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

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 thờng gặp.
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

1


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 X 0. 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
AX =

X
X0

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 lợng đo.
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


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 R =

U
. Ta cần đo
I

điện áp và dòng điện bằng cách đo trực tiếp sau đó tính ra điện trở. Cách đo
gián tiếp thờng mắc phải sai số lớn là tổng các sai số của các phép đo trực
tiếp.
3. Đo hợp bộ
Là cách đo gần giống đo gián tiếp nhng số lợng phép đo theo cách
trực tiếp nhiều hơn và kết quả đo nhận đợc thờng phải thông qua giải một phơng trình (hay hệ phơng trình) mà các thông số đã biết chính là các số liệu
đo đợc.

4. Đo thống kê.
Để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi ngời ta phải sử dụng
cách đo thống kê. Tức là ta phải đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bình.
Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm
tra độ chính chính xác của một dụng cụ đo.
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.

3


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 lợng.
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
4


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,
5


điều kiện đo, sai số, yêu cầu Phơng 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.
6. Kết quả đo
Là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đờng cong tự ghi, ghi
lại quá trình thay đổi của đại lợng đo theo thời gian.
Việc gia công kết quả đo, theo một thuật toán nhất định bằng máy tính
hay bằng tay để đạt kết quả mong muốn.
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:
6


Sai số tuyệt đối:

Là hiệu giữa đại lơng đo X và giá trị thực Xth
X = X - Xth
Sai số tơng đối x:
Đợc tính bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực:
X
X
. 100
.100
x =


X th
X
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.
Sai số chủ quan:
Là sai số gây ra do ngời sử dụng.
Sai số bên ngoài:
Là sai số gây ra do ảnh hởng của điều kiện bên ngoài lên đối tợng đo
cũng nh dụng cụ đo.
c. Theo quy luật xuất hiện của sai số có thể chia thành các loại sai số
sau:

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 lợng đo. Quy luật thay đổi có thể là một
phía, có chu kỳ hay theo một quy luật phức tạp nào đó.

7


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 trờng 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 = + Nếu nh các thành phần 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)
8


N

= i
i =1

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.
=

N

2k
k =1

Trong 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: = 12 + 21 2 + 22
Trong đó hệ số tơng quan.
Nếu nh hai yếu tố ngẫu nhiên đó phụ thuộc nhau hoàn toàn tức là =
1 thì lúc đó: = 1 + 2
Còn khi hai yếu tố ngẫu nhiên đó hoàn toàn độc lập nghĩa là = 0 thì
lúc đó: = 12 + 22
Nếu nh một trong hai thành phần sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn thì thành
phần đó có thể bỏ qua.
Việc cộng các sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống phải thực hiện theo
tổng hình học có tính đến hệ số tơng quan.

2. Cấp chính xác
Độ chính xác của phép đo đợc định nghĩa là một đại lợng nghịch đảo
của mô đun sai số tơng đối:

9


=

X th
1
=
x
x

Sai số của phép đo bằng 10-5 thì độ chính xác bằng 105.
* 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

10


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 lợng cơ học làm quay phần động của góc lệch so với phần tĩnh.
Nh vậy: = 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 M q. 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 của phần động:
Mq =

dWe
d

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 nh sau: Me = D .
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.


dWe
=D.
d

=

1 dWe
.
D
d
11

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 c 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 c. Chiều của mômen ổn định là chiều của mômen có trị số nhỏ hơn.
Mômen ma sát:
Là mômen sinh ra do lực ma sát giữa trục và trụ khi phần động của cơ
cấu chỉ thị đợc gắn lên trục và tì lên trụ đỡ. Mô men ma sát này có chiều ngợc với chiều chuyển động của phần động. Tức là ở vị trí cân bằng phần động
không dừng lại ở c mà là một giá trị 1 nào đó. Tại đây phơng trình cân
bằng mômen là : Mq Me = Mms

12


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 M cd. Mômen cản dịu có
trị số tỷ lệ với độ quay của phần động

d
nên có quan hệ sau:
dt

Pd
dt
Trong đó: P hệ số cản dịu phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bộ phận cản dịu.
M cd =

Từ biểu thức trên cho thấy khi phần động ở vị trí cân bằng tốc độ quay
d
= 0. Mô men cản dịu Mcd = 0, do đó không ảnh hởng đến kết quả chỉ thị
dt
dụng cụ đo.
Mômen động lợng:

Ta đã biết rằng một vật chuyển động có mômen động lợng.
13


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
V=

d
nh sau:
dt

d
.R
dt

Do đó mômen động lợng bằng:
Mđ = mR2

d
d
=J.
dt
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() 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

14


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.

15


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.
4. Kim và chỉ thị bằng ánh sáng
Kim chỉ thị góc quay đợc gắn với trục quay. Độ di chuyển của kim
trên thang chia độ tỷ lệ với góc quay . Kim cần phải nhẹ và bền vững nên
đợc chế tạo bằng nhôm hoặc hợp kim nhôm. Những dụng cụ đo có cấp chính
xác cao, kim còn đợc làm bằng thuỷ tinh nên rất nhẹ. ở đầu và cuối thang đo

16


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 sáng
Trong 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 thì tia sáng sẽ lệch một góc 2. 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
17


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 = 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
18


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 = 900 trên bảng khắc độ hình vuông, hoặc
thang đo với góc = 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:
Cản dịu không khí
Cản dịu cảm ứng từ
a. Cản dịu không khí
Cấu tạo:

Hình vẽ: Cản dịu không khí
19


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 từ
Cấu 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

20


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.

21


Hình vẽ: Cơ cấu chỉ thị từ điện
2. Nguyên lý làm việc
Khi có dòng điện chạy qua, khung dây quay dới tác động của từ trờng
của nam châm vĩnh cửu. Khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc d nào
đó. Mômen quay tạo ra đợc tính theo biểu thức:
Mq =

dWe
d

ở đây năng lợng điện từ We tỷ lệ với độ lớn của từ thông qua khe hở
làm việc và dòng điện I trong khung dây
We = I
Mặt khác từ thông đợc tính = BSW
Trong đó:
B - độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
S Diện tích khung dây
W Số vòng dây của khung
- Góc lệch của khung so với vị trí ban đầu.
Các giá trị B, D, W là các hằng số nên ta có:
Mq =


d(I) d(BSWI)
=
= BSWI
d
d

Ta thấy tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I

3. Đặc điểm của cơ cấu từ điện

22


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

c. Độ nhạy của cơ cấu S =

1
BSW là đại lợng không đổi trong suốt
D

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
1
C = [ A/mm]. Cơ cấu chỉ thị từ điện thờng có độ nhạy cao vì trị số B thờng
S
lớn. Độ nhạy có thể đạt đến 1/10-8 [mm/A].
d. Độ chính xác cao vì các phần tử của các cơ cấu có độ ổn định cao, ảnh
hởng của từ trờng ngoài không đáng kể, công suất tiêu thụ nhỏ nên ảnh hởng
không đáng kể đến chế độ của mạch đo, độ cản dịu tốt, thang đo đều.
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 hởng 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
23


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 từ
Phân 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.
2. Nguyên lý làm việc
Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây, xuất hiện mômen quay, nó đợc xác định theo biểu thức:
Mq =

dWe
d

ở đây năng lợng điện từ We đợc xác định:
We =

L . I2
2

24


L: là điện cảm của cuộn dây
L.I2

dWe d
1
Ta có: Mq =
2

= . I 2 . dL
d =
d
2
d
Khi mômen quay bằng mômen cản ở vị trí cân bằng.
1 2 dL
I
= D
2 d
=

1 dL 2
.I
2D d

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 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

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

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

dL
d

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

25