Chương 15 Đo các đại lượng cơ học di chuyển

Hình 15-2 : Thiết bị đo di chuyển bằng tia laser

15.2 Đo mức nước

Phương pháp đo mức nước đơn giản là dùng các bộ biến đổi tỉ lệ ở dạng dẫn truyền bằng tay gạt hoặc

dây curoa với chuyển đổi biến trở. Cấu tạo của thiết bị đo loại này được mô tả như hình 15-3.



Hình 15-3 : Sơ đồ thiết bị đo mức bằng chuyển đổi biến trở

Phao nổi 1 phản ánh mức nước cần đo được nối với sợi dây 2 gắn vào puli 3. Khi puli quay, trục 4 gắn

với con trượt 5 quay theo và trượt trên biến trở 6. Đầu dây ra của biến trở được mắc vào mạch đo. Để giữ

cho dây treo phao luôn được căng người ta gắn thêm vào lò xo xoắn 7 và cơ cấu cam 8 để puli chỉ có thể

quay được 1 vòng. Thiết bị này có thể đo mức từ vài chục centimet đến vài met với sai số cơ bản là ±0,5%

trong giới hạn thang đo.

Ngoài thiết bị trên, thiêt bị đo mức dùng chuyển đổi điện dung cũng được sử dụng rộng rãi như hình

15-4. Phương pháp điện dung có ưu điểm là đạt độ tuyến tính trong khoảng đo lớn từ 0 ÷ 5m. Thiết bị này

thường đo mức nước của chất lỏng dễ bay hơi hoặc dễ nổ, dễ ăn mòn.

Trong thiết bị, chuyển đổi điện dung 1 là thanh kim loại thẳng phủ lớp chống ăn mòn hóa học đặt giữa

thùng kim loại đựng chất lỏng 2. Khi thùng rỗng điện dung của thùng là 8pF. Lúc đầy chất lỏng, điện dung

của thùng lên đến 30pF. Chuyển đổi điện dung được mắc vào nhánh cầu không cân bằng (MC), nhánh thứ

2 gồm tụ điện C1 có điện dung 8pF và tụ khác mắc song song có điện dung 22pF nối với khóa K. Hai

nhánh khác của mạch cầu là cuộn thứ cấp của máy biến áp BA. Cầu được cung cấp bằng một máy phát

điện áp cao tần MF. Điện áp ra của cầu được chỉnh lưu qua bộ chỉnh lưu CL. Điều chỉnh cho kim chỉ thị

đạt cực đại bằng đóng khóa K và điều chỉnh biến trở R.

204



Hình 15-4 : Sơ đồ thiết bị đo mức dùng chuyển đổi điện dung.

Thiết bị có thể đo mực nước ở to là 100oC và áp suất bình từ 0 ÷ 106N/m2. Sai số của thiết bị là ±2,5%

15.3 Đo vận tốc và lưu tốc

15.3.1 Đo vận tốc bằng máy phát tốc độ

Là tốc độ kế sử dụng khá phổ biến, gồm 2 loại máy phát 1 chiều và máy phát xoay chiều.

Máy phát tốc độ một chiều có có trục quay được nối với trục quay của đối tượng cần đo. Khi đối

tượng đo quay, máy phát quay tạo ra sức điện động tỉ lệ với tốc độ quay. Đo sức điện động bằng các dụng

cụ đo điện áp để suy ra tốc độ.

Trong máy phát tốc độ xoay chiều, quan hệ giữa sức điện động và tốc độ quay cũng như máy phát 1

chiều, nhưng điện áp ra là điện áp xoay chiều có tần số tỉ lệ với tốc độ quay.

a.n

f =

60

Các chỉ thị kèm theo máy phát tốc độ xoay chiều thường là tần số kế vì đo tần số cho sai số nhỏ hơn và

không phụ thuộc vào cấu tạo của máy phát, chỉ phụ thuộc vào cách bố trí số lượng cực.

Ngoài các máy phát tốc, ngày nay đo tốc độ quay bằng phương pháp biến tốc độ quay thành tần số

được sử dụng khá rộng rãi.

Hình 15-5 là sơ đồ thiết bị đo tốc độ quay biến tốc độ quay thành tần số.



Hình 15-5 : Sơ đồ thiết bị đo tốc độ quay

Trong đó bộ biến đổi tốc độ - tần số bao gồm bánh răng 1 và cuộn dây cảm ứng không tiếp xúc 2. Đó

là các phần tử nhạy, bánh răng thường có số lượng răng p = 1, 6, 60, 180, 200, 250 và 600 để có tần số

xung nhỏ nhất là 10Hz. Khi bánh răng quay, phần tử nhạy tạo thành các xung. Tần số lớn nhất có thể nhận

được khi đo :

fmax = p.nmax.60 Hz

Trong đó : số răng không nhỏ hơn P = 600/nmin (n)

nmin – tốc độ quay nhỏ nhất

nmax – tốc độ quay lớn nhất



205



Xung tần số từ phần tử nhạy được đưa qua bộ khuếch đại vào thiết bị tính để hiện thị ra cơ cấu chỉ thị

thường là dụng cụ số.

Ngoài các thiết bị trên, để đo tốc độ chuyển động của ôtô có thể thực hiện theo sơ đồ hình 15-6, sử

dụng hiện tượng cảm ứng điện từ.



Hình 15-6 : Sơ đồ thiết bị đo tốc độ chuyển động

Chuyển đổi bao gồm nam châm vĩnh cửu 1 được nối với trục quay động cơ qua bộ dẫn động bằng dây

mềm. Trước nam châm là đĩa nhôm 2 có trục gắn với kim chỉ thị tốc độ 4 và lò xo cản 3. Khi nam châm

quay tạo ra từ trường quay, từ trường này cảm ứng lên đĩa nhôm dòng cảm ứng đồng thời tác động lên

dòng điện ấy một lực tạo ra momen quay lên đĩa. Tùy theo tốc độ quay của động cơ, đĩa nhôm bị quay

theo, kim chỉ cho ta biết được tốc độ đó.

15.3.2 Lưu tốc kế cánh quạt

Dùng đo tốc độ dòng chảy qua một ống dẫn, thường là công tơ nước hoặc đo tốc độ tàu biển.

Cấu tạo lưu tốc kế loại này cho như hình 15-7.



Hình 15-7 : Cấu tạo lưu tốc kế cánh quạt

Thiết bị gồm có cánh quạt 1, giống cánh tuabin, quay trên giá đỡ 2, được gắn vào thanh đỡ 3 trong ống

dẫn. Ổ đỡ 4 có tác dụng hạn chế di chuyển của cánh quạt. Trục cánh quạt được làm bằng vật liệu không

dẫn từ, trong đó gắn lõi thép 5 làm bằng vật liệu từ mềm.

Bên ngoài ống đặt nam châm vĩnh cửu 6 có quấn cuộn dây cảm ứng 7. Khi cánh quạt quay, từ thông

của nam châm tăng lên khi lõi thép 5 nằm dọc trục và từ thông giảm khi lõi thép nằm vuông góc trục.

Khi từ thông móc vòng trong cuộn dây cảm ứng thay đổi sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng.

Mỗi vòng quay từ thông tăng giảm 2 lần nên tần số cảm ứng trong cuộn dây cũng tăng gấp 2 lần số vòng

của trục. Đo tần số được thực hiện bằng tần số kế, từ đó tính được tốc độ của dòng chảy.

15.3.3 Lưu tốc kế kiểu cảm ứng

Dùng đo tốc độ dòng chảy dẫn điện. Cấu tạo của lưu tốc kế loại này được cho trên hình 15-8.

206



Hình 15-8 : Cấu tạo lưu tốc kế cảm ứng

Ống 1 được chế tạo bằng vật liệu không dẫn từ, cho chất lỏng dẫn điện chảy qua. Từ trường biến thiên

do nam châm 2 tạo ra xuyên qua dòng chất lỏng gây ra sức điện động cảm ứng. Sức điện động này được

lấy ra trên 2 điện cực 3 và 4, rồi đưa vào thiết bị đo. Độ lớn của sức điện động được tính

E = k.ω.B.D.v

Trong đó : k – hệ số

ω – tần số góc của từ thông do nam châm tạo ra

B – độ cảm ứng từ

D – đường kính ống dẫn

v – vận tốc trung bình của chất lỏng theo tiết diện ống.

Lưu tốc loại này không có quán tính, do vậy có thể đo lưu lượng chất lỏng thay đổi theo thời gian. Chỉ

thị của dụng cụ không phụ thuộc vào thông số vật lí của chất lỏng và cũng không phụ thuộc vào sức cản

phụ đối với dòng chất lỏng, nên khắc phục nhược điểm của lưu tốc cánh quạt.

15.3.4 Lưu tốc kế khí

Thường được sử dụng là lưu tốc kế nhiệt điện trở. Sơ đồ thiết bị đo lưu tốc của chất khí được cho trên

hình 15-9.



Chuyển đổi là một phần của ống dẫn khí, trên quấn cuộn dây đốt nóng 1, 2 phía của cuộn đốt nóng là 2

nhiệt điện trở 2 và 3 quấn bằng dây đồng, được mắc vào 2 nhánh của mạch cầu cân bằng cung cấp từ

nguồn điện áp xoay chiều. Mạch cầu cân bằng khi nhiệt độ của 2 nhánh cầu có cùng nhiệt độ t0.

207



Chất khí cần đo lưu lượng được cho qua vùng đốt nóng 1 làm cho nhiệt độ chất khí tăng lên t 0 + Δt và

nhiệt độ của nhiệt điện trở 3 cũng tăng theo. Cầu mất cân bằng, điện áp ra của mạch cầu (ΔU) được đưa

vào bộ điều chế (ĐC) làm thay đổi dòng đốt 1. Đo công suất ra trên bộ điều chế cho ta lưu lượng chất khí

trong 1s. Nếu dùng công tơ mét để đo, thì số chỉ công tơ cho biết lưu lượng của chất khí trong thời gian

đo. Lưu tốc kế loại này có thể đo được với dải đo rộng, sai số không quá 1 ÷ 2%.

15.4 Đo gia tốc

Cấu trúc chung của dụng cụ đo gia tốc gồm một khối quán tính gắn với 1 hệ lò xo. Do quán tính lớn

nên giữa khối quán tính và đế của dụng cụ có sự di chuyển tương đối với nhau khi có rung. Đo độ di

chuyển có thể suy ra biên độ rung hay gia tốc. Các chuyển đổi dùng trong dụng cụ đo gia tốc hay độ rung

là các chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, v.v... Yêu cầu đặt ra là chọn hệ quán tính và

chuyển đổi phù hợp để khi đo không gây ra các sai số phụ về tần số.

15.4.1 Các phương pháp đo gia tốc

Đo gia tốc không thay đổi có thể sử dụng gia tốc kế kiểu con lắc và lò xo, như hình 15-10.



Hình 15-10 : Sơ đồ gia tốc kế kiểu con lắc

Dưới tác dụng của gia tốc, con lắc chiều dài l và khối quán tính m bị lệch một góc φ và bản cực nằm

giữa của chuyển đổi điện dung mắc vi sai bị di chuyển một khoảng Δ. Điện áp ra của mạch cầu (gồm 2

nửa cuộn dây thứ cấp biến áp và chuyển đổi điện dung) tỉ lệ với gia tốc cần đo.

Gia tốc kế loại này thường dùng đo gia tốc nhỏ hơn 0,1.g , vì với góc lệch φ quá lớn sẽ gây sai số do

phi tuyến.

Ngoài ra còn có loại gia tốc kế kiểu lò xo dùng chuyển đổi biến trở như hình 15-11.



Hình 15-11 : Sơ đồ gia tốc kế kiểu biến trở



208



Khối quán tính m được gắn vào một lò xo đàn hồi C. Khi có gia tốc theo hướng thẳng đứng, dưới tác

dụng của lực quán tính F = m.x” , con trượt D gắn với khối quán tính di chuyển trên biến trở R. Điện áp ra

tỉ lệ với gia tốc cần đo.Giới hạn đo của thiết bị phụ thuộc vào khối quán tính, lò xo, nó có thể đo được gia

tốc từ 0,1 ÷ 150.g. Thiết bị này thường ứng dụng trên máy bay để đo gia tốc trong cabin với các chế độ

bay khác nhau.

Sai số của 2 loại gia tốc kế trên từ 1 ÷ 5%

15.4.2 Đo gia tốc bằng phương pháp biến thành tần số

Phương pháp này đo được các gia tốc nhỏ và đo tốc độ trực tiếp nhờ các khâu tích phân. Ưu điểm của

phương pháp này dễ dàng phát hiện được sự thay đổi tần số nhờ sự so sánh giữa tần số đo và mẫu, do đó

cho phép đo được sự thay đổi gia tốc với sai số khoảng 1 ÷ 2.10-6 gia tốc đó.

Trong hệ thống giao thông đường thủy thường sử dụng gia tốc kế kiểu rung. Tín hiệu ra của chuyển

đổi có dạng xung liên tục, tần số của nó tỉ lệ với gia tốc. Sau đó, bằng cách đếm số xung bằng các thiết bị

điện tử hoặc vi tính để suy ra tần số. Những dụng cụ này có khả năng đo được gia tốc với dải tần rộng từ

vài chục đến vài trăm Hz.

Ví dụ về phương pháp này được minh họa trong sơ đồ nguyên lí của gia tốc kế kiểu rung dùng đo gia

tốc của đường đạn tên lửa được cho trên hình 15-14.



Hình 15-12 : Sơ đồ gia tốc kế rung

Chuyển đổi gồm khối quán tính M gắn trên 2 thanh rung kéo căng 2. Đầu kia của thanh rung gắn với

vỏ 3. Hai thanh rung được đặt nằm trong khe hở từ trường của 2 nam châm NS. Hai đầu của thanh rung

được nối với máy phát rung. Dưới tác dụng của gia tốc, một thanh rung có tần số tăng lên, còn thanh kia

tần số giảm đi. Đại lượng ra là hiệu tần số của 2 thanh rung. Thiết bị đo là các bộ đếm xung. Sai số của

dụng cụ cỡ 0,01%.

15.5



Đo vị trí



209



Chương 16



Đo các đại lượng lực cơ học



16.1 Khái niệm chung

Các đại lượng lực cơ học gồm có đo lực, ứng suất, áp suất và momen có phạm vi đo rất rộng, từ phép

đo tĩnh mà lực tác động là những đại lượng không đổi đến những xung lực tác dụng với tốc độ rất cao.

Thực tế có lúc cần đo lực có trị số từ 10 6 ÷ 108N, nhưng cũng có khi cần đo lực rất nhỏ 10 -5 ÷ 10-12N.

Không có thiết bị nào có thể đo được lực trong toàn bộ dải đo từ 10 -12 ÷ 108N, nên người ta chia lực thành

nhiều dải đo, mỗi dải đo có thể sử dụng các phương pháp và thiết bị khác nhau.

Đo lực, ứng suất và áp suất có thể dùng các chuyển đổi khác nhau với các phương pháp khác nhau,

thông thường có 2 phương pháp đo :

Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với lực,

ứng suất, áp suất cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu điện, các thông số mạch điện. Mạch đo

và chỉ thị cho ra kết quả thông qua hệ dẫn truyền trung gian.

Phương pháp đo gián tiếp , trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền biến lực, ứng suất,

áp suất thành di chuyển. Các chuyển đổi đo các lượng di chuyển từ đó suy ra đại lượng cần đo.

Hai phương pháp trên được sử dụng rộng rãi, tùy thuộc yêu cầu và nhiệm vụ thực hiện chúng.

Đo lực, ứng suất và áp suất phần lớn có thể đưa về phép đo Δl hoặc Δl/l vì

∆l σ

=

l

E

l – chiều dài đối tượng đo

Δl – độ biến thiên theo chiều dài

σ – ứng suất cơ học của vật liệu

E – modun đàn hồi

Mạch đo thường là mạch cầu kết hợp với các tầng khuếch đại và chỉnh lưu Chỉ thị là các dụng cụ chỉ

thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số.

16.2 Đo lực

16.2.1 Đo lực bằng lực kế

Khi đo lực bằng các chuyển đổi trực tiếp thường dùng các phần tử điện áp và áp từ. Giới hạn đo của

các dụng cụ này phụ thuộc vào diện tích tác dụng các chuyển đổi.

Ví dụ : ứng suất cho phép trong vật liệu áp từ σ không vượt quá σcp = 40N/mm2 .

Lực kế sử dụng phương pháp đo lực bằng cách biến lực thành di chuyển và đo di chuyển để xác định

lực, thông qua các chuyển đổi biến trở, điện cảm, điện dung, điện trở lực căng v.v.. Giới hạn đo của các

loại lực kế phụ thuộc vào cấu trúc của phần tử dẫn truyền, và cách lắp ghép chúng.

Ví dụ về lực kế dùng chuyển đổi biến trở, có sơ đồ như hình 16-1.



Hình 16-1 : Sơ đồ lực kế dùng chuyển đổi biến trở

210



Lực cần đo F tác động lên hai tấm thép 1 và 2, hai tấm này gắn liền với 2 khối 3 và 4. Dưới tác dụng

của lực đo, bản mỏng 5 bị biến dạng và khối 3, 4 di chuyển tương đối với nhau. Trong quá trình di

chuyển, khối 3 gắn cần 6 đẩy tay gạt 7 làm con trượt di chuyển trên biến trở dây 8. Để tay gạt có thể trở lại

vị trí ban đầu khi không có lực tác dụng, tay gạt được gắn lò xo đàn hồi 9.

Biến trở có 170 vòng, điện trở 500Ω, giới hạn đo khoảng 3kN. Sai số của dụng cụ là ±3%.

Ưu điểm của lực kế này là đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao, không cần khuếch đại tín

hiệu ra. Nhược điểm của dụng cụ là không đo được biến thiên nhanh do tay gạt 7 dưới tác dụng của lò xo

9 chỉ thực hiện được với tần số không quá 10 ÷ 20Hz.

Để đo lực tác động nhanh, có thể dùng lực kế kiểu tenzo, điện cảm, điện dung, điện áp, áp từ.

Sơ đồ lực kế tenzo được cho trên hình 16-2.

Phần tử đàn hồi 1 là một thanh thép đặc được dán điện trở tenzo 2. Điện trở tenzo được nối thành

nhánh của mạch cầu không cân bằng. Khi có lực tác động, phần tử đàn hồi 1 bị biến dạng làm cho các

điện trở tenzo biến dạng theo

Với các lực biến thiên chậm, cầu được cung cấp bằng nguồn điện áp tần số 50Hz, chỉ thị là các thiết bị

tự ghi. Khi lực tác động nhanh, chỉ thị là các dao động kí.

Sơ đồ lực kế kiểu áp từ cho trên hình 16-3.

Chuyển đổi áp từ 1 (CĐ1) là chuyển đổi làm việc, chịu lực tác động F, còn chuyển đổi áp từ 2 (CĐ2)

là chuyển đổi phụ không chịu tác dụng của lực, dùng để bù điện cảm ban đầu, bù các yếu tố ảnh hưởng từ

bên ngoài như nhiệt độ, tần số nguồn cung cấp thay đổi. Hai chuyển đổi được mắc với 2 điện trở thành

mạch cầu. Điện áp ra của mạch cầu được đo bằng milivonmet hoặc các chỉ thị đo điện áp.

Ưu điểm của loại dụng cụ đo này là đo được lực tác động lớn, thuận tiện khi đo ở hiện trường, độ làm

việc tin cậy, chắc chắn. Nhược điểm là có độ trễ, độ chính xác không cao.

16.2.2 Đo lực bằng phương pháp bù

Phương pháp đo này có thể nâng cao độ chính xác phép đo. Sơ đồ lực kế kiểu bù cho trên hình 16-4.



Hình 16-4 : Sơ đồ lực kế kiểu bù

Hoạt động : Lực cần đo P tác động vào thanh dẫn động 1 truyền đến cánh tay đòn 2. Đầu bên phải của

cánh tay đòn 2 nối với phần ứng của chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu vi sai. Dưới tác động của lực P phần

ứng này di chuyển làm xuất hiện điện áp ở đầu ra của biến áp. Điện áp này qua bộ khuếch đại (KĐ) để

khuếch đại tín hiệu, rồi qua bộ chỉnh lưu pha (CLP). Dòng điện sau chỉnh lưu được chuyển đến cuộn dây 4

của chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng 5 ở đầu cánh tay đòn bên trái. Dòng điện qua cuộn dây 4 tạo ra lực

đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực cần đo P.

Mối quan hệ giữa lực P và dòng Ir thông qua lực đẩy F

F = kr.Ir = k.P ==> P = kr/k . Ir

211