Tài liệu Chương 2: Các cơ cấu chỉ thị pptx

Chương 2
8/24/2009 Thành DC 2
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
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
8/24/2009 Thnh DC 3
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
Cơ cấu chỉ thị là dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lợng tỉ lệ với đại
lợng đo liên tục. Chỉ thị cơ điện là cơ cấu chỉ thị có tín hiệu vào là
dòng điện và tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ thị. Đại lợng cần đo
sẽ trực tiếp biến đổi thành góc quay của kim chỉ thị, tức là thực hiện
việc chuyển đổi năng lợng điện từ thành năng lợng cơ học làm quay
kim chỉ thị đi một góc : = f(x), x là đại lợng vào.
Cơ cấu chỉ thị cơ điện bao gồm có hai phần là phần tĩnh và phần quay.
Tuỳ theo phơng pháp biến đổi năng lợng điện từ ngời ta chia thành
cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng và tĩnh điện.
2.1.1 Khỏi nim chung
Cỏc c cu ch th ny thng dựng trong cỏc dng c o cỏc
i lng: dũng in,in ỏp, cụng sut, tn s, gúc pha,
in tr ca mch in mt chiu v xoay chiu tn s

cụng nghip.
8/24/2009 Thnh DC 4
Các chi tiết cơ khí chung của chỉ thị cơ điện
a.Trc v tr
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.
b. B phn phn khỏng
Lò xo phản kháng
Dây căng
Dây treo
Hình 2.1a Một số cơ cấu phản kháng
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
-Lũ xo phn khỏng hoc dõy
cng v dõy treo: to ra mụmen
cn (cú mụmen cn riờng D) v
dn dũng in vo khung dõy.
Dõy cng v dõy treo c s
dng khi cn gim mụmen cn
tng nhy ca c cu ch
th
8/24/2009 Thành DC 5
8/24/2009 Thnh DC 6
c. Kim chỉ thị góc quay

Kim chỉ thị góc quay

đợc gắn với trục quay. Độ di chuyển
của kim trên thang chia độ tỉ lệ với góc quay

. Ngoi ra có thể
chỉ thị góc quay bằng ánh sáng.
d. Thang chia độ
Gơng
Hình 2.1b Thang chia độ
Thang chia độ là mặt khắc độ thang đo, để xác định giá trị đo
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
8/24/2009 Thnh DC 7
e.B phn cn du
Để rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí nhanh
chóng trong cơ cấu chỉ thị. Thông thờng 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 thờng gặp
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
8/24/2009 Thnh DC 8
2.1.2. Cỏc mụmen tỏc ng lờn phn ng c cu
a. Mô men quay
Khi có dòng điện chạy trong cơ cấu chỉ thị, thì trong nó sẽ tích luỹ một
năng lợng điện từ, năng lợng này đợc 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
d

Trong đó: dA: lợng vi phân của công cơ học
M
q
: mô men quay
d

: lợng vi phân của góc quay
Theo định luật bảo toàn năng lợng
dW
e
= dA, dW
e
lợng vi phân của năng lợng điện từ
Vậy:
e
q
dW
M
d

=
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
8/24/2009 Thnh DC 9
b. Mụmen phn
Dới 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 đợc. Vì vậy
ngời ta tạo ra các mô men cản tỷ lệ với góc quay

nhờ các bộ
phận phản kháng là lò xo xoắn, dây căng hoặc dây treo.
Ta có: Mp = D

; D là hệ số phụ thuộc vào kích thớc vật liệu chế
tạo l
ũ xo, dây căng hoặc dây treo.

Khi mô men quay cân bằng với mô men cản thì phần động đứng yên
Mq = Mc = D

c. Mô men ma sát
Đối với các dụng cụ dùng trục quay ta phải xét đến ảnh hởng của lực
ma sát giữa trục và ổ , mô men ma sát đợc tính theo công thức kinh
nghiệm
M
ms
= K. G
n
; K: hệ số tỷ lệ, G: trọng lợng phần động, n = (1.3 ữ 1.5)
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
8/24/2009 Thnh DC 10
d. Mụ men cn du
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 sẽ
dao 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 đợc chế tạo sao cho có trị số tỷ lệ với tốc độ quay
của phần động:
.
cd
d
Mp
dt

=
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

=
nh vậy mô men cản dịu không làm ảnh hởng đến kết quả đo.
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
8/24/2009 Thnh DC 11
2.1.3 Phơng 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 lợng theo thời gian bằng tổng các mô men
quay tác động lên vật quay ấy

=

=







ii
M
dt
d

JM
dt
d
J
dt
d
2
2
J : mô men quán tính phần động
M
i
: Tổng các mô men tác động lên phần động của cơ cấu bao gồm:
2.1.Phng trỡnh cõn bng mụmen phn ng c cu c in
; . ; ;
n
dt
qmscd p
dW
d
M
MKGMp MD
ddt



====
8/24/2009 Thành DC 12
qmsp
MMM
dt

d
p
dt
d
J =++
α
±
α
⇒
2
2
Thay vµo ph−¬ng tr×nh ta cã:
cdmspq
MMMM
dt
d
J ±−−=
α
2
2
Ph−¬ng tr×nh nµy chÝnh lµ ph−¬ng tr×nh
m« men chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu. Gi¶i
ph−¬ng tr×nh nµy ta t×m ®−îc α(t). Tuú
theo quan hÖ gi÷a J, P, D mµ c¬ cÊu dao
®éng hay kh«ng dao ®éng vµ quyÕt ®Þnh
®Õn tÝnh æn ®Þnh vµ thêi gian ®o cña c¬
cÊu.
M
q1
M

M
M
q2
αα
c1
α
c1
0
8/24/2009 Thnh DC 13
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
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
8/24/2009 Thành DC 14
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
có hai lò xo cản 7mắc ngược
nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo
8.

Phần tĩnh:
nam châm vĩnh cửu 1;
mạch từ và cực từ 3
lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín.
Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có
khe hở không khí đều gọi là khe
hở làm việc, ở giữa đặt khung
quay chuyển động.
a. Cấu tạo
2.2. Phương trình chuyển đổi của các cơ cấu chỉ thị cơ điện
8/24/2009 Thnh DC 15
b. Nguyờn lý lm vic
- Khi ta cho dòng điện 1 chiều I chạy vào khung dây, dới tác dụng
của từ trờng 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 chu tác dụng của lực F nhng
ngợc chiều nhau nên sẽ tạo ra mômen quay:
F
I
IWSBIWdlB
d
FM
q

2
2 ===
Trong đó: d: Kích thớc ngang của khung dây.
S = dl là thiết diện bề mặt khung dây.

2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 16
Mômen phản của lò xo: M
P
= D.
Vậy phần động sẽ cân bằng khi:
ISI
D
WSB
DIWSBMM
IPq
.

====
Trong đó
const
D
WSB
S
I
==

S
I
: gọi là độ nhạy của cơ cấu theo dòng điện.
Ta thấy tỷ lệ bậc nhất với I.
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 17
c. c im v ng dng
- Ưu điểm:

+ Dụng cụ có độ nhạy cao và không đổi trong toàn thang đo
+ Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài, tiêu thụ
năng lợng ít.
+ Vì 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.
-Nhợc điểm:
+ Chế tạo khó khăn, giá thành đắt.
+ Do khung dây ở phần động nên phải quấn bằng dây có kích thớc
nhỏ nên khả năng quá tải kém
+ Chỉ đo đợc dòng 1 chiều.
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 18
0sin
1
)(
1
00
===

T
m
T
qqTB
tdt
T
IWSBdttm
T
M

Thật vậy, khi ta cho dòng xoay chiều i = Imsint vào khung dây, ta
có mômen quay tức thời theo thời gian: mq(t) = B.S.W.i
Vậy muốn đo các đại lợng xoay chiều ta phải kết hợp với bộ chỉnh lu.
+ 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. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 19
2.2.1.2 Loại có hai khung dây động (Lôgômét từ điện)
Khung dây 1
Hình 2.5 Lôgômét từ điện
Khung dây 2
I
1
I
2
a. Cu to
- Phần tĩnh giống nh cơ cấu một
khung dây nhng khe hở không
khí giữa cực từ và lõi sắt non là
không đều nhau.
- Phần động ta đặt hai cuộn dây
chéo nhau 60
0
, gắn cứng trên trục
quay và lần lợt cho dòng điện I
1
và I
2
chạy qua sao cho chúng

sinh ra hai mô men quay ngợc
chiều nhau. Phần động không có
lò xo phản
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 20
b. Nguyờn lý lm vic
Khi ta cho các dòng 1 chiều I
1
, I
2
chạy vào các cuộn dây động, dới
tác dụng của từ trờng nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra các mômen
quay M
1
, M
2
với:
M
1
= B
1
.S
1
.W
1
.I
1
M
1
= B

2
.S
2
.W
2
.I
2
1
2
222
111
.).(
.).(
I
I
WSf
WSf
=


2
1
I
f
I


=

Vì khe hở không khí là không đều nên cảm ứng từ B phụ thuộc vị trí
của khung dây động.
B
1
= f
1
() ặ M
1
= f
1
().S
1
.W
1
.I
1
B
2
= f
2
() ặ M
2
= f
2
().S
2
.W
2
.I
2

Phần động sẽ cân bằng khi M
1
= M
2
Ta có : f
1
().S
1
.W
1
.I
1
= f
2
().S
2
.W
2
.I
2
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 21
c. c im - ng dng
Tơng tự nh cơ cấu 1 khung dây ở trên nhng có độ chính xác cao
hơn, công suất tổn thất thấp, độ nhạy rất cao, ít bị ảnh hởng của từ
trờng ngoài. Góc lệch tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện đi qua các
khung dây, điều này thuận lợi khi đo các đại lợng vật lý thụ động
phải cho thêm nguồn ngoài. Nếu nguồn cung cấp thay đổi nhng tỷ
số hai dòng điện vẫn đợc giữ nguyên do vậy mà tránh đợc sai số.
Đợc dùng chế tạo các ôm mét, mê gôm mét.

2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 22
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
2.2.2 Cơ cấu đo điện từ
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thành DC 23
a) Cấu tạo chung:
Phần tĩnh: là cuộn
dây 1 bên trong có
khe hở không khí
(khe hở làm việc).
-
Phần động: là lõi thép 2 được gắn
lên trục quay 5, lõi thép có thể
quay tự do trong khe làm việc của
cuộn dây. Trên trục quay có gắn:
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.
2.2. Phương trình chuyển đổi của các cơ cấu chỉ thị cơ điện
8/24/2009 Thnh DC 24
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 hở
cuộn 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.
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in
8/24/2009 Thnh DC 25
b. Nguyên lý làm việc
Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh, trong lòng cuộn dây sẽ có
một từ trờng, từ trờng này hút lá thép vào trong lòng cuộn dây tĩnh
trong trờng hợp cuộn dây dẹt, còn đối với cuộn dây tròn thì từ trờng
sẽ từ hoá hai lá thép khi đó hai lá thép có cùng cực tính nên đẩy nhau.
Cả hai trờng hợp trên sẽ làm cho phần động quay đi một góc .
Khi cho dòng điện một chiều chạy vo cuộn dây, ta có:
e
q
dW
M
d

=
với W
e

là năng lợng điện từ trờng tích luỹ ở cuộn dây
2
1
2
q
dL
MI
d

=
Do W
e
=(LI
2
)/2 trong đó L phụ thuộc
Vậy mô men quay:
2.2. Phng trỡnh chuyn i ca cỏc c cu ch th c in