Bài giảng ĐO LƯỜNG NHIỆT Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh full

1.1 Phép đo và phương pháp đo 1.2 Sai số và độ không đảm bảo của phép đo 1.3 Phương tiện đo và các đặc tính đo lường của chúng 1.4 Kiểm định và hiệu chuẩn phương tiện đo 1.5 Chuẩn và liê

ĐO LƯỜNG NHIỆT

Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh

Phòng 102 – C7

1 William C Dunn Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process

4 Pavel Ripka Alois Tipek Modern Sensors Handbook, 2007

5 Alan S.Morris Measurement and Instrumentation Principles, Elsevier butter

worth heinemann, 2006

6 Ramon Pallàs-Ảeny, John G Webster Sensors and Signal conditioning, A

Wiley- Interscience Publication , 2006

7 Trần Bảo, Trần Quang Uy Cơ sở đo lường học, NXB giáo dục Việt Nam, 2009

8 Phạm Thượng Hàn và một số tác giả khác Kỹ thuật đo lường các đại lượng v

ật lý tập 1, 2 nhà xuất bản giáo dục, 1996

9 Nguyễn Quý Trạch Đo lường nhiệt, Khoa Đại học tại chức, 1976

1.1 Phép đo và phương pháp đo

1.2 Sai số và độ không đảm bảo của phép đo

1.3 Phương tiện đo và các đặc tính đo lường của chúng 1.4 Kiểm định và hiệu chuẩn phương tiện đo

1.5 Chuẩn và liên kết chuẩn

1.6 Thiết bị đo thông minh

1.7 Ứng dụng máy tính trong đo lường nhiệt

1.8 Hệ thống thu thập dữ liệu và thông tin đo lường

 Phép đo (đo lường):

 Tập hợp những thao tác để xác định giá trị của đại lượng cần đo

 Bản chất: quá trình nhận thức bằng thực nghiệm, đem đại lượng cần

đo so sánh với một đại lượng khác dùng làm đơn vị để tìm ra tỉ số bằng số đặc trưng cho sự so sánh đó

X - đại lượng cần đo

Chia loại phép đo:

• Căn cứ vào phương thức nhận được kết quả ĐL:

 Đo trực tiếp: kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất

 Đo gián tiếp:

y là lượng chưa biết cần tìm

x1, x2, xn là các lượng bị đo, được đo trực tiếp, có quan hệ với y

x1’, x2’ x1(n) , x2(n) là các lượng bị đo trực tiếp

f là quan hệ hàm số đã biết, chỉ số của f là để chỉ điều kiện tương ứng với lần đo lường đó

2

r  r 1 At    Bt 

Ví dụ:

• Căn cứ vào mục đích ĐL, (Luật ĐL 2011):

 Phép đo nhóm 1: phép đo trong NCKH, qui trình công nghệ,

kiểm soát chất lượng SX và các mục đích khác không thuộc nhóm 2 Phép đo nhóm 1 được kiểm soát theo y/c kỹ thuật do tổ chức, cá nhân công bố

 Phép đo nhóm 2: phép do để định lượng hàng hóa, dịch vụ

trong mua bán, thanh toán, bảo đảm AT, bảo vệ sức khỏe cộng đồng, bảo vệ MT, phục vụ hoạt động thanh tra, KT, giám định tư pháp và các hoạt động công vụ khác Phép đo nhóm 2 được kiểm soát theo y/c kỹ thuật do cơ quan nhà nước có thẩm quyền quyết định

 Phương pháp đo: Cách thức sử dụng nguyên lý đo và phương tiện đo

Phương pháp đo khác nhau tùy thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện đo và thiết bị hiện có,…

Chia làm 2 nhóm lớn:

+ Phương pháp đánh giá trực tiếp: đại lượng đo được đọc kết quả

ngay trên phương tiện đo

+ Phương pháp so sánh: đại lượng cần đo X được so sánh với đại

lượng dùng làm chuẩn Xch (giá trị đã biết trước), kết quả được đọc khi 2 đại lượng này bằng nhau

Tùy thuộc vào cách so sánh, ta có:

 Sai số của phép đo = Kết quả đo (X) – Giá trị thực (Xth )

 Giá trị thực (Xth ): phản ánh thuộc tính của đối tượng, chân lý của đại lượng cần đo mà phép đo cố gắng đạt tới

 Giá trị thực qui ước (X0 ): giá trị tìm được bằng thực nghiệm và gần giá trị thực đến mức đủ sử dụng cho một mục đích nhất định

Phân loại sai số

 Theo hình thức biểu thị:

+ Sai số tuyệt đối:

+ Sai số tương đối:

 Theo qui luật xuất hiện:

+ Sai số thô: ss vượt quá mong đợi

- Nguyên nhân: sai hỏng trầm trọng của phương tiện đo, sai sót lớn của người thao tác hoặc thay đổi đột ngột của đ/k MT

 Sai số hệ thống: ss không đổi hoặc thay đổi theo một qui luật xác định khi đo

lặp lại cùng một đại lượng

- Nguyên nhân: bản thân phương tiện đo, lắp đặt phương tiện đo, điều kiện môi trường, phương pháp đo đo hoặc chủ quan của người đo

- Cách loại trừ: loại bỏ các nguyên nhân trước khi đo, định kỳ hiệu chuẩn và đưa các số hiệu chính vào kết quả

 Sai số ngẫu nhiên: sai số do các yếu tố ngẫu nhiên gây ra (sự thay đổi nhỏ

đ/k MT, sự sai lệch các phần tử trong ptđ, biến động trong sự chú ý của người đo…)

- Sử dụng lý thuyết sác xuất và thống kê xác định ss ngẫu nhiên để biết trị số tin cậy nhất của tham số cần đo và đánh giá mức độ tin cậy của nó

1 Độ chụm: Phản ánh mức độ ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên

2 Độ lặp lại: phản ánh ảnh hưởng của sai số hệ thống

3 Độ chính xác: phản ánh ảnh hưởng của sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Độ chụm và độ

lặp lại thấp Độ chụm cao, độ chính xác thấp Độ chính xác cao

 Độ không đảm bảo của phép đo (ĐKĐB): thông số gắn với kết quả của phép đo, đặc

trưng cho sự phân tán của các giá trị có thể qui cho đại lượng đo một cách hợp lý

 Sai số đặc trưng cho độ chính xác của phép đo Sai số ảnh hưởng tới từng phép đo

 Độ không đảm bảo đo đặc trưng cho độ phân tán của nhiều phép đo

 Phân loại ĐKĐB:

+ ĐKĐB chuẩn (u): ĐKĐB của kết quả phép đo được thể hiện như là độ lệch chuẩn

+ ĐKĐB chuẩn tổng hợp (uc): ĐKĐB chuẩn của kết quả phép đo khi kết quả này nhận được từ giá trị của một số đại lượng khác

+ ĐKĐB mở rộng (U): đại lượng xác định một khoảng bao quanh kết quả đo mà có thể hy vọng rằng nó sẽ phủ một phần lớn phân bố của các giá trị có thể qui cho đại lượng đo một cách hợp lý U = k.uc

k - hệ số phủ (trong khoảng 2 đến 3)

Đánh giá độ không đảm bảo đo, ISO phân ra:

+ Đánh giá loại A của ĐKĐB đo: đánh giá bằng phương pháp phân tích thống kê các giá trị đo được của đại lượng trong điều kiện xác định

+ Đánh giá loại B của ĐKĐB đo: đánh giá bằng phương pháp khác so với đánh giá loại A

 Phương tiện đo: phương tiện KT để thể hiện phép đo Gồm có:

+ Chuẩn đo lường: phương tiện KT để thể hiện, duy trì đơn vị đo và được dùng

làm chuẩn để so sánh với phương tiện đo hoặc chuẩn khác có độ chính xác thấp hơn

- Căn cứ theo độ chính xác: chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I, chuẩn bậc II, …

- Căn cứ theo chức năng và mục đích sử dụng: chuẩn quốc tế, chuẩn vùng,

chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác

Mẫu chuẩn (RM): vật liệu, đủ đồng nhất và ổn định với mốc qui chiếu về các t/c

xác định, được thiết lập phù hợp với việc sử dụng đã định trong phép đo hoặc

trong việc k/tra các t/c danh nghĩa (Vd: H2O có độ tinh khiết qui định, độ nhớt

động của nó dùng HC nhớt kế)

16

 Bộ chuyển đổi đo lường: Thiết bị cung cấp thông tin ĐL thuận tiện cho việc truyền,

biến đổi tiếp theo hoặc gia công, cất giữ (thường người đo không thể quan sát trực tiếp được)

Căn cứ vào chức năng và vị trí lắp đặt, chia ra:

+ Bộ chuyển đổi sơ cấp (bộ cảm biến, sensor)

+ Bộ chuyển đổi trung gian

+ Bộ chuyển đổi đầu ra

 Dụng cụ đo lường (đồng hồ đo):thiết bị cung cấp các thông tin ĐL dưới dạng mà người đo có thể trực tiếp quan sát được (dụng cụ đo tương tự, dụng cụ đo số)

 Hệ thống thông tin đo lường:

Tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập số liệu, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách và chuyển về một dạng để tiện cho việc

đo và đ/k

+ Hệ thống đo lường + Hệ thống kiểm tra tự động + Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật + Hệ thống nhận dạng

+ Tổ hợp đo lường tính toán

Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo

 Dụng cụ đo biến đổi thẳng:

 Dụng cụ đo kiểu so sánh:

Các đặc tính đo lường của dụng cụ đo

1- Đặc tính tĩnh

Quan hệ hàm số giữa tín hiệu ra của dụng cụ đo (Y) và tín hiệu vào của nó (X) trong trạng thái xác lập: Y = f(X)

2- Độ nhạy (S)

Tỷ số giữa sự thay đổi tín hiệu ra của dụng cụ đo ( ΔX ) và sự thay đổi tương ứng

của tín hiệu vào gây ra sự thay đổi đó (ΔY)

+ Trong trường hợp chung nhất:

+ Độ nhạy của dụng cụ đo biến đổi thẳng gồm n khâu mắc nối tiếp:

+ Độ nhạy của dụng cụ đo kiểu so sánh:

Sth- độ nhạy của nhánh chuyển đổi thuận

Sng- độ nhạy của nhánh chuyển đổi ngược

Y S X

S S





22

Mức độ gần của đại lượng mà đồng hồ đo được so với giá trị thực của nó

+ Sai số tuyệt đối:

+ Sai số tương đối:

+ Sai số qui đổi:

+ Cấp chính xác của dụng cụ đo (k): số chỉ sai số qui đổi lớn nhất của nó Ví dụ: thì

 Sai số cho phép: giá trị cực đại của SS được cho phép bằng qui định kỹ

thuật, luật lệ,…đối với dụng cụ đo Cơ sở để qui định và ký hiệu CCX của dụng cụ đo là độ lớn của SS cho phép

 Sai số cơ bản: SS mà dụng cụ đo mắc phải ngay cả khi nó làm việc ở

trong đ/k chuẩn như đã qui định trong lý lịch xuất xưởng của nó

 Sai số phụ: SS mà dụng cụ đo mắc phải khi nó làm việc ở trong đ/k khác

với đ/k chuẩn như đã qui định

 Số hiệu chính (a): trị số cần cộng đại số thêm vào số chỉ của dụng cụ đo

để được giá trị thực qui ước

 Hệ số hiệu chính (c): trị số cần nhân thêm vào số chỉ của dụng cụ đo để

được giá trị thực qui ước

X  X a a

0

X c X

5- Biến sai (B.S)

Độ sai lệch lớn nhất giữa các lần đo khi đo nhiều lần cùng một tham số cần đo trong cùng một điều kiện đo lường

6- Độ phân giải : độ biến đổi nhỏ nhất của tham số cần đo mà dụng cụ đo có thể nhận

biết được

Ví dụ: một đồng hồ đo nhiệt độ kiểu hiện số, có dải đo từ 100 0 C đến 300 0 C, sử dụng

bộ chuyển đổi A/D loại 8 bit

Độ phân giải của nó sẽ là:

7- Phạm vi đo: tập hợp các giá trị của đại lượng đo mà ss của ptđ nằm trong giới hạn

qui định

+ Phạm vi chỉ: được giới hạn bởi các số chỉ cực trị (giới hạn đo dưới và giới hạn đo

trên)

+ Phần lớn phạm vi đo trùng với phạm vi chỉ, có trường hợp nó chỉ là một phần của

phạm vi chỉ (vd: dụng cụ đo lưu lượng bằng phương pháp tiết lưu)

8

256 2

C C  C  C bit

8- Độ ổn định và độ trôi

+ Độ ổn định: khả năng dụng cụ đo giữ không đổi các đặc tính đo lường của nó theo thời gian

+ Độ trôi: sự thay đổi từ từ các đặc tính đo lường của dụng cụ đo theo thời gian

9- Khoảng chết: khoảng cực đại trong đó tín hiệu vào có thay đổi về cả 2 phía mà không tạo nên sự

thay đổi có thể nhận thấy được trong số chỉ của dụng cụ đo

10- Đặc tính động

+ Mô tả hành vi của dụng cụ đo trong khoảng thời gian bắt đầu từ khi thông số cần đo thay đổi cho tới khi tín hiệu ra của

dụng cụ đo đạt được giá trị ổn định

+ Đặc tính động: phương trình vi phân, hàm số truyền, đặc tính thời gian và đặc tính tần số

+ Đặc tính quá độ (một trong hai đặc tính thời gian): sự thay đổi tín hiệu ra của dụng cụ đo khi tín hiệu vào thay đôi đột

biến theo kiểu bậc thang

+ Đặc tính quá độ thường được sử dụng nhất do:

- Trên đồ thị thể hiện rất rõ sự thay đổi của tín hiệu ra theo thời gian

- Dễ dàng nhận được từ thực nghiệm

 Bất kỳ hệ đo lường tuyến tính nào có thể mô tả:

Y- tín hiệu ra của dụng cụ đo

X- thông số cần đo

a0,…, an và b0,…, bm- các hệ số không đổi

B- Dụng cụ đo bậc 1:

Nếu các hệ số a2,…,an trong pt đều bằng 0 trừ a0 và a1, lúc đó:

Giải pt trên khi cho X giá trị không đổi

C- Dụng cụ đo bậc 2:

Nếu các hệ số a3,…,an trong pt đều bằng 0 trừ a0,a1 và a2,lúc đó:

Giải pt trên khi cho X giá trị không đổi và với các giá trị khác nhau của hệ số tắt dần

Các dụng cụ đo bậc 2 trong thương

mại (vd, dụng cụ đo gia tốc) thường

được t/k với hệ số tắt dần từ 0,6

đến 0,8

1

1- Kiểm định phương tiện đo: hoạt động đánh giá, xác định đặc tính KT ĐL của

ptđ theo y/c KT ĐL

+ Cơ quan quản lý nhà nước về ĐL (Bộ KH & CN) qui định tổ chức có thẩm quyền hoặc được ủy quyền KĐ ptđ, danh mục ptđ phải KĐ, chế độ

KĐ, chu kỳ KĐ, qui trình KĐ và các y/c đối với ptđ phải KĐ

+ Ptđ nào đạt y/c qui định sẽ được mang dấu, tem KĐ hoặc được cấp giấy chứng nhận KĐ để xác định tính hợp pháp trong lưu thông và sử dụng

+ Ptđ nào không đạt y/c sẽ không được đưa vào lưu thông, sử dụng

32

+ Ptđ nhóm 1 được kiểm định tự nguyện theo y/c của tổ chức và cá nhân có liên quan

+ Ptđ nhóm 2 phải được KĐ ban đầu trước khi đưa vào sử dụng, KĐ định kỳ trong quá trình

sử dụng, KĐ sau sửa chữa hoặc KĐ bất thường phục vụ cho thanh tra ĐL, giám định tư pháp và các hoạt động công vụ khác

+ Trong Đo lường nhiệt, những ptđ sau đây phải KĐ:

- Ptđ khối lượng: các loại cân và quả cân

- Ptđ dung tích - lưu lượng: ptđ dung tích thông dụng, bể đong cố định, xitéc, cột đo xăng

dầu, khí LPG, đồng hồ đo nước lạnh, xăng dầu, khí dân dụng, LPG

- Ptđ áp suất: áp kế và chân không kế

- Ptđ nhiệt độ: nhiệt kế

- Ptđ hóa - lý: máy đo độ ẩm hạt, độ ẩm kk, ptđ khí thải xe cơ giới, máy đo pH, tỷ trọng kế

2- Hiệu chuẩn phương tiện đo: hoạt động xác định, thiết lập mối quan hệ giữa

giá trị đo của chuẩn đo lường, ptđ với giá trị đo của đại lượng

+ HC không mang tính pháp lý quản lý

+ Được thực hiện bởi Phòng hiệu chuẩn Kết quả HC được ghi trong Giấy

chứng nhận HC hoặc Thông báo HC

+ Phòng HC phải được Tổ chức công nhận có thẩm quyền đánh giá và công

nhận có đủ đ/k theo qui định để tiến hành các hoaạt động HC đối với các lĩnh vực đo cụ thể

+ Cơ quan công nhận (BoA) của VN: Văn phòng công nhận chất lượng thuộc

Bộ KH & CN

+ Chương trình công nhận Phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn VILAS Chuẩn

mực đánh giá: TCVN ISO/ IEC 17025:2005

1- Chuẩn đo lường: phương tiện KT để thể hiện, duy trì đơn vị đo và

dùng làm chuẩn để so sánh với ptđ hoặc chuẩn khác

 Theo độ chính xác: chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I, bậc II,…

 Theo chức năng, mục đích sử dụng: chuẩn quốc tế, chuẩn vùng,

chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác

+ Mẫu chuẩn (RM): vật liệu, đủ đồng nhất và ổn định với mốc qui

chiếu về các t/c xác định, được thiết lập phù hợp với việc sử dụng

đã định trong phép đo hoặc trong việc k/tra các t/c danh nghĩa (Vd:

H2O có độ tinh khiết qui định, độ nhớt động của nó dùng HC nhớt kế)

2- Liên kết chuẩn (LKC):

 Tính chất lkc là t/c của kết quả đo nhờ đó nó có thể liên hệ tới mốc qui chiếu (đơn vị đo) thông qua một chuỗi không đứt đoạn các phép

HC được lập thành tài liệu, mỗi phép HC đóng góp vào ĐKĐBĐ

 Chuỗi liên kết chuẩn: dãy các chuẩn ĐL và các phép HC được dùng

để liên hệ kết quả đo tới mốc qui chiếu

 Có 2 hình thức để đảm bảo duy trì tính LKC (Hình vẽ)

BIPM - Viện cân đo quốc tế

A- ký hiệu mẫu thử

a- Liên kết chuẩn thông qua HT phòng HC kế tiếp

Được cơ quan

BIPM - Viện cân đo quốc tế A- ký hiệu mẫu thử

trực tiếp tiếp xúc trong dải từ -40 0 C đến +962 0 C

Phương pháp hiệu chuẩn

+ Thiết bị đo có thêm bộ VXL, thống nhất được công việc ĐL và

VXL, nhiều chức năng cứng được các phần mềm thực hiện

Ví dụ:

- Tự động bù các ảnh hưởng do dao động môi trường

- Khả năng khắc độ từ xa

- Tự kiểm tra lỗi

- Tự động tính toán độ chính xác ĐL và bù các SS ngẫu nhiên

- Hiệu chỉnh các phép đo phi tuyến để có được tín hiệu ra tuyến

tính

+ Thiết bị đo thông minh, bộ cảm biến thông minh, bộ truyền xa

thông minh

+ Các bước phát triển trong việc tích hợp các chức năng

vào bên trong các bộ cảm biến:

 Chế độ đo luân phiên và định kỳ in ấn

 Nâng cao chất lượng đo lường (vd dùng pp trung bình số học để lọc các nhiễu)

 Áp dụng phần mềm để bù phi tuyến đối với đồng hồ đo

 Tổng hợp các thông số phức tạp và xử lý số liệu

Vd Xác định Hs truyền nhiệt K

1 1

n n tb

K  C Q t   t F 