Bài giang môn Đo Lường (chương 2)

Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động kim chỉ hoặc là di chuyển của bút ghi tr

Chương II: Các cơ cấu chỉ thị đo tương tự 2.1 Khái niệm chung

Dụng cụ đo tương tự (analog) là loại dụng cụ đo

mà số chỉ của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục

Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng

điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi).

Các cơ cấu chỉ thị này thưòng dùng trong máy đo các đại lượng như dòng diện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trởvv điện một chiều và

xoay chiều tần số công nghiệp 50Hz

Những dụng cụ (máy đo) này chính là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng Tức là thực hiện việc biến đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc lệch α so với phần tĩnh Như vậy α = F (X), χ là đại lượng điện (dòng hay –

áp hoặc là tích của hai dòng điện).

Nguyên tắc hoạt động chung của cơ cấu đo

C¬ cÊu chØ thÞ kim

2.2 C¬ cÊu chØ thÞ tõ ®iÖn

ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện.

Cơ cấu chỉ thị từ điện thường được sử dụng trong các trư ờng hợp sau đây:

nhiều thang đo, dải đo rộng

đo được: dòng đến 10-12 A, điện áp đến 10-4V, điện lư ợng

Điện kế còn được dùng để phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay trong điện thế kế.

Trong các loại dao động kí ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15 kHz, cơ cấu chỉ thị từ điện được sử dụng để chế tạo các đầu trung.

Dùng cơ cấu chỉ thị từ điện để làm chỉ thị trong các mạch

đo các đại lượng không điện khác nhau.

Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự như:

vonmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử v.v.

Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo được dòng (hay áp) xoay chiều.

2.3 C¬ cÊu chØ thÞ ®iÖn tõ

2.4 Cơ cấu chỉ thị điện động

2.4.1.Cấu tạo

Hình 5-15 vẽ sơ đồ cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện động.

Phần tĩnh gồm cuộn dây 1 (được chia làm hai phần nối tiếp với nhau) để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh.

Phần động gồm một khu dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh Khung dây 2 được 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 được bọc kín bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường 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 dễ chế tạo, loại vuông lại thích hợp khi cần giảm thấp chiều cao của cơ cấu

đo

• Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động thường dùng loại cảm ứng từ khi có màn chắn từ và dùng kiêủ

không khí khi không có màn chắn từ bảo vệ

• Ta phân biệt hai trường hợp:

1 Khi cho dòng một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào cuộn dây 2

• Lúc này năng lượng điện từ có dạng:

• Với L1,L2 - điện cảm của các cuộn dây tĩnh và

động;

• M1,2 - hỗ cảm giữa các cuộn dây tĩnh và động;

• I1,I2 - dòng điện một chiều chạy trong các cuộn dây tĩnh và động

2 1 12

2 2 2

2 1 1

2

1 2

1

I I M

I L I

L

W e = + +

• Các giá trị điện cảm L1,L2 không đổi khi khung dây quay trong cuộn tĩnh cho nên ta có mômen quay như sau:

• ở vị trí cân bằng mômen quay bằng mômen cản Mq

= Mc

• ta có

2 1

12 I I d

dM d

12

2 1

12

1

I

I d

dM

D α

α=

• 2 Khi cho dßng xoay chiÒu vµo c¸c cuén d©y

ta cã:

ψ α

α 1 12 I1I 2 cos

d

dM D

=

gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn.

2.4.3 Đặc tính của cơ cấu chỉ thị dòng điện động.

1 Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch

một chiều và xoay chiều

2 Góc lệch ∝ phụ thuộc vào tích I1,I2 nên thang đo không đều Có thể thay đổi vị trí của các cuộn dây

để thay đổi tỉ số dM1,2/d∝ theo hàm ngược với I1I2 nhằm đạt được thang đo đều (thường từ 20% -:-

100% thang đo có thể chia đều còn 20% đầu thang

đo khoảng chi không đều)

3 Trong mạch xoay chiều mômen quay tỉ lệ với các

giá trị hiệu dụng của dòng điện và cosψ (cos của góc lệch pha giữa hai dòng điện) vì thế có khả năng sử

dụng cơ cấu này để chế tạo các oatmet (Wattmeter)

đo công suất

4 Ưu điểm cơ bản của cơ cấu chỉ thị điện động là có

độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều vì

không sử dụng vật liệu sắt từ tức là loại bỏ được sai

số do dòng xoáy, bão hào từ, v.v ngày nay đã sản

xuất được những dụng cụ đo điện động có cấp chính xác 0,05; 0,1; 0,2, chủ yếu là dụng cụ để bàn

• 5 Nhược điểm là công suất tiêu thụ của cơ cấu đo

điện động lớn nên dùng trong mạch điện công suất nhỏ không thích hợp

• 6 Mômen quay của cơ cấu chỉ thị điện động không lớn vì từ trường của bản thân các cuộn dây sinh ra

nhỏ từ thông khép kín mạch qua không khí có từ trở lớn tổn hao từ nhiều Do đó cơ cấu đo điện động

chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài Để đảm bảo cho cơ cấu đo làm việc tốt cần phải có chắn từ

• 7 Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu

2.4.4 ứng dụng

• Cơ cấu chỉ thị điện động sử dụng để chế tạo các

ampemét, vônmét, oatmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp; các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosϕ

• Khi sử dụng trong mạch xoay chiều tần số cao, phải

có mạch bù tần số có thể đo được với dải tần đến 20 kHz

2.5 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

2.5.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện dựa trên sự tác động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật thể tích điện ít nhất một trong các vật thể đó là phần động và sự chuyển dịch của nó gây nên sự thay đổi năng lượng điện trường tạo bởi các vật thể tích điện ấy.

Hình 5-18 là hai loại thông dụng nhất của cơ cấu chỉ thị điện.

Hình 5-18 a có hai bản cực tĩnh 1 ở giữa hai bản cực ấy là bản cực động 2 được nối với một cực tĩnh bên trái Điện áp cần đo

được đưa vào hai cực tĩnh (tức là cực tĩnh trái và cực động là một cực, còn cực thứ hai là cực tĩnh bên phải).

Nhờ vậy mà bản cực động đẩy cực tĩnh trái và hút về phía cực tĩnh phải và do vậy mà điện dụng của hệ thống thay đổi.

Bản cực động được gắn với kim làm kim quay trên trục quay.

• ở cơ cấu hình 5 -18b, điện dung thay đổi do thay đổi

bề mặt của các điện cực (các bản cực) của một hệ

thống tụ điện Phần tĩnh là các bản cực 2 còn phần

động là các bản cực 1 được gắn vào trục quay 3, kim

4 được gắn vào trục quay & trượt trên mặt số 5

• Mômen cản được sinh ra bởi lò xo cản 6

• Cản dịu ở đây có thể sử dụng cản dịu không khí hay

• C- điện dung giữa các điện cực.

• Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực

tích điện tạo ra mômen quay tác động lên điện cực

động làm quay ở bên trong các điện cực tĩnh

• Kết quả là điện tích giữa các bản cực thay đổi, tức là thay đổi điện dung C

• Điện cực động sẽ quay cho đến khi mômen quay

bằng mômen cản Mc = D∝

2.5.2 Đặc tính của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

1 Góc lệch ∝ tỉ lệ với bình phương của điện áp U

• Cực của điện áp không làm thay đổi hướng của

mômen quay vì thế sử dụng để đo điện áp vừa một chiêù vừa xoay chiều

• Trường hợp khi điện áp cần đo là xoay chiều thì

mômen quay sẽ nhận giá trị trung bình trong một chu kì

2 Đặc tính của thang đo không đều (bậc hai)

Ngoài ra đặc tính thang đo còn phụ thuộc vào tỉ số

dC/d∝ là một đại lượng phi tuyến

Trong thực tế để cho đặc tính thang đo đều người ta

phải tính toán sao cho khi góc lệch ∝ thay đổi thì tỉ

số dC/d∝ thay đổi theo quy luật ngược với bình phư

ơng của điện áp cần đo

Như thế đường cong tổng hợp sẽ là được tuyến tính với một độ chính xác nào đó

Giống như trường hợp cơ cấu chỉ thị điện từ, để đạt đư

ợc điều này cần phải tính toán điện trường, kích thư

ớc, hình dáng và vị trí của các điện cực cho phù hợp

3 Ưu điểm: điện trở vào lớn; điện dung vào thay đổi nhưng nhỏ; công suất tiêu thụ nhỏ có khả năng sử

dụng cả trong mạch một chiều lẫn xoay chiều; dải

tần rông; số chỉ của dụng cụ đo không phụ thuộc vào hình dáng đường cong tín hiệu đo

• 4 Nhược điểm: đặc tính thang đo không đều; độ

nhạy thấp đo điện trường yếu; độ chính xác không

cao có khả năng đánh thủng giữa các điện cực gây

ngắn mạch vì thế cần phải có màn bảo vệ

2.5.3 ứng dụng

• Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện được sử dụng để chế tạo

vônmét và kilôvônmét điện áp tối thiểu có thể đo đư

ợc chính xác cỡ 10V

• Thường được sử dụng để đo điện áp cao thế Ngoài

ra nếu sử dụng với khuếch đại điện tử có thể chế tạo các loại vônmét xoay chiều và các loại

electroonmets có độ nhạy cao