Lecture2_Indicator_And_Display Device

10/28/2024
VIETNAM GENERAL CONFEDERATION OF LABOUR
TON DUC THANG UNIVERSITY
FALCULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING
DEPARTMENT OF AUTOMATION & CONTROL ENGINEERING 403033
Measurements and Analytical Software Lecture 2
Indicators and Display Devices
(Thi ết bị Chỉ Thị và Hi ển Thị ) D r. V o Ta n P h u o c Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 1 1
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Objectives / Mục Tiêu Chương
• Understand structure of basic meter movements
(Trình bày cấu tạo cơ cấu đo cơ bản)
• Explain the working principle of movements
(Giải thích nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo)
• Determine the relationship between the input and output of movements
(Xác định mối quan hệ của dại lượng đầu vào/đầu ra)
• Apply basic movement in design practical instruments
(Ứng dụng của các cơ cấu đo trong các thiết bị đo lường) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 2 2 1 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị Content/Nội Dung • 1.1 Introduction (Giới Thiệu)
• 1.2 Permanent Magnetic Moving Coil Movement (PMMC Movement)
(Cơ cấu đo Từ - Điện)
• 1.3 Electrodynamometer
(Cơ Cấu Đo Điện Động) • 1.4 Moving Iron
(Cơ Cấu Đo Điện – Từ) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 3 3
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement
Figure 1 – a) D’Arsonval Galvanometer b) PMMC Movement c) Symbol PMMC Mechanism
• Based on d’Arsonval movement – d’Arsonval Galvanometer
➢ an N turns current-carrying loop wire wounded on a soft iron core
➢ in a constant magnetic field created by U-shaped permanent magnet
➢ Pointer is attached to the spindle which moves over a graduated scales
➢ Springs are used to provide controlled/balancing torque Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 4 4 2 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement
Hình 2 – a) PMMC Movement b) Symbol c) Milliammeter using PMMC Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 5 5
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC)
Hình 1 – a) Cơ cấu D’arsonval
b) Cơ cấu Từ - Điện c) Ký hiệu Cơ cấu đo từ điện
• Dựa trên cơ cấu D’arsonval– Cơ cấu phát hiện điện tích D’Arsonval
➢ Khung dây dẫn điện N vòng quấn trên lõi sắt từ
➢ Trong 1 từ trường không đổi của một nam châm vĩnh cữu dạng chữ U
➢ Kim chỉ thị được gắn trên trục quay và di chuyển trên thang đo có khắc vạch
➢ Lò xo được dùng để cân bằng moment xoắn sinh ra khi khung có dòng chay qua Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 6 6 3 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC)
Hình 2 – a) Cơ cấu Từ - Điện b) Ký hiệu
c) Milli-ampe kế dùng cơ cấu từ điện Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 7 7
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Working principle
• Based on fundamental principle of DC
motor, says d’Arsonval principle
• 4 magnetic forces on 4 different 𝜽
segments of the loop wire
➢ generated by the current running in the Ԧ𝐼 Torque by s 𝐵 pring
loop wire under constant magnetic field
➢ 2 forces are canceled out, others create
Torque by magnetic force
moment that causes the loop wire rotates Ԧ 𝐹
➢ A spring uses to create a counter moment
that balances the spindle at the location Ԧ𝐼 of deflection angle Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 8 8 4 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Nguyên lý hoạt động
• Dựa trên nguyên lý hoạt động của động
cơ DC, nguyên lý d’Arsonval
• 4 lực từ trên 4 đoạn của 1 vòng dây kín 𝜽
➢ Sinh ra bởi dòng điện chạy trong vòng
dây kín đặt trong một từ trường không Ԧ𝐼 Torque by s 𝐵 pring đổi. Trong đó:
➢ 2 lực từ triệt tiêu nhau, 2 lực từ còn lại
Torque by magnetic force
sinh ra moment xoắn làm cho vòng dây Ԧ 𝐹 quay
➢ Một lò xo được thiết kế tạo ra moment Ԧ𝐼
xoắn ngược để cân bằng với momemt Se xop 20
ắn24của vòng dây tại vị trí góc chỉ thị.
403033 _ Measurements and Analytical Software 9 9
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Working principle
 = B A I  N = K I d d  : d torque [N.m] 𝜽 B: flux density [Wb/m2] A: effective coil area [m2] Ԧ𝐼 Torque by s N: number of turns [-] 𝐵 pring
I: average current in the coil [A]
Torque by magnetic force  = K  Ԧ c c 𝐹
Kc: Spring constant [N.m/degree] q: deflection angle [degree] Ԧ𝐼 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 10 10 5 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Nguyên lý hoạt động
 = B A I  N = K I d d  :
d moment xoắn vòng dây [N.m] 𝜽
B: mật độ từ thông [Wb/m2]
A: tiết diện vòng dây [m2] Ԧ𝐼 Torque by s N: số vòng dây [-] 𝐵 pring
I: dòng trung bình trên dây [A]
Torque by magnetic force  = K  Ԧ c c 𝐹
Kc: hệ số lò xo [N.m/degree] q: góc nghiên [degree] Ԧ𝐼 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 11 11
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Working principle
 = B A I  N = K I d d  = K  c c 𝜽 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 Ԧ𝐼 Torque by s 𝐵 pring 𝐾 ⇒ 𝜃 = 𝑑 𝐼
Torque by magnetic force 𝐾𝑐 Ԧ 𝐹
The deflection angle of the
pointer is proportional to the measured current Ԧ𝐼 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 12 12 6 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Nguyên lý hoạt động
 = B A I  N = K I d d  = K  c c 𝜽 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 Ԧ𝐼 Torque by s 𝐵 pring 𝐾 ⇒ 𝜃 = 𝑑 𝐼
Torque by magnetic force 𝐾𝑐 Ԧ 𝐹
Độ lớn góc quay của kim chỉ thị
tỷ lệ tuyến tính với cường độ
dòng điện qua khung dây (giá trị Ԧ𝐼
cường độ dòng điện cần đo) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 13 13
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 14 14 7 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 15 15
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 16 16 8 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 17 17
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 18 18 9 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 19 19
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 20 20 10 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 21 21
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Advantages
• Wide range of currents and voltages (modified with shunts) • No hysteresis
• Not affected by external magnetic fields
• High current sensitivity, can be used to detect very small current (10−12 ÷ 10−14A)
• Small power requirements: 25 ÷ 200 𝜇W
• Accuracy: 2-5% of full scale deflection Disadvantages
• Errors due to ageing of control springs and permanent magnet
• Friction due to jewel-pivot suspension Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 22 22 11 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Ưu điểm
• Tầm đo dòng và áp rộng (dùng thêm điện trở shunt) • Không bị từ trễ
• Ít bị ảnh hưởng từ trường bên ngoài.
• Độ nhạy cao, có thể đo dòng điện rất nhỏ (10−12 ÷ 10−14A)
• Công suất tiệu thụ nhỏ (25 ÷ 200 𝜇W) .
• Độ chính xác trung bình, thông thường từ 2 - 5%. Nhược điểm
• Sai số do lão hóa lò xo và nam châm vĩnh cữu
• Ma sát do dùng cơ cấu treo trung dây Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 23 23
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Applications I Rm, Ifsd Rm V I Load fsd Load DC am-meter DC Volt-meter Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 24 24 12 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Permanent Magnetic Moving Coil (PMMC) Movement Applications Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 25 25
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Ứng dụng I Rm, Ifsd Rm V Load I Load fsd Ampe kế DC Vôn kế DC Sep p 2 0 2 2 0 4 2 40 4 3 0 0 3 3 0 3 3 3 _ M _ easur u eme r nt n s an d an d An al An y al tic i al c al Sof So t f war w e 26 are 26 13 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu đo từ - điện (PMMC) Ứng dụng Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 27 27
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement
Figure 1 – a) PMMC Movement b) EDM Movement c) Symbol EDM Mechanism
• A slightly modified from PMMC movement – coil divided into equal halves
➢ coil divided into equal halves: one is fixed, and one can rotate
➢ The movable coil carries the pointer (like PMMC movement)
➢ Fixed and movable coil are connected in series and fed by measured current Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 28 28 14 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM)
Hình 1 – a) Cớ cấu PMMC b) Cơ cấu điện động (EDM) c) ký hiệu Cơ cấu EDM
• Một chút thay đổi từ cơ cấu từ điện PMMC – cuộn dây chia làm hai nữa
➢ Cuộn dây chia làm hai nữa: một cuộn cố định, một cuộn xoay (chuyển động)
➢ Cuộn xoay y như cơ cấu từ điện PMMC
➢ Cuộn chuyển động và cuộn xoay được nối tiếp vào dòng cần đo Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 29 29
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement
Figure 2 – a) EDM movement b) Symbol c) Watt-meter using EDM movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 30 30 15 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM)
Hình 2 – a) Cơ dấu điện động b) Ký hiệu
c) Watt kế dùng cơ cấu điện động Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 31 31
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement Working principle
Torque in the movable coil
𝜏𝑑 = 𝐵 × 𝐴 × 𝐼 × 𝑁  : d torque [N.m] B: flux density [Wb/m2] A: effective coil area [m2] N: number of turns [-]
I: average current in the coil [A]
Magnetic field generated in the fixed coil
𝐵 = 𝜇0𝑁𝐼 → 𝐵 ~ 𝐼 𝜏𝑑~ 𝐼2 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 32 32 16 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM) Nguyên lý hoạt động
Moment xoắn trên cuộn xoay
𝜏𝑑 = 𝐵 × 𝐴 × 𝐼1 × 𝑁
 : moment xoắn vòng dây [N.m] d
B: mật độ từ thông [Wb/m2]
A: tiết diện vòng dây [m2] N: số vòng dây [-]
I: dòng trung bình trên dây [A]
Lực từ trên cuộn cố định
𝐵 = 𝜇0𝑁𝐼2 → 𝐵 ~ 𝐼2 𝜏𝑑~𝐼1𝐼2~𝐼2 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 33 33
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement Working principle
Torque in the movable coil 𝜏𝑑~ 𝐼2  = K  c c 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 ⇒ 𝜃~𝐼2
The deflection angle of the pointer is proportional to the
current squared (not linear – can be found on the scale ) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 34 34 17 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM) Nguyên lý hoạt động
Moment xoắn trên cuộn xoay 𝜏𝑑~ 𝐼2  = K  c c 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 ⇒ 𝜃~𝐼2
Góc của kim chỉ thị tỷ lệ với bình phương dòng điện cần đo Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 35 35
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement
Working principle – measuring AC current
Torque in the movable coil 𝜏𝑑~ 𝑖2  = K  c c 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 ⇒ 𝜃~𝑖2
The deflection angle of the pointer is proportional to the
mean of the current squared (not linear – can be found on the scale ) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 36 36 18 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM)
Nguyên lý hoạt động đo dòng AC
Moment xoắn trên cuộn xoay 1 𝑇 𝜏𝑑~ න 𝑖 𝑇 1𝑖2𝑑𝑡 0  = K  c c 𝜏𝑐 = 𝜏𝑑 1 𝑇 ⇒ 𝜃~ න 𝑖 𝑇 1𝑖2𝑑𝑡 0
Góc của kim chỉ thị tỷ lệ với độ lớn trung bình của bình
phương dòng điện cần đo Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 37 37
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 38 38 19 10/28/2024
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
Cơ cấu điện động (EDM) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 39 39
L e c t u r e 2 – I n d i cat o rs a n d D i s p l ay D ev i c e s
– T h i ế t B ị C h ỉ T h ị và H i ể n T h ị
ElectroDynamoMeter (EDM) Movement Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 40 40 20