Tài liệu Chương 2: Các cơ cấu chỉ thị pptx

2.1.1 Khỏi niệm chung Cỏc cơ cấu chỉ thị này thường dựng trong cỏc dụng cụ đo cỏc đại lượng: dũng điện,điện ỏp, cụng suất, tần số, gúc pha, điện trở … của mạch điện một chiều và xoay chi

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

2.1.1 Khái niệm chung 2.1.2 Các mômen tác động lên phần động cơ cấu 2.1.3 Phương trình cân bằng mômen phần động cơ cấu 2.2 Phương trình chuyển đổi của các cơ cấu chỉ thị cơ điện

2.2.1 Cơ cấu từ điện

2.2.2 Cơ cấu điện từ

2.2.3 Cơ cấu điện động

2.2.4 Cơ cấu cảm ứng 2.3 Chỉ thị số

2.3.1 Khái niệm 2.3.2 Các loại chỉ thị số 2.3.3 Mã và các mạch biến đổi mã

Cơ cấu chỉ thị là dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng tỉ lệ với đại lượng đo liên tục Chỉ thị cơ điện là cơ cấu chỉ thị có tín hiệu vào làdòng điện và tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ thị Đại lượng cần đo

sẽ trực tiếp biến đổi thành góc quay của kim chỉ thị, tức là thực hiện việc chuyển đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay kim chỉ thị đi một góc α: α = f(x), x là đại lượng vào

Cơ cấu chỉ thị cơ điện bao gồm có hai phần là phần tĩnh và phần quay Tuỳ theo phương pháp biến đổi năng lượng điện từ người ta chia thành cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng và tĩnh điện

2.1.1 Khỏi niệm chung

Cỏc cơ cấu chỉ thị này thường dựng trong cỏc dụng cụ đo cỏc đại lượng: dũng điện,điện ỏp, cụng suất, tần số, gúc pha, điện trở … của mạch điện một chiều và xoay chiều tần sốcụng nghiệp

a.Trục và trụ

Là bộ phận quan trọng trong các chi tiết cơ khí của các cơ cấu chỉ thị cơ điện Đảm bảo cho phần động quay trên trục có gắn các chi tiết của phần động nh− kim chỉ thị, lò xo phản, khung dây

dẫn dũng điện vào khung dõy

Dõy căng và dõy treo được sử

dụng khi cần giảm mụmen cản

để tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ

thị

Kim chỉ thị góc quay α đ−ợc gắn với trục quay Độ di chuyển của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay α Ngoμi ra có thể chỉ thị góc quay bằng ánh sáng.

e.Bộ phận cản dịu

Để rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí nhanh chóng trong cơ cấu chỉ thị Thông thường sử dụng hai loại cản dịu đó

là cản dịu kiểu không khí va cản dịu kiểu cảm ứng

a) Cơ cấu cản dịu kiểu không khí b) Cơ cấu cản dịu kiểu cảm ứng

Hình 2.2 Một số cơ cấu cản dịu thường gặp

2.1.2 Cỏc mụmen tỏc động lờn phần động cơ cấu

a Mô men quay

Khi có dòng điện chạy trong cơ cấu chỉ thị, thì trong nó sẽ tích luỹ một năng l−ợng điện từ, năng l−ợng này đ−ợc biến thành cơ năng làm quay phần động đi một góc nào đó, có nghĩa là thực hiện một công cơ học:

dA = M q dα

Trong đó: dA: l−ợng vi phân của công cơ học

M q : mô men quay

dα: l−ợng vi phân của góc quayTheo định luật bảo toàn năng l−ợng

dW e = dA, dW e l−ợng vi phân của năng l−ợng điện từ

M

d α

=

Dưới tác dụng của mô men quay, nếu không có gì cản lại thì phần

động của cơ cấu sẽ quay đi một góc lớn nhất có thể có được Vì vậy người ta tạo ra các mô men cản tỷ lệ với góc quay α nhờ các bộphận phản kháng là lò xo xoắn, dây căng hoặc dây treo

Ta có: Mp = Dα ; D là hệ số phụ thuộc vào kích thước vật liệu chế

tạo lũ xo, dây căng hoặc dây treo

Khi mô men quay cân bằng với mô men cản thì phần động đứng yên

Mq = Mc = Dα

c Mô men ma sát

Đối với các dụng cụ dùng trục quay ta phải xét đến ảnh hưởng của lực

ma sát giữa trục và ổ , mô men ma sát được tính theo công thức kinh nghiệm

Mms = K Gn ; K: hệ số tỷ lệ, G: trọng lượng phần động, n = (1.3 ữ 1.5)

Khi trục quay dẫn đến kim chỉ thị quay theo cho tới vị trí cân bằng rồi mới dừng lại, do phần động có quán tính và lò xo bị kéo nên kim sẽdao động rồi mới đứng yên cho nên phải có bộ phận ổn định dao

động kim hay bộ phận cản dịu

Mô men cản dịu được chế tạo sao cho có trị số tỷ lệ với tốc độ quay của phần động:

Hình 2.3 Sự dao động của kim

p: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào đặc điểm cấu

tạo của bộ phận cản dịu Từ biểu thức trên

cho ta thấy khi phần động ở vị trí cân bằng

thì:

0

d dt

α =như vậy mô men cản dịu không làm ảnh hưởng đến kết quả đo

2.1.3 Phương trình 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

Mdt

dJdt

d

2 2

q ms

M dt

d p dt

d

⇒

2 2

Phương trình này chính là phương trình

mô men chuyển động của cơ cấu Giải

phương trình này ta tìm được α(t) Tuỳ

theo quan hệ giữa J, P, D mà cơ cấu dao

động hay không dao động và quyết định

đến tính ổn định và thời gian đo của cơ

2.2.1 Cơ cấu đo từ điện

2.2.1.1 Loại có một khung dây động

Kim chỉ thị

Cực từ Lõi sắt non

Khung dây

Lò xo phản kháng

Nam châm vĩnh cửu

Phần động:

khung dây quay 5 được quấn

bắng dây đồng Khung dây được

gắn vào trục quay (hoặc dây

căng, dây treo) Trên trục quay

khe hở không khí đều gọi là khe

hở làm việc, ở giữa đặt khung

quay chuyển động.

- Khi ta cho dòng điện 1 chiều I chạy vào khung dây, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu trong khe hở không khí, các cạnh

của khung dây sẽ chịu tác dụng 1 lực: F = BlWI

Trong đó: B: Trị số cảm ứng từ trong khe hở không khí; l: chiều dài

tác dụng của khung dây; W: là số vòng dây; I: trị số dòng điện

- Ta thấy 2 cạnh của khung dây cùng chịu tác dụng của lực F nhưng ngược chiều nhau nên sẽ tạo ra mômen quay:

F

I

I W S B I

W d l B

d F

2

=Trong đó: d: Kích thước ngang của khung dây

S = dl là thiết diện bề mặt khung dây.

Mômen phản của lò xo: MP = D.α

Vậy phần động sẽ cân bằng khi:

I S

I D

W S

B α

α D I

W S B M

Mq = P ⇔ = ⇔ = . . = I .

Trong đó

const D

W S B

SI = . . =

SI : gọi là độ nhạy của cơ cấu theo dòng điện

Ta thấy α tỷ lệ bậc nhất với I

c Đặc điểm và ứng dụng

- Ưu điểm:

+ Dụng cụ có độ nhạy cao và không đổi trong toàn thang đo

+ Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài, tiêu thụ năng lượng ít

+ Vì α tỷ lệ bậc nhất với I nên thang chia độ của cơ cấu đều

-Khả năng quá tải kém vì phần động có dây tiết diện nhỏ, chế tạo phức tạp

0 sin

1

)

( 1

0 0

=

=

T q

T

I W S B dt

t

m T

Thật vậy, khi ta cho dòng xoay chiều i = Imsinωt vào khung dây, ta

có mômen quay tức thời theo thời gian: mq(t) = B.S.W.i

Vậy muốn đo các đại lượng xoay chiều ta phải kết hợp với bộ chỉnh lưu.+ ứng dụng: dùng chế tạo A, V, Om mét, điện kế có độ nhạy cao Dùng làm cơ cấu chỉ không trong các đồng hồ vạn năng, trong các cầu đo vv vv

2.2.1.2 Loại có hai khung dây động (Lôgômét từ điện)

khung dây nh−ng khe hở không

khí giữa cực từ và lõi sắt non là

không đều nhau

- Phần động ta đặt hai cuộn dây

chéo nhau 600, gắn cứng trên trục

quay và lần l−ợt cho dòng điện I1

và I2 chạy qua sao cho chúng

sinh ra hai mô men quay ng−ợc

chiều nhau Phần động không có

lò xo phản

b Nguyờn lý làm việc

Khi ta cho các dòng 1 chiều I1, I2 chạy vào các cuộn dây động, dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra các mômen quay M1, M2 với:

M1 = B1.S1.W1.I1

M1 = B2.S2.W2.I2

1

2 2

2 2

1 1 1

).

(

).

(

I

I W

S f

W S f

=

α α

2

I f I

⇒ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng từ B phụ thuộc vị trí

của khung dây động

Bư1 = f 1 (α) ặ M1 = f 1 (α).S1.W1.I1

Bư2 = f 2 (α) ặ M2 = f 2 (α).S2.W2.I2

Phần động sẽ cân bằng khi Mư1 = M2

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

c Đặc điểm - ứng dụng

Tương tự như cơ cấu 1 khung dây ở trên nhưng có độ chính xác cao hơn, công suất tổn thất thấp, độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài Góc lệch α tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua các khung dây, điều này thuận lợi khi đo các đại lượng vật lý thụ động phải cho thêm nguồn ngoài Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhưng tỷ

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

Được dùng chế tạo các ôm mét, mê gôm mét

Kim chỉ thị

Khung dây

Trục quay

Cơ cấu cản dịu Lá thép di động

Lò xo phản kháng

a) Cơ cấu điện từ loại hút

I

Kim chỉ

b) Cơ cấu điện từ loại đẩy

Hình 2.6 Cơ cấu chỉ thị điện từ

bộ phận cản dịu không khí 4, kim chỉ 6, đối trọng 7

Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ 8

a Cấu tạo

Cơ cấu gồm hai loại chính Kiểu cuộn dây dẹt (cơ cấu chỉ thị điện từ loại hút) và kiểu cuộn dây tròn (cơ cấu chỉ thị điện từ loại đẩy) Cơ cấu cuộn dây dẹt có phần tĩnh là cuộn dây dẹt cho dòng điện cần đo đi qua, còn phần động là 1 lá thép đặt lệch tâm có thể quay trong khe hởcuộn dây tĩnh Kiểu cuộn dây tròn có phần tĩnh là cuộn dây tròn bên trong gắn một lá thép Phần động cũng là 1 lá thép gắn trên trục Ngoài ra còn có bộ phận cản dịu, lò xo phản, kim chỉ thị

b Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh, trong lòng cuộn dây sẽ có một từ trường, từ trường này hút lá thép vào trong lòng cuộn dây tĩnh trong trường hợp cuộn dây dẹt, còn đối với cuộn dây tròn thì 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 quay đi một góc α

Khi cho dòng điện một chiều chạy vμo cuộn dây, ta có:

e q

dW M

d α

= với We là năng lượng điện từ trường tích luỹ ở cuộn dây

2

1 2

Do We =(LI 2 )/2 trong đó L phụ thuộc α

Vậy mô men quay:

Khi cho dòng điện xoay chiều vμo cuộn dây

Giả sử i = Imax sinω Lúc đó Mq theo t sẽ là: ( ) 2 2

max

1

sin 2

D

2

2 1

Vậy cơ cấu chỉ thị điện từ có thể đo đ−ợc cả dòng một chiều và dòng xoay chiều

c Đặc điểm và ứng dụng

- Ưu điểm:

+ Có cuộn dây ở phần tĩnh nên có thể quấn bằng dây kích thước lớn nên khă năng quá tải tốt

+ Dễ chế tạo, giá thành hạ

+ Có thể đo được cả đại lượng 1 chiều và xoay chiều

- Nhược điểm:

+ 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

- Ứng dụng: thường được sử dụng để chế tạo cỏc loại ampemột, vụnmột trong mạch xoay chiều tần số cụng nghiệp với độ chớnh xỏc cấp 1ữ2 Ít dựng trong cỏc mạch cú tần số cao

Hình 2.8 Cấu tạo của cơ

cấu lôgômét điện từ.

Ứng dụng: đo các đại lượng như

điện trở, điện cảm, điện dung

(trong mạch xoay chiều), đo tần số,

góc pha và các đại lượng không

điện…

a C ấu tạo

Cơ cấu gồm hai cuộn dây Cuộn

dây tĩnh có tiết diện lớn, ít vòng

dây và thường chia làm hai phân

đoạn Phần động là một khung

dây có nhiều vòng dây và tiết

diện nhỏ Ngoài ra còn có kim

b Nguy ờn lý làm việc

-Xét khi cho các dòng điện một chiều I 1 và I 2 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:

e q

dW M

dα

=

Năng lượng từ trường tích luỹ trong lòng cuộn dây là:

2 1 12

2 2 2

2 1 1

2

12

1

IIMI

LI

L

Trong đó L1, L2 là điện cảm của các cuộn dây và chúng không phụ thuộc vào góc quay α M12 là hỗ cảm của hai cuộn dây, M12 thay đổi

1 2

e q

giả sử i1 = I1msinωt và i2 =I2msin(ωt-Ψ)

Do phần động có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời cho nên thực tế lấy theo giá trị trung bình trong một chu kỳ:

Tóm lại, trong mọi trường hợp ta đều có:

ψ

ψ

12 I I K I I d

c Đặc điểm và ứng dụng

- Ưu điểm:

+ Độ chính xác cao vì không có tổn hao trong lõi thép

+ Có thể đo được cả đại lượng một chiều và xoay chiều

- Nhược điểm:

+ 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 Loại có hai khung dây động (lôgômét điện động)

a Cấu tạo

Phần tĩnh gồm một cuộn dây đ−ợc chia

làm hai nửa Trong lòng cuộn dây tĩnh

có hai cuộn dây động gắn trên trục

quay cùng với kim chỉ thị, không có lò

xo phản

i1i

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

αα

Với M1, M2 là hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và lần lượt các cuộn dây động

Người ta bố trí sao cho các mômen này ngược chiều nhau, vậy khi cân bằng phần động, ta có Mq1 = Mq2

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

αα

αα

Giải phương trình trên, ta được: α = ⎜⎜ ⎝ ⎛ β β ⎟⎟ ⎠ ⎞

1 1

2 2

cos I

cos I

f

Với I1, I2 là các giá trị hiệu dụng của các dòng điện i1, i2; β1, β2 là góc lệch pha giữa dòng điện i , i1 và i , i2

c Đặc điểm và ứng dụng

Giống như cơ cấu một khung dây động nhưng chủ yếu để chế tạo

đồng hồ đo cosϕ 1 pha, 3 pha cho lưới điện xoay chiều

2.2.3.3 Cơ cấu sắt điện động và lôgômét sắt điện động

1 Cơ cấu sắt điện động

Gồm cuộn dây tĩnh 1, mạch từ 3 nhằm tạo ra từ trường trong khe hởkhông khí Khung dây động 2 được gắn với trục quay cùng kim chỉthị, lò xo phản và bộ phận cản dịu

Góc quay được tính:

α = K.I1I2cos(I1,I2)

2 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 Góc quay đ−ợc tính:

I

) I , I cos(

I f

1 1

2 2

i1

i

i2

Hình 2.10 Lôgômét sắt điện động

Ưu điểm: Có thể đo dòng một chiều hoặc xoay chiều Từ trường qua khung dây lớn(mụmen quay lớn) nên ít chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài

Nhược điểm: độ chớnh xỏc thấp (do cú sai số do hiện tượng từ xoỏy,

từ trễ… củalừi thộp).

-Tổn hao sắt từ lớn, độ chính xác không cao

Ứng dụng: được ứng dụng trong cỏc dụng cụ đo cần mụmen quay

lớn như cỏc dụng cụ tự ghi,đo dòng, đo áp, công suất và góc lêch pha

Thường khụng dựng trong mạch một chiều vỡ sai số lớn do hiện tương từ dư trong lừi thộp.

2.2.4 C¬ cÊu ®o c¶m øng

H×nh 2.11 C¬ cÊu chØ thÞ c¶m øng

- 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

dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều (được tạo

ra bởi dòng điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều:

Khi dòng điện i1, i2 vào các cuộn dây phần tĩnh→sinh ra các từ thông Ф1, Ф2 (các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tương ứng), từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm 1 (phần động)→xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tương ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → xuất hiện các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2)

Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tương hỗ với các dòng điện ix1, ix2→ sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng → quay đĩa nhôm (phần động)

Gi¶ sö: φ1 =φ1m sinωt, ix1 =Ix1m sin(ωt - γ),

víi γ lµ gãc lÖch pha gi÷a φ1 vµ ix1

γ1

M12 = C12φ1Ix2 cos (φ1, Ix2) = C12φ1Ix2 cos (π/2 + ϕ ) = -C12φ1Ix2 sinϕ

M21 = C21φ2Ix1 cos (φ2, Ix1) = C21φ2Ix1 cos (π/2 - ϕ) = C21φ2Ix1sinϕ

M22 = C22φ2Ix2 cos (φ2, Ix2) = C22φ2Ix2 cos (π/2) = 0

Nh− vậy mômen quay sẽ là tổng các mômen thành phần:

Mq = M12 + M21

M12 và M21 có dấu ng−ợc nhau do vậy mômen tổng sẽ kéo đĩa nhôm

về một phía duy nhất:

M = - M + M = C φ I sinϕ + C φ I sinϕ

Nếu dòng điện tạo ra φ1 và φ2 là hình sin và đĩa nhôm là đồng

nhất(chỉ có điện trở thuần) thì các dòng điện xoáy Ix1 và Ix2 sẽ tỷ lệ với tần số và từ thông sinh ra nó

c §Æc ®iÓm vµ øng dông

- Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha ψ giữa i1, i2 bằng π/2

- Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra các từ trường

- Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều

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