Bài giảng Kỹ thuật đo lường (tiếp)

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1a Bài giảng ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Khoa Điện Tử Bộ môn Đo lường - Điều khiển GV: Nguyễn Thị Thanh Quỳnh MỤC TIÊU CỦA HỌC PHẦN Sinh viên nắm được: - Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lường - Các mạch gia công tính toán - Một số loại sensor cơ bản - Nắm được phương pháp đo một số đại lượng không điện NỘI DUNG VẮN TẮT CỦA HỌC PHẦN * Cơ sở lý thuyết của Kỹ thuật đo lường: - Các khái niệm cơ bản của kỹ thuật đo lường - Sai số của phép đo và gia công kết quả đo - Vấn đề xử lý số liệu đo lường * Các cơ cấu chỉ thị: * Các sensor đo lường * Mạch đo lường và gia công thông tin * Đo các đại lượng không điện Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo 1.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị đo 1.2. Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 1.3. Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo 1.4. Gia công kết quả đo lường § 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ 1. Định nghĩa - Đo lường: Là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị Quá trình đo gồm 3 thao tác chính: + Thiết bị mẫu: Là TB đo chuẩn dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh TB đo. - Thiết bị đo và thiết bị mẫu + Thiết bị đo: Là một hệ thống mà lượng vào là đại lượng đo, lượng ra là chỉ thị bằng kim, tự ghi hoặc số. Ví dụ: Muốn kiểm định công tơ cấp chính xác 2 thì bàn kiểm định công tơ phải có cấp chính xác ít nhất là 0,5. a. Dụng cụ đo lường - Maãu: laø thieát bò ño ñeå khoâi phuïc moät ñaïi löôïng vaät línhaát ñònh. Nhöõng maãu duïng cuï ño phaûi ñaït caápchính xaùc raát cao töø 0,001% ñeán 0,1% tuøy theotöøng caáp, töøng loaïi. - Duïng cuï ño löôøng ñieän: duïng cuï ño löôøng baèng ñieän ñeå gia coâng caùc thoângtin ño löôøng, töùc laø tín hieäu ñieän coù quan heä haømvôùi caùc ñaïi löôïng vaät lí caàn ño. Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo 2. Phân loại b. Chuyeån ñoåi ño löôøng loaïi thieát bò ñeå gia coâng tín hieäu thoâng tin ño löôøng ñeå tieäncho vieäc truyeàn, bieán ñoåi, gia coâng tieáp theo, caát giöõnhöng khoâng cho ra keát quaû tröïc tieáp. Chuyeån ñoái chuaån hoùa: coù nhieäm vuï bieán ñoåi moät tín hieäuñieän phi tieâu chuaån thaønh tín hieäu ñieän tieâu chuaån (thoângthöôøng U = 0 10v ; I = 4  20mA) Chuyeån ñoåi sô caáp: coù nhieäm vuï bieán moät tín hieäu khoângñieän sang tín hieäu ñieän, ghi nhaän thoâng tin giaù trò caàn ño.Coù raát nhieàu loaïi chuyeån ñoåi sô caáp khaùc nhau nhö: chuyeånñoåi ñieän trôû, ñieän caûm, ñieän dung, nhieät ñieän, quang ñieän. Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo c. Tổ hợp thiết bị đo Laø toå hôïp caùc thieát bò ño vaø nhöõng thieát bò phuï ñeå töï ñoäng thu thaäp soá lieäu töø nhieàu nguoàn khaùc nhau, truyeàn caùc thoâng tin ño löôøng qua khoûang caùch theo keânh lieân laïc vaø chuyeån noù veà moät daïng ñeå tieän cho vieäc ño vaø ñieàu khieån. Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo Lượng vào Mạch đo Chỉ thị Lượng ra Cấu trúc hệ thống đo 1 kênh chuyển đổi sơ cấp - Đối với hệ thống đo lường nhiều kênh X1 Phân kênh theo tần số Bộ thu nhận chế biến tín hiệu Giải điều chế f1m f10 V1S MOD MUXfnm fn0 VnS MODXn f1mf10 X1DEMOD fnmfn0 XnDEMOD Xi Xi Phát thu CĐCH CĐCH • d. Caùch thöïc hieän pheùp ño - Ño tröïc tieáp: laø caùch ño maø keát quaû nhaän ñöôïc tröïc tieáp töø moät pheùp ño duy nhaát. - Ño giaùn tieáp: laø caùch ño maø keát quaû ño ñöôïc suy ra töø söï phoái hôïp keát quaû cuûa nhieàu pheùp ño duøng caùch ño tröïc tieáp. Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo - Ño hôïp boä: laø caùch ño gaàn gioáng ño giaùn tieáp nhöng soá löôïng pheùp ño theo caùch tröïc tieáp nhieàu hôn vaø keát quaû ño nhaän ñöôïc thöôøng phaûi thoâng qua giaûi moät phöông trình (hay heä phöông trình) maø caùc thoâng soá ñaõ bieát chính laø caùc soá lieäu ño ñöïôc. - Ño thoáng keâ: ñeå ñaûm baûo ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño nhieàu khi ngöôøi ta phaûi söû duïng caùch ño thoáng keâ. Töùc laø phaûi ño nhieàu laàn. Caùch ño naøy ñaëc bieät höõu hieäu khi tín hieäu ño laø ngaãu nhieân hoaëc khi kieåm tra ñoä chính xaùc cuûa moät duïng cuï ño. Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo § 1.2. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 1. Hệ thống đo lường biến đổi thẳng Trong hệ thống đo biến đổi thẳng đại lượng vào x qua nhiều khâu biến đổi trung gian được biến thành đại lượng ra y. y = f(x) - Trong trường hợp quan hệ lượng vào và lượng ra là tuyến tính : y = S.x (1-1) - Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lượng vào và lượng ra có thể viết: y= (1-2)xS n i i . 1   Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo yx= T.x Sau đó yx được so sánh với đại lượng bù yk . Ta có: Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo T y yk Hệ thống đo kiểu so sánh x yX kx yyy  2. Hệ thống đo kiểu so sánh Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo 2.1. Phân loại phương pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng. a. Phương pháp so sánh kiểu cân bằng Lượng ra Hình 1.4 Phương pháp so sánh cân bằng C - C y 0 Tại điểm cân bằng ta có: Δy = yx- yk → 0 x ky y y 0      Cũng giống như trường hợp trên song b. Phương pháp so sánh không cân bằng (hình 1.5). y Lượng ra - Hình 1.5 Phương pháp so sánh không cân bằng 0 2.2. Phân loại phương pháp đo căn cứ vào cách tạo đại lượng bù. a. Phương pháp mã hoá thời gian. - Nội dung: yx yk y x Hình 1.6 Phương pháp mã hoa thời gian tx yk= y0.t (y0= const) Tại thời điểm cân bằng yx= yk= y0tx 0 x x y y t  - Bộ ngưỡng: Để xác định điểm cân bằng của phép đo. x k x k x k 1 y y sign(y y ) 0 y       nÕu y nÕu y b. Phương pháp mã hoá tần số xung. - Nội dung: yx = t.x. Còn đại lượng bù yk = const yky t0 Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần số xung yx tx=1/fx Tại điểm cân bằng có: yx = x.tx = yk = const Suy ra: fx = 1/tx = x/yk (1-4). - Bộ ngưỡng: k x k x k x 1 y y sign(y y ) 0 y       nÕu y nÕu y y yk t0 Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần số xung yx tx=1/fx c. Phương pháp mã hoá số xung. Nội dung: yk = yo   0 1 n i t iT   Trong đó: T = const, gọi là xung nhịp Yx Nx y0 yk T t y Hình 1.8 Phương pháp mã hoá số xung Tại điểm cân bằng có: yx  Nx.yo Yx Nx y0 yk T t y Yx Nx y0 yk T t y Hình 1.8 Phương pháp mã hoá số xung Tại điểm cân bằng có: yx  Nx.yo Nghĩa là tại điểm cân bằng đại lượng vào yx được biến thành con số Nx. - Bộ ngưỡng: x k x k x k 1 y y sign(y y ) 0 y       nÕu y nÕu y §1.3. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO 1. Độ nhạy, độ chính xác và các sai số a. Độ nhạy và ngưỡng độ nhạy - Độ nhạy S được định nghĩa: ΔYS = Δx - Ngưỡng độ nhạy ε: Là giá trị nhỏ nhất của lượng vào mà khi Δx < ε thì lượng ra không thể hiện được Phương trình của thiết bị đo: Y = S.x - Khả năng phân ly của thiết bị: b. Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo max minX - XDR = = ε ε Với D = Xmax – Xmin là thang đo (thường Xmin = 0) - Dùng thiết bị đo tiến hành đo nhiều lần 1 đại lượng mẫu xđ và thu được tập kết quả x1, x2, ....xn Trong đó: xi là kết quả của lần đo thứ i, xđ là giá trị đúng của đại lượng đo, δi là sai lệch của lần đo thứ i - Sai lệch của kết quả phép đo so với xđ: δi = xi - xđ - Các sai số + Sai số tuyệt đối: x = max|δi| + Sai số tương đối của phép đo: β = Δx/ x + Sai số tương đối của thiết bị đo:  = Δx/ D + Sai số tương đối quy đổi %: % = (Δx/ D)100% % dùng để sắp xếp cấp chính xác thiết bị đo Dụng cụ đo cơ điện: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 4 Dụng cụ đo số: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 2. Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo Thiết bị đo tiêu thụ 1 công suất nhất định, do đó gây ra sai số gọi là sai số phụ về phương pháp đo. Sai số này phải nhỏ hơn sai số cơ bản của thiết bị khi đo. Khi nối thiết bị đo vào đối tượng đo, muốn có đáp ứng phải thu ít năng lượng từ phía đối tượng đo, ta gọi đó là tổn hao công suất. - Các thiết bị đo cơ học: Sai số phụ chủ yếu do ma sát - Với các thiết bị điện: + Trường hợp thiết bị đo mắc nối tiếp với tải: Tổn hao: pa = RA. I2 RA: điện trở vào của TBĐ, RA càng nhỏ thì sai số do tổn hao càng ít + Trường hợp thiết bị đo mắc // với tải: Tổn hao: pv = V2 / Rv Rv: điện trở vào của TBĐ, Rv càng lớn thì sai số do tổn hao càng ít 3. Các đặc tính động của thiết bị đo - ĐTĐ của thiết bị đo là đồ thị của (1) với các dạng x(t) + Đặc tính quá độ: Ứng với tín hiệu vào x(t)=A.1(t-) + Đặc tính xung: Ứng với tín hiệu vào x(t) = A.(t-) + Đặc tính tần: Ứng với x(t) = Asint = Aejt, thường dùng đặc tính biên tần A() và đặc tính pha tần () + Đặc tính sai số tần số: Gồm đặc tính sai số biên tần A=[A()-A0]/ A0 và đặc tính sai số pha tần  =() - 0 Biểu thức hàm truyền hay độ nhạy động của TBĐ là Y(p)S(p) = X(p) (1) - Thời gian ổn định hay thời gian đo của thiết bị: Là thời gian kể từ khi đặt tín hiệu vào cho tới khi thiết bị ổn định có thể biết được kết quả - Dải tần của dụng cụ đo: Là khoảng tần số của đại lượng vào để cho sai số không vượt quá giá trị cho phép §1.4. GIA CÔNG KẾT QUẢ ĐO LƯỜNG Gia công kết quả đo quá trình xác định giá trị đúng và sai số của những phép đo cụ thể x = x ± Δx = x ± Δx ® 1. Tính toán sai số ngẫu nhiên Giả sử tiến hành đo thống kê đại lượng x, n lần và thu được kết quả: x1, x2, ....xn   n ii 11 xn x =M x Giá trị tin cậy là giá trị trung bình, trong toán học thống kê gọi là kỳ vọng toán học: a. Phương pháp tính toán - Sai số dư:  i iδ = x -M x Sai số dư có tính chất là 1 đại lượng ngẫu nhiên. Đối với thiết bị đo lường, sai số dư thay đổi theo 1 quy luật gọi là luật phân bố chuẩn Ghi chú: Luật phân bố xác suất là sự phân bố của sai số ngẫu nhiên xung quanh giá trị kỳ vọng toán học theo 1 quy luật nhất định    2 2 - δ 2 σ 1P δ = e σ 2  2 2-σ =D = δ P δ dδ Với: σ là độ lệch bình quân phương hay phương sai D là độ tán xạ - Luật phân bố xác suất chuẩn: x t M(x) D P()  Với + Bước1 : Tính giá trị trung bình Kỳ vọng toán học được lấy là trung bình cộng của n lần đo.   1 1 n d i i M x x x x n      b. Quá trình gia công kết quả - Khi số lần đo rất lớn (n>30) Sai số ngẫu nhiên được tính: x = k. (k là hệ số, được tra trong sổ tay kĩ thuật) - Khi số lần đo có hạn ( n  30) + Bước 2: Tính các sai số dư: + Bước 3: Độ lệch bình quân phương của đại lượng đo (phương sai của sai số ngẫu nhiên)   22 2 1 11 1 1 1 1 n nn n i ii i i ii i x x xx x n n n n                  + Bước 4: Kiểm tra điều kiện: _ ; 1i ix x i n    Kiểm tra: hay không 1 0 n i i    - Nếu có thì loại bỏ kết quả đo tương ứng và thực hiện lại bước 1- 4 - Nếu không thì tính tiếp các bước sau: 3i x  + Bước 5: Tính độ lệch bình quân phương trung bình đại số.       2 2 1 1 1 1          n ni i x i i x x x n n n nn + Bước 6: Sai số ngẫu nhiên được tính: Trong đó: kst là hệ số Student, nó phụ thuộc vào số lần thu thập n và xác suất yêu cầu p. Hệ số kst được tra trong sổ tay kỹ thuật: kst = f(n,p) x = kst.x + Bước 7 : Kết quả đo được tính   2 1 1 1 1 n n i i i i i st x x x n x x x k n n n              2. Tính toán sai số gián tiếp Đại lượng cần đo y được xác định qua các phép đo trực tiếp x1, x2,, xn được viết y = f (x1,x2,xn) (*) Đạo hàm (*) ta có:     1 2 n1 2 n y y ydy = dx + dx +... dx x x x                     2 2 2 1 2 n 1 2 n y y yΔy = Δx + Δx +...+ Δx x x x - Sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp được đánh giá x1, x2,, xn là sai số tuyệt đối của phép đo các đại lượng trực tiếp x1, x2,xn. -Sai số tương đối được tính                       2 22 2 1 n y 1 n Δy Δx y Δx y= = +...+ y y x y x    2 21 2± Δx + Δx    2 21 2 2 1 2 Δx + Δx ± (x + x )    2 22 21 2 2 1± x Δx + x Δx           2 2 1 2 1 2 Δx Δx± + x x 1 2 x x    2 22 21 2 2 1 4 2 x Δx + x Δx ± x           2 2 1 2 1 2 Δx Δx± + x x n-1±nx Δx     Δx±n x xn x1x2 x1 + x2 Sai số tương đối y=y/ySai số tuyệt đối yHàm y Công thức tính sai số của một số hàm y thường gặp