Giáo trình kỹ thuật đo lường

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện như đo nhiệt độ, đo ứng suất… • So sánh không đồng thời: Việc so sánh được thực hiện như sau: Đầu tiên dưới tác động củ

CHƯƠNG I

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

1.1 Khái niệm chung về đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỉ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0 Nghĩa là Ax chỉ rõ đại lượng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn) bao nhiêu lần đơn vị đo của nó Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng:

vì không phải bất kỳ đại lượng nào cũng cho phép so sánh các giá trị của nó Vì thế

để đo ta thường phải biến đổi chúng thành đại lượng khác có thể so sánh được Ví dụ:

Để đo ứng suất cơ học ta phải biến đổi chúng thành sự thay đổi điện trở của bộ cảm biến lực căng Sau đó mắc các bộ cảm biến này vào mạch cầu và đo điện áp lệch cầu khi có tác động của ứng suất cần đo

Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học

Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường

Mục đích của quá trình đo lường là tìm được kết quả đo lường Ax, tuy nhiên để kết quả đo lường Ax thỏa mãn các yêu cầu đặt ra để có thể sử dụng được đòi hỏi phải nắm vững các đặc trưng của quá trình đo lường Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường bao gồm:

Đại lượng đo

Đại lượng đo là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo

Mỗi quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ

lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có thể là giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng…

Người ta có thể phân loại đại lượng đo theo các tiêu chí như:

• Theo bản chất của đối tượng đo có thể phân thành:

o Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện; tức là có đặc trưng mang bản chất điện Ví dụ: dòng điện, điện áp…

o Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện Ví dụ như điện trở, điện cảm, điện dung…

o Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: Chu kỳ, tần số…

o …

• Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể phân thành:

o Đại lượng đo tiền định: Đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian Ví dụ: dòng điện dân dụng I là đại lượng đo tiền định do

đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của nó là một hàm sin theo thời gian có tần số ω, biên độ I, góc pha ban đầu φ

o Đại lượng ngẫu nhiên: Có sự thay đổi theo thời gian, không theo quy luật Trong thực tế, đa số các đại lượng đo là đại lượng này

• Theo cách biến đổi đại lượng đo có thể phân thành:

o Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự-analog): phải sử dụng các dụng cụ đo tương tự Ví dụ như ampe mét có kim chỉ thị, vôn mét có kim chỉ thị…

o Đại lượng đo số (digital): Phải sử dụng các dụng cụ đo số Ví dụ như ampe mét chỉ thị số, vôn mét chỉ thị số

Điều kiện đo

Đại lượng đo chịu ảnh hưởng quyết định của môi trường sinh ra nó, ngoài ra kết quả đo phụ thuộc chặt chẽ vào môi trường khi thực hiện phép đo Các điều kiện môi trường bên ngoài như: nhiệt độ, từ trường, độ ẩm…ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo

Để kết quả đo đạt yêu cầu thì thường phép đo phải được thực hiện trong điều kiện chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia hoặc theo quy định của nhà sản xuất thiết bị đo Khi thực hiện phép đo luôn cần phải xác định điều kiện

đo để có phương pháp đo phù hợp

Đơn vị đo

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia phải tuân thủ

Ví dụ: Nếu đại lượng đo là độ dài thì đơn vị đo có thể là m, inch, dặm…

Thiết bị đo và phương pháp đo

Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát

Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện, sai số, yêu cầu…

Người quan sát

Người quan sát là người thực hiện phép đo và gia công kết quả đo

Nhiệm vụ của người quan sát khi thực hiện phép đo:

• Chuẩn bị trước khi đo: Phải nắm được phương pháp đo, am hiểu vè thiết bị đo được sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với môi trường xung quanh

• Trong khi đo: Phải biết điều khiển quá trình đo để có kết quả như mong muốn

• Sau khi đo: Nắm chắc các phương pháp gia công kết quả đo để gia công kết quả đo Xem xét xem kết quả đo đã đạt yêu cầu hay chưa

Kết quả đo

Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian Nó không phải là giá trị thực của đại lượng cần đo mà chỉ có thể coi là giá trị ước lượng của đại lượng cần đo Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là giá trị thực

Đế đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo là hiệu giữa giá trị ước lượng và giá trị thực Từ sai số này có thể đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không

1.2 Phân loại phương pháp đo

Tùy thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị hiện có…Ta có thể phân loại phương pháp đo như sau:

1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi

Trước tiên đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi và cuối cùng được biến đổi thành số Nx Còn đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành số N0 (ví dụ khắc độ trên mặt dụng cụ đo tương tự) Quá trình này được gọi

là quá trình khắc độ theo mẫu N0 được ghi nhớ lại

Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng Quá trình này được thực hiện bằng một phép chia Nx/N0 Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức được cụ thể hóa như sau:

0 0

X N

Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng các sai số của các khâu Vì thế thường sử dụng dụng cụ đo kiểu này ở các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp để đo và kiểm tra các quá trình sản xuất với độ chính xác yêu cầu không cao lắm

1.2.2 Phương pháp đo kiểu so sánh

Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi

Trước tiên đại lượng đo X và đại lượng mẫu X0 được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó (ví dụ dòng hay áp chẳng hạn) thuận tiện cho việc so sánh Quá trình so sánh được diễn ra trong suốt quá trình đo Khi hai đại lượng bằng nhau ta đọc kết quả ở mẫu sẽ suy ra giá trị đại lượng cần đo Quá trình đo như vậy gọi là quá trình

đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh

Hình vẽ trên chỉ rõ sơ đồ khối của một thiết bị đo như vậy Tín hiệu đo X được

so sánh với một tín hiệu XK tỉ lệ với đại lượng mẫu X0 Qua bộ biến đổi số - tương tự

D/A tạo ra tín hiệu XK Qua bộ so sánh ta có:

Tùy thuộc vào cách so sánh mà ta có các phương pháp sau đây:

• So sánh cân bằng: Là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu

X0 sau khi biến đổi thành đại lượng XK được so sánh với nhau sao cho luôn có

UX = 0 tức là:

X – XK = 0; X = XK = NK.X0 (1.4) Như vậy thì XK là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn đạt được kết

quả ở (1.4) Nghĩa là phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng Trong trường hợp

này độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của

thiết bị chỉ thị cân bằng Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng…

• So sánh không cân bằng: Nếu đại lượng XK là một đại lượng không đổi, lúc đó

ta có:

Nghĩa là kết quả của phép đo được đánh giá theo đại lượng UX Tức là biết trước XK, đo UX có thể suy ra X = XK + UX

Rõ ràng phép đo này có độ chính xác phụ thuộc vào phép đo UX, mà giá trị

UX càng nhỏ (so với X) thì độ chính xác phép đo càng cao

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện như đo

nhiệt độ, đo ứng suất…

• So sánh không đồng thời: Việc so sánh được thực hiện như sau: Đầu tiên dưới

tác động của đại lượng đo X gây ra một trạng thái nào đó trong thiết bị đo Sau

đó thay X bằng đại lượng mẫu XK sao cho trong thiết bị đo cũng gây ra đúng

trạng thái như khi X tác động, trong điều kiện đó rõ ràng ta có X = XK

Khi đó độ chính xác của X hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của XK.

Phương pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X ta vẫn giữ nguyên mọi

trạng thái của thiết bị đo và loại được mọi ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài

đến kết quả đo

• So sánh đồng thời: Là phép so sánh cùng lúc nhiều điểm của đại lượng cần đo

X và của mẫu XK Căn cứ vào các điểm trùng nhau mà tìm ra đại lượng cần đo

Ví dụ: Để xác định 1 insơ (đơn vị chiều dài Anh) bằng bao nhiêu mm Ta làm phép so sánh sau: lấy 1 thước có độ chia mm (mẫu) còn thước kia theo insơ (cần do) Đặt điểm 0 trùng nhau sau đó đọc các điểm trùng nhau tiếp theo là: 127mm - 5insơ; 254mm - 10insơ; 381mm - 15insơ Từ đó ta tìm được: 1insơ

mm

4,2515

38110

2545

Sử dụng phương pháp này thực tế ta dùng để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến, hay các thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng

1.3 Phân loại các thiết bị đo

Ta có thể chia thiết bị đo thành nhiều loại tùy theo chức năng của nó Gồm các loại chủ yếu sau:

1.3.1 Mẫu

Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định Những dụng cụ mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo từng cấp, từng loại

Ví dụ: Điện trở mẫu cấp I với độ chính xác 0.,01% cấp II độ chính xác đến 0,1%

1.3.2 Dụng cụ đo lường điện

Là dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng vật lý cần đo

Tùy theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị ta phân thành hai loại dụng cụ đo:

• Dụng cụ đo mà giá trị của kết quả đo thu được là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lượng đo gọi là dụng cụ đo lương tự Loại này bao gồm: Dụng cụ đo kim chỉ và dụng cụ đo tự ghi

• Dụng cụ đo mà giá trị của kết quả đo được thể hiện ra bằng số được gọi chung

là dụng vụ đo chỉ thị số

1.3.3 Chuyển đổi đo lường

Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo lường để tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công tiếp theo; cất giữ không cho ra kết quả trực tiếp

Có hai loại chuyển đổi:

• Chuyển đổi các loại điện thành các đại lượng điện khác Ví dụ: Các bộ chuyển đổi A/D – D/A, các bộ phân áp, biến áp…

• Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện Đó là loại chuyển đổi sơ cấp là bộ phận chính của đầu đo hay cảm biến Ví dụ: Các chuyển đổi quang điện, nhiệt điện trở…

1.3.4 Hệ thống thông tin đo lường

Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc

và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo điều khiển

Có thể phân hệ thống thông tin đo lường thành nhiều nhóm:

• Hệ thống đo lường: Là hệ thống để đo và ghi lại các đại lượng đo

• Hệ thống kiểm tra tự động: Là hệ thống thực hiện nhiệm vụ kiểm tra các đại lượng đo Nó cho ra kết quả lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng chuẩn

• Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Là hệ thống kiểm tra sự làm việc của đối tượng

để chỉ ra chỗ hỏng hóc cần sửa chữa

• Hệ thống nhận dạng: Là hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu đã cho Ví dụ: Máy kiểm tra và phân loại sản phẩm

• Tổ hợp đo lường tính toán: Với chức năng có thể bao quát toàn bộ các thiết bị

ở trên

Hệ thống thông tin đo lường có thể phục vụ cho đối tượng gần (khoảng cách dưới 2km) nhưng cũng có thể phục vụ cho đối tượng ở xa Lúc đó cần phải ghép nối vào các kênh liên lạc Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống thông tin đo lường

từ xa

1.4 Đơn vị đo, chuẩn và mẫu

1.4.1 Khái niệm chung

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ

Trên thế giới người ta chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn Lịch sử phát triển và hoàn thiện các chuẩn quốc tế bắt đầu từ năm 1881 tại hội nghị quốc tế ở Pari Đến năm 1908 tại Luân Đôn đã thành lập một ủy ban đặc biệt về việc chế tạo các chuẩn Một số chuẩn đã được ấn định ở đây Ví dụ: Chuẩn “ ôm quốc tế” của điện trở được coi là điện trở của một cột thủy ngân thiết diện 1mm2 dài 106,300cm ở 00C có khối lượng 14,4521gam

Tuy nhiên theo thời gian càng ngày càng hoàn thiện kỹ thuật đo lường và nâng cao độ chính xác của phép đo Do đó mà các chuẩn ở các quốc gia có những giá trị khác nhau mặc dù phương pháp chế tạo như nhau Sai số nhiều khi vượt quá mức độ cho phép Vì thế đến năm 1948 bắt đầu công nhận một chuẩn mới gọi là “chuẩn tuyệt đối” Chuẩn này so với “chuẩn quốc tế” trước đó có sự sai lệch chút ít

Ví dụ: 1ampe quốc tế = 0,99985 ampe tuyệt đối

Các chuẩn ngày nay là chuẩn được quy định theo hệ thống đơn vị SI là “hệ thống đơn vị quốc tế” thống nhất

1.4.2 Hệ thống đơn vị quốc tế SI

Bao gồm hai nhóm đơn vị sau:

• Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất

mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể đạt được

• Đơn vị kéo theo (đơn vị dẫn xuất): là đơn vị có liên quan đến các đơn vị đo cơ bản thể hiện qua các biểu thức

Bảng dưới đây giới thiệu một số đơn vị đo cơ bản và kéo theo trong một số lĩnh vực cơ, điện…

Bảng 1.1 Bảng các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong một số lĩnh vực

1 Các đại lượng cơ bản

2 Các đại lượng cơ học

Gia tốc Mét trên giây bình phương m/s2

Lực Niutơn N

3 Các đại lượng điện

Cường độ điện trường Vôn trên mét V/m

Ngoài các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế SI, người ta

còn sử dụng các bội số và ước số của chúng

Bảng 1.2 Các bội số và ước số thường dùng của các đơn vị đo

1.4.3 Chuẩn cấp I quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ thống SI

Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn vị chính

xác nhất của một quốc gia Một số chuẩn cấp I quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ

thống SI như: Chuẩn đơn vị độ dài, chuẩn đơn vị khối lượng, chuẩn đơn vị thời gian,

chuẩn đơn vị dòng điện, chuẩn đơn vị nhiệt độ…

Ta xét 2 chuẩn quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ thống SI sau:

• Chuẩn đơn vị thời gian: Năm 1967 hội nghị quốc tế thứ XIII về mẫu quy định:

Đơn vị thời gian – giây (viết tắt là s) là khoảng thời gian của 9192631770 chu

kỳ phát xạ, tương ứng với thời gian chuyển giữa hai mức gần nhất ở trạng thái

đảm bởi sự không đổi của năng lượng chuyển của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng này đến trạng thái năng lượng khác khi không có từ trường ngoài

• Chuẩn đơn vị dòng điện: Bắt đầu từ hội nghị thứ IX về chuẩn và cân đưa ra quyết định về ampe – chuẩn đơn vị dòng điện như sau: Ampe viết tắt là A, là lực sinh ra của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng có thiết diện tròn không đáng kể đặt song song với nhau cách nhau 1m trong chân không Lực này bằng 2.10-7N trên mỗi mét chiều dài Sai số của chuẩn dòng điện có thể đạt tới 4.10-6A

1.5 Cấu trúc và các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

1.5.1 Sơ đồ khối của dụng cụ đo

Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo

Một dụng cụ đo cơ bản có ba bộ phận chính đó là chuyển đổi sơ cấp, mạch đo

và cơ cấu chỉ thị

Ta lần lượt xét các khâu chức năng này:

• Chuyển đổi sơ cấp:làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo

• Mạch đo: là khâu thu thập gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện các phép tính trên sơ đồ mạch

• Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ thể hiện kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị Có ba cách thể hiện kết quả đo đó là: chỉ thị bằng kim, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi, chỉ thị dưới dạng con số

Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng

Chuyển đổi

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo

Việc biến đổi thông tin đo chỉ xảy ra trên một đường thẳng, tức là không có khâu phản hồi Theo sơ đồ trên thì đại lượng đo X được đưa qua các khâu chuyển đổi CĐ1 (sơ cấp), CĐ2,…, CĐn để biến thành đại lượng Yn tiện cho việc quan sát và chỉ thị Các đại lượng Y1, Y2, …Yn là các đại lượng trung gian

Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh

Dụng cụ đo này có mạch phản hồi với các bộ chuyển đổi ngược (CĐN) để tạo ra tín hiệu Xk so sánh với tín hiệu đo X Mạch đo là một mạch vòng khép kín Sau bộ so sánh ta có tín hiệu ∆X = X - Xk

Khi ∆X = 0 ta có dụng cụ so sánh cân bằng Khác đi ta có dụng cụ so sánh không cân bằng

1.5.2 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

Dụng cụ đo có nhiều loại tùy theo chức năng của chúng nhưng bao giờ cũng có những đặc tín cơ bản như sau:

• Sai số của dụng cụ đo: Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại Có thể đó là những nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra Trên cơ sở đó người ta phân biệt hai loại sai số là sai

o Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

o Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…) Sai số này còn gọi là sai số phụ

• Độ nhạy: Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng F (X)

S

1

• Điện trở của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ

o Điện trở vào: là điện trở ở đầu vào của dụng cụ Điện trở vào của dụng

cụ đo phải phù hợp với điện trở đầu ra của khâu trước đó của chuyển đổi sơ cấp

o Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho khâu tiếp theo Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn

• Tác động nhanh

Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đo trên chỉ thị Đối với dụng cụ tương tụ thời gian này khoảng 4s Còn dụng cụ số có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong 1 giây

• Độ tin cậy

Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc nhiều yếu tố như: Độ tin cậy của các linh kiện của các dụng cụ đo, kết cấu của dụng cụ đo không quá phức tạp, điều kiện làm việc của dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay không

Nói chung độ tin cậy của dụng cụ đo được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định hay không

1.6 Sai số trong đo lường

Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai

số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức

độ cẩn thận khi đo…Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số Đó là sai số của phép đo

1.6.1 Phân loại sai số của phép đo

X

th X

Vì X và Xth gần bằng nhau

Theo nguồn gây ra sai số

Người ta phân thành:

• Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp

đo và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo

• Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng

Theo quy luật xuất hiện của sai số

• Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ

nó sẽ không còn khó khăn

• Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất

1.6.2 Quá trình xử lý, định giá sai số và xác định kết quả đo

Tính: ε2i= (a i −a) 2Tính sai số trung bình bình phương

Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng liên tục

tỉ lệ với đại lượng đo liên tục Thường sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu vào là dòng điện, tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ hoặc bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi) Những dụng cụ đo này là dụng cụ đo biến đổi thẳng

Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong máy đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, tần số, góc pha…v.v điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp 50Hz

Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện

Chỉ thị cơ điện bao giờ cũng gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động Khi cho dòng điện vào cơ cấu, do tác động của từ trường giữa phần động và phần tĩnh

mà một mômen quay xuất hiện làm quay phần động Momen quay này có độ lớn tỉ lệ với độ lớn dòng điện đưa vào cơ cấu:

αα

α

dWe D

D d

• Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục như khung dây, kim chỉ, lò xo cản Trục thường được làm bằng loại thép cứng pha irini hoặc osimi, còn trụ đỡ làm bằng đá cứng

• Lò xo phản kháng hay lò xo cản là chi tiết thực hiện nhiệm vụ là tạo ra momen cản, đưa kim chỉ thị về vị trí 0 khi chưa đại lượng cần đo vào và dẫn dòng điện vào khung dây (trong trường hợp cơ cấu chỉ thị từ điện hoặc điện động) Lò xo được chế tạo dạng xoắn ốc bằng đồng berili hoặc đồng phốt pho

để có độ đàn hồi tốt và dễ hàn Thông thường sẽ có hai lò xo đối xứng ở hai đầu khung dây, chúng có kích thước rất mảnh nên rất dễ hỏng

• Dây căng và dây treo: Khi sử dụng lò xo phản kháng thường có một nhược điểm là mômen cản riêng của lò xo khá lớn cho nên mômen cản của lò xo cũng sẽ lớn điều này làm giảm độ nhạy của cơ cấu chỉ thị Để khắc phục điều này người ta có thể tăng chiều dài của lò xo cũng như giảm thiết diện của lò

xo Tuy nhiên thì điều này không giảm được mấy Để có độ nhạy cao người ta thay lò xo bằng dây căng hoặc dây treo Loại dây này có cấu tạo cũng bằng vật liệu như đối với lò xo, là dây phẳng có thiết diện hình chữ nhật Dây càng mảnh thì mômen cản sinh ra càng yếu, cơ cấu chỉ thị càng có độ nhạy cao Đặc biệt trong các cơ cấu chỉ thị cần mômen cản rất nhỏ để có độ nhạy rất cao (như điện kế) người ta sử dụng dây treo để treo phần động ở phía trên còn phía dưới khung quay có một dây xoắn không mômen để dẫn điện Như thế mômen cản sinh ra do dây treo phía trên bị xoắn do đó mômen cản rất nhỏ

• Kim chỉ thường được chế tạo bằng nhôm, hợp kim nhôm và có thể là cả bằng thuỷ tinh với nhiều hình dáng khác nhau Hình dáng của kim chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ để quan sát Kim chỉ được gắn vào trục như hình trên Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ đo đó và độ dài của kim Kim càng dài thì dụng cụ càng chính xác càng nhạy vì lúc đó độ phân li của vạch chia nhỏ hơn Nhưng kim dài sẽ làm phần động nặng dẫn đến giảm độ nhạy và độ chính xác

do lực masát tăng Mặt khác khi đó dụng cụ đo sẽ rất cồng kềnh Vì vậy trong những dụng cụ đo có độ nhạy và độ chính xác cao 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 (hình vẽ trên)

• Thang đo là bộ phận để khắc độ các giá trị của đại lượng cần đo Có nhiều loại thang đo tuỳ vào độ chính xác của chỉ thị cũng như bản chất của cơ cấu chỉ thị Thang đo thường được chế tạo từ nhôm lá, đôi khi còn có cả gương phản chiếu phía dưới thang đo

• Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động và xác định vị trí cân bằng Quá trình này còn gọi là quá trình làm nhụt Có hai loại cản dịu là cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ Cản dịu không khí đơn giản nhất là làm hộp kín có nắp đậy bên trong có cánh cản dịu (xem hình trên) Khi phần động của cơ cấu chỉ thị chuyển động (di chuyển từ bên này sang bên kia) tạo nên một hiệu áp giữa hai mặt cách động làm cản trở sự di chuyển của phần động Cánh chuyển động được làm bằng hợp kim nhôm Cản dịu cảm ứng

từ có thể thực hiện nhờ lợi dụng chính dòng xoáy (dòng Fuco) xuất hiện trong phần động khi phần động quay Ngoài ra để tránh ảnh hưởng của các tác động

từ bên ngoài, toàn bộ cơ cấu có thể được đặt trong một màn chắn từ

2.1.1.2 Cơ cấu chỉ thị từ điện

Cấu tạo

Dụng cụ đo từ điện còn gọi là dụng cụ đo kiểu D’Arsonval với cấu tạo bao gồm:

• Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cữu, lõi sắt, mạch từ và cực từ Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất hẹp

• Phần động: Khung dây được quấn bằng dây đồng Khung dây gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản mắc ngược nhau, kim chỉ thị và thang đo

Nguyên tắc hoạt động

Khi có dòng điện chạy trong khung dây, dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc α Momen quay do từ trường của nam châm tương tác với từ trường của khung dây tạo ra được tính bằng:

α

d

dWe

Mq= với We là năng lượng điện từ tỉ lệ với độ lớn của từ thông trong khe

hở không khí và độ lớn của dòng điện chạy trong khung dây We =Ф.I = B.S.W.α.I Trong đó: B là độ từ cảm của nam châm

S là diện tích của khung dây

W là số vòng dây của khung dây

I W S B d

I W S

Mà ta có: Mc=D.α

I K D

I W S B I

W S B D Mq

Mc= ⇔ = ⇒ = . . . =

Từ phương trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có thang

đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K Dụng cụ đo kiểu từ điện thường có cơ cấu chỉnh zero để đưa kim chỉ về vị trí 0 trước khi tiến hành phép đo Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và kim chỉ khi không có dòng điện vào Việc làm nhụt được thực hiện nhờ lợi dụng sự xuất hiện dòng cảm ứng Fuco khi khung dây quay Từ trường do dòng này tạo ra sẽ hạn chế sự dao động của kim chỉ để nó nhanh chóng đạt vị trí cân bằng, khi khung dây dừng dòng Fuco sẽ mất và như thế cũng

không còn lực làm nhụt Muốn vậy người ta thường tạo khung dây bằng cách quấn dây đồng trên một khung bằng nhôm, một vật liệu dẫn điện rất tốt nhưng lại không có đặc tính từ

Dòng cần đo đưa vào cơ cấu chỉ được phép theo một chiều nhất định, nếu đưa dòng vào theo chiều ngược lại kim chỉ sẽ bị giật ngược trở lại và có thể gây hỏng cơ cấu Vì vậy, phải đánh dấu + (dây màu đỏ) và - (dây màu xanh) cho các que đo Tính chất này được gọi là tính phân cực của cơ cấu chỉ thị, nghĩa là chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng điện nên các đại lượng xoay chiều (tần số từ 20Hz – 100KHz) muốn chỉ thị bằng cơ cấu từ điện phải chuyển thành đại lượng một chiều và đưa vào cơ cấu theo một chiều nhất định

Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều nên được ứng dụng để chế tạo Vônmet, Ampemet, Ohmmet nhiều thang đo với dải đo rộng

Ưu điểm của cơ cấu chỉ thị từ điện là độ chính xác cao, công suất tiêu thụ nhỏ, thang đo đều, độ cản dịu tốt

Nhược điểm cơ cấu chỉ thị từ điện là chế tạo phức tạp, chịu quá tải kém, chịu ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo

Ứng dụng của cơ cấu chỉ thị từ điện

Cơ cấu chỉ thị từ điện thường được sử dụng trong những trường hợp sau đây:

• Dùng để chế tạo các loại ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo, dải đo

dụng để chế tạo các đầu rung

• Để làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện khác nhau

• Dùng để chế tạo các dụng cụ đo diện tử tương tự như: vônmét điện tử, tần số

kế điện tử, pha kế điện tử…

• Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo

dòng hay áp xoay chiều

2.1.1.3 Cơ cấu chỉ thị điện từ

Cấu tạo

Phần tĩnh: Cuộn dây bên trong có khe hở không khí, một lá thép cố định nằm trong lòng cuộn dây, gọi là lá tĩnh

Nguyên lý hoạt động

Dòng điện chạy qua cuộn dây bao quanh phần động sẽ từ hoá các lá thép với cùng một cực do đó chúng đẩy nhau Lực đẩy tổng hợp sẽ làm cho lá động dịch ra xa khỏi lá tĩnh, đây chính là lực làm lệch Kim chỉ gắn với trục quay khi đó sẽ bị lệch một góc tương ứng Lò xo dây quấn tạo ra momen cản hay lực điều khiển để dừng kim chỉ Mômen quay do từ trường của nam châm điện tạo ra được tính bằng:

Với L là điện cảm của cuộn dây

Mômen cản vẫn do lò xo tạo ra nên Mc = D.α

Khi kim chỉ ở vị trí cân bằng, nghĩa là khi Mc = Mq

α

αα

α

d

dL I D d

dL I

2

1 2

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu được quá tại lớn

Nhược điểm: độ chính xác không cao, độ nhạy thấp, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài

Ứng dụng của cơ cấu chỉ thị điện từ

Cơ cấu chỉ thị điện từ thường được sử dụng để chế tạo các loại ampemét, vônmét, trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp ở các dụng cụ để bảng cấp chính xác 1,0 và 1,5 và các dụng cụ nhiều thang đo ở phòng thí nghiệm cấp chính xác 0,5

Cuộn dây động quay trong từ trường được tạo ra bởi cuộn tĩnh

Các cuộn dây có lõi làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao để tạo ra từ trường mạnh Thông thường chúng sẽ được bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh hưởng của từ trường

bên ngoài

Kim chỉ thị được gắn trên trục quay của phần động

Lò xo tạo momen cản và các chi tiết phụ trợ khác

Nguyên tắc hoạt động

Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thì từ trường của 2 cuộn dây tương tác với nhau khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí zero Các lò xo xoắn tạo ra lực điều khiển và đóng vai trò dẫn dòng vào cuộn động Việc tạo ra sự cân bằng của hệ thống động (điều chỉnh zero) được thực hiện nhờ điều chỉnh vị trí lò

xo

Dụng cụ đo kiểu điện động thường làm nhụt bằng không khí vì nó không thể làm

nhụt bằng dòng xoáy như dụng cụ đo kiểu từ điện

Do không có lõi sắt trong dụng cụ điện động nên môi trường dẫn từ hoàn toàn

là không khí do đó cảm ứng từ nhỏ hơn rất nhiều so với ở dụng cụ từ điện Điều này đồng nghĩa với việc để tạo ra momen quay đủ lớn để quay phần động thì dòng điện chạy trong cuộn động cũng phải khá lớn Như vậy, độ nhạy của dụng cụ đo điện động nhỏ hơn rất nhiều so với dụng cụ đo từ điện

Momen quay do 2 từ trường tơng tác nhau được tính bằng:

2

2

1 2

1

M I I L I L I

Trong trường hợp này cần chú ý rằng để có lực đẩy làm quay phần động thì chiều quấn dây trên phần động phải ngược với chiều quấn dây trên hai phần của cuộn kích Vì góc lệch không tỉ lệ tuyến tính với dòng cần đo nên thang đo của cơ cấu điện động là thang đo không đều

Cơ cấu điện động có thể được sử dụng để đo dòng xoay chiều và một chiều Tuy nhiên nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất khá lớn

Ưu điểm: Độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều

Nhược điểm: Công suất tiêu thụ lớn, độ nhạy thấp

Ứng dụng

Cơ cấu chỉ thị điện động sử dụng để chế tạo các ampemét, vônmét, oatmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha

2.1.2 Cơ cấu chỉ thị tự ghi

Cơ cấu chỉ thị tự ghi được sử dụng trong các dụng cụ tự động ghi nhằm mục đích ghi lại những tín hiệu đo thay đổi theo thời gian

Trong kỹ thuật đo lường vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy hiện sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia điện tử – CRT (Cathode Ray Tube) Dưới đây là cấu tạo cơ bản của một CRT

CRT là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh quang, chùm electron do katot phát ra sẽ được hướng tới màn hình theo sự điều khiển từ bên

Cấu tạo:

• Phần 3 cực (triot) gồm Katot, lưới và anot

Katot làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử Một sợi đốt nằm bên trong katot có nhiệm vụ nung nóng katot để tăng cường thêm số điện tử phát xạ Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V nhưng katot có điện thế xấp xỉ –2kV

Lưới là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy katot Thế của lưới xấp xỉ từ - 2kV đến – 2,05kV để điều khiển dòng electron từ katot hướng tới màn hình Khi thế của lưới thay đổi sẽ điều chỉnh lượng electron bắn ra khỏi katot, tức là làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau Vì vậy thành phần điều khiển thế của lưới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói

Anot gồm 3 anot A1, A2 và A3 A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một đầu kín có

lỗ ở giữa cho electron đi qua A1 tiếp đất nên có thế dương hơn katot, electron được gia tốc từ katot qua lưới và anot để đến màn hình Các anot này được gọi là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện tử Vì các electron cùng mang điện tích âm nên chúng có xu hướng đẩy nhau, nghĩa là chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra và khi đập vào màn huỳnh quang sẽ tạo ra một vùng sáng, nghĩa là hình ảnh hiển thị bị nhoè Nhờ có các điện cực điều tiêu, chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron hướng tới 1 điểm nhỏ trên màn hình, tức là hình ảnh hiển thị được rõ nét A2 có thế –2kV để tạo

ra các đường đẳng thế làm cho electron chuyển động qua anot có tốc độ ổn định Phần 3 cực trên đôi khi còn được gọi là súng điện tử

• Hệ thống làm lệch (hay còn gọi là lái tia)

Khi các tấm làm lệch ngang và đứng được tiếp đất hoặc không nối thì chùm electron

có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có thế dương và bị đẩy ra xa khỏi tấm có thế âm Để tác dụng của các điện áp làm lệch + /- gây ra những khoảng lệch như nhau thì thế +E/2 phải đưa vào một tấm và thế –E/2 đi vào tấm còn lại (với E là thế chênh lệch giữa hai tấm) Điện áp cần thiết để tạo ra 1 vạch chia độ lệch ở màn hình được gọi là

hệ số làm lệch đứng của ống, đơn vị là V/cm Độ lệch do 1V tạo ra trên màn hình gọi

là độ nhạy lái tia, đơn vị là cm/V

Ngoài ra, để tránh ảnh hưởng của điện trường giữa các cặp lái tia người ta đôi khi còn

sử dụng một màn chắn cách điện giữa cặp lái tia ngang và cặp lái tia đứng

• Màn hình của CRT

Được mạ một lớp Photpho ở mặt trong của ống, khi chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển lên mức năng lượng cao và khi trở về trạng thái bình thường sẽ phát ra ánh sáng Sự lưu sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s nên mắt người mới nhìn thấy hình dạng sóng hiện Lớp than chì có tác dụng

thu hồi các electron thứ cấp vì nếu không thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra một thế âm ở màn hình và thế âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng electron tiến đến màn hình Ngoài ra, người ta có thể sử dụng màng nhôm để thu góp electron và dẫn tới đất Màng nhôm này còn có tác dụng tăng cường độ chói của lớp sáng do phản xạ ánh sáng về phía màn thuỷ tinh và tản nhiệt cho màn hình

Đường xoắn ốc làm bằng chất có điện trở cao kết tủa trong ống thuỷ tinh từ chỗ tấm lái tia tới màn hình có tác dụng gia tốc cho electron sau khi làm lệch để có được độ chói cần thiết (nếu gia tốc trước lúc làm lệch thì sẽ làm giảm khả năng điều chỉnh dòng electron của các tấm làm lệch)

Nguyên tắc hiện hình của CRT:

Katot phát ra electron và được các hệ thống điện cực điều khiển để có số lượng hạt, vận tốc và độ hội tụ cần thiết Hệ thống làm lệch sẽ làm cho chùm tia điện tử di chuyển trên màn hình theo phương ngang và phương đứng để hiện dạng của tín hiệu

ở chế độ hiển thị dạng sóng thông thường tín hiệu cần hiển thị được đưa vào cặp làm lệch đứng còn một tín hiệu dạng răng cưa được đưa vào cặp lệch ngang (xem hình) Khi đó với tần số răng cưa (còn gọi là tần số quét) phù hợp trên màn hình sẽ có một sóng đứng có dạng sóng cần hiển thị

2.1.3 Cơ cấu chỉ thị số

Nguyên lý của chỉ thị số:

Sơ đồ khối của bộ chỉ thị số như hình vẽ sau:

X(t)

Hình 2.6 Sơ đồ khối dụng cụ đo chỉ thị số

Bộ chỉ thị số

Đại lượng đo x(t) sau khi qua bộ biến đổi thành xung Số xung N tỉ lệ với độ lớn của x(t) sẽ được đưa vào bộ mã hóa sau đó được đưa đến bộ giải mã và đưa ra bộ hiện số Chỉ thị số có thể dưới dạng đèn thập phân, LED 7 đoạn hay LCD Tất cả 3 khâu mã hóa, giải mã, chỉ thị cấu thành bộ chỉ thị số

LED 7 đoạn bao gồm các vạch nhỏ Chúng có thể biểu diễn tới 16 ký tự trong

đó có 10 số và 6 chữ cái như hình dưới đây:

Các mã đầu vào từ 0 - 9 hiển thị các chữ số của hệ thập phân Các mã đầu vào từ 9-14 ứng với các ký hiệu đặc biệt như đã nêu, còn mã 15 sẽ tắt tất cả các vạch

2.2 Mạch đo lường và gia công thông tin đo

Mạch đo lường và gia công tín hiệu làm nhiệm vụ biến đổi, gia công tính toán, phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất Có thể coi mạch

đo lường là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu của thiết bị đo

Mạch đo có nhiều loại khác nhau với các chức năng và thông số cụ thể, một số mạch thông dụng nhất như Mạch tỉ lệ, mạch khuyếch đại đo lường, mạch gia công tính toán, mạch so sánh, mạch tạo hàm, mạch vi xử lý…

2.3 Chuyển đổi đo lường sơ cấp

2.3.1 Định nghĩa

Chuyển đổi đo lường: là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định Nghĩa là chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác Mối quan hệ có thể là tuyến tính hay phi tuyến Khi quan hệ này là hàm phi tuyến người ta sử dụng mạch tạo hàm để tuyến tính hoá nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo

Chuyển đổi sơ cấp: là chuyển đổi thực hiện chuyển từ đại lượng không điện thành đại lượng điện Y = f (X)

Với X là đại lượng không điện, và Y là đại lượng điện sau chuyển đổi

Sensor / bộ cảm biến / đầu đo là dụng cụ để thực hiện chuyển đổi sơ cấp

2.3.2 Đặc tính của chuyển đổi sơ cấp

• Tính đơn trị

• Đặc tuyến chuyển đổi ổn định

• Có khả năng thay thế

• Thuận tiện trong việc ghép nối với dụng cụ đo và máy tính

• Sai số nằm trong khoảng cho phép

• Đặc tính động / độ tác động nhanh / trễ nhỏ

• Tác động ngược lên đại lượng đo

• Kích thước và trọng lượng của đầu đo

2.3.3 Phân loại các chuyển đổi sơ cấp

Phân loại dựa trên nguyên tắc của chuyển đổi

• Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi trong đó đại lượng không điện X biến đổi làm thay đổi điện trở của nó

• Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi làm việc dựa trên các quy luật về lực điện

X làm thay đổi các thông số của mạch từ như điện cảm L, hỗ cảm M, độ từ thẩm µ và từ thông Ф

• Chuyển đổi tĩnh điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng tĩnh điện X làm thay đổi điện dung C hoặc điện tích Q

• Chuyển đổi hoá điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng hoá điện X làm thay đổi điện dẫn Y, điện cảm L, sức điện động …

• Chuyển đổi nhiệt điện: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiệu ứng nhiệt điện X làm thay đổi sức điện động hoặc điện trở

• Chuyển đổi điện tử và ion: là chuyển đổi mà X làm thay đổi dòng điện tử hoặc dòng ion chạy qua nó

• Chuyển đổi lượng tử: là chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng cộng hưởng

từ hạt nhân

Phân loại theo tính chất nguồn điện:

• Chuyển đổi phát điện hay chuyển đổi tích cực: là chuyển đổi trong đó đại lượng ra có thể là điện tích, điện áp, dòng điện hoặc sức điện động

• Chuyển đổi thông số hay chuyển đổi thụ động: là chuyển đổi trong đó đại lượng ra là các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, hỗ cảm hay điện dung

Phân loại theo phương pháp đo

• Chuyển đổi biến đổi trực tiếp là các chuyển đổi trong đó đại lượng không điện được biến đổi trực tiếp thành đại lượng điện

• Chuyển đổi bù: đại lượng cần đo được so sánh với đại lượng mẫu

CHƯƠNG III MÁY HIỆN SÓNG ĐIỆN TỬ 3.1 Giới thiệu

Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao

động ký điện tử (electronic oscilloscope) là một

dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng Nó

chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu

điện thay đổi theo thời gian Bằng cách sử dụng

máy hiện sóng ta xác định được:

• Giá trị điện áp và thời gian tương ứng của

tín hiệu

• Tần số dao động của tín hiệu

• Góc lệch pha giữa hai tín hiệu

• Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện tử

• Thành phần của tín hiệu gồm thành phần một chiều và xoay chiều như thế nào

• Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không

Một máy hiện sóng giống như một máy thu hình nhỏ nhưng có màn hình được kẻ

ô và có nhiều phần điều khiển hơn TV Dưới đây là panel của một máy hiện sóng thông dụng với phần hiển thị sóng; phần điều khiển theo trục X, trục Y, đồng bộ và chế độ màn hình; phần kết nối đầu đo …

Màn hình của máy hiện sóng được chia ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng ở chế độ hiển thị thông thường, máy hiện sóng hiện dạng sóng biến đổi theo thời gian: trục đứng Y là trục điện áp, trục ngang X là trục thời gian Độ chói hay độ sáng của màn hình đôi khi còn gọi là trục Z

Máy hiện sóng có thể được dùng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau chứ không đơn thuần chỉ trong lĩnh vực điện tử Với một bộ chuyển đổi hợp lý ta có thể đo được thông số của hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý Bộ chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điện tương ứng với đại lượng cần đo, ví dụ như các bộ cảm biến âm thanh, ánh sáng, độ căng, độ rung, áp suất hay nhiệt độ …

Các thiết bị điện tử thường được chia thành 2 nhóm cơ bản là thiết bị tương tự

và thiết bị số, máy hiện sóng cũng vậy Máy hiện sóng tương tự (Analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dòng electron bắn lên màn hình Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo ra tức thời dạng óng tương ứng trên màn hình Trong khi đó, máy hiện sóng số ( Digital osciloscope) sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC) Sau đó nó sử dụng các thông tin dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình Tuỳ vào ứng dụng

mà người ta sử dụng máy hiện sóng loại nào cho phù hợp

Thông thường, nếu cần hiển thị dạng tín hiện dưới dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) thì sử dụng máy hiện sóng tương tự Khi cần lưu giữ thông tin cũng như hình ảnh để có thể xử lý sau hay in ra dạng sóng thì người ta sử dụng máy hiện sóng số có khả năng kết nôí với máy tính và các bộ vi xử lý

3.2 Cấu tạo của dao động ký điện tử

Sơ đồ khối của dao động ký thông dụng

Tín hiệu Y được đưa vào qua bộ phân áp đến khuyếch đại Y và được đưa thẳng vào hai bản cực Y Mặt khác tín hiệu từ bộ khuyếch đại Y được đưa qua mạch đồng

bộ để kích thích máy phát răng cưa sau đó qua bộ khuyếch đại X đưa vào bản cực X, cũng có thể đưa trực tiếp tín hiệu X vào bộ khuyếch đại X và nối với bản cực X thông qua công tắc B3

Nếu sử dụng mạch đồng bộ ngoài thì qua B2 tín hiệu được đưa vào mạch đồng

bộ để kích cho máy phát quét làm việc

Khi đo điện áp, công tắc B1 chuyển sang khâu chuẩn biên độ và quan sát độ lệch của tia khỏi đường “0” ứng với biên độ chuẩn Sau đó chuyển B1 sang vị trí tín hiệu

Y để tính biên độ cực đại của tín hiệu đo xem gấp bao nhiêu lần biên độ chuẩn và tính

độ lớn của tín hiệu Y theo chuẩn

Khi đo chu kỳ cần phải chuẩn thời gian, người ta sử dụng bộ chuẩn thời gian bằng cách đánh dấu từng khoảng thời gian ứng với giá trị chuẩn trên toàn tín hiệu

3.2.1 Cấu tạo của ống tia điện tử

Bộ phận chủ yếu của dao động ký là ống tia điện tử Về cấu tạo, ống tia điện tử

là một ống chân không có vỏ bằng thuỷ tinh, bên trong có chứa các điện cực Đầu ống là hình trụ tròn, chứa súng điện tử và hai cặp phiến làm lệch Đầu cuối của ống loe to thành hình dạng nón cụt, đáy hình nón là màn huỳnh quang, bên trong có quét một vài lớp mỏng huỳnh quang Bên trong vách thành cuối ống có quét một lớp than chì dẫn điện, suốt từ hai cặp phiến lệch tới gần màn huỳnh quang Hình dạng bổ dọc của ống tia như hình dưới đây:

• Cấu tạo của súng điện tử

Phân áp vào

Khuyếch đại Y

Chuẩn biên độ

Chuẩn thời gian

Mạch đồng bộ

Máy phát răng cưa

B1

Khuyếch đại X

B3 X

Y

Đồng bộ trong

Điều khiển tia

Súng điện tử gồm có: sợi đốt F, catốt K, lưới điều chế M, các anốt A1 và A2 Nhiệm vụ của súng điện tử là tạo nên một chùm tia điện tử nhỏ, gọn, và bắn tới màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Do tính chất này nên người ta đặt tên cho một tập hợp các điện cực đó là súng điện tử

Chùm tia điện tử được phát xạ từ catốt K, do được nung nóng nhờ sợi đốt F, đi qua một số các lỗ tròn nhỏ của các điện cực M, A1, A2, tạo thành một chùm tia có hình dạng nhọn bắn tới màn huỳnh quang Sở dĩ tạo nên được một chùm tia nhọn là

do các điện cực M, A1 và A2 có các điện thế khác nhau tạo thành một điện trường không đều tác động tới chùm tia và làm hội tụ chùm tia đó lại trên màn huỳnh quang

Về hình dạng của các điện cực được cấu tạo là các điện cực về bên trái có vành hẹp, các điện cực về bên phải có vành rộng hơn và các anốt đều có một hay hai vách ngăn Tác dụng của các vách này là ngăn lại các điện tử đi quá xa trục ống, tác dụng hội tụ dễ hơn và tạo nên một điện trường đặc biệt theo ý muốn, để tạo nên khả năng hội tụ lớn hơn phân kỳ

Như vậy là do cầu tạo hình dạng của các điện cực và điện áp đặt lên các điện cực, mà nó được bộ súng điện tử có khả năng phát ra chùm tia điện tử và tiêu tụ được chùm tia này trên màn huỳnh quang

3.2.2 Hệ thống cặp phiến làm lệch tia điện tử

Chùm tia điện tử nhỏ gọn được súng điện tử tạo nên, trước khi tới màn huỳnh quang thì có qua một hệ thống các cặp phiến làm lệch Hệ thống này gồm hai cặp phiến làm lệch đặt lần lượt trước sau và vuông góc với nhau bao quanh trục ống (hình 3.4) Một cặp theo phương vuông góc, một cặp theo phương nằm ngang; mà ta thường gọi là cặp phiến làm lệch Y và cặp phiến làm lệch X (vì căn cứ vào phương

Nếu trên một cặp phiến làm lệch có đặt một hiệu điện thế, thì khoảng không gian giữa chúng có xuất hiện một điện trường Khi điện tử đi qua giữa hai phiến, do

bị tác dụng của điện trường này mà nó bị thay đổi quỹ đạo chuyển động Khoảng cách lệch của điểm sáng do chùm tia tạo nên trên màn so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử qua khoảng không gian giữa hai phiến

Trong một số trường hợp, khi ta muốn tăng độ nhạy mà không thể tăng chiều dài, vì không thể tăng quá mức chiều dài của ống Nên thường cấu tạo cặp phiến lệch

có loe ở đầu cuối chứ không phải là một bản phẳng hoàn toàn

3.2.3 Màn huỳnh quang

Trên phía trong màn của ống tia điện tử được quét một vài lớp mỏng chất huỳnh quang Khi có điện tử bắn vào, thì tại những vị trí bị bắn phá, chất huỳnh quang sẽ phát sáng Sau tác dụng bắn phá của điện tử, thì tại nơi bắn phá, ánh sáng còn được giữ lại một thời gian ngắn Thời gian này gọi là độ dư huy của màn hình Với sự cấu tạo của các chất huỳnh quang khác nhau, thì màn có độ dư huy khác nhau Và tuỳ theo công dụng quan sát tín hiệu biến đổi nhanh hay chậm khác nhau,

mà dao động ký được dùng các ống tia có độ dư huy lớn hay bé

Về màu sắc ánh sáng, thì tuỳ theo chất huỳnh quang mà dao động ký có màu tia sáng khác nhau Để dễ quan sát, thì ánh sáng thường dùng là màu xanh lá cây, vì màu xanh thường thích nghi với sinh lý của mắt Với các dao động ký cần dùng để chụp ảnh lại, thì màu tia sáng hay dùng là màu tím, vì màu tím bắt nhạy hơn với phim ảnh Với các dao động ký để quan sát các quá trình biến đổi chậm thì dùng các ống tia có

độ dư huy cao

3.2.4 Bộ tạo điện áp quét

• Nguyên lý quét đường thẳng trong dao động ký: Để có được hình dạng của tín hiệu dao động biến thiên theo thời gian trên màn của dao động ký thì người ta phải đưa điện áp của tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp phiến làm lệch Y, còn trên cặp phiến lệch X là điện áp quét răng cưa Điện áp quét răng cưa là điện

áp có hình dạng biến thiên bậc nhất theo thời gian như hình răng cưa Như vậy, do tác dụng đồng thời của cả hai điện trường lên hai cặp phiến, mà tia điện tử dịch chuyển cả theo phương trục x và phương trục y Quỹ đạo của tia điện tử dịch chuyển trên màn sẽ vạch ra hình dạng của điện áp nghiên cứu biến thiên theo thời gian

• Bộ tạo điện áp quét răng cưa có chu kỳ: Trong dao động ký thường dùng hai chế

độ điện áp quét răng cưa là chế độ tạo quét liên tục và chế độ tạo quét đợi Chế

độ quét liên tục dùng để quan sát các điện áp tín hiệu có chu kỳ, có hệ số τ/T lớn (τ là độ rộng của thời gian duy trì tín hiệu, T là chu kỳ của tín hiệu) Có nhiều loại mạch tạo điện áp quét răng cưa đã được dùng trong dao động ký, trong đó, để nắm được nguyên lý và các tính năng kỹ thuật, ta chỉ xét tới vài loại hay gặp trong các dao động ký thông thường Mạch tạo quét liên tục sẽ bao phần tạo dao động liên tục và phần tạo ra điện áp quét

• Mạch tạo điện áp quét làm việc ở chế độ đợi: Các mạch tạo quét làm việc ở chế

độ liên tục nói trên có thể chuyển thành mạch làm việc ở chế độ quét đợi, nghĩa là mạch chỉ tạo ra điện áp răng cưa khi nào có xung điện áp hiệu với cực tính và biên độ xác định kích động Sở dĩ phải thực hiện quét ở chế độ đợi, vì khi cần quan sát tín hiệu có hệ số τ/T bé, thì không thể dùng cách quét liên tục

có chu kỳ được

3.2.5 Bộ khuếch đại của dao động ký

Hầu hết các dao động ký đều có bộ khuếch đại điện áp của cặp phiến lệch dọc

Y Bộ khuếch đại này là khuếch đại dải rộng Độ rộng của dải thông tần của nó tuỳ thuộc vào yêu cầu quan sát của phổ tín hiệu nghiên cứu

Với các dao động ký đơn giản, thì bộ khuếch đại có dải thông tần khoảng chừng 200kHz (tính với mức 0,7) Với các dao động ký dùng để quan sát và đo lường các xung có độ rộng đến 1µs, thì chúng có dải thông tần khoảng từ 3-5MHz Với các dao động ký để quan sát xung có độ rộng nhỏ hơn nữa (<1µs), thì dải tần là 1-30MHz Đặc biệt với các dao động ký để ghi tín hiệu có tốc độ biến thiên nhanh, thì dải thông tần của bộ khuếch đại tới 90MHz

150-Hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại tuỳ thuộc vào dải thông tần, và chúng khác nhau với các loại dao động ký khác nhau Đặc điểm chất lượng của các bộ khuếch đại dao động ký còn khác nhau ở chỗ chúng có hay không các tầng sau: tầng khuếch đại catốt ở đầu vào, tầng khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha ở đầu ra Sở

dĩ vậy, vì khuếch đại phụ tải catốt có điện trở vào lớn, điện dung vào nhỏ, như vậy khi quan sát dao động ký không gây nên tác dụng ghép trở lại với mạch điện được quan sát tín hiệu Có thực hiện đảo pha tín hiệu để cung cấp đối xứng ở cặp phiến lệch, thì độ tiêu tụ chùm tia mới tốt, độ nhạy mới đối xứng nhau đối với trục X, và không gây nên méo đồ thị dao động do cách cung cấp tín hiệu không đối xứng gây nên

Ngoài bộ khuếch đại Y, hầu hết các dao động ký còn dùng bộ khuếch đại X

Vì nhiệm vụ chủ yếu của khuếch đại X chỉ để khuếch đại điện áp răng cưa, nên dải

khuếch đại X còn được dùng để khuếch đại tín hiệu ngoài khi không dùng bộ tạo điện

áp quét răng cưa Mạch điện khuếch đại X cũng như Y, đều có bộ phận để điều chỉnh

độ khuếch đại Khi không có bộ khuếch đại X, mà chỉ cần khuếch đại tín hiệu theo cặp phiến X thì dùng bộ khuếch đại đồng bộ

Trong các dao động ký có quét đợi, thì bộ khuếch đại đồng bộ (để khuếch đại tín hiệu đồng bộ) cũng như khuếch đại X, thì cần dải thông tần hẹp, hệ số khuếch đại nhỏ và không thực hiện đảo pha ở đầu ra

Ở một vài loại dao động ký còn thêm bộ khuếch đại tín hiệu điều chế (khuếch đại này đôi khi còn gọi là khuếch đại Z), để điều chế độ sáng của đồ thị dao động trên màn huỳnh quang

3.3 Ứng dụng của dao động ký điện tử

3.3.1 Quan sát tín hiệu

Để quan sát tín hiệu dạng đường cong phụ thuộc thời gian của một tín hiệu (dưới dạng điện áp) ta có thể đặt vào đầu vào Y của dao động ký Đặt chế độ đồng bộ trong, điều chỉnh tần số của máy phát quét sao cho tín hiệu đứng yên là được

3.3.2 Đo điện áp và tần số của tín hiệu

Để đo điện áp trước tiên phải bật tín hiệu chuẩn điện áp qua công tắc B1 Sau khi đưa điện áp chuẩn vào quan sát độ lệch của tia điện tử ứng với điện áp chuẩn để tính

độ nhạy Su = số vạch/độ lớn của điện áp chuẩn Sau đó không điều chỉnh độ nhạy nữa

ta cho điện áp vào kênh y Đo được biên độ của tín hiệu là Ly = Su.2Umax

Từ đó ta có Umax=Ly/2Su

Nếu cho núm điều khiển “Time/div” được đặt tại 0.2ms, “Vol/div” được đặt tại 5mV

Chu kì của sóng trên là: ms

chuki

div ms div

) ( 2

) / ( 2 0

* ) (

φ là góc lệch pha của hai tín hiệu

Ta đặt hai u1(t) và u2(t) vào các bản cực Y của hai kênh, điều chỉnh cho hai tín hiệu trùng nhau theo trục thời gian t và trên cùng 1 trục tọa độ Từ đó ta tính được góc lệch pha cần đo: 360 0

T

t

∆

=ϕ

3.4 Các loại dao động ký điện tử

Theo nguyên lý làm việc có thể phân thành các loại dao động ký điện tử như sau:

• Dao động ký có chức năng chung thông dụng là loại dao động ký phổ biến

nhất và thường được sử dụng để khảo sát các quả trình có tần số thấp, các tín hiệu xung để kiểm tra các thiết bị điện tử Dải tần số các loại dao động ký này đến 100MHz Dải điện áp của tín hiệu từ milivôn đến hàng trăm vôn

• Dao động ký vạn năng là loại dao động ký này có nhiều ứng dụng bằng cách

có thể thay thế nhiều mảng khác nhau tùy thuộc vào chức năng mà ta muốn

sử dụng Nó được sử dụng để khảo sát các tín hiệu đa hài cũng như tín hiệu xung Dải tần số các loại dao động ký này đến 100MHz Dải điện áp của tín hiệu từ milivôn đến hàng trăm vôn Dải tần số các loại dao động ký này có thể đạt tới hàng trăm MHz Dải điện áp của tín hiệu từ hàng chục micrôvôn đến hàng trăm vôn

• Dao động ký lấy mẫu là loại dao động ký dùng để ghi lại những tín hiệu tuần

hoàn trong dải tần rộng đến vài GHz Dải điện áp từ mV đến vài vôn có thể ghi một lúc hai tín hiệu cần khảo sát

• Dao động ký có nhớ là loại dao động ký có thể khảo sát các loại tín hiệu tức

thời, tuần hoàn chậm, hay tín hiệu ngắn, tín hiệu quá độ…v.v Ở loại dao động ký này người ta sử dụng ống phóng tia điện tử có nhớ Dải tần số có thể

• Dao động ký số là loại dao động ký có nhớ số nguyên lý làm việc dựa trên

việc số hóa tín hiệu khảo sát nhờ bộ chuyển đổi A/D Các mẫu được ghi vào

bộ nhớ, sau đó được biến trở lại thành tương tự cho các mục đích hiện hình

3.4.1 Dao động ký điện tử có nhớ tương tự

Như ta đã biết, vật liệu phốtpho dùng trên màn hình của máy hiện sóng thông thường chỉ phát sáng trong khoảng thời gian cỡ miligiây(gọi là sự lưu sáng) Hiện tượng trên có thể thỏa mãn với các tín hiệu có tần số đủ lớn Khi các tín hiệu có tần số thấp do sự lưu sáng ngắn nên đồ thị được vẽ trên màn hình chỉ là những điểm sáng

mà không phải là đường sáng liên tục Mặt khác, trường hợp dạng sóng chỉ xuất hiện một lần không lặp lại(ví dụ khi đóng nguồn điện) ta không thể quan sát được vì vậy cần thiết phải làm cho màn hình phát sáng liên tục dọc theo đường đi của sóng đã được vẽ ra (lưu sáng lâu) ta có thể quan sát dạng sóng dễ dàng hơn Muốn vậy thì cấu tạo của ống phóng tia điện tử cần có cấu tạo đặc biệt

Hình 3.6 mô tả cấu tạo của ống phóng tia điện tử có nhớ với hai trạng thái ổn định (hiện hình hoặc không hiện hình) Trong đó màn hình có một lớp nhớ từ vật liệu phốtpho có khả năng phát xạ thứ cấp và có điện trở rất cao giữa các hạt (Sự phát xạ thứ cấp xuất hiện khi các điện tử năng lượng cao đập vào bề mặt khiến cho các điện

tử phát ra từ bề mặt đó) Một màng kim loại được kết tủa giữa lớp kính của màn hình

và lớp nhớ Ống chuẩn trực là màng kim loại kết tủa quanh cổ ống phóng