Xây dựng và đánh giá một số kỹ thuật đo lường

Tài liệu tham khảo:Xây dựng và đánh giá một số kỹ thuật đo lường

MỞ ĐẦU

Công nghệ đo lường là một trong những yếu tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại

và phát triển kinh tế xã hội, làm cơ sở thống nhất hoá các chuẩn mực và tiêu

chuẩn trong hệ thống quản lý chất lượng tiến tới ký kết các hiệp ước thừa nhận

lẫn nhau đang là xu thế phát triển tất yếu của thời đại Phát triển kỹ thuật và công

nghệ đo lường là nhiệm vụ bức thiết đối với mỗi quốc gia trong bối cảnh hiện

nay, góp phần tăng cường giao lưu sản phẩm hàng hoá và thúc đẩy quá trình phát

triển khoa học kỹ thuật công nghệ

Cùng với sự phát triển củacác ngành khoa học điện tử, tin học v.v… kỹ thuật

đo lường không ngừng được phát triển và ngày càng được ứng dụng rộng rãi

trong đào tạo và nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao chất lượng và mở rộng

qui mô đào tạo

Việt Nam là một trong những nước đang phát triển có nền kinh tế lạc hậu, do

vậy việc đầu tư phát triển khoa học kỹ thuật đo lường và các ngành khoa học

công nghệ mũi nhọn là việc làm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, cấp bách mang

tính chiến lược trong việc thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hoá và

hiện đại hoá nước nhà góp phần tăng cường sự quản lý của nhà nước về tiêu

chuẩn chất lượng trong toàn bộ nền kinh tế–xã hội, theo hệ thống tiêu chuẩn đo

lường chất lượng thống nhất trên toàn lãnh thổ

Trong hệ thống các Trường Đại học của cả nước, Trường Đại Học Nông

Nghiệp I Hà Nội có nhiệm vụ đào tạo cán bộ kỹ thuật và triển khai nghiên cứu

khoa học kỹ thuật công nghệ góp phần đáp ứng nhu cấu phát triển nông nghiệp

và hiện đại hoá nông thôn Việt Nam, tiến tới hoà nhập khu vực và quốc tế Trước

vận hội mới và thách thức mới của thời đại đòi hỏi trường phải có những bước

nhảy vọt trong khoa học kỹ thuật công nghệ giáo dục và đào tạo, trong đó cần bổ

xung và nâng cấp chiều sâu hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệp

Kết hợp giữa lý thuyết và thực hành không ngừng nâng cao chất lượng là mục tiêu

đào tạo của nhà trường Công tác đo lường thí nghiệm là nhu cầu tất yếu để tồn

tại và phát triển của trường trong thời gian hiện nay và trong tương lai

Trên cơ sở học tập kinh nghiệm của các cơ sở thực hành đo lường, dựa vào

các tài liệu có liên quan, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, Thạc Sĩ Ngô

Trí Dương trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo, Thạc Sỹ

Ngô Trí Dương trong quá trình thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn cán bộ phòng quản lý chất lượng nhà nước, các bạn sinh

viên đồng nghiệp Trường Đại Học Nông Nghiệp I đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi

trong quá trình thực hiện và hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm

Chuơng I

CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.1 Khái quát chung

Ở các nước tiên tiến khoa học kỹ thuật công nghệ đo lường phát triển đạt trình

độ cao đã hỗ trợ cho các ngành kinh tế phát triển làm tăng hiệu quả sản xuất và

nâng cao chất lượng sản phẩm Làm cơ sở phát khoa học công nghệ đo lường

điều khiển, công nghệ tự động hoá và phát triển các ngành khoa học kỹ thuật

công nghệ có hiệu quả

Một trong những yếu tố chiến lược phát triển khoa học công nghệ giáo dục là

phát triển ứng dụng kỹ thuật và công nghệ đo lường hiện đại theo các mô hình đo

lường có ứng dụng kỹ thuật vi sử lý và máy tính phục vụ cho đào tạo và nghiên

cứu trong hệ thống các trường Đại học

Kỹ thuật số đã cải thiện một bước đáng kể chất lượng đo lường Các phương

tiện đo được gọn nhẹ hơn, khả năng làm việc nhiều hơn, độ chính xác và độ tin

cậy các phép đo cao hơn, có tốc độ nhanh và ổn định hơn v.v…có khả năng kết

nối với các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy in v.v…

Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và các thiết bị ngoại vi ngày nay đã mở ra sự phát

triển vượt bậc trong kỹ thuật và công nghệ đo lường chiếm một tỷ lệ khá lớn so

với các lĩnh vực khác, hiện nay là phần tử quan trọng trong các hệ thống thông tin

đo lường và điều khiển

Hệ thống thông tin đo lường có ứng dụng kỹ thuật vi xử lý có tốc độ đo và xử

lý nhanh, cho phép thực hiện các phép đo tự động đồng thời nhiều kênh, độ tin

cậy và độ chính xác cao v v…được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động

phân loại sản phẩm Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật và trong quá trình điều khiển

tự động v.v…

Nhờ có hệ thống đo lường ứng dụng kỹ thuật vi xử lý người ta đã tạo ra các

thiết bị đo thông minh nhờ cài đặt vào chúng các bộ vi xử lý hay vi tính đơn

phiếm chúng có những tính năng hơn hẳn các thiết bị đo thông thường, có thể tự

xử lý và lưu giữ kết quả đo, làm việc theo chương trình, tự động thu thập số liệu

đo v.v…

1.2.Vai trò vị trí đo lường

Công tác đo lường là một trong những yếu tố quyết định sự tồn tại, phát triển của

đất nước nói chung và của trường ĐHNN I nói riêng trong tương lai Góp phần

nâng cao chất lượng đào taọ, phục vụ nghiên cứu khoa học, nghiên cứu triển khai,

nâng cao tiềm lực khoa học kỹ thuật công nghệ tiến kịp trình độ trong khu vực và

trên thế giới

Trường ĐHNN I coi công tác đo lường thực nghiệm và nghiên cứu khoa học là

nhiệm vụ quan trọng góp phần thực hiện mục tiêu chất lượng đào tạo của trường

Thực hành thí nghiệm là nội dung bắt buộc đối với mỗi sinh viên rất được trú

trọng trong công tác nghiên cứu triển khai và nghiên cứu khoa học của cán bộ và

nghiên cứu sinh trong trường

Đo lường thực nghiệm phục vụ đào tạo, nghiên cứu triển khai bao hàm nhiều lĩnh

vực Cơ Điện, môi trường đo như xác định: cơ, lý tính của đất, các chỉ tiêu sinh

học của thực, động vật, các chỉ tiêu môi trường, các chỉ tiêu máy móc thiết bị

v.v…được thực hiện thường xuyên ở càc bộ môn của các khoa, các trung tâm

chuyên ngành, các cơ sở thực hành của trường

Trong thời gian học tập sinh viên của khoa Cơ Điện phải hoàn thành một khối

lượng đo lường thực nghiệm trong thí nghiệm, thực hành khá lớn như ngành cơ

khí chiiếm 41%, ngành điện chiếm 40%, ngành công nghiệp và công trình nông

thôn 37%, đào tạo sau đại học và nghiên cứu sinh 12%, phục vụ đề tài nghiên cứu

25%

Để đáp ứng những nhu cầu trên trang thiết bị đo lưòng, đo lường Cơ Điện Nông

Nghiệp phải thoả mãn các nhu cầu sau:

- Phục vụ mục tiêu đào tạo của khoa Cơ Điện

- Phục vụ nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao kỹ thuật công nghệ tiến tới

hoà nhập trong khu vực

- Phục vụ công tác nghiên cứu triển khai trong thiết kế chế tạo và thử nghiệm các

mẫu máy, thiết bị Cơ Điện sử dụng trong sản suất nông nghiệp và chế biến nông

sản

- Tham gia xác định các thông số của hệ thống điện phục vụ cho quy hoạch tổng

thể, các chỉ tiêu kinh tế của lưới điện nông nghiệp hiện tại và trong tưong lai

- Phục vụ công tác nghiên cứu tiết kiệm và sử dụng các dạng năng lượng trong

nông nghiệp và chế biến nông sản

- Kiểm tra tình trang kỹ thuật của ôtô, máy kéo

- Kiểm tra thử nghiệm các trang thiết bị điện trên ôtô, máy kéo

- Đo lường các đại lượng vật lý phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học của

nhà trường

Têu chuẩn hoá công tác đo lường thực nghiệm theo pháp luận của nhà nước, tham

gia quản lý chất lượng, kiểm định và đánh giá sản phẩm Nông nghiệp

Hệ thống trang thiết bị đo lường thử nghiệm của khoa Cơ Điện phải mang tính

đồng đều, thuận lợi có tính năng kỹ thuật phù hợp không những cho đào tạo mà cả

cho công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường có khả

năng nối ghép với các thiết bị ngoại vi v.v… Đào tạo và bổ sung đội ngũ cán bộ

kỹ thuật đủ mạnh và công tác quản lý sử dụng có hiệu quả

1.3 Hiện trạng trang thiết bị đo lường cơ điện

Hệ thống trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện đang được sử dụng chủ yếu

dựa trên mô hình đo lường tương tự (hình 1.1) để đo các đại lượng cơ học như

kéo, nén, xoắn v.v… các đại lượng điện như: Ι, U, P v.v… các đại lượng môi

trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất v v… Đo lường thử nghiệm trang thiết bị

điện trên ôtô, máy kéo

Được trang bị từ năm 1960 hầu hết các thiết bị đều của Liên Xô cũ và được bổ

xung vào những năm 1980 và năm 1985 Mặc dù các thiết bị đã được nhiệt đới

hoá xong, cho đến nay hầu hết đều đã bị hư hỏng hoặc qua sửa chữa

Tổ chức quản lý và sử dụng các trang thiết bị trên chủ yếu ở các bộ môn chuyên

ngành và bảo quản theo các phòng thí nghiệm

1.3.1 Phòng thí nghiệm kim loại – sửa chữa – Trực thuộc bộ môn kim loại sửa

chữa

Phòng có các thiết bị máy móc như sau:

Thiết bị đo độ bóng, độ cứng bề mặt của các chi tiết

Thiết bị tôi cao tần

Lò nung nhiệt độ cao

Kính hiển vi quang học

Một số dụng cụ đo phục vụ cho công tác sửa chữa

Các thiết bị trên một số bị hư hỏng, một số còn lại chất lượng không đảm bảo

không thể đáp ứng được công tác đào tạo của khoa

1.3 2 Phòng thí nghiệm sức bền vật liệu –Trực thuộc bộ môn Cơ học kỹ thuật

được trang bị:

Máy đo lực kéo, nén

Máy đo mômen quay

Một số dụng cụ đo chuyên dùng phục vụ cho các bài thí nghiệm đo ứng suất, biến

dạng của vật liệu khi tiến hành thí nghiệm

Phòng thí nghiệm kỹ thuật điện –Trực thuộc bộ môn Cơ sở Kỹ thuật điện, phục

vụ chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện, máy móc thiết bị rất đa dạng, nhiều

chủng loại Có thể phân thành các nhóm:

Máy biến áp đo lường các loại

Các dụng cụ đo: A, V, P, Hz v.v…

Các dụng cụ mẫu

Các thiết bị và dụng cụ trên có độ chính xác thấp, không còn đồng bộ và rất lạc

hậu Hiện nay phòng thí nghiệm chỉ phục vụ công tác thực tập và thí nghiệm của

sinh viên mang tính chất cơ bản không thể thiếu trong đào tạo

1.3.3 Phòng thí nghiệm cung cấp và sử dụng điện–Trực thuộc Bộ môn cung cấp

điện, phòng phục vụ thực tập chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện

Máy biến áp đo lường

Các dụng cụ đo:A, V, P, Hz v.v…

Các dụng cụ mẫu

Máy hiện sóng

Thiết bị tự ghi

Thiết bị đo, đếm các thông số đường dây cao và hạ áp

Thiết bị đo chuyên dùng trong mạch đo lường bảo vệ

Hiện nay hầu hết các thiết bị trên đều bị hư hỏng hoặc quá lạc hậu gặp rất nhiều

khó khăn trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

1.3.4.Phòng thí nghiệm Ôtô, máy kéo-Trực thuộc bộ môn ôtô, máy kéo, được

trang bị:

Hệ thống kiểm tra và chuẩn đoán kỹ thuật động cơ ôtô, máu kéo

Hệ thống kiểm tra các trang thiết bị điện trên ôtô và máy kéo

Thiết bị kiểm tra cung cấp nhiên liệu

Thiết bị kiểm tra hệ thống đốt cháy

Các dụng cụ đo chuyên dùng: V, A, N, v.v…

Hiện nay hầu hết trang thiết bị trên đều hư hỏng hoặc đã qua sửa chữa, chỉ đáp

ứng được một phần nhỏ công tác thực tập của sinh viên

1.3.5.Phòng thực tập Thuỷ lực- Trực thuộc Bộ môn Máy nông nghiệp, phòng

được trang bị:

Thiết bị đo áp suất

Thiết bị đo lưu lượng

Thiết bị đo vận tốc

Một số thiết bị phục vụ cho công tác khảo nghiệm Máy nông nghiệp

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Có thể mô tả hiện trạng trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện theo sơ đồ

hình1.1

Hầu hết các trang thiết bị đều thuộc mô hình đo lường tương tự, các thiết bị đo

chủ yếu là loại cơ điện trong vùng thông số ổn định (tần số, biên độ v.v…) không

thích ứng với công tác nghiên cứu khoa học, phần lớn đến nay đã lỗi thời hoặc

qua sửa chữa nhiều lần không đáp ứng được nhu cầu hiện nay

Việc trang bị và nâng cấp hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệp

của Khoa Cơ Điện sẽ đáp ứng đầy đủ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học

và nghiên cứu triển khai của khoa Đáp ứng được công tác đo lường kiểm tra chất

lượng tiến tới tham gia vào hệ thống tiêu chuẩn đo lường chất lượng nhà nước,

tham gia quản lý chất lợng, kiểm định và đánh giá sản phẩm nông nghiệp Tăng

cường giao lưu kỹ thuật công nghệ với các nước trong khu vực và trên thế giới

HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG CƠ ĐIỆN

Trang thiết bị đo lường

Hệ thống trang thiết

bị đo lường khoa Cơ

Hình 1.1 Thiết bị đo khoa cơ điện

1.4 Kết luận:

Qua những phân tích đánh giá về hiện trạng, xu thế phát triển, tầm quan trọng

và nhiệm vụ của công tác đo lường trong việc nghiên cứu khoa học cho thấy “xây

dựng và đánh giá dụng cụ đo lường trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật đo

lường” là hoàn toàn đúng đắn và kịp thời phù hợp mục tiêu hiện đại hoá và công

nghiệp hoá nền sản xuất nông nghiệp nói riêng và xu thế hội nhập kinh tế toàn

cầu

1.5 Hệ thống đơn vị đo lường và dẫn xuất chuẩn

Việc thành lập các đơn vị, thống nhất đơn vị đo lường là một quá trình lâu

dài, biến động Việc xác định đơn vị, tổ chức đảm bảo đơn vị tổ chức kiểm tra,

xác nhận mang tính khoa học, kỹ thuật, tổ chức và pháp lệnh

Việc thống nhất quốc tế về đơn vị, hệ đơn vị v.v… mang tính chất hiệp

thương và qui ước

Tổ chức quốc tế về đo lường học đã họp nhiều lần để thống nhất quốc tế về

các đơn vị, hệ đơn vị và mẫu quốc gia và quốc tế về những đại lượng cơ bản, cho

đến nay vấn đề đơn vị cơ bản, hệ thống đơn vị, các mẫu cơ bản và yêu cầu về các

mẫu cơ bản cũng đã thống nhất với trình độ hiện nay

Hệ thống đơn vị đựơc thống nhất hiện nay là hệ thống thống nhất quốc tế SI

Hệ thống này chấp nhận những đơn vị cơ bản làm cơ sở để suy ra các đơn vị dẫn

xuất khác, có bảy đại lượng được coi là đơn vị cơ bản:

Bảng 1.1

4 đơn vị đầu tiên là cơ bản nhất vì vậy hệ SI còn gọi là hệ MKSA hợp lý hoá

Nước ta, theo nghị định 186/CP ký ngày 26 tháng 12 năm 1964, nhà nước Việt

Nam công nhận và quy đinh hệ SI là hệ đơn vị hợp pháp của nước Việt Nam

Nghị định còn quy đinh các đơn vị dẫn suất dùng thống nhất trong nước Gồm

102 đơn vị cho 72 đại lượng vật lý

Hệ thống đơn vị đo lường quốc tế SI ra đời vào năm 1954 và được bổ xung hoàn

chỉnh năm 1960 đã hơn hẳn các hệ thống cũ như : Hệ mét, hệ CGS, hệ MTS

v.v…[8], [9]

Để đảm bảo tính thông nhất trong đo lường trên toàn quốc pháp lệnh về đo

lường của Nhà nước Việt Nam đã quyết định các đơn vị tiêu chuẩn Việt Nam phù

hợp với hệ đơn vị đo lường quốc tế SI theo Bộ tiêu chuẩn quốc tế của Tổ chức

tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO-31 với các đơn vị cơ bản (bảng1.1)

Các đơn vị đo lường được lượng hoá thông qua các đơn vị chuẩn có độ chính

xác cao mà khoa học có thể thực hiện được [8] Dựa trên các đơn vị cơ bản này

người ta đã đưa ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đon vị vật lý [8], [2], [5], sự

liên quan giữa đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn suất dưạ trên những quy luật thể hiện

bằng những công thức

Ở Việt Nam chuẩn chuẩn Quốc gia do tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất

lượng quy định chế độ quản lý, đồng thời là cơ quan quản lý nhà nước về công tác

đo lường [8] Định kỳ các chuẩn quốc gia được đem so sánh với chuẩn quốc tế để

luôn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của đơn vị đo

Chuẩn quốc tế: là chuẩn được hiệp định quốc tế công nhận làm cơ sở ấn định

giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên pham vi toàn thế giới

[9] do Viện cân đo Quốc tế (BTPM) quản lý

Chuẩn Quốc gia : là chuẩn có chất lương cao nhất được một Quốc gia công

nhận để làm cơ sở ấn định cho các chuẩn khác có liên quan trong một nước [8] Ở

Việt nam các chuẩn quốc gia được lưu giữ tại Trung tâm đo lường và tiêu chuẩn

Quốc gia

Chuẩn chính: là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể

ở một địa phương hoặc một tổ chức nào đó mà phép đo ở đó đều được dẫn xuất từ

chuẩn này [ 8 ],[ 9 ]

Chuẩn công tác: là chuẩn được dùng thường xuyên để kiểm tra hoặc hiệu

chỉnh vật đo, các phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn, có thể phân loại chuẩn theo sơ

đồ (phụ lục)

Chuẩn Quốc tế và chuẩn Quốc gia được truyền tới các chuẩn thấp hơn thường

được thực hiện một cách hệ thống theo kiểu mắt xích liên tục không gián đoạn

đến các chuẩn công tác, các sản phẩm, đến các thiết bị đo lường v v…(phụ lục)

Các chuẩn đo lường được định kỳ kiểm tra và hiệu chuẩn theo sơ đồ hiệu

chuẩn (phụ lục) [8 ], [9 ]

1.6 Mô hình quá trình đo lường

Thông qua nguyên lý đo và phương tiện đo các đại lượng vật lý cần đo được

xác định chính xác về mặt định lượng và được thể hiện kết quả bằng số so với đơn

vị chuẩn của đại lượng cần đo kết quả đo được thể hiện bằng con số so với đại

lượng đo của nó Sau đây là một số các mô hình đo lường cơ bản

1.6.1 Mô hình đo lường tương tự

Mô hình tương tự với tín hiệu đo là những đại lượng liên tục (analog), phép đo chỉ

thực hiện với tốc độ đo thấp, mắc sai số lớn v v…

Hình 1.2 Mô hình đo lường Analog

1 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC);

2 Mạch đo ( MĐ)

3 Cơ cấu chỉ thị tương tự

4 Cơ cấu tự ghi cơ điện

5 Máy hiện sóng

6 Thiết bị phối hợp phía sau (TBPH)

Tín hiệu cần đo sau khi qua khâu chuyển đổi sơ cấp 1 (có thể là điện hoặc cơ

điện) được biến đổi thành tín hiệu điện tương tự Y1 tới mạch đo 2 thành tín hiệu

tương tự thống nhất hoá Y2, tín hiệu Y2 được đưa tới cơ cấu chỉ thị 3, cơ cấu tự

ghi 4 và máy hiện sóng 5 hoặc các thiết bị phối hợp 6 ở phía sau

Với phương pháp chia cũ các vạch độ được chia đánh dấu trên mặt dụng cụ,

đó là qui ước của con người được thực hiện một cách tự nhiên mang yếu tố chủ

quan, quá trình đo chậm, tốc độ thấp Thuận lợi trong đo lường trong thực hành,

kiểm tra và trong công nghiệp

1.6.2 Mô hình đo lường A/ D

Quá trình đo lường thực hiện theo phương pháp biến đổi thẳng Đại lượng cần đo

X được đưa qua khâu biến đổi biến thành các số N trên cơ sở so sánh với đơn vị

của đại lượng đo X0 , cũng được biến đổi thành số N0 và được nhớ lại Kết quả

được đọ c trực tiếp bằng các số chỉ trên bảng chỉ thị, sơ đồ khối nguyên cho ở

hình1.3

Hình 1.3 Mô hình đo lường A/ D

1 Chuyển đổi sơ cấp;

2 Mạch biến đổi thống nhất hoá (BĐTNH)

3 Bộ biến đổi tương tự số (Analog-Digital)

4 Chỉ thịu kiểu số

5 Bộ nhớ (BN)

6 Máy tính (PC)

Quá trình đo thực hiện ở khâu 1 và 2 diễn ra giống mô hình đo tương tự, tín

hiệu thống nhất hoá I2 được đưa tới bộ biến đổi tương tự số (A/ D), tín hiệu Y3

đưa tới các bộ chỉ thị số 4, bộ nhớ số 5 và thiết bị thể hiện 6 Quá trình đã thực

hiện phép ánh xạ đại lượng cần đo X (hay đại mẫu X0) là một hàm liên tục sang

5

4

6

Y 3

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Sơ đồ phối hợp các thao tác đo lường A/ D cơ bản trên hình 1.4 Thao cơ bản

của quá trình đo bao gồm 4 bước chính sau:

Hình 1.4 Sơ đồ phối hợp thao tác mô hình đo lường A/D Bước 1: Đưa đại lượng mẫu vào thiết bị đo mã hoá thành tập hợp số N0

Bước 2: Bộ nhớ N0

Bước 3: Đưa đại lượng cần đo X vào thiết bị đo và mã hoá thành tập hợp số N

Bước 4: So sánh tập số N/ N0, đưa kết quả ra bằng số

Ứng dụng kỹ trhuật số trong phép đo cho phép rút ngắn thời gian đo, tăng độ

chính xác và độ tin cậy của kết quả, mở rộng vùng tham số đo (biên độ,tần số )

1.6.3 Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý

Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý giới thiệu ở hình 1.5 đánh dấu một bước

phát triển của kỹ thuật và công nghệ đo lường, ngoài các tính năng đo nhanh, độ

chính xác cao vv có thể thực hiện dễ dàng việc biến đổi, xử lý tín hiệu và tự

động hoá quá trình đo Là cơ sở để xây dựng hệ thông tin đo lường

Y2

6ĐK

μPKĐTNH

TBGN

X(t)

32

Hình 1.5 Mô hình có sử dụng vi sử lý

1 Chuyển đổi sơ cấp; 2 Mạch khuếch đại thống nhất hoá (TNH); 3 Bộ biến đổi

A/D; 4 Bộ vi xử lý; 5 Chỉ thị số (CTS); 6 Hệ thống điều khiển (HĐK); 7 Thiết

bị ghép nối (TBGN)

Tín hiệu đo sau khi chuyển đổi sơ cấp 1 là tín hiệu tương tự Y1, qua bộ

khuếch đại thống nhất hoá 2 được Y2, tín hiệu tương tự chuẩn hoá Y2 (dòng từ o

đến 24mA hoặc từ o đến 10 V) sau đó qua bộ biến đổi tương tự số 3 (A/ D)

thành tín hiệu số đưa vào bộ vi xử lý 4 (μp) Để điều khiển bộ (μp) dùng bộ phát

xung nhịp lấy từ bộ điều khiển 6 Thiết bị ghép nối vào ra 7 cho phép đưa thông

tin ra màn hình hay máy in, hoặc lấy tín hiệu điều khiển từ bàn phím, kết quả đo

được đưa tới cơ cấu chỉ thị số 5

1.7 Mô hình hệ thống thông tin đo lường

Hệ thống thông tin đo lường được định nghĩa là một tập hợp đầy đủ các

phương tiện đo và các thiết bị khác liên kết lại để thực hiện những phép đo nhất

định Trong hệ thống đo vi xử lý làm nhiệm vụ thu thập số liệu và thực hiện hàng

loạt các vấn đề như: phân lớp, xác định các chế độ đo, các đại lượng cần đo, phạm

vi đo, trình tự đo, tìm ra các hệ số hiệu chỉnh và tự động xử lý kết quả đo trên máy

vi tính mà các phép đo trước kia không thể thực hiện được

Sơ đồ chung một hệ thống thông tin đo lường hình 1.6

Hình 1.6 Hệ thống thông tin đo lường

Tín hiệu từ các bộ cảm biến (S) được đưa qua các chuyển đổi chuẩn hoá

(C.Đ.C.H) đến các bộ kênh (MUX) tới bộ tích giữ mẫu (S/H), sau đó tín hiệu

chuyển tới bộ khuyếch đại (KĐ) tới bộ chuyển đổi tương tự số (A/D) Trong hệ

thống sử dụng vi sử lý (μP) để thực hiện các nhiệm vụ như: Xử lý thống kê, nén

thông tin, thực hiện các phép biến đổi vi xử lý kết hợp với các bộ nhớ cố định

ROM và bộ nhớ thay đổi RAM các thông tin sau ADC được trao đổi với μP thông

qua kênh BUS, đồng thời qua BUS điều khiển μP có thể điều khiển tất cả các

khâu trong hệ thống ở đầu ra tín hiệu có thể nối với các đối tượng khác như: Máy

phát tín hiệu, máy điều khiển [1]

Hệ thống thông tin đo lường thể hiện bước phát triển nhảy vọt trong kỹ thuật

và công nghệ đo lường không những khắc phục các nhược điểm và phát triển các

ưu điểm của các mô hình đo lường trước mà còn cho phép đo được nhiều kênh

trong cùng một thời gian, truyền đi xa được ứng dụng rộng rãi trong đo

lường-điều khiển tự động, trong nghiên cứu khoa học

1.7.1.Hệ thống đo lường độc lập

Được sử dụng để đo một đại lượng vật lý nào đó cho ra chỉ thị kết quả hoặc báo

hiệu, có thể mô tả sơ đồ khối như hình 1.7

Hình 1.7 Mô tả hệ thống thông tin đo lường đập lập

Hệ thống thông tin đo lường độc lập về cơ bản quá trình đo cũng giống như

mô hình đo lường A/D (1.6.2), chỉ khác hệ thống có thêm đầu ra Analog để phục

vụ cho mục đích sử dụng ở phía sau: Điều khiển nhờ trên băng từ hoặc trên đĩa

vv

1.7.2 Hệ thống đo lường nối tiếp

Là hệ thống mà các đại lượng cần đo được truyền lần lượt trên một kênh duy

nhất tới thiết bị thể hiện và bộ nhớ hoặc các thiết bị phía sau Sơ đồ khối hình 1.8

Hình 1.8 Hệ thống thông tin đo lường nối tiếp Trong sơ đồ tín hiệu tương tự của cảm biến (S) qua khuếch đại thống nhất

hoá (KĐTNH) tới bộ phân kênh (PK), tại đây các đại lượng đo lần lượt được

truyền tới bộ thu thập và xử lý thông tin (TTXL) trên một kênh duy nhất sau đó

được đưa tới thiết bị thể hiện (CT) hoặc thiết bị nhớ (TBN) Tín hiệu sau bộ nhớ

PK TT và XL

tbn

cts ĐK

Người quan sát

có thể được gửi đi xử lý tiếp Nếu sử dụng bộ chỉ thị kiểu hiện số thì trước nó cần

có bộ chuyển đổi tương tự số

Để điều khiển hệ thống làm việc có sử dụng hệ điều khiển, hệ điều khiển có

thể được cài đặt theo một trương trình Angorit đã định trước hoặc trực tiếp do

người sử dụng

Trong trường hợp các chuyển đổi chuẩn hoá cùng loại và có cùng một thang

đo thì có thể dùng chung một chuyển đổi chuẩn hoá khi có bộ phân kênh được

đưa về phía trước của chuyển đổi chuẩn hoá

Hệ thống đo nối tiếp có cấu tạo đơn giản, giá thành hợp lý đòi hỏi tốc độ đo

và phân kênh cao, phù hợp cho các quá trình đo chậm, ở vùng có tần số thấp, độ

tin cậy không cao, mắc sai số lớn

1.7.3 .Hệ thống đo lường song song

Hệ thống đo lường song song cho phép đo đồng thời các đại lượng cần đo

trong thời điểm bất kỳ tới các cảm biến (S) khác nhau, các tín hiệu được truyền

trên kênh thông tin không ảnh hưởng lẫn nhau

Sơ đồ nguyên lý hình 1.9

Hình 1.9 Hệ thống thông tin đo lường song song Các tín hiệu đo sau khi qua chuyển đổi chuẩn hoá đều được đưa tới bộ thu

thập thông tin (TTDL), từ đây tín hiệu được dẫn tới bộ xử lý thông tin trung tâm

(XLTT) bằng các tiến hiệu (khoảng cách thích hợp nhỏ hơn 2km) Bộ xử lý trung

S1

S2

Sn

KĐTNH1 KĐTNH2

KĐTNH3

T.B.N

cT số

Người quan sátt.t.d.l (cpu)xltt

Bộ ghép nốithông tinCác thiết bị ngoài

tâm thực hiện các chức năng đưa ra những tín hiệu cần thiết cho các thiết bị phía

sau phối hợp Điều khiển hệ thống có thể theo một trương trình sẵn hoặc trực tiếp

Hệ thống đo lường song song đảm bảo phép đo có độ tin cậy cao, các tín hiệu

được truyền đi song song với nhau nên không phụ thuộc lẫn nhau, nhưng đòi hỏi

cần có biện pháp chống nhiễu giữa các kênh tốt Nhưng có nhược điểm là số

lượng dây quá lớn, cồng kềnh và giá thành cao

1.7.4 Hệ thống đo lường hỗn hợp

Hệ thống đo lường hỗn hợp là tổng hợp của hai hệ thống đo nối tiếp và song

song Hệ thống đo lường này cho phép tác động nhanh với các tín hiệu đo, đo

được nhiều đại lượng cùng một lúc và hạn chế được nhược điểm riêng rẽ của các

loại trên

Hiện nay các tổ hợp đo lường đã ra đời và dần dần thay thế các phương tiện

đo lường cũ, hệ thống đo lường càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực

như tự động điều khiển quá trình sản xuất, tự động kiểm tra chất lượng sản phẩm,

tự động hiệu chuẩn các phương tiện đo

Hệ thống đo lường là tập hợp các phương tiện được liên kết với nhau để thực

hiện một phép đo nhất định Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật, hệ thống tự động

kiểm tra sản phẩm, hệ thống tự động hiệu chỉnh phương tiện đo

Với ứng dụng của kỹ thuật vi tính, kỹ thuật điện tử và tự động hoá các hệ

thống thông tin đo lường dần dần được hoàn thiện, càng ngày càng chiếm ưu thế

và được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân, chất lượng của phép

đo không ngừng được cải thiện

Trong tương lai các nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật công

nghệ mới không ngừng được nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thông đo,

các phương tiện đo gọn và nhẹ hơn

1.8 Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo

Để chọn đúng phương tiện đo cho ứng dụng cụ thể hãy xây dựng hệ thống

trang thiết bị đo cần có sự hiểu biết tốt về cấu trúc và các đặc tính của chúng cũng

như những căn cứ về kỹ thuật và công nghệ để đáp ứng yêu cầu và mục đích sử

dụng

Ngày nay các phương tiện đo lường có ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số

và vi xử lý đang chiếm ưu thế trong các phép đo và đang được ứng dụng rộng rãi

trong mọi lĩnh vực, trong sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật công nghệ

Công nghệ đo lường hiện nay gồm các thiết bị chính: Chuyển đổi sơ cấp,

chuyển đổi chuẩn hoá, hệ thống thu thập dữ liệu đa năng (loại kênh dẫn hoặc

không dây), bộ vi xử lý với máy tính và phần mềm ứng dụng (thu thập số liệu,

phân tích và tự động xử lý số liệu) thực hiện theo các mô hình đo lường đã nghiên

cứu ở mục 1.6

Nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả phương tiện đo trong các phép đo có ý

nghĩa quyết định trong công tác đo lường và là yếu tố cơ bản nhất để có được kết

quả đo theo mong muốn

1.8.1 Độ tin cậy của thiết bị đo

Độ tin cậy của phương tiện đo lường giữ một vai trò quan trọng trong việc

cấu thành phương tiện đo đó Độ tin cậy của phương tiện đo phụ thuộc vào nhiều

yếu tố và luôn được thể hiện trong quá trình đo các đại lượng khác nhau

Thông thường độ tin cậy của thiết bị đo được xác định bởi khả năng làm việc

tin cậy của phương tiện trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian qui

định và phụ thuộc tính chất nội tại của phương tiện đo:

-Trình độ kỹ thuật công nghệ của nhà sản xuất

-Độ tin cậy của các linh kiện, các phần tử trong phương tiện đo

-Các dụng cụ đo được chế tạo có kết cấu đơn giản hay phức tạp

-Điều kiện làm việc của phương tiện đo có phù các tiêu chuẩn hay điều kiện cho

phép hay không của nhà chế tạo

-Trình độ hiểu biết và kỹ năng thực hành của người sử dụng

Do vậy để nâng cao độ tin cậy của phương tiện đo cần có những biện pháp

tích cực trong thiết kế chế tạo, trong quản lý sử dụng và trong vận hành phải quan

tâm tới các yếu tố như điều kiện môi trường, đào tạo cán bộ và nhân viên lành

nghề Duy trì đều đặn chế độ bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ

1.8.2 Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo

1.Sai số của phương tiện đo

Các đại lượng cần đo đều có một giá trị thực của nó, đó là giá trị phản ánh

thuộc tính của đối tượng đã cho phù hợp với đối tượng đã cho về số lượng và chất

lượng Giá trị thực không phụ thuộc vào phương pháp đo, phương tiện nhận biết

chúng, đó là giá trị mà phép đo cố gắng đạt được

Kết quả đo là sản phẩm của trình độ nhận thức, nó không những phụ thộc vào

bản thân đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Phương pháp đo,

phương tiện đo, người đo, điều kiện môi trường thực hiện phép đo

Một trong những đặc trưng kỹ thuật cơ bản của các phương tiện đo là sai số

của thiết bị phải đảm bảo duy trì trong thời gian xây dựng, sai số của phương tiện

đo thể hiện dưới các dạng sau:

a Sai số hệ thống

Là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn không đổi hay thay đổi có

quy luật sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

b 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 (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ) sai số này còn gọi là sai số phụ

Tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác Cấp

chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Người

ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của

dụng cụ đo đó

% 100

*

%

N

m n

X

Δ

=

γ (1-1) Trong đó: XN- là giá trị cực đại của thang đo

Δm- là sai số tuyệt đối cực đại

γn- là sai số ngẫu nhiên tính theo %

2 Độ nhạy của phương tiện đo

Độ nhạy cho biết khả năng làm việc của phương tiện đo đối với đại lượng cần

đo Phương tiện đo có độ nhạy càng cao càng tốt Đặc trưng cho độ nhậy của

phương tiện đo là ngưỡng nhậy của phương tiện cho biết khả năng mà thiết bị có

thể phân biệt được giá trị nhỏ nhất của đại lượng đo

Y

X S

Δ

Δ

= (1-2) Trong đó: S – là độ nhạy

ΔX – là sự thay đổi của đại lượng vào

ΔY – là sự thay đổi của đại lượng ra

Ngưỡng nhạy được xác định:

Khi ΔY= 0 thì ΔX tiến tới một giá trị α (ΔX = α)

Nếu S không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính Lúc đó thang đo

sẽ được khắc độ đều

3 Công suất tiêu thụ của phương tiện đo

Trong các thiết bị đo hạn chế công suất tiêu hao trên phương tiện là điều kiện

hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn: Tăng khả năng làm việc của thiết bị, kéo

dài tuổi thọ, tăng độ chính xác của kết quả đo

Hiện nay trong công nghệ đo nhờ áp dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công nghệ

chế tạo các phương tiện đo có tổn hao cực kỳ nhỏ

4 Độ 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 tự thời gian này khoảng 4s Đối với dụng cụ số

có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong một giây

Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh hơn nhiều Mở ra khả

năng thực hiện các phép đo lường thống kê

5 Thời gian đo của thiết bị đo

Thời gian đo của thiết bị đo cho biết độ tác động nhanh của phương tiện đo,

được xác định bằng thời gian để xác lập kết quả trên cơ cấu chỉ thị Thời gian đo

(Tđo) được tính từ lúc đặt tín hiệu cần đo (To) vào phương tiện đo đến khi ổn

định đưa kết quả trên cơ cấu chỉ thị (Tođ) Trong phép đo người ta quan tâm tới

tốc độ, được xác định:

Tđo=Tođ-To (1-3)

Tốc độ đo nhanh cũng rất cần trong các phương tiện đo phân kênh hay nối

tiếp Nay do ứng dụng kỹ thuật điện tử, vi xử lý và máy tính có thể đáp ứng được

tốc độ đo nhanh đến micrô giây và nhanh hơn

1.8.3 Cấu trúc cơ bản của phương tiện và hệ thống đo lường

1 Mô tả cấu trúc

Về cơ bản cấu trúc của phương tiện đo lường có thể mô tả theo hình 1.10 và 1.11

Hình 1.10 Mô tả cấu trúc phương tiện đo lường Đại lượng cần đo được đưa trực tiếp tới đầu vào chuyển đổi sơ cấp (CĐSC)

của thiết bị đo, ở đầu ra của chuyển đổi Y1 có thể là dòng điện hay điện áp tới

mạch đo (MĐ) để xử lý, gia công được Y2 chuyển tới cơ cấu chỉ thị kết quả

(CCCT)

Để đo được nhiều thông số trong cùng một thời gian và thực hiện đồng thời

nhiều thao tác như đo với tốc độ nhanh, có thể lưu giữ, quan sát người ta thường

sử dụng hệ thống đo lường có cấu trúc nhiều đầu vào (hình 1.11) Các đại lượng

cần đo qua các cảm biến (S) được biến đổi thành đại lượng điện tương ứng và

được gửi tới đầu vào của bộ thu thập giữ liệu 2 Tại đây tín hiệu được xử lý, gia

công hoặc có thể lưu giữ, đầu ra của 2 tín hiệu đưa tới bộ biến đổi A/D 3 và tới

máy tính 4 để quan sát, lưu giữ và gia công kết quả

S1

PC A/D

Sn S2 TTDL

4 3

2

1

Hình 1.11 Mô tả cấu trúc hệ thống đo lường 1.Các sensor(S); 2 Bộ thu thập dữ liệu(TTDL)

3 Bộ biến đổi tương tự-số; 4 Máy tính (PC)

Điều khiển quá trình có thể trực tiếp hoặc bằng bàn phím thông qua giao điện

(interface)

2 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC)

Chuyển đổi sơ cấp có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo là điện

hoặc không điện ở đầu vào thành các đại lượng điện tương thích (dòng hoặc áp) ở

đầu ra, phương trình mô tả chuyển đổi có dạng:

Y=f(x) Trong đó: x – là đại lượng không điện cần đo

Y – là đại lượng điện sau chuyển đổi

Phương trình mô tả trên có thể là tuyến tính hay phi tuyến tuy nhiên trong kỹ

thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi có quan hệ tuyến tính với

mục đích nâng cao độ chính xác của phép đo

Thực tế tiến hiệu Y ở đầu ra của chuyển đổi không những chỉ phụ thuộc vào

đại lượng x mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài z, khi đó phương trình mô

tả có dạng:

Y=f(x,z) Các chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bọc bảo vệ có hình dáng rất

khác nhau phù hợp với chỗ đặt để đo các đại lượng vật lý x cần đo được gọi là

Sensor (hay đầu đo, cảm biến) Các Sensor được chế tạo riêng rẽ đơn chiếc hoặc

được chế tạo hợp bộ với các thiết bị đo hay hệ thống đo lường

Khi chế tạo các chuyển đổi người ta thường quan tâm các đặc tíh cơ bản sau:

-Khả năng thay thế và lắp lẫn của các chuyển đổi

-Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị

-Đường cong của chuyển đổi phải ổn định không thay đổi theo thời gian

-Tín hiệu ra chuyển đổi thường đặt thống nhất (chuẩn) hoá đảm bảo thuận tiện

cho việc ghép nối vào các máy đo điện tử, hệ thống đo hay máy tính

-Sai số của các chuyển đổi đảm bảo nhỏ nhất để nâng cao độ chính xác của các

chuyển đổi sơ cấp, đồng thời nâng cao độ chính xác của các phép đo hay dụng cụ

đo

-Độ nhạy của các chuyển đổi thích hợp cho các ứng dụng phản ánh được với các

biến động đủ nhỏ của tín hiệu đầu vào trong dãi đo

-Đặc tính động của chuyển đổi sơ cấp cho biết khả năng cho tín hiệu ra khi có tín

hiệu ở đầu vào, trong thời gian ngắn nhất phải được chọn phù hợp với yêu cầu của

thí nghiệm

1.8.4 Tuyến tính hoá đặc tính cảm biến

Trong quá trình đo cảm biến cần phản ánh đúng đặc tính của các đại lượng

cần đo X theo quan hệ đơn trị X=f(Y) Điều này khó có thể thoả mãn, phần lớn do

các chuyển đổi cấu tạo nên cảm biến có đặc tính phi tuyến hoặc chịu tác động của

nhiều yếu tố ảnh hưởng với các nguồn gốc khác nhau

Có thể khắc phục các nhược điểm trên dựa vào các thành tựu khoa học kỹ

thuật công nghệ điện tử và tin học hiện đại Một số các hướng phổ biến là:

* Sử dụng các chuyển đổi thống nhất hoá

Chuyển đổi thống nhất hoá gồm phần tử nhạy (Sensor hay cảm biến) và khâu phối hợp được kết nối trong thiết bị đo, tại đó tín hiệu điện được xử lý và

đưa ra với đặc tính phù hợp cho các khâu biến đổi tiếp theo của quá trình đo

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi thống nhất hoá Đại lượng cần đo X sau khi qua chuyển đổi thành đại lượng điện tương ứng

u(t), i(t) được đưa qua khâu phối hợp để tạo ra tín hiệu thống nhất hoá ví dụ như:

Dòng điện 0-20; 4-20; -5 - +5; -20 - +20 mA

Điện áp 0-1; 0-10; -100 - +100 mV

-1 - +1V; 0-10V

Phổ biến hiện nay là: 4-24mA và 0-10V hay ±10V Ở các phương tiện đo

hiện đại khâu phối hợp thường chứa mạch khuếch đại tỉ lệ và tuyến tính hoá

* Ứng dụng vi xử lý và máy tính

Đưa vào khả năng tính toán của vi xử lý và máy tính bằng cách bù, ổn định

nhiệt, tuyến tính hoá và ổn định đặc tuyến của chuyển đổi sơ cấp bằng hàm ngược

với hàm biểu thị đặc tính của cảm biếnv.v

* Trong công nghệ chế tạo

Nâng cao các tính năng của cảm biến bằng ứng dụng linh kiện điện tử, vật

liệu mới và các giải pháp mạch tiên tiến có đặc tính kỹ thuật tốt: chính xác, ổn

định và nhiệt đới hoá Sau đây là một số các chuyển đổi có ứng dụng trong đo

lường các đại lượng cơ điện

1 Chuyển đổi kiểu điện trở

Là những chuyển đổi kiểu thông số thường được sử dụng để đo các dịch

chuyển thẳng hoặc di chuyển góc của đại lượng càan đo Chuyển đổi kiểu điện trở

dựa trên sự thay đổi điện trở của chuyển đổi khi có sự tác động cdủa đaị lượng

cần đo, những loại thường sử dụng;

a Chuyển đổi kiểu biến trở

Dây điện trở chế tạo bằng Manganin, Ni ken, Crom, Contantan, Vonfram

được phủ lớp cách điện, đường kính dây khoảng từ 0,02 đến 0,1 mm, điện trở của

dây thay đổi từ vài chục ôm đến vài nghìn ôm và được quấn trên vật liệu cách

điện như gốm, sứ, hay điện trở màng mỏng có con chạy v.v

Phương trình mô tả quan hệ giữa đại lượng vào, ra của chuyển đổi như sau:

R=f(Xv)

Trong đó: R- Giá trị điện trở của chuyển đổi

Xv- Đại lượng cần đo

Trong kỹ thuật đo lường ở các dạng: mạch biến đổi; mạch phân áp; mạch cầu;

mạch Lôgômét

Hình 1.13 Chuyển đổi biến trở

a Mạch biến trở

b Mạch phân áp

b Chuyển đổi kiểu điện trở ứng suất (điện trở Tenzô)

Chuyển đổi dựa trên hiệu ứng Tenzô, nghĩa là khi chuyển đổi chịu biến dạng

cơ khí thì điện trở của nó thay đổi và thường được chế taọ dưới ba dạng:

- Chuyển đổi dây điện trở ứng suất có d=20μm

- Chuyển đổi màng điện trở ứng suất có chiều dày từ 25 đến 60 μm

- Chuyển đổi lá điện trở ứng suất mỏng 0,02mm và dày 0,2mm

Vật liệu chế tạo chuyển đổi thường là Constantan, Nỉcrôm, hợp kim

Platin-Iriddi Khi đo biến dạng điện trở Tenzô dược dán lên đối tượng đo, khi đối tượng

biến dạng chuyển đổi biến dạng theo kéo theo sự thay đổi điện trở của chuyển đổi

Trong đó: R và ΔR – Là điện trở và suất gia điện trở khi chịu biến dạng

L và ΔL - Là chiều dài và suất giản dài của điện trở ứng suất tương

Khi sử dụng chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh trong mạch cầu để đo các

đại lượng cần chú ý:

-Nguồn nuôi chọn sao cho dòng điện đi qua chuyển đổi không vượt quá giá trị

cho phép I < Iđm, nếu cần sử dụng cả bốn vai của cầu thì U < Iđm*R

-Độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Do vậy trong mạch đo

người ta thường sử dụng các phương pháp bù nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác

của phép đo

-Khi dán chuyển đổi lên đối tượng đo cần chú ý vị trí dán cho thích hợp để có độ

nhạy cao tránh sai số do nhiễu và nhiệt độ gây ra

2 Chuyển đổi kiểu điện từ

Đại lượng không điện cần đo tác dụng tới chuyển đổi làm thay đổi điện cảm,

hỗ cảm hay từ thông của phần tử chuyển đổi

a, Chuyển đổi điện cảm, hỗ cảm

Chuyển đổi hỗ cảm có cấu tạo tương tự như nhau đều có cấu tạo là cuộn dây 2

được quấn trên lõi thép 1 có khe hở không khí Với loại điện cảm thì chỉ cần một

cuộn (hình 1.16a) còn với loại hỗ cảm có thêm cuộn dây ra (hình 1.16b) Dưới tác

dụng của đại lượng vào Xv làm dịch chuyển phần ứng 3, khe hở tương đối giữa

phần động và phần tĩnh thay đổi dẫn đến điện cảm hay hỗ cảm trong mạch của

chuyển đổi thay đổi theo Để tăng độ nhạy và chống nhiễu sử dụng kiểu vi sai

(hình 1.16c)

Phương trình chuyển đổi vối loại điện cảm Z = f(Δδ)

Phưong trình chuyển đổi với loại hỗ cảm H = f(Δδ)

12

3

2

3

Hình 1.16 Chuyển đổi kiểu điện từ

a, Loại điện cảm; b, Loại hỗ cảm; c, Kiểu vi sai

1 Lõi sắt từ; 2 Cuộn dây; 3 Phần động; δ Khe hở không khí

Các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm đựơc dùng để đo các đại lượng không

điện khác nhau như :

- Đo dịch chuyển từ vài chục Mỉcrômet đến hàng chục centimet

- Đo chiều dày của lớp phủ

- Đo độ bóng của chi tiết gía công

- Đo lực tác động từ 0,1N đến hàng trăm Niutơn

- Đo áp suất từ 0,001N/m2 đến hàng nghìn N/m2

Nhựơc điểm cơ bản của các chuyển đổi trên là trong mạch đo cần sử dụng

nguồn cung cấp điện áp xoay chiều cố tần số thật ổn định

b Chuyển đổi kiểu áp từ

Là một dạng đặc biệt của chuyển đổi kiểu điện cảm, hỗ cảm chỉ khác nhau với

hai loại trên là mạch từ của chuyển đổi áp từ là loại mạch từ kín

Dưới tác dụng của biến dạng đàn hồi cơ học độ từ thẩm và các tính chất của

vật liệu sắt từ thay đổi nghĩa là độ từ thẩm và từ trở của mạch thay đổi theo dẫn

đến điện cảm (hình 1.17a) hoặc hỗ cảm (hình 1.17b) của chuyển đổi thay đổi theo,

mạch đo thường sử dụng là mạch cầu vi sai Độ chính xác của chuyển đổi phụ

thuộc vào điện áp và tần số của nguồn nuôi, khi nguồn cung cấp thay đổi 1% thì

kết quả mắc sai số khoảng 1%, tần số của nguồn thay đổi 1% thì gây ra sai số

0,2% Chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường

Fx

Hình 1.17 Chuyển đổi áp từ

a, Kiểu điện cảm; b, Kiểu hỗ cảm;

1, Lõi thép; 2, Cuộn dây; 3, Đối tượng nghiên cứu

Chuyển đổi áp từ có độ chính xác thấp (từ 3% đến 5%) nhưng có cấu trúc đơn

giản, độ tin cậy cao thưòng được sử dụng ở ngoài hiện trường để đo áp suất,

mômen xoắn trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim

loại v.v

Nhược điểm của chuyển đổi có sai số phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và

dòng điện từ hoá

c Chuyển đổi kiểu cảm ứng

Khi có tác động của đại lượng cần đo Xv vào phần động 3 thì trong cuộn đay

2 xuất hiện một sức diện động, kết quả ở cửa ra cho một điện áp tương ứng Độ

lớn của điện áp đầu ra của chuyển đỏi phụ thuộc vào sự biến thiên của từ thông

do nam châm điện hay man châm vĩnh cửu 1 của chuyển đổi gây ra

Phương trình tổng quát:

Ur = f(Xv) Đại lượng Xv có thể là các tác động thẳng (lực kéo, nén v.v ) hoặc mô men

quay hay chuyển dịch góc Nguyên tắc cấu tạo có loại chuyển đổi cuộn dây dịch

chuyển có loại phần sắt dịch chuyển

Các chuyển đổi cảm ứng được dử dụng để đo tốc độ quay, mômen quay Loại

có lõi thép di chuyển được dùng để đo các di chuyển thẳng, di chuyển góc, đo

biên độ rung từ vài phần trăm mm đến vài mm Chuyển đổi cảm ứng có ưu

điểm:

Tín hiệu ra của các chuyển đổi có giá trị tương đối lớn từ vài phần vôn đến vài

chục vôn nên mạch đo không cần khuếch đại Độ nhạy của chuyển đổi cho phép

đo được các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc và các đại lượng khác có tần số từ

15 đến 30 KHz Sai số của chuyển đổi đạt từ 0,2% đến 0,5%

3 Chuyển đổi tĩnh điện

Gồm hai dạng chính:

a Chuyển đổi kiểu áp điện

Dựa trên hiệu ứng áp điện người ta đã chế tạo các chuyển đổi áp điện làm việc

theo nguyên tắc: dưới tác dụng của đại lượng cơ học cần đo biến thiên tác dụng

vào bề mặt của vật liệu thì trên bề mặt của chuyển đổi sẽ xuất hiện các điện tích

gọi là hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại nếu đặt các vật liệu trên vào trong một

điện trường biến thiên, dưới tác dụng của điện trường biến thiên làm biến dạng

chuyển đổi gọi là hiệu ứng áp điện ngược, nghĩa là điện tích q biến thiên với đại

lượng vào

q = f(xv)

Các vật liệu dùng làm chuyển đổi áp điện là tinh thể thạch anh (SiO2), Titanabari

(BaTiO3), muối Xenhet v.v

Ưu điểm của chuyển đổi áp điện: có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, độ tin

cậy cao và có khả năng đo được các biến thiên nhanh Trong kỹ thuật đo chuyển

đổi áp điện dùng để đo lực biến thiên đến 10.000N, đo áp suất tới 100N/m2 và gia

tốc tới 100g trong dải tần từ 0.5 đến 100KHz

Nhược điểm của chuyển đổi áp điện là không đo được lực tĩnh và rất khó khắc

độ b Chuyển đổi kiểu điện dung

Chuyển đổi điện dung là những chuyển đổi có điện dung thay đổi dưới tác dụng

của đại lượng cần đo khi đại lượng vào là sự dịch chuyển thẳng, di chuyển góc tác

động vào phần động của chuyển đổi thì tín hiệu ra của chuyển đổi dưới dạng điện

áp Các chuyển đổi làm việc theo nguyên tắc như vậy gọi là chuyển đổi máy phát

Nếu đại lượng vào của chuyển đổi là sự di chuyển còn đại lượng ra là sự thay đổi

điện dung thì gọi là chuyển đổi thông số

Dưới đây là một số loại chuyển đổi thường được sử dụng trong kỹ thuật đo lường

bảng 1.2

• Lĩnh vực ứng dụng:

Chuyển đổi điện dung có khe hở không khí thay đổi dùng để đo những di chuyển

nhỏ từ vài micromet đến vài milimet Loại có điện tích bản cực thay đổi được

dùng để đo các di chuyển lớn hơn 1cm và di chuyển góc tơí 2700 Chuyển đổi có

điện môi thay đổi để đo độ ẩm, đo mức nước, chiều dày của vật liệu cách điện và

đo lực

4 Chuyển đổi nhiệt điện

Là những chuyển đổi dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của các quá trình như đốt

nóng, làm lạnh hay trao đổi nhiệt v.v thì đầu ra của chuyển đổi sẽ có tín hiệu có

thể là điện áp (như chuyển đổi cặp nhiệt điện ) hay tín hiệu ra là sự thay đổi về

điện trở ( như chuyển đổi kiểu nhiệt điện trở )

a Chuyển đổi cặp nhiệt điện ( cặp nhiệt ngẫu )

Là những chuyển đổi được cấu tạo từ hai dây dẫn, được làm từ hai vật liệu khác

nhau được nối lại với nhau Khi hai đầu của chuyển đổi có sự chênh lệch về nhiệt

độ thì trong mạch sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt điện ( hình 1-19)

a-a

i

4

1,2- Hai đầu dây của cặp nhiệt điện; 3- Đầu hàn; 4,5- Ống cách điện;

6- Vỏ ngoài; 7- Đầu nối ra

Vật liệu dùng chế tạo chuyển đổi cặp nhiệt ngẫu phải đảm bảo: quan hệ giữa sức

điện động nhiệt điện với nhiệt độ là hàm đơn trị, tính chất bền điện không thay

đổi, độ bền hoá và cơ với nhiệt độ phải cao, dẫn điện tốt, có trị số sức điện động

nhiệt điện lớn

Cặp nhiệt điện nối với nhau theo phương pháp hàn và được đặt trong thiết bị

bảo vệ để tránh tác động của môi trường Thiết bị bảo vệ được chế tạo từ loại

thép tốt, đối với loại cặp nhiệt điện quý, thiết bị bảo vệ thường được làm bằng

thạch anh hoặc gốm ( hình 1-19)

Để tăng độ chính xác của phép đo và có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ của

đầu đo trong sơ đồ mạch người ta có đưa thêm một mạch cầu vào mạch đo, trong

đó ba nhánh của cầu đo là ba diện trở không thay đổi theo nhiệt độ ( Đồng hoặc

Niken) Cầu được tính toán ở nhiệt độ 00C mắc nối tiếp với đầu tự do của cặp

nhiệt ngẫu để ổn định nhiệt trong quá trình đo sử dụnh mạch bù nhiệt theo sơ đồ

Hình 1-20 Sơ đồ nguyên lý mạch bù nhiệt độ đầu đo

R1- Điện trở bù nhiệt; EB- Nguồn nuôi Cặp nhiệt điện được ứng dụng chủ yếu để đo nhiệt độ, ngoài ra còn để đo các đại

lượng không điện như đo dòng điện ở tần đố cao, đo hướng chuyển động

b Chuyển đổi nhiệt điện trở

Chuyển đổi nhiệt điện trở là những chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thay

đổi của nhiệt độ Vật liệu chế tạo bằng dây đẫn hoặc là chất bán dẫn có hệ số

nhiệt độ lớn, điện trở suất lớn, khó chảy và có độ bền hoá học cao đối với môi

trtường

• Loại nhiệt điện trở dây

Vật liệu chế tạo thường là từ Đồng, Platin và Niken có dường kính từ 0,02 đến

0.06mm và chiều dài từ 5 đến 20mm Một số loại nhiệt điện trở thường gặp (hình

Hình 1-21- Một số nhiệt điện trở thường gặp 1- Dây đặt trong ống sứ; 2- Vỏ bảo vệ; 3- Ổ đỡ; 4- Hộp đầu ra

• Nhiệt điện trở bán dẫn

Được chế tạo từ một số ôxit kim loại khác nhau như CuO, CoO, MnO v.v Cấu

tạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và hình cầu.Bảng

dưới đây cho đặc tính của một số nhiệt điện trở bán dẫn ( bảng 1.3 )

Mạch đo đối với chuyển đổi nhiệt điện trở có thể dùng mạch bất kỳ để đo điện

trở của nó Thông thường người ta hay dùng mạch cầu không cân bằng ( hình

1.22b) có chỉ thị là Lôgomet hoặc mạch cầu cho thiết bị tự ghi ( hình 1.22c )

ứng dụng của chuyển đổi nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, đo các đại

lượng di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích các thành phần, nồng độ của

một số hợp chất và chất khí

Hình 1.22-Mạch đo dùng với chuyển đổi nhiệt điện trở

a, Mạch Lôgômet; b, Mạch cầu 3 dây dùng chỉ thị lôgômet;

c, Mạch cầu 3 dây dùng với thiết bị ngoài

Ngoài các chuyển đổi đã trình bày ở trên trong kỹ thuật đo lường còn sử dụng sơ

cấp dựa trên nguyên tắc hoá học (các chuyển đổi hoá điện), theo nguyên tắc xuất

hiện các điện tử hay Ion (các chuyển đổi điện từ và Ion),v.v [1]

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Phương pháp đo là trình tự Lôgic các thao tác được mô tả một cách tổng quát

để thực phép đo, phương pháp đo là sự thể hiện của nguyên lý đo và phương tiện

đo khoa học công nghệ càng phát triển sẽ có nhiều phương pháp được áp dụng và

có khả năng loại trừ ót các sai số đảm bao kêt quả đo có độ chính xác cao.Trong

thực tiễn ứng dụng nhiều phương pháp có thể phân thành một số dạng cơ bản hình

1.23

Phương pháp đó sánh với vật đọ được sử dụng nhiều trong các phép đo hiện nay,

phương pháp có ưu điểm:

- Cho kết quả có độ chính xác cao

- Có khả năng loại trừ sai số hệ thống

- Trong quá trình tiêu thụ ít năng lượng của đối tượng đo

- Có ý nghĩa cao trong thực tiễn bởi vì chế tạo một vật đọ có độ chính xác cao sẽ

dễ dàng hơn chế tạo một phương tiện đo có cung cấp chính xác

Trong kiểm định, hiệu thường sử dụng phương pháp so sánh vi sai và phương

pháp chỉ zêzô

Với phương pháp biến đổi thẳng độ chính xác thấp nhưng có ưu điểm là đơn giản

do đó thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp được ứng dụng để đo và

kiểm tra các quá trình sản xuất

Phương pháp đo

Phương pháp chỉ zêzô

Phương pháp hiệu

Phương pháp

đo so sánh với vật đọ

Phương pháp

đo trực tiếp

Hình 1 23 Sơ đồ mô tả các phương pháp đo

1.9.1 Phương pháp đo trực tiếp (phương pháp biến đổi thẳng)

Là phương pháp đo trình tự lôgic các thao tác được thực hiện nối tiếp nhau thông

qua mạch đo lường(M.Đ), gồm các khâu chuyển đổi được nối tiếp với nhau Sơ

đồ nguyên lý quá trinh đo hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ nguyên lý quá trình đo biến đổi thẳng

Đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi sau đó được biến

đổi thành số Nx, mặt khác các đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi

thành số No và được ghi nhớ lại Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng

cần đo với đơn vị của chúng, quá trình được thực hiện bằng phép chia Nx/No Kết

quả đo trên cơ cấu chỉ thị:

X = ( Nx/No )*Xo ( 1.6 )

Phương pháp đo trực tiếp thường được áp dụng cho các dụng cụ đo biến đổi thẳng

có sai số lớn Phương pháp thường được áp dụng cho các nhà máy, xói nghiệp

công nghiệp công nghiệp, kiểm tra quá trìng sản xuất có độ chính xác không cao

1.9.2 Phương pháp đo so sánh với vật đọ