Chương 2
CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ
2.1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện
2.1.1. Cơ sở chung
Dụng cụ đo tương tự (analog) là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại
lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người
ta thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín
hiệu ra là góc quay α của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi
trên giấy (dụng cụ tự ghi) tức là thực hiện việc biến năng lượng điện từ thành
năng lượng cơ học. Như vậy α = F(x), x là đại lượng điện.
a) 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
trường lên phần động của cơ cấu mà sinh ra một momen quay M
q
. Độ lớn của
mômen này tỉ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu chỉ thị (ứng với
dòng I
1
ta có M
q1
, với dòng I
2
ta có M
q2
...) (h.2.1). Mômen quay M
q
đối với tất
cả các loại cơ cấu chính là tốc độ thay đổi của năng lượng điện từ trường W
e
so với góc lệch α của phần động:
M

c
, với (2.1) và (2.2)
Ta được:
α
d
dW
e
= Dα
Suy ra: α =
α
d
dW
.
D
e
1

(2.3)
Đây là phương trình đặc tính thang đo. Vị trí cân bằng α
c
có thể xác
định bằng đồ thị như (hình 2.1).
Ngoài hai mômen cơ bản ở trên trong thực tế phần động của cơ cấu chỉ
thị còn chịu tác động của nhiều mômen khác nữa đó là các mômen ổn định,
18
M
0
M
q2
M

.
dt
d
α
(2.4)
Trong đó: K
cd
– hệ số cản dịu, phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bộ
phận cản dịu.
Từ biểu thức trên cho thấy khi phần động ở vị trí cân bằng tốc độ quay,
dt
d
α
= 0. Mômen cản dịu M
cd
= 0, do đó không ảnh hưởng đến kết quả chỉ thị
của dụng cụ đo.
Tùy thuộc vào phương trình đặc tính thang đo (2.3) mà thang đo có thể
là tuyến tính hoặc phi tuyến.
b) Cấu tạo các bộ phận chung
Đối với phần lớn các cơ cấu chỉ thị cơ điện, tuy về nguyên lý có khác
nhau nhưng vẫn có thể chỉ ra các chi tiết và bộ phận chung cho tất cả các loại
cơ cấu. Sau đây ta xét từng chi tiết cụ thể.
- Trục và trụ: Là bộ phận quan trọng bảo đảm cho phần động quay.
- Trục làm bằng thép cứng như thép pha osimi hay iridi, hình trụ tròn,
đầu trục có hình chóp với góc đỉnh γ = 45 ÷ 60
o
(hình 2.2a,b).
Trụ đỡ làm bằng đá
cứng (agat hay cacbua

mảnh độ nhạy càng cao. Để
tăng độ nhạy, người ta sử
dụng dây treo để treo phần
động ở phía trên còn phía
dưới là một dây xoắn không
mômen (h.2.4b).
- Kim và chỉ thị bằng ánh sáng:
Kim chỉ thị góc quay α được gắn với trục quay. Kim thường chế tạo bằng
nhôm hoặc hợp kim nhôm để giảm trọng lượng (h 2.5).
Để tăng độ nhạy và độ chính
xác, kim chỉ thị được thay bằng chỉ
thị ánh sáng.
Hệ thống chỉ thị ánh sáng
gồm một gương quay gắn trên phần
động, một hệ thống chiếu sáng và
màn ảnh (h.2.6).
Cấu tạo gồm đèn chiếu sáng
1, hệ thống gương 2, vòng chuẩn 3,
gương quay 4, màn ảnh có khắc độ
5, gương 6. Khi gương 4 quay một
góc α thì tia sáng sẽ lệch một góc
2α. 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 gương làm tăng thêm độ nhạy
và độ chính xác của dụng cụ đo.
- Thang đo: Là mặt khắc độ.
Có nhiều loại thang đo khác
nhau (h.2.7) tùy thuộc vào cấp chính

vĩnh cửu tạo nên dòng cảm ứng trong lá nhôm. Do sự tác động tương hỗ giữa
21
Hình 2.8. Cản dịu
Kiểu không khí. b) Kiểu cảm ứng. từ
dòng điện và từ trường của nam châm tạo ra lực chống lại sự chuyển động của
phần động (h.2.8b).
2.1.2. Cơ cấu chỉ thị từ điện
a) Cấu tạo
Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm hai phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động
(h.2.9).
Phần tĩnh của cơ cấu chỉ
thị từ điện gồm có: nam châm
vĩnh cửu 1, mạch từ 5 và cực từ
3, lõi sắt hình trụ 4 hình thành
mạch từ kín.
Giữa cực từ 3 và lõi 4 có
khe hở đều, gọi là khe hở làm
việc, trong đó có khung quay
chuyển động. Đường sức qua khe
hở làm việc hướng tâm tại mọi
điểm.
Phần động gồm có khung quay 2. Đó là khung dây gồm cuộn dây đồng
cỡ 0,03 ÷ 0, 2mm quấn trên lõi nhôm nhẹ. Khung quay được gắn vào trục
quay 8. Trên trục quay còn có hai lò xo cản 9 mắc ngược nhau nhằm tạo ra
mômen cản đồng thời dùng làm dây dẫn điện vào khung dây, kim chỉ thị 7,
đối trọng 6 và thang đo 10.
b) Nguyên lý làm việc
Khi có dòng điện chạy qua khung dây, dưới tác động của từ trường
của nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí ban đầu một góc dα nào
đấy. Mômen quay tạo ra được tính theo biểu thức (2.1):

)
d
d
(I=
d
)I(d
α
Ψ
α
Ψ
= BSWI
Khi cân bằng thì mômen quay bằng mômen cản (2.2)
22
Hình 2.9. Cơ cấu chỉ thị từ điện
M
q
= M
c
BSWI = Dα
Từ đó ta có: α =
BSWI
D
1
(2.8)
Trong biểu thức (2-8): B, S, W, D là những hằng số cho nên góc lệch α
tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I.
c) Đặc tính của cơ cấu từ điện.
- Góc lệch α tỉ lệ thuận với dòng điện I cho nên cơ cấu chỉ thị từ điện
chỉ sử dụng trong mạch một chiều.
- Góc lệch α tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I nên đặc tính của thang đo

e) Cơ cấu chỉ thị lôgômét từ điện
Lôgômét từ điện là loại cơ cấu chỉ thị đo tỉ số hai dòng điện, dựa trên
cơ sở của chỉ thị từ điện, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay vào đó là
khung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khung
dây thứ nhất (h.2-10).
Trong khe hở của từ trường nam châm vĩnh cửu đặt phần động gồm hai
khung quay đặt lệch nhau một góc δ (30
o
÷90
o
). Cả hai đều được gắn vào trục
chung. Dòng I
1
và I
2
được đưa vào các khung dây nhờ các dây dẫn không
mômen. Dòng I
1
sinh ra mômen quay M
q
, còn dòng I
2
sinh ra momen cản M
c
.
23
I
1
I
2




α
Ψ
d
d
2
ψ
1
, ψ
2
là từ thông của
nam châm móc vòng qua
các khung dây. Dấu của M
q
và M
c
ngược nhau. ở trạng
thái cân bằng thì M
q
= M
c
,
ta có:






d
=
I
I
α
α
α
α
Ψ
α
Ψ
1
2
1
2
2
1

Ở đây f
1
(α), f
2
(α)là các đại lượng xác định tốc độ thay đổi của từ thông
móc vòng..
Do đó có thể viết: α = F






a) Kiểu cánh tỏa tia, b) Kiểu cánh đồng tâm
Cuộn dây tròn 1, bên trong bố trí các tấm kim loại: Tấm tĩnh 2, tấm
động 3 gắn với trục quay. Ngoài ra còn có kim chỉ thị, thang đo và lò xo 4.
Sự xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ từ hóa các tấm tĩnh
và động. Tấm tĩnh và tấm động đẩy nhau do cùng cực tính làm phần động
quay (h.2.12).
b) Nguyên lý làm việc
Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây sẽ làm xuất hiện mômen quay
xác định theo biểu thức:
M
q
=
α
d
dW
e
Ở đây năng lượng điện từ W
e
được xác định:
W
e
=
2
2
LI
(2.10)
Trong đó: L – Điện cảm của cuộn dây
Thay (2.10) vào biểu thức mômen quay ta có:
M
q

α
D=
d
dL
I
2
2
1
=> α =
2
2
1
I
d
dL
D
α
(2.12)
Từ biểu thức 2.12 ta suy ra các đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ.
c) Đặc tính.
- Góc quay α tỉ lệ với bình phương của dòng điện, từc là không phụ
thuộc vào chiều của dòng điện, do vậy mà cơ cấu có thể sử dụng để đo trong
mạch một chiều và trong mạch xoay chiều.
- Do đặc tính bậc hai nên thang đo không đều. Để thang đo đều hơn
người ta cần phải tính toán mạch từ kích thước, hình dáng lõi động, vị trí đặt
của cuộn dây cho phù hợp.
25
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, chịu được quá tải, có thể
đo được vừa xoay chiều, vừa một chiều.
- Khuyết điểm: Công suất tiêu thụ tương đối lớn, độ chính xác không

1
2
1
I
d
dL
=I
d
dL
αα
Từ đó ta có :
)(f
d
dL
d
dL
I
I
1
2
2
2
1
α=
α
α
=




(2.13)
- Góc lệch α tỉ lệ với tỉ số
bình phương của hai dòng điện.
Lôgômét điện từ được sử dụng để đo các đại lượng như điện trở, điện
cảm, điện dung, đo tần số, góc pha và các đại lượng không điện...
2.1.4. Cơ cấu chỉ thị điện động
a) Cấu tạo.
H. 2.14 vẽ sơ đồ
nguyên lý cấu tạo của một cơ
cấu chỉ thị điện động.
26
Hình 2.13. Cơ cấu lôgômét điện từ
Hình 2.14. Cơ cấu chỉ thị điện động
Phần tĩnh gồm cuộn
dây 1 được chia làm hai phần
nối tiếp nhau để tạo ra từ
trường khi có dòng điện chạy
qua. Trục quay chui qua khe
hở giữa hai phần cuộn dây
tĩnh.
Phần động gồm một
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.
Hình dạng của cuộn dây tĩnh và khung dây động có thể tròn hoặc
vuông. Loại tròn dễ chế tạo, loại vuông lại thích hợp khi cần giảm thấp chiều
cao của cơ cấu đo.
b) Nguyên lý làm việc.

2
1
IL
2
1
++
(2.14)
Với L
1
, L
2
– điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động.
M
12
– Hỗ cảm giữa các cuộn dây tĩnh và động.
L
1
, L
2
– không đổi khi khung dây quay, nên:
M
q
=
21
12
II
d
dM
=
d

=
21
12
ii
d
dM
α
(2.17)
27