Bài giảng Kỹ thuật đo lường

Bentley, Emeritus Professor of Measurement Systems University of TeessidePrinciples of Electrical Measurement - S Tumanski , Warsaw University of Technology Warsaw, Poland Trang 2 NỘI D

Trang 1

KỸ THUẬT

ĐO LƯỜNG

EENG155

Giảng viên: Nguyễn Thị Thúy Hằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Giáo trình:

- Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý – Tập 1, 2 – Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng

Quế, Nguyễn Văn Hòa

- Principles of Measurement Systems- John P Bentley, Emeritus Professor of

Measurement Systems University of Teesside

Principles of Electrical Measurement - S Tumanski , Warsaw University of Technology

Warsaw, Poland

Nguyễn Thị Thúy Hằng 1

Trang 2

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 3: CƠ CẤU CHỈ THỊ VÀ MẠCH ĐO LƯỜNG

CHƯƠNG 4 : ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN CHƯƠNG 5: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

Trang 3

CHƯƠNG 1:

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO

1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo

1.2 Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường và tín hiệu

đo lường

1.3 Thiết bị đo và phương pháp đo

1.4 Đơn vị đo, chuẩn và mẫu

1.5 Sai số phép đo và gia công kết quả đo

Trang 4

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

VỀ KỸ THUẬT ĐO

1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo

• Muốn có thông tin về các sự vật, hiện tượng →Cần phải có các

dụng cụ, phương pháp để cung cấp, ước lượng thông tin về đối tượng cần biết.

• Hoạt động đó gọi là đo lường

Trang 5

Phép đo ( Measurement):

Tập hợp các thao tác có đối tượng xác định là giá trị của đại

lượng ( các thao tác này có thể thực hiện tự động)

1.1.1 Các thuật ngữ cơ bản của kỹ thuật đo lường

Đại lượng đo được(Measurable quantity):

Là thuộc tính của hiện tượng, vật chất có thể phân biệnđịnh tính và xác định định lượng

Đại lượng đo ( Measurand):

Đại lượng cụ thể được đo

Kết quả đo (result of a measurement):

Giá trị quy đổi cho đại lượng đo, thu được nhờ phép đo

Trang 6

1.1.1 Các thuật ngữ cơ bản của kỹ thuật đo lường

Độ không đảm bảo của phép đo (uncertainty of measurement): Tham số, kèm theo kết quả đo, đặc trưng cho sự phân tán củacác giá trị có thể được quy định thích hợp cho đại lượng đo mộtcách hợp lý

Trang 7

Phương trình cơ bản của phép đo

Đo lường là quá trình đánh giá , ước lượng đại lượng cần

đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo

1.1.2 Định nghĩa đo lường

A=X/X0

A: Kết quả đo

X: Đại lượng đo

X 0 : Đơn vị đo

Ví dụ: I=5A thì : Đại lượng đo X: dòng điện (I)

Đơn vị đo X0 : Ampe (A)Kết quả đo A : 5

Trang 8

• Đo lường học: phương pháp đo, mẫu và đơn vị đo

• Kỹ thuật đo lường: áp dụng các thành quả đo

lường học, phục vụ sản xuất.

1.1.2 Định nghĩa đo lường

Trang 9

1.1.3 Các biến đo lường

Principles of electrical measurement

4 (17 / 485)

Trang 10

1.1.3 Các biến đo lường

Acceleration Gia tốc Torque Lực

Density Tỷ trọng Temperature Nhiệt độ

Velocity Vận tốc Volume Heat Nhiệt

Viscosity Độ nhớt Light flux quang

Displacement Dung tích Mass Current Cường độ dòng điện Position Vị trí Flow rate Lưu lượng

Weight pH Nồng độ pH Level Mức

Pressure Áp suất Power Công suất

Humidity Độ ẩm Weight Trọng lượng

Trang 11

X A

n

X A

n

X A

n

i

i n

n

i

i n

• Đo trực tiếp: kết quả có chỉ sau một lần đo

• Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép

Trang 12

1.2.1 Đại lượng đo.

1.2.2 Điều kiện đo.

Trang 13

1.2.1 Đại lượng đo.

Theo tính chất thay đổi của

đại lượng đo:

Tiền định Ngẫu nhiên

Theo cách biến đổi đại lượng

đo:

Liên tục/

tương tự (Analog Rời rạc/ Sô (Digital)

Theo bản chất của đại lượng

đo:

Năng lượng Thông số Phụ thuộc thời gian Không điện

Trang 14

1.2.2 Điều kiện đo.

 Nguyên lý đo

 Phương pháp đo

 Người quan trắc

 Phương tiện đo

 Địa điểm (Môi trường sinh ra đại lượng đo)

 Điều kiện sử dụng (Môi trường bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm,

từ trường, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn v.v

 Thời gian

Trang 15

 Hệ MKS (Meter Kilogram Second)

 Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere)

 Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…)

 Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân…)

Trang 16

CÁC ĐƠN VỊ ĐO CƠ BẢN TRONG HỆ SI

Các đại lượng Tên đơn vị Kí hiệu

Trang 17

• Mẫu

• Dụng cụ đo

• Chuyển đổi đo lường:

• Chuyển đổi TH điện thành TH điện khác

• Chuyển đổi TH không điện thành TH điện (transducer)

• Hệ thống thông tin đo lường:

• HT đo lường

• HT kiểm tra tự động

• HT chuẩn đoán kỹ thuật

• HT nhận dạng

• Tổ hợp đo lường tính toán

 Thiết bị đo

Trang 18

• Phương pháp đo biến đổi thẳng

• Phương pháp đo kiểu so sánh

 Phương pháp đo

Trang 19

1.4 Đơn vị đo, chuẩn và mẫu

• Mẫu là dụng cụ đo dùng để kiểm tra và chuẩn hoá các dụng

cụ đo khác

• Chuẩn là các đơn vị đo tiêu chuẩn: chuẩn độ dài, chuẩn thờigian, khối lượng, dòng điện, nhiệt độ, điện áp, điện trở, cường

độ ánh sáng, số lượng vật chất (hoá học)

• Các dụng cụ đo tạo ra chuẩn được gọi là dụng cụ chuẩn cấp

1, đảm bảo độ chính xác nhất của một quốc gia

• Các dụng cụ mẫu có cấp chính xác thấp hơn và thường dùng

để kiểm định các dụng cụ đo sản xuất

• Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền và yêu cầu bảo quản, vậnhành rất nghiêm ngặt nên chỉ sử dụng khi cần thiết

Trang 20

Hệ thống truyền chuẩn

http://www.chinhphu.vn/portal /page/portal/chinhphu/hethon gvanban?class_id=1&_page= 2&mode=detail&document_id

=162349

Nguyễn Thị Thúy Hằng 22

Trang 21

+ Sai lệch phép đo:

δi là sai lệch của lần đo thứ i

trong đó: xi là kết quả của lần đo thứ i

xđ là giá trị đúng của đại lượng đo

+ Sai số tuyệt đối lớn nhất của một thiết bị đo được định nghĩa là giá trị lớn nhất của các sai lệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo

1.5.1 Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo :

Trang 22

+ Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính:

D: Thang đo

+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính:

Trang 23

γ % : sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các

thiết bị đo thành các cấp chính xác

Theo quy định hiện hành của nhà nước,

- các dụng cụ đo cơ điện có cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;

1; 1,5; 2; 2,5; và 4

- Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1;

0,2; 0,5; 1

xác càng lớn thì sai số càng bé.

Trang 24

Ví dụ 5.1: Dòng 25mA đo được ở dụng cụ có thang đo cực

đại 40mA Nếu phải đo 25mA chính xác trong khoảng ±5% Hăy tính độ chính xác cần thiết của dụng cụ đo

b/ Tính sai số tương đối của phép đo

2 Chọn thang đo thích hợp, xác định số vạch mà kim chỉ thị, tính sai số mới

Trang 25

Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai số tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể:

 <<< nếu D/x→1 Vậy chọn D ≈ x

Trang 26

Ví dụ 5.3:

Một Ampe kế có giới hạn đo là Iđm = 30 [A] và cấp chính

xác k =1,5

a Tìm sai số tuyệt đối lớn nhất ∆Imax?

b b Tìm sai số tương đối khi đồng hồ đo được các giá

Trang 27

1.5.2 Độ sai lệch của phép đo:

Giá trị sai lêch di:Giá trị trung bình:

Ví dụ: Tính độ lệch của phép đo sau:

Trang 28

• Dựa vào kết quả của những phép đo cụ thể để xác định giá trị đúng của phép đo đó và sai số của phép

đo ấy:

1.5.3 Gia công kết quả đo lường

Tính toán sai số ngẫu nhiên

- Dựa vào phương pháp thống kê:

T rong đó: xi là kết quả lần đo thứ i;

M[x] là kỳ vọng toán học của vô số lần đo đại lượng x

Trang 29

Tính toán sai số ngẫu nhiên

• Theo toán học thống kê thì sự phân bố của sai số ngẫu nhiên xung quanh giá trị kỳ vọng toán học theo một quy luật nhất định gọi là luật phân bố xác suất

• Trong các thiết bị đo lường và điều khiển thường theo quy luật phân bố chuẩn

Trang 30

Tính toán sai số gián tiếp

• Giả sử có một phép đo gián tiếp đại lượng y thông qua các phép đo trực tiếp x1, x2,… xn: y =f(x1, x2,… xn)

Sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp được đánh giá:

∆x1,∆x2,…∆xn: sai số tuyệt đối của phép đo các đại lượng trực tiếp

x1, x2,… xn

Trang 31

Tính toán sai số gián tiếp

Sai số tương đối của phép đo gián tiếp được tính là:

trong đó: γxl, γx2,….γxn là sai số tương đối của các phép đo trực tiếp x1, x2,… xn.

Trang 32

Bảng tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của

một số hàm y thường gặp:

Trang 33

Ví dụ 5.4:

Người ta sử dụng ampemet và volmet để đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp Ampemet có thang đo

là 1A, cấp chính xác là 1 Volmet có thang đo là

150V, cấp chính xác 1,5 Khi đo ta được số chỉ của hai đồng hồ là: I = 1A, U =100V

Hãy tính sai số tuyệt đối và tương đối của phép đo điện

Trang 34

Trang 35

• Đối với sai số hệ thống

• Hiệu chỉnh 0

• Chỉnh định (calibration) theo đặc tuyến

• Phân tích lí thuyết và kiểm tra dụng cụ, sử dụng các phương pháp bù ngược dấu, thế thông số…

• Đối với sai số ngẫu nhiên

• Kì vọng toán học mx (giá trị trung bình)

• Độ lệch bình quân phương σ

• Phương sai D = σ1/2

Trang 36

• Loại bỏ các kết quả đo có sai số quá lớn

• Loại trừ sai số hệ thống

• Loại trừ sai số ngẫu nhiên: thực hiện theo lưu đồ

thuật toán loaị trừ sai số ngẫu nhiên

• Xây dựng biểu thức giải tích của đường cong thực

nghiệm bằng các phương pháp: bình phương cực

tiểu, tuyến tính hóa, kéo chỉ

1.5.4 Các bước xử lý kết quả đo:

Trang 37

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Trang 38

2.1 Cấu trúc hệ thống đo lường

Mục đích của hệ thống đo lường:

Liên kết người quan sát với quá trình

Trang 39

 Biến thông tin: Biến đo

 VInput: giá trị thực của biến đo lường

 VOutput: giá trị đo của biến đo lường

V Input = VOutput ?????

Nguyễn Thị Thúy Hằng

3

Quá trình (Process): là một hệ thống tạo ra được thông tin: một lò phản ứng hóa học, một máy bay chiến đấu phản lực, một nền tảng khí đốt, một chiếc tàu ngầm, một chiếc xe hơi, một trái tim con người, và một hệ thống thời tiết.

• Một chiếc xe tạo ra các biến số dịch chuyển, vận tốc và gia tốc, …

• Lò phản ứng tạo ra các biến nhiệt độ, áp suất …

Trang 40

2.1 Cấu trúc hệ thống đo lường

tín hiệu

Xử lý tín hiệu Biểu diễndữ liệu

Đầu

vào

Giá trị đo

Đầu ra

Giá

trị

thực

4-20mA 0-10V

4-10mV 0-5V 0-20mA

ADC

Trang 41

2.1.1 Đầu vào (Input)

Tín hiệu không điện

Tín hiệu có điện

Trang 42

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của các đại lượng

cần kiểm tra m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng

mang một bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc

trở kháng), ký hiệu là s Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng

cần đo m

s = f (m)

s : đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến

m : đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo)

Khái niệm

2.1.2 Cảm biến(Sensors)

Trang 43

Tín hiệu không điện

Cảm biến kết nối với quá trình và đưa ra một đầu ra phụ

thuộc vào biến cần đo theo một cách nào đó Ví dụ :

• Cặp nhiệt điện: Lực điện động (e.m.f - electromotive force,đơn vị millivolt) phụ thuộc vào nhiệt độ

• Máy đo biến dạng: điện trở phụ thuộc vào biến dạng cơ học

• Tấm kim loại : áp suất giảm phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy

Nhiệm vụ

2.1.2 Cảm biến(Sensors)

Trang 44

Theo tính năng của bộ cảm biến

Phân loại

Trang 45

Phân loại theo phạm vi sử dụng:

 Công nghiệp

 Nghiên cứu khoa học

 Môi trường, khí tượng

 Thông tin, viễn thông

Trang 46

Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

 Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng (NPN, PNP…)

 Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số

R, L, C, … tuyến tính hoặc phi tuyến

Phân loại

Trang 47

2.1.3 Biến đổi tín hiệu

Lấy đầu ra của phần tử cảm biến và chuyển đổi nó thànhmột dạng phù hợp hơn để xử lý thêm, thường là một điện áp

DC, dòng điện DC hoặc tín hiệu tần số

Điện áp: 0-10V Dòng điện: 4-20mA

Nhiệm vụ

Trang 48

•Cầu lệch : chuyển đổi một thay đổi trở kháng thành một thay đổiđiện áp

Ví dụ

Bộ chuyển đổi điện trở ra điện

ADTEK AT-PM (0~100.0kΩ, 3 wire

Dải đầu vào: 0Ω~50.0Ω/~2.0KΩ

0Ω~2.0KΩ/~100.0KΩ Đầu ra: Một trong các dải 0~5V /

0~10V / 1~5V / 2~10V / 4~20mA /

0~20mA thay đổi bằng switch

Trang 49

• Bộ khuếch đại: khuếch đại millivolts đến volt

• Oscillator: chuyển đổi một thay đổi trở kháng thành một điện ápbiến đổi tần số

Ví dụ

Trang 50

Trang 51

Trang 52

2.1.5 Biểu diễn dữ liệu

Trình bày giá trị đo được ở dạng có thể dễ dàng nhận ra bởingười quan sát Ví dụ là:

• Chỉ thỉ pointer–scale đơn giản

•

Trang 53

• Máy ghi biểu đồ

MÁY GHI BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ- ĐỘ ẨM

Extech RH520A Máy ghi dữ liệu biểu đồ thông minh

Cs-instruments DS 500 (0500 5000)

Trang 54

• Hiển thị chữ và số

Công tơ điện

tử,Thiết bị đo công

suất 100A, đồng hồ

điện tử hiển thị 6

thông số

Trang 55

• Visual display unit (VDU)

Trang 56

2.1.6 Ví dụ về hệ thống đo lường

“Principle of Mesuarement 20th pages”

Trang 57

2.2 Đặc điểm hệ thống đo lường

2.2.1 Dải

Phạm vi đầu vào I(input): IMIN tới IMAX

Phạm vi đầu ra O(output): OMIN tới OMAX

Trang 58

2.2.2 Khoảng cách

Khoảng cách là giá trị lớn nhất từ đầu vào hoặc đầu ra khoảng cách đầu vào: IMAX - IMIN

Khoảng cách đầu ra: OMAX - OMIN

Trong các ví dụ trên, bộ chuyển đổi áp suất có khoảng cách đầu vào 104 Pa và khoảng cách đầu ra 16 mA;

Cặp nhiệt điện có khoảng đầu vào 150 ° C và khoảng cách đầu

ra 6 mV

10 4

Pa mA

0 4

10

6

150

Trang 59

2.2.3 Đường thẳng lý tưởng

Phương trình :

Phương trình đường thẳng lý tưởng:

Do đó, đường thẳng lý tưởng cho bộ chuyển đổi áp suất trên là:

O = 16 × 10−7 I + 0.004

Đường thẳng lý tưởng xác định các đặc tính lý tưởng của mộtyếu tố Các đặc điểm không lý tưởng sau đó có thể được địnhlượng theo độ lệch so với đường thẳng lý tưởng

Trang 60

Trang 61

2.2.4 Độ nhạy

∆O / ∆I Nếu I→ 0 dO / dI,

đó là tốc độ thay đổi của O so với I

Đối với phần tử tuyến tính dO / dI bằng đến độ nghiêng hoặc độ dốc K của đường thẳng;

Bộ chuyển đổi p suất trên, độ nhạy là 1,6 × 10−3 mA / Pa

Đối với một phần tử phi tuyến tính dO / dI = K + dN / dI, tức là

độ nhạy là độ nghiêng hoặc độ dốc của đầu ra so với đặc tính đầu vào O (I)

Trang 62

2.2.4 Độ nhạy

 Đồ thị dưới biểu diễn độ nhạy của cặp nhiệt điện

 Độ nhạy khác nhau khi độ dốc khác nhau:

- với nhiệt độ: ở 100 ° C, nó xấp xỉ 35V /° C

- ở khoảng 200 ° C là 42V / ° C

Trang 63

2.2.4 Độ nhạy

Trang 64

Tiêu đề	Kỹ Thuật Đo Lường
Tác giả	Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa
Người hướng dẫn	Nguyễn Thị Thúy Hằng
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Khoa Điện- Điện Tử
Thể loại	Giáo Trình

Định dạng
Số trang	335
Dung lượng	15,29 MB