phương của dòng điện

và thang đo chia không đều(hình dáng lá thép

được chế tạo sao cho dL/dα giảm theo góc quay

α để thang chia độ có thể tương đối đều)

+ Độ chính xác thấp do có tổn hao trong lõi thép

Cấu tạo của cơ cấu logomet điện từ

d Logomet điện từ

2 1

1 2

I F

α =        ÷

dây và thường chia

làm hai phân đoạn

b Nguyên lý làm việc

- Cho các dòng điện một chiều I1 và I2 vào các

cuộn dây phần tĩnh và động, trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ tồn tại một từ trường Từ trường này sẽ

tác động lên dòng điện chạy trong cuộn dây động

và tạo ra mô men quay:

Năng lượng từ trường tích luỹ trong lòng cuộn dây:

2 1 12

2 2 2

2 1 1

2

12

1

IIM

ILI

L

L1, L2 :điện cảm của các cuộn dây, không phụ thuộc vào α

e q

dW M

d α

=

12

1 2

e q

dW dM

d α d α

Mô men quay:

- khi đưa vào các cuộn dây các dòng điện xoay chiều :

ψ :góc lệch pha giữa hai dòng điện;

I1, I2 : các giá trị hiệu dụng của dòng điện lần

lượt chạy trong các cuộn dây tĩnh và động

+ Dễ chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài.

+ Khả năng quá tải kém vì khung dây phần động kích thước nhỏ

+ Cấu tạo phức tạp, đắt tiền

+ Thang chia độ không đều (trừ khi chế tạo

wattmet)

2.2.3.2 lôgômét điện động

a Cấu tạo

Phần tĩnh gồm một cuộn dây được chia làm hai

nửa

Trong lòng cuộn dây

tĩnh có hai cuộn dây

b Nguyên lý làm việc

Khi cho hai dòng điện xoay chiều i, i1, i2 lần lượt chạy vào cuộn dây tĩnh và các cuộn dây động, trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ có một từ trường Từ trường này

sẽ tác động lên dòng điện chạy trong các cuộn dây động sinh ra các mô men Mq1, Mq2

2 2

1 1

1 1

, cos

.

, cos

.

I I I

I d

dM M

I I I

I d

dM M

q

q

α α

2 2

2 1

2 2

2 1

1 1

, cos

, cos

, cos

, cos

I I I

I I I

d

dM d dM

I I I

I d

dM I

I I

I d

dM

α α

α α

2

2

cos I

cos

I f

I1, I2 : giá trị hiệu dụng của các dòng điện i1, i2;

β1, β2 : góc lệch pha giữa dòng điện i , i1 và i , i2Các cuộn dây được bố trí sao cho các mômen này ngược chiều nhau Khi cân bằng : Mq1 = Mq2

2.2.3.3 Cơ cấu sắt điện động và lôgômét sắt

điện động

a Cơ cấu sắt điện động

Gồm cuộn dây tĩnh 1, mạch từ 3 nhằm tạo ra từ

trường trong khe hở không khí Khung dây động

2 được gắn với trục quay cùng kim chỉ thị, lò xo phản và bộ phận cản dịu

α = K.I1I2cos(I1,I2)

b Lôgômét sắt điện động

Gồm mạch từ có cấu tạo sao cho tạo nên khe hở không khí không đều, phần động gồm hai khung dây đặt chéo nhau 600 và gắn trên trục quay cùng với kim chỉ thị

I

) I , I cos(

I f

1 1

2 2

i1

i

i2

2.2.4 Cơ cấu đo cảm ứng

- Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra

từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần

động, có ít nhất là 2 nam châm điện

- Phần động: đĩa kim loại 1 (thường bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trụ 5

a Cấu tạo

Khi đồng thời 2 dòng điện i1 và i2 chạy vào các cuộn dây thì:

i1 sinh ra từ thông Ф1 xuyên qua đĩa nhôm L Ф1 sinh ra e1 là sức điện động chạy trên đĩa nhôm e1 sinh ra dòng điện xoáy chạy trên L: ix1

Tương tự: i2  Ф2  e2  ix2

b Nguyên lý hoạt động

Giả thiết mạch từ chưa bão

hòa, đĩa nhôm là thuần trở:

( )

sin sin W

m m

d e

ω

ω ϕ φ

=

= −

- Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều.

-Nhược điểm: mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số

48

Hình 2.13 Sơ đồ khối của cơ cấu chỉ thị số

2.3 Chỉ thị số

2.3.1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản của cơ cấu chỉ thị số

Cơ cấu chỉ thị số ứng dụng cỏc kỹ thuật điện tử và kỹ thuật mỏy tớnh để biến đổi và chỉ thị đại lượng đo Sơ đồ khối của một dụng cụ

đo hiển thị số như sau:

Đại lượng đo x(t) được biến đổi thành tớn hiệu xung tương ứng sau khi qua bộ biến đổi xung BĐX: số xung N đầu ra tỉ lệ với giỏ trị của x(t) Số xung N được đưa vào bộ mó húa MH (thường là bộ mó húa 2-10 mó BCD), tớn hiệu mó húa đưa dến bộ giải mó GM và đưa ra

bộ hiện số Tất cả 3 khõu: mó húa-giải mó- hiển thị số cấu thành

bộ chỉ thị số.

Chỉ thị là 1 đèn nêông có 1 anot và 10 katot Khi có

điện áp giữa A và 1K nào đó đèn sẽ phóng điện

K đó sẽ sáng lên và con số xuất hiện.

- Ưu điểm của chỉ thị này là hình dáng các con số

đẹp.

- Nh ợc điểm: Kích th ớc cồng kềnh, nguồn điện áp

cung cấp cao, chỉ phù hợp trong công nghiệp.

Thiết bị hiện số bằng đốn khớ

ví dụ về việc nối bộ hiển

thị LED 7 thanh với bộ

Là loại thiết bị hiện số được sử dụng rất phổ biến vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và hoạt động tin cậy, giá thành hạ.

Về cấu tạo: gồm có bảy thanh hiển thị kí hiệu từ a-g được sắp xếp

như trên hình, mỗi thanh là một điốt phát quang (LED), tương ứng

có các đầu ra để cấp tín hiệu cho từng điốt, các điốt có thể nối anốt chung hay catốt chung Khi có tín hiệu cho phép điốt nào hoạt động thì điốt đó sẽ sáng, phối hợp sự sáng tối của các điốt sẽ cho ra các con số: 0-9, các ký hiệu, các ký tự…

Tùy mục đích sử dụng còn có các loại LED 7 thanh có thêm các thanh hiển thị dấu chấm (.) thập phân, loại có nhiều hơn 7 thanh sắp xếp theo những hình dạng khác nhau…

Điện áp thuận rơi trên mỗi điốt của mỗi thanh khoảng 1,2V và dòng thuận qua LED tương ứng với độ sáng thích hợp vào khoảng 20mA tùy độ lớn của LED

Nhược điểm chính của LED 7 thanh là yêu cầu dòng lớn

2.3.2.3 Cơ cấu chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD:

Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học Chúng được đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết tủa ở mặt trong

Ở trạng thái bình thường không bị kích hoạt ô tinh thể lỏng trong suốt cho ánh sáng đi qua nên thanh hiển thị tương ứng trùng với mặt phông Khi được kích hoạt (bởi điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung vuông tần số khoảng 50-60Hz) ô tinh thể lỏng phản xạ lại ánh sáng

và thanh hiển thị tương ứng sẽ nổi trên mặt phông.

Ưu điểm của thiết bị hiển thị tinh thể lỏng là tiêu thụ dòng rất nhỏ, cả

7 thanh của hiển thị tinh thể lỏng loại nhỏ chỉ yêu cầu dòng khoảng 80µA

2.3.4 Mó và cỏc mạch biến đổi mó

2.3.4.1 Mã

Mã số là những ký hiệu về một tập hợp số, từ tổ hợp của các ký hiệu

ta có thể mô tả đ ợc các con số khác nhau Có các loại mã số sau: -Mã cơ số 10, đó là hệ đếm thập phân có 10 ký tự từ 0, 1, 2, ,9…

-Mã cơ số 2 là loại mã có hai trạng thái đ ợc ký hiệu từ 0 và 1 (còn gọi là mã nhị phân)

-Mã 2 - 10 (còn gọi là mã BCD) là sự liên hệ giữa mã cơ số 2 và mã cơ số 10 để dễ quan sát và dễ đọc.

Đối với cơ cấu chỉ thị số thì hiện nay chủ yếu ng ời ta sử dụng mã cơ

số 2

2.3.4.2 Các mạch biến đổi mã

Là thiết bị dùng đề biến đổi từ mã cơ số 2 hoặc mã 2 -10 thành mã cơ số 10, nghĩa là thể hiện d ới dạng số thập phân Ngày nay các bộ giải mã đ ợc chế tạo d ới dạng vi mạch Ví dụ nh vi mạch SN74247 có các đầu ra hở cực góp dùng để điều khiển LED có chung anốt 5V Các điện trở R1, R2, ,R… 7 để hạn chế dòng.

Bộ giải mã 7 thanh

g

a b

c d e

f g

2 3

2 2

2 1

2 0

a Mạch biến đổi từ mó thõp phõn sang mó nhị phõn

Tổng quát có m đầu vào t ơng ứng với m con số thập phân từ 0, 1, 2 m-1 và n đầu ra t ơng ứng với n bít của mã số nhị phân Ng ời ta th

…

ờng tổng hợp bộ biến đổi mã với số đầu vào m =10 tức là gồm x0, x1, x

… 9 ứng vơí các số thập phân từ 0, 1, 2, 9 Nh vậy bộ biến đổi mã …

sẽ có 4 đầu ra t ơng ứng y8, y4, y2, y1 ứng với 4 bít của mã nhị phân có trọng số 8 4 2 1.

Lập bảng trạng thỏi biến đổi từ thập phõn sang nhị phõn để từ đú xõy dựng mạch giải mó

Sè thËp ph©n

b Mạch biến đổi mó từ nhị phõn sang thập phõn

Nhiệm vụ của mạch này ng ợc với mạch trên Với bảng trạng thái trên

ta có X0 ữ X9 là các biến phụ thuộc còn Y1 ữ Y8 là các biến độc lập Vì vậy ta có các ph ơng trình logic sau:

Y8 Y4 Y2 Y1

Y8 Y4 Y2 Y1

AND AND

AND AND AND AND AND AND AND AND

c Mạch biến đổi từ số thập phân sang chỉ thị bảy thanh

Đầu vào là các số tự nhiên từ 0 ữ 9, đầu ra là chỉ thị bảy thanh bằng

điốt phát quang Ta có bảng trạng thái nh sau:

Y7OR

Hình 2.18 Mạch biến đổi từ mã

thập phân sang chỉ thị 7 thanh

d Mạch biến đổi mã từ mã nhị phân sang chỉ thị bảy thanh

Đầu vào là mã số nhị phân (8 4 2 1) ta gán các tên biến là X8 X4

X2 X1 Đầu ra là trạng thái các thanh sáng của chỉ thị 7 thanh

Ta có bảng trạng thái sau

Từ bảng trạng thái ta viết đ ợc các ph ơng trình logic quan hệ giữa

đầu ra Y1 Y7 với các đầu vào X8 X4 X2 X1 Tuy nhiên các ph ơng trình này phức tạp và đòi hỏi phải tối giản bằng bìa các nô (tối giản hàm)

Vớ dụ: