BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

CẢM BIẾN

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

2

PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG

1.1. Lý luận chung về đo lường 1.1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo a. Định nghĩa

Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường. Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường. Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau:

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.

Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép so với đơn vị.

Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: - Biến đổi tín hiệu và tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị

Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng: Ax = X/Xo Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác

nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học

vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc

vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo b. Phân loại phép đo

Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau. Ta có thể phân ra như sau: a. Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất.

Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét. Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp:

Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp.


3

Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở. Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo. c. Đo hợp bộ:

Cách đo mà kết quả đo sẽ được đưa ra cùng một lúc với nhau khi giải hệ phương trình. d. Đo thống kê

Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau đó lấy trung bình. Thực hiện khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo 1.1.2. Sai số, phương pháp giảm sai số a. Sai số của phép đo

Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số. Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức độ cẩn thận khi đo…Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số. Đó là sai số của phép đo. Có thể phân loại sai số của phép đo như sau: Theo cách thể hiện bằng số

• Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth ΔX = X – Xth

• Sai số tương đối γX được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực: �� = ��100 ≈ �� 100

Vì X và Xth gần bằng nhau. Theo nguồn gây ra sai số

Người ta phân thành: • Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo

và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo. • Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến

cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo… • Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như do mắt kém, do cẩu

thả… • Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối

tượng đo cũng như dụng cụ đo. Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm… Theo quy luật xuất hiện của sai số

• Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo.

Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh “0” không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm đo. v.v.

Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác.


4

Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn

Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế; sử dụng các bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh.

Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống.

Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. • 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 lượng duy nhất. Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất. b. Sai số của dụng cụ đo

Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại. Có thể đó là những nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra. Trên cơ sở đó người ta phân biệt hai loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

• Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật. Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được.

• Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…). Sai số này còn gọi là sai số phụ

Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy

đổi của dụng cụ đo đó: ��% = �� 100%

XN: là giá trị cực đại của thang đo Δm: là sai số tuyệt đố cực đại

c. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần nhớ rằng đại lượng

cần đo có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp. Giả sử X là đại lượng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lượng đo

được bằng phép đo trực tiếp X = F(Y,V,Z)


5

ΔY, ΔV, ΔZ là các sai số hệ thống tương ứng khi đo Y, V, Z ; ΔX là sai số hệ thống khi xác định X

TH1: X = aY + bV + cZ ΔX = a ΔY + bΔV+ cΔZ TH2:

Ví dụ: Phương pháp đo điện áp dùng Ôm kế và Ampe kế. Biết �� = ±3% và �� = ±1%. Tính �� =?%

LG Ta có U = I.R

ΔU = �� + �� = �. �� + �. �� → �� = �. �� + �. �� = �. �� + �. ��. � = �� + �� = ±(3% + 1%) = ±4%

1.2. Đặc tính của thiết bị đo 1.2.1. Độ nhạy

Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng:

XYS

Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X.

- Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S = const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo.

- Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo).

X

Y

X

Y

Y=f(X)

Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X

thì ta có quan hệ tuyến tính. - Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có: S = S1. S2 ....Sn. Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế

cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X ) thì Y không thể xác định được. Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,.....


6

: được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể phân biệt - người quan sát hay góc quay đủ lớn)

Khả năng phân ly:

DXXR

minmax

1.2.2. Tốc độ đo.

Là thời gian để xác lập kết quả đo. Cho phép đánh giá đại lượng đầu ra Y có theo kịp về thời gian với sự biến thiên của đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X)

Thời gian hồi đáp (tr) là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị của độ nhanh.

Tốc độ đo: T

v

1 ;

T là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo ổn định. 1.2.3. Độ chính xác.

Tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo là tính chính xác của nó:

X

DX

XAm

N

1

Với thiết bị sai số chủ yếu do ngưỡngnhạy thì độ chính xác chính là khả năng phân ly:

DRA

1.2.4. Điện trở - công suất tiêu thụ.

a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở của nó. Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đo. Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu ra của khâu trước đó dưới dạng điện áp (nghĩa là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất). Ví dụ vônmét phải có RV >> thì càng tốt.

b) Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo. Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn.


7

1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự 1.3.1 Cơ sở chung

Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc so với phần tĩnh. Loại dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng.

Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7 Y = fY(X) = f(X) = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có

thang đo đều hay không đều Phương trình đặc tính thang đo: - Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu, trong cơ cấu tích luỹ một năng

lượng điện từ trường We. Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động một góc d. Thực hiện một công cơ học:

dA = Mq.d Theo định luật bảo toàn năng lượng: dA = dWe

Suy ra: d

dWM eq

+. Trong tụ: 2.21 UCWe - cơ cấu tĩnh điện.

+. Trong cuộn dây: 2.21 ILWe - cơ cấu điện từ.

+. Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, điện động

- Mô men cản hình 1.8: Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì phần động sẽ quay đi một góc lớn

nhất có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé. Để xác định quan hệ chặt chẽ giữa góc quay và mô men quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có một mô men tác động ngược chiều với mô men quay gọi là mô men cản (Mc).

Ta dễ dàng tạo một mô men tỷ lệ với nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây treo:

Mc = D. Trong đó: D - mô men cản riêng của lò xo

(phụ thuộc vào vật liệu, kích thước)


8

- Phương trình đặc tính thang đo: Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu

đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc. (c là vị trí cân bằng của phần động). Ta có:

.Dd

dWe

Ta có phương trình đặc tính thang đo:

d

dWD

e.1

Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều. Nhưng không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích được. Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị.

Nội dung phương pháp: Bằng thực nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay Mq = f() với các giá trị X khác nhau. Ví dụ với cơ cấu điện từ ta xây dựng các đừng cong 1;2;3;4 (hình 1.9) với các giá trị X tương ứng 40;60;80 và 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm kim lệch toàn thang). Giả sử Xm = I0 = 50mA; các đường cong Mq cắt đường cong mô men cản tại các điểm A, B, C, D ta được các vị trí 1, 2, 3, 4. ứng với các trị số này các trị số tương ứng của X là 20, 30, 40, 50mA. Như vậy ta có thang đo theo đơn vị của đại lượng đầu vào.

Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y.

Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số. Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung

gian; từ quan hệ cho giá trị X tính ra Y. Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị số Y ta được thang đo theo đơn vị Y. - Mô men ổn định hình 1.10: Dưới tác động của mô men quay phần

động lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng với lúc Mq = Mc . Nhưng vì quán tính nên phần động không dừng ở c mà di chuyển đến vị trí 1 = c + , ở vị trí này mô men tác động lên phần động:

Mc - Mq = Môđ Quá trình ngược lại: 2 = c - ; mô men

tác động: Mq - Mc = Môđ

BÀI GI

Mô men ổn định tác đc. Chiều của mô men ổn

- Mô men ma sát: (vma sát). Ta xét cơ cấu trụ

+. Khi phần động tcó ma sát nên không đến đưở 1 :

- Mc

Hay: Mq - +. Quá trình

phần động từ max về 0, do2 trước khi về c. Phương tr

Mc -Hay: Mc - Mq - M Từ đồ thị hình 1.11 ta có: ms = ms = Theo sự phân tích trên thì M

phần động về vị trí cân bMms thì kim dừng ở vị trí

1.3.2. Những bộ phận, chi ti a) Trục và trụ. (Hình 1.12).

Trục quay

Trục và trụ là hai bđộng quay (kim chỉ, lò xo phdo ma sát.

- Trục: được làm bcùng bán kính 0,05 - Trụ: Làm btrụ có thể được điề

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ

nh tác động lên phần động để kéo phần động trn định là chiều của mô men có trị số nhỏ hơn.: (với phần động dùng dây căng, dây treo

ục, trụ. hình 1.11: ng từ = 0 đến c do n được c mà dừng lại

c + Mq = Mms - Mc - Mms = 0

+. Quá trình đại lượng đo giảm, 0, do ma sát nó dừng ở

. Phương trình cân bằng: - Mq = Mms Mms = 0 hình 1.11 ta có: = c - 1 = 2 - c

phân tích trên thì Môđ ngược với Mms; Môđ

trí cân bằng, còn mô men ma sát có khuynh hướng ngtrí nào đó khác c

n, chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện.. (Hình 1.12).

c quay

TrHình 1.12

là hai bộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đ, lò xo phản, khung quay,...). Chất lượng của chúng quy

c làm bằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm, cùng bán kính 0,05 0,3mm; có độ cứng cao.

: Làm bằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc ều chỉnh lên xuống.

ẾN

9

ng trở về vị trí cân bằng hơn.

dây căng, dây treo không xét đến mô men

ôđ có khuynh hướng kéo ng ngựơc lại. Khi Môđ =

n.

Trụ quay

u: nó đảm bảo cho phần a chúng quyết định sai số

1,5 mm, = 45 600, tận

c khoét nón lõm có góc đỉnh bằng 80o

BÀI GIẢNG K

b) Lò xo phản kháng. - Công dụng: + Đưa dòng vào khung dây (t + Tạo ra mômen cản cân bYêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị đượlò xo phải ổn định ( trị số của nó không thay đnhiệt độ). Để đạt được yêu cầu

trên lò xo thường được chế tạ - Đặc điểm: + Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13) + Đầu trong của lò xo gắn vkim cố định trên trục quay. + Trong một cơ cấu chỉ thị

c) Kim chỉ thị (Hình 1.14). Công dụng: chỉ thị góc quay Yêu cầu: Kim phải nhẹ, b

nên được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm hobằng thuỷ tinh.

Đặc điểm: Hình dạng củchính xác của dụng cụ đo và khoả

d) Thang đo. - Là mặt khắc độ: Trên m

lại. Nếu dụng cụ dùng làm việc cả - Góc lệch của kim ph - Phía dưới của thang đo luôn luôn đ

quan sát kim trùng với bóng của nó). e) Bộ phận cản dịu.- Công dụng: Dùng để nhan

xác lập kết quả đo bằng cách hạcủa kim xung quay vị trí cân bằng.

- Cấu tạo: Có hai lo1.15).

+. Cản dịu không khí: gồm m

có cánh chuyển động liền vtạo ra sự chênh lệch ở bên trong v

+. Cản dịu cảm ứng từ: gồtrong khe hở của một nam châm vtương hỗ giữa dòng điện từ trường ccủa phần động.

NG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

òng vào khung dây (từ điện, điện động, sắt điện động) n cân bằng với mômen quay.

ợc chính xác mômen cản riêng D của a nó không thay đổi theo thời gian và

ạo từ những vật liệu có khả năng đàn hồi l

c (Hình 1.13) n với trục quay, đầu ngoài gắn với bộ điề

ị có hai lò xo phản kháng ngược chiều nhau.

góc quay . , bền vững, không bị han rỉ p kim nhôm hoặc có thể làm

ủa kim phụ thuộc vào cấp ảng cách để đọc kết quả đo.

: Trên mặt màu trắng người ta khắc độ màu đen và ngưả ngày lẫn đêm thì khắc vạch bằng chất phát quang.

a kim phụ thuộc vị trí đặt, độ chính xác. a thang đo luôn luôn đặt một gương để tránh sai s

a nó). u. nhanh chóng chóng ạn chế sự dao động

ng. o: Có hai loại cản dịu (Hình

m một hộp kín Hình 1.15

n với trục, khi phần động chuyển động thì cánh chuybên trong về áp suất và nhanh chóng dừng lại.

ồm lá nhôm gắn liền phần động có hình qut nam châm vĩnh cửu tạo nên một dòng cảm ứng. Do s

ng của nam châm tạo một lực chống lại s

10

Hình 1.13

i lớn.

ều chỉnh O của

u nhau.

Hình 1.14

màu đen và ngược t phát quang.

tránh sai số (khi đọc

Hình 1.15

thì cánh chuyển

ng có hình quạt di chuyển ng. Do sự tác động

i sự chuyển động


11

1.3.3. Cơ cấu từ điện.

a) Cấu tạo.(Hình 1.12)

a

b

Hình 1.12 Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu 1, lõi sắt non 6. Đường sức từ qua khe hở làm việc

hướng tâm tại mọi điểm. Trong khe hở này từ cảm B đều tại mọi điểm Phần động: Khung quay 5 có lõi nhôm nhẹ và khối lượng rất nhỏ, trên quấn dây

đồng 0,03 0.2mm, toàn bộ khung quay được đặt trên trục quay 3, trục này tì vào trụ 9; Trên trục quay còn có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, lò xo cản 7 đồng thời có nhiệm vụ đưa điện vào khung dây, kim chỉ thị 2 và thang đo 8. Phía sau kim chỉ thị có mang đối trọng 4 để sao cho trọng tâm của kim chỉ thị nằm trên trục quay hoặc dây treo; b) Nguyên lý hoạt động.

Khi cho dòng điện chạy qua, khung dây quay dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng một góc d. Mô men quay tạo ra được tính:

Mq= ddWe

Năng lượng điện từ We tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở làm việc và dòng điện chạy trong khung dây I:

We = .I Mà ta có: = Bsw Trong đó: B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu. s: diện tích khung dây. w: số vòng của khung dây. : góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu.


12

Các giá trị B, s, w là những hằng số (không đổi khi khung dây quay)

Do đó: Mq = d

)I Ø(d =

dIBswd )( = BswI.

Khi cân bằng: Mq = Mc. BswI = D

Suy ra: ID

Bsw : Phương trình đặc tính thang đo cơ cấu từ điện.

Ta thấy B, s, w, D là hằng số nên góc lệch tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I. c) Đặc điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện.

- Góc quay tỷ lệ thuận với dòng điện I nên chỉ sử dụng trong mạch đo một chiều.

- Góc lệch tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nên thang đo đều.

- Độ nhạy S = BswD1 của cơ cấu cao vì có từ trường lớn; Thông thường người ta

dùng hằng số của dụng cụ C theo dòng hoặc áp. Ví dụ hằng số theo dòng I

I SC 1 A/mm,

nó cho biết trị số dòng cần thiết qua cơ cấu để kim lệch được một vạch (hoặc 1mm) trên thang đo.

- Độ chính xác cao vì các phần tử của cơ cấu có độ ổn định cao, ảnh hưởng của từ trường ngoài không đáng kể, công suất tiêu thụ nhỏ, độ cản dịu tốt.

- Nhược điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện ở chỗ chế tạo phức tạp, chịu quá tải kém, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo. d) ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện.

- Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng. - Dùng chế tạo các loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V) - Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng đo không điện. - Dùng để chế tạo ra các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmet điện tử, tần số

kế điện tử… - Dùng với bộ chỉnh lưu, cặp nhiệt có thể đo giá trị xoay chiều.

1.3.4. Cơ cấu điện từ

a) Cấu tạo. - Loại cuộn dây dẹt: Phần tĩnh: là một cuộn dây phẳng, bên trong có khe hở không khí là khe hở làm việc. Phần động: là một lõi thép (2) được 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) được gắn vào trục

BÀI GI

quay. Kim 6 và đối trọng 7 cMômen cản được tạo bởi hai lò xo 3 ng - Ngoài ra còn loại cu

b) Nguyên lý hoạt động. Khi cho dòng điện I ch

Mq=d

dWe

Năng lượng trong cu

Do đó: M q

Khi Mq = MC ở vị

2

1ddL

c) Đặc điểm. - Góc quay tỷ lệ với bình phlà không phụ thuộc vào chicấu chỉ thị điện từ có thểmột chiều. - Thang đo không đều do đ

thang đo còn phụ thuộc vào t

phi tuyến. Để làm cho đ

ddL phải thay đổi theo quy lu

của dòng điện, tổng hợp s1.14). Để đạt được điều này c

a)

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ

ng 7 cũng được gắn lên trục quay. Kim quay trên bi hai lò xo 3 ngược chiều nhau. i cuộn dây tròn (hình 1.13 b)

n I chạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay đư

ng trong cuộn dây: We = 2

LI2

.

2

2

.21)

2.(

IddL

d

ILd

trí cân bằng:

.. 2 DIddL

2.21 I

ddL

D ; Phương trình đặc tính thang đo cơ c

i bình phương của dòng điện, tức c vào chiều của dòng điện do vậy cơ

ể đo trong mạch xoay chiều và

u do đặc tính bậc hai. Đặc tính của

vào tỷ số d

dL là một đại lượng

làm cho đặc tính thang đo đều thì tỷ số

i theo quy luật ngược với bình phương

p sẽ có đường tuyến tính (hình này cần phải tính toán mạch từ,

Hình 1-13 b)

ẾN

13

c quay. Kim quay trên bảng khắc độ 8.

n mômen quay được xác định:

c tính thang đo cơ cấu điện từ.


14

kích thước, hình dáng, lõi động và vị trí đặt dây sao cho phù hợp. - Cản dịu thường bằng không khí, cảm ứng - Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tải lớn - Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ chính xác không cao nhất là khi đo dòng một chiều sẽ bị sai số do hiện tượng từ trế, từ dư. Độ nhấp nháy thấp bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài. d) ứng dụng - Dùng chế tạo Ampe mét, Vôn mét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp có cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5 và 1,0. ở tần số cao cần tính toán mạch bù. 1.3.5. Cơ cấu điện động

a) Cấu tạo (hình 1-15) - Phần tĩnh: gồm cuộn dây 1để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua (được chia làm hai cuộn ghép lại có khe hở ở giữa để cho trục quay chui qua đồng thời để tiện lắp ghép). - Phần động: gồm khung 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 bao kín bằng màn chắn từ để ngăn chặn ảnh hưởng của từ trường ngoài. Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động thường dùng loại cảm ứng khi có màn chắn từ và dùng kiểu không khí khi không có màn chắn từ bảo vệ b) Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây động và tạo lên mômen quay làm phần động quay một góc .

Mq = d

dw e ; We là năng lượng tích luỹ trong các cuộn dây

Xét hai trường hợp: Khi cho dòng điện một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào khung dây 2; Lúc này We có dạng:

We = 21 L1I1

2 + 21 L2I2

2 + M12I1I2

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


15

M1,2 : là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động I1, I2 : dòng DC trong cuộn tĩnh, động. Điện cảm L1, L2 = const khi khung dây quay trong cuộn tĩnh nên ta có:

Mq = d

dw e = d

dM12 . I1I2

ở vị trí cân bằng Mq = Mc nên:

d

dM12 I1I2 = D.

Suy ra: =d

dMD1 12 I1I2

Khi cho dòng điện xoay chiều vào cuộn dây ta có Mômen quay tức thời là:

mqt = d

dM12 i1i2

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

Mq = t

0qt dtm

T1

Nếu i1 = I1msint và i2 = I2msin(t-):

T

mmq dtd

dMttIIT

M0

1221 )sin(sin1

Do đó: Mq =

cosIId

dM21

12

Khi cân bằng thì: Mq = Mc:

cosIId

dM21

12 = D

Suy ra:

cos.121

12 IId

dMD

c) Đặc điểm . - Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều - Góc lệch phụ thuộc vào tích I1. I2 nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi dM12/d theo hàm ngược với I1I2 để đạt được thang đo đều. - Mô men quay tỷ lệ với dòng hiệu dụng và cos nên có thể sử dụng cơ cấu để chế tạo Wattmet đo công suất. - Ưu điểm : cơ bản của cơ cấu này là có độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều (không có vật liệu sắt từ nên không có dòng xoáy). - Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn nên dùng trong mạch điện có công suất nhỏ không thích hợp.


16

- Mq của cơ cấu 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 nên tổn hao từ nhiều . Do đó cơ cấu điện động chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài. Để đảm bảo cho cơ cấu làm việc tốt phải có chắn từ. - Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu . d) ứng dụng Dùng để chế tạo Ampemet, Vônmet, Oatmet một chiều và xoay chiều có tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cos . 1.3.6. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng

Hình 1.22

a) Cấu tạo: Hình 1.22 Gồm 2 phần: phần động và phần tĩnh . - Phần tĩnh là cuộn dây điện 2 và 3, cấu tạo của chúng làm sao để khi có dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường móc vòng qua mạch từ và qua phần động. Số lượng nam châm điện ít nhất là 2. - Phần động là một đĩa kim loại 1(thường có cấu tạo bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay quay trên trụ 5. Về nguyên tắc cơ cấu này hoạt động dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa phần động do đó cơ cấu này chỉ làm việc ở mạch xoay chiều. Để chỉ thị số vòng quay của đĩa người ta gắn vào trục của cơ cấu chỉ thị số cơ khí. b) Nguyên lý làm việc . Khi cho các dòng điện I1, I 2 vào cuộn dây phần tĩnh sẽ sinh ra các từ thông 1 , 2 các từ thông này cũng như dòng điện lệch nhau một góc (hình 1.22c). Các từ thông 1 , 2 cắt đĩa nhôm làm xuất hiện trong đĩa nhôm các suất điện động tương ứng E 1 , E 2 lệch pha

với các từ thông một góc 2


17

Các dòng điện xoáy IX1, IX2 được sinh ra trong đĩa nhôm lệch pha với E 1 , E 2 bởi góc 1 , 2 vì ngoài điện trở thuần còn có thành phần cảm ứng. Do sự tác động tương hỗ giữa từ thông 1 , 2 các dòng điện xoáy Ix1, Ix2 mà sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tương ứng làm quay đĩa nhôm. Giá trị tức thời của mômen quay Mt do sự tác động tương hỗ giữa t1 và dòng điện tức thời ix1 là : Mt = C. t1 .ix1 C là hệ số tỷ lệ Nếu t1 = m1 sint và : ix1 = Ix1m.sin(t- ); góc lệch pha giữa t1 và ix1 thì:

Mt = C. m1 .Ix1msint.sin(t- ) Vì phần động có quán tính lớn nên ta có mômen là đại lượng trung bình trong một chu kỳ T:

M = cos.I..Cdt)tsin(.tsinI..CT1dtM

T1

1x1

T

0m1xm1

T

0t

Để đơn giản ta có thể coi đĩa nhôm chỉ có điện trở thuần do đó các góc: 21

0 và 2 . Vậy thì cos = cos

2 = 0. Do đó: M = 0 tức là mômen sinh ra giữa từ thông

1 và Ix1 sẽ bằng không. Ta cũng xét các mômen thành phần như sau: M11: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix1 M12: mômen sinh ra do 1 tác động lên Ix2

M21: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix1 M22: mômen sinh ra do 2 tác động lên Ix2 Tương tự cách tính ở trên ta có:

M11= C11. 1.Ix1.cos2 = 0

M12= C12. 1.Ix2.cos(2 +) = - C12. 1.Ix2.sin

M21= C21. 2.Ix1.cos(2 - ) = C21. 2.Ix1.sin

M22= C22. 2.Ix2.cos(2 ) = 0

Như vậy mômen quay sẽ là tổng các mômen thành phần tức là tổng của M12 và M21 có dấu ngược nhau. Cũng chính nhờ có sự ngược dấu này mà mômen tổng sẽ kéo đĩa quay về một phía duy nhất. Nghĩa là mômen quay sẽ là: Mq = C12. 1.Ix2sin + C21. 2.Ix1sin Nếu dòng điện tạo ra 1, 2 là hình sin và đĩa đồng nhất( chỉ có điện trở thuần) thì các dòng điện xoáy sinh ra sẽ tỷ lệ với tần số f và từ thông sinh ra nó. Tức là: Ix1 = C3.f. 1 và Ix2 = C4.f. 2


18

Thay vào trên và gộp các hệ số lại với nhau ta có: Mq = C.f. 1. 2.sin Trong đó: C = C12C4 + C21C3 : là hệ số của cơ cấu chỉ thị cảm ứng. c) Đặc điểm. - Điều kiện để có mômen quay ít nhất phải có hai từ trường. - Mômen quay đạt được giá trị cực đại nếu như góc lệch pha giữa hai từ trường đó

là: = 2 .

- Mq phụ thuộc vào tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường. - Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều. Nhược điểm: Mq phụ thuộc vào tần số nên cần phải ổn định tần số. d) ứng dụng: Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng để chế tạo công tơ đo năng lượng. Đôi khi người ta còn sử dụng để đo tần số. 1.3.7. Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện a) Cấu tạo chung: như hình 5.10: có hai hoặc nhiều bản cực, bao gồm các bản cực tĩnh (bản cực 1 ở hình (a), bản cực 2 ở hình (b)) và ít nhất một bản cực là phần động (bản cực 2 ở hình (a), bản cực 1 ở hình (b)) được gắn với trục quay, kim chỉ thị, lò xo phản kháng…

Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện. b) Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật thể tích điện. Phần động của cơ cấu là một trong các vật thể đó, sự chuyển dịch của nó gây ra sự thay đổi năng lượng điện trường tạo bởi các vật thể tích điện. Khi đặt vào hai bản cực tĩnh và động một điện áp U, giữa chúng sinh ra một điện trường có năng lượng We được tính: với C là điện dung giữa các điện cực.

Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực tích điện tạo ra mômen quay làm


19

quay điện cực động (phần động). Mômen quay được tính:

Mômen cản: Mc = D.α

Ở trạng thái cân bằng Mq = Mc tính được góc quay α của phần động: c) Các đặc tính chung: từ phương trình (5.2) suy ra các đặc tính cơ bản của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện:

- Góc lệch α tỉ lệ với U2. - Đặc tính của thang đo không đều và phụ thuộc vào tỉ số dC / d là một đại lượng

phi tuyến . - Ưu điểm: điện trở vào lớn; điện dung vào thay đổi nhỏ; công suất tiêu thụ nhỏ;

không phụ thuộc hình dáng đường cong tín hiệu đo. - Nhược điểm: đặc tính thang đo không đều; độ nhạy thấp do điện trường yếu; độ

chính xác không cao; có thể bị đánh thủng giữa các điện cực gây ngắn mạch vì thế cần có màn bảo vệ. 1.4. Thiết bị chỉ thị số

Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau như: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hình tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng… 1.4.1. Cơ cấu chỉ thị số bằng đèn khí: Thường thấy trong những thiết bị những năm 80. Đèn khí có cấu tạo gồm anốt là một cái lưới còn catốt là các con số từ 0-9 và các dấu +,-,V,A… Khi có điện áp catốt nào thì kí hiệu tương ứng sáng lên.

Nhược điểm của thiết bị hiện số bằng đèn khí là điện áp anốt cao (cỡ 200V) do vậy mà độ tin cậy thấp 1.4.2. Cơ cấu chỉ thị bằng LED 7 thanh: 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 hình 5.21a, 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


20

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…

Hình 5.21b là một ví dụ về việc nối bộ hiển thị LED 7 thanh với bộ giải mã 7 vạch - thường là gải mã từ mã BCD sang mã 7 vạch, các bộ giải mã được chế thành các vi mạch: họ TTL là các vi mạch 7446, 7447; họ CMOS là các vi mạch 4511; các vi mạch 4543SN74247, TIL308…

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


21

Có cấu tạo như hình 5.22. 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 hợp 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.


22

CHƯƠNG 2. ĐO DÒNG ĐIỆN 2.1 Đo dòng điện một chiều Nguyên lý đo: cả ba cơ cấu từ điện, điện từ, điện động nói trên đều hoạt động với dòng DC nên được sử dụng làm chỉ thị của Ampemet DC. Nhưng cần mở rộng thang đo cho thích hợp. 2.1.1 Mở rộng thang đo: Mạch đo phải có sự mở rộng cho từng loại cơ cấu. 1) Mở rộng cho cơ cấu từ điện.

Dòng điện cho phép qua cơ cấu này thường từ 10-1 10-2A với điện trở của cơ cấu từ 20 2000. Vì vậy khi sử dụng cơ cấu này để đo các dòng điện có trị số lớn hơn giới hạn này người ta phải mắc thêm các điện trở Sun Rs song song với điện trở cơ cấu.

(Hình 2.1)

Dòng điện đo: I = Im + IS Im : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị IS : dòng điện qua điện trở Sun Điện trở Sun RS được xác định:

Rs = 0 0 0

0

.1t

I R RI I n

; với n = 0

tII

n : hệ số mở rộng thang đo. It : dòng điện thang đo

I0: dòng điện max của cơ cấu chỉ thị R0 : nội trở của cơ cấu. Trên cơ sở các điện trở shun mắc song song với cơ cấu người ta chế tạo các ampemet nhiều thang đo (hình 2.2):

Hình 2.2 Để Ampemet có độ chính xác không thay đổi ở các thang cần chế tạo Sun có độ

ổn định và độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu chỉ thị ít nhất một cấp. Các điện trở shun được chế tạo bằng manganni và chỉnh định rất chính xác. Do đó điện trở Sun không thay đổi theo nhệt độ, trong khi đó điện trở cơ cấu thay đổi theo nhiệt độ:

R0 = R0o (1 + t) R0 nội trở ở t0C

Documents

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN