Kỹ thuật đo lường 1 (phần 1) ppt

Tuỳ theo cách so sánh và cách lập ñại lượng bù bộ mã hoá số tương tự ta có các thiết bị so sánh khác nhau như: thiết bị so sánh kiểu tuỳ ñộng ñại lượng ño x và ñại lượng bù xk luôn biến

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ đO LƯỜNG

1.1 định nghĩa và phân loại

1.1.1 định nghĩa

đo lường: là một quá trình ựánh giá ựịnh lượng ựối tượng cần ựo ựể có kết quả

bằng số so với ựơn vị

Với ựịnh nghĩa trên thì ựo lường là quá trình thực hiện ba thao tác chắnh:

- Biến ựổi tắn hiệu và tin tức

- So sánh với ựơn vị ựo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình ựo lường

- Chuyển ựơn vị, mã hoá ựể có kết quả bằng số so với ựơn vị

Căn cứ vào việc thực hiện các thao tác này ta có các phương pháp và hệ thống ựo

khác nhau

Thiết bị ựo và thiết bị mẫu

- Thiết bị ựo là một hệ thống mà ựại lượng ựo gọi là lượng vào, lượng ra là ựại

lượng chỉ trên thiết bị (là thiết bị ựo tác ựộng liên tục) hoặc là con số kèm theo ựơn vị ựo

(thiết bị ựo hiện số) đôi khi lượng ra không hiển thị trên thiết bị mà ựưa tới trung tâm

tắnh toán ựể thực hiện các Algorithm kỹ thuật nhất ựịnh

- Thiết bị mẫu dùng ựể kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị ựo và ựơn vị ựo

Theo quy ựịnh hiện hành thiết bị mẫu phải có ựộ chắnh xác lớn hơn ắt nhất hai cấp

so với thiết bị kiểm tra

Vắ dụ: Muốn kiểm ựịnh công tơ cấp chắnh xác 2 thì bàn kiểm ựịnh công tơ phải có

cấp chắnh xác ắt nhất là 0,5

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1 Thiết bị ño lường

Có nhiều cách phân loại song có thể chia thiết bị ño lường thành hai loại chính là thiết

bị ño chuyển ñổi thẳng và thiết bị ño kiểu so sánh

Thiết bị ño chuyển ñổi thẳng

ðại lượng cần ño ñưa vào thiết bị dưới bất kỳ dạng nào cũng ñược biến thành góc

quay của kim chỉ thị Người ño ñọc kết quả nhờ thang chia ñộ và những quy ước trên mặt

thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị ño cơ ñiện Ngoài ra lượng ra còn có thể biến ñổi

thành số, người ño ñọc kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt máy hoặc máy tự ñộng làm

việc ñó, ta có thiết bị ño hiện số

Thiết bị ño kiểu so sánh

Thiết bị so sánh cũng có thể là chỉ thị cơ ñiện hoặc là chỉ thị số Tuỳ theo cách so

sánh và cách lập ñại lượng bù (bộ mã hoá số tương tự) ta có các thiết bị so sánh khác

nhau như: thiết bị so sánh kiểu tuỳ ñộng (ñại lượng ño x và ñại lượng bù xk luôn biến

ñổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (ñại lượng bù xk biến thiên theo một quy luật

thời gian nhất ñịnh và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời ñiểm trong chu kỳ)

Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập ñại lượng bù người ta chia thành thiết bị mã hoá

số xung, tần số xung, thời gian xung Căn cứ vào ñiều kiện cân bằng người ta chia thành

thiết bị bù không lệch (zero) và thiết bị bù có lệch (vi sai)

Căn cứ vào quan hệ giữa lượng ra và lượng vào, người ta chia thành: thiết bị ño trực

tiếp (ñại lượng ra biểu thị trực tiếp ñại lượng vào), thiết bị ño gián tiếp (ñại lượng ra liên

quan tới nhiều ñại lượng vào thông qua những biểu thức toán học xác ñịnh), thiết bị ño

kiểu hợp bộ (nhiều ñại lượng ra liên quan tới nhiều ñại lượng vào thông qua các phương

trình tuyến tính)

1.1.2.2 Chuyển ñổi ño lường

Có hai khái niệm:

- Chuyển ñổi sơ cấp hay còn gọi là cảm biến, sensor (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến

một tín hiệu không ñiện sang tín hiệu ñiện, ghi nhận thông tin giá trị cần ño Có rất nhiều

loại chuyển ñổi sơ cấp khác nhau như: chuyển ñổi ñiện trở, ñiện cảm, ñiện dung, nhiệt

ñiện, quang ñiện

- Chuyển ñổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến ñổi một tín hiệu ñiện phi tiêu chuẩn

thành tín hiệu ñiện tiêu chuẩn theo chuẩn Quốc tế (thông thường U = 0  10V; I = 4

 20mA)

Với loại chuyển ñổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến ñiện áp, biến

dòng ñiện, các mạch khuếch ñại… ñã ñược nghiên cứu kỹ ở các giáo trình khác nên ta

không xét

1.1.2.3 Tổ hợp thiết bị ño

Với một thiết bị cụ thể (một kênh):

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống ño một kênh

+ Chuyển ñổi ño lường: biến tín hiện cần ño thành tín hiệu ñiện

+ Mạch ño: thu nhận, xử lý, khuếch ñại thông tin bao gồm: nguồn, các mạch

khuếch ñại, các bộ biến ñổi A/D, D/A, các mạch phụ…

+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho người quan sát, thường gồm chỉ thị số và chỉ thị cơ

ñiện, chỉ thị tự ghi, v.v

1.1.2.4 Với hệ thống ño lường nhiều kênh

Trường hợp cần ño nhiều ñại lượng, mỗi ñại lượng ño ở một kênh, như vậy tín

hiệu ño ñược lấy từ các sensor qua bộ chuyển ñổi chuẩn hoá tới mạch ñiều chế tín hiệu

ở mỗi kênh, sau ñó sẽ ñưa qua bộ dồn kênh (multiplexer) ñể ñược sắp xếp tuần tự

truyền ñi trên cùng một hệ thống dẫn truyền ðể có sự phân biệt, các ñại lượng ño

trước khi ñưa vào mạch dồn kênh cần phải mã hoá hoặc ñiều chế (Modulation - MOD)

theo tần số khác nhau (thí dụ như f10, f20 ) cho mỗi tín hiệu của ñại lượng ño

Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải ñiều chế (Demodulation

-DEMOD) ñể lấy lại từng tín hiệu ño ðây chính là hình thức ño lường từ xa

(Telemety) cho nhiều ñại lượng ño

X2

XI

XN

Hình 1.2 Ví dụ về một hệ thống đo lường nhiều kênh

Hệ thống đo lường nhiều kênh cịn gọi là hệ thống thơng tin đo lường và được phân

thành nhiều nhĩm: hệ thống đo lường, hệ thống kiểm tra tự động, hệ thống chẩn đốn kỹ

thuật và tổ hợp đo lường tính tốn

Ngày nay hệ thống thơng tin đo lường đã phát triển mạnh mẽ thành các hệ thống

chuyên dụng như: hệ thống đo lường, giám sát SCADA; hệ thống điều khiển phân tán:

DCS; hệ thống thơng tin tích hợp:IIS

1.2 Sơ ñồ cấu trúc thiết bị ño lường

1.2.1 Hệ thống ño biến ñổi thẳng

Trong hệ thống ño biến ñổi thẳng, ñại lượng vào x qua nhiều khâu biến ñổi trung gian

ñược biến thành ñại lượng ra z Quan hệ giữa z và x có thể viết:

z = f(x) trong ñó f(.) là một toán tử thể hiện cấu trúc của thiết bị ño

Trong trường hợp quan hệ lượng vào và lượng ra là tuyến tính ta có thể viết:

ở ñây S gọi là ñộ nhạy tĩnh của thiết bị

Nếu một thiết bị tuyến tính gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lượng vào và

lượng ra có thể viết:

n

i1trong ñó Si là ñộ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị

1.2.2 Hệ thống ño kiểu so sánh

Trong thiết bị ño kiểu so sánh ñại lượng vào x thường ñược biến ñổi thành ñại

lượng trung gian yx qua một phép biến ñổi T:

1.2.2.1 Phân loại phương pháp ño căn cứ vào ñiều kiện cân bằng

a) Phương pháp so sánh kiểu cân bằng (Hình 1.4)

Trong phương pháp này, ñại lượng vào so sánh: yx = const; ñại lượng bù yk =

const

Tại ñiểm cân bằng: y = yx - yk  0

b) Phương pháp so sánh không cân bằng (Hình 1.5)

Cũng giống như trường hợp trên song y 0

Lượng ra

Lượng ra C

không cân bằng

1.2.2.2 Phân loại phương pháp ño căn cứ vào cách tạo ñiện áp bù

a) Phương pháp mã hoá thời gian

Trong phương pháp này ñại lượng vào yx = const còn ñại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ

với thời gian t:

yk = y

0 t (y

0 = const)Tại thời ñiểm cân bằng yx = yk = y0.tx

⇒ tx  yx

y 0 ðại lượng cần ño yx ñược biến thành khoảng thời gian tx

Ở ñây phép so sánh phải thực hiện một bộ ngưỡng

y sign(yx yk ) = 11 yx yk

0

0 yx y k

y

yx

yk

Hình 1.6 Phương pháp mã hóa thời gian

b) Phương pháp mã hoá tần số xung

Trong phương pháp này ñại lượng vào yx cho tăng tỉ lệ với ñại lượng cần ño x và

khoảng thời gian t: yx = t.x, còn ñại lượng bù yk ñược giữ không ñổi

Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần số xung

Tại ñiểm cân bằng có:

yx = x.t

x = y

k = const suy ra:

c) Phương pháp mã hoá số xung

Trong phương pháp này ñại lượng vào yx = const, còn ñại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ

với thời gian t theo quy luật bậc thang với những bước nhảy không ñổi yo gọi là bước

Việc tạo ra yk theo công thức(1-5) thường bằng thiết bị phần cứng

chuyên dụng với ñầu vào là các xung rời rạc, còn ñầu ra là tín hiệu

tăng dần theo quy luật bậc thang với bước nhảy không ñổi

Tại ñiểm cân bằng ñại lượng vào yx ñược biến thành con số Nx

0

0 nÕu yx y kViệc so sánh bằng phương pháp này, về mặt lý thuyết, sai số mắc phải không lớn

hơn một bước lượng tử Vì vậy ñể giảm sai số ta phải giảm bước lượng tử y0

Ngoài ra còn phương pháp mã hoá số xung ngược, phương pháp ñếm xung,

phương pháp trùng phùng

1.3 Các ñặc tính của thiết bị ño

1.3.1 ðộ nhạy, ñộ chính xác và các sai số của thiết bị ño

1.3.1.1 ðộ nhạy và ngưỡng ñộ nhạy

Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị ño là z = f(x) ðể có một sự ñánh giá về

quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của thiết bị ño, ta dùng khái niệm về ñộ nhạy của

trong ñó: z là biến thiên của lượng ra và x là biến thiên của lượng vào

Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi x ñủ nhỏ thì ta coi S là

một hằng số

Với thiết bị có quan hệ giữa lượng vào và lượng ra là tuyến tính, ta có thể viết: z =

S.x, lúc ñó S gọi là ñộ nhạy tĩnh của thiết bị ño

Trong trường hợp thiết bị ño gồm nhiều khâu biến ñổi nối tiếp thì ñộ nhạy ñược

n

tính S = Si , với Si là ñộ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị

i1

Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao nhiêu cũng

ñược, song trên thực tế khi x <  nào ñó thì z không thể thấy ñược

Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10A nhỏ hơn 10W

(chẳng hạn) thì công tơ không quay nữa

Nguyên nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hiện tượng

trễ…  ñược gọi là ngưỡng ñộ nhạy của thiết bị ño

Có thể quan niệm ngưỡng ñộ nhạy của thiết bị ño là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị ño

có thể phân biệt ñược

Tuy nhiên ngưỡng ñộ nhạy của các thiết bị ño khác nhau rất khác nhau nó chưa ñặc

trưng cho tính nhạy của thiết bị Vì vậy ñể so sánh chúng với nhau người ta phải xét tới

quan hệ giữa ngưỡng ñộ nhạy và thang ño của thiết bị

Thang ño (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân theo phương

pháp ño lường của thiết bị

D = xmax - xmin { xmin thường = 0}

Từ ñó ñưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị ño:

R = D Xmax Xmin (1-8)

Trong ñó  là ngưỡng ñộ nhạy của thiết bị ñang xét

1.3.1.2 ðộ chính xác và các sai số của thiết bị ño

- ðộ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị ño Bất kỳ một phép ño nào

ñều có sai lệch so với ñại lượng ñúng

i xixdtrong ñó xi là kết quả của lần ño thứ i

xñ là giá trị ñúng của ñại lượng ño

i là sai lệch của lần ño thứ i

- Sai số tuyệt ñối của một thiết bị ño ñược ñịnh nghĩa là giá trị lớn nhất của các sai

lệch gây nên bởi thiết bị trong khi ño:

- Sai số tuyệt ñối chưa ñánh giá ñược tính chính xác và yêu cầu công nghệ của thiết

bị ño Thông thường ñộ chính xác của một phép ño hoặc một thiết bị ño ñược ñánh giá

bằng sai số tương ñối:

+ Với một phép ño, sai số tương ñối ñược tính





x

với x là giá trị ñại lượng ño

+ Với một thiết bị ño, sai số tương ñối ñược tính





xD

Giá trị  % gọi là sai số tương ñối quy ñổi Ta thấy, sai số tương ñối quy ñổi

không phụ thuộc và ñại lượng ño mà chỉ phụ thuộc vào thiết bị ño, vì thế có thể dùng ñể

Khi biết cấp chính xác của một thiết bị ño ta có thể xác ñịnh ñược sai số tương ñối

quy ñổi và suy ra sai số tương ñối của thiết bị trong các phép ño cụ thể

trong ñó  là sai số tương ñối của thiết bị ño, phụ thuộc cấp chính xác và không ñổi nên

sai số tương ñối của phép ño càng nhỏ nếu D/x dần ñến 1

Vì vậy khi ño một ñại lượng nào ñó cố gắng chọn D sao cho: D  x

1.3.2 ðiện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị ño

Thiết bị ño phải thu năng lượng từ ñối tượng ño dưới bất kì hình thức nào ñể biến

thành ñại lượng ñầu ra của thiết bị Tiêu thụ năng lượng này thể hiện ở phản tác dụng của

thiết bị ño lên ñối tượng ño gây ra những sai số mà ta thường biết ñược nguyên nhân gọi

là sai số phụ về phương pháp Trong khi ño ta cố gắng phấn ñấu sao cho sai số này không

lớn hơn sai số cơ bản của thiết bị

- Với các thiết bị ño cơ học sai số chủ yếu là phản tác dụng của chuyển ñổi

- Với các thiết bị ño dòng áp, sai số này chủ yếu là do ảnh hưởng của tổng

trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị

Tổn hao năng lượng với mạch ño dòng áp là:

PI = RA I2

PU = U2/ RV Vậy ta tạm tính sai số phụ do ảnh hưởng của tổng trở vào là:

I= RA / Rt ; U = Rt / RV (1-14)với RA là ñiện trở của ampemet hoặc phần tử phản ứng với dòng;

RV là ñiện trở của volmet hoặc phần tử phản ứng với áp;

Rt là ñiện trở tải

Ví dụ 1.2: Phân tích sai số phụ khi ño áp trên Hình 1.9

Giả sử RV = 100 k Vậy ñiện áp ño ñược : Uv = U’AO = 33,3 V

Sai số từ 33 V trở lên 50 V chính là sai số phụ về phương pháp do ảnh hưởng ñiện

trở của volmet sinh ra

1.3.3 Các ñặc tính ñộng của thiết bị ño(Tham khảo)

Khi ño các ñại lượng biến thiên ta phải xét ñến ñặc tính ñộng của thiết bị ño ðặc tính

ñộng của thiết bị ño thể hiện ở các ñặc trưng sau:

- Hàm truyền ñạt của thiết bị ño hay ñộ nhạy ñộng của thiết bị ño K(s) tức là

quan hệ giữa ñại lượng ra và ñại lượng vào ở trạng thái ñộng

S(s) = Y(s)

ðặc tính này thể hiện dưới các dạng sau:

+ ðặc tính quá ñộ ứng với tín hiệu vào có dạng bước nhảy:

x(t) = A.1(t - );

+ ðặc tính xung hay tín hiệu vào là xung hẹp:

x(t) = A.(t - );

+ ðặc tính tần lúc tín hiệu vào có dạng hình sin:

x(t) = A.ejt; + ðặc tính tần thể hiện ở hai dạng: ñặc tính biên tần A() và ñặc tính pha tần

A0 là biên ñộ của khâu lý tưởng không phụ thuộc tần số;

() là góc pha ở ñầu ra phụ thuộc tần số;

0 là góc pha lý tưởng không phụ thuộc tần số

Trong thiết bị ño các sai số này phải nhỏ hơn một giá trị cho phép quy ñịnh bởi nhà

nước Giải tần của thiết bị ño là khoảng tần số của ñại lượng vào ñể cho sai số không

vượt quá giá trị cho phép

Thời gian ổn ñịnh hay thời gian ño của thiết bị là thời gian kể từ khi ñặt tín hiệu vào

của thiết bị cho tới khi thiết bị ổn ñịnh có thể biết ñược kết quả

Chính dựa vào thời gian ño của thiết bị này cho phép ta tự ñộng rời rạc hoá ñại

lượng cần ño ñể ño giá trị tức thời, sau ñó dùng các phép gia công toán học hoặc dùng

phương tiện ñể phục hồi lại hoàn toàn hiện tượng xảy ra

1.4 Gia công kết quả ño lường

Gia công kết quả ño lường là dựa vào kết quả của những phép ño cụ thể ta xác ñịnh

giá trị ñúng của phép ño ñó và sai số của phép ño ấy

x = xñ x = x  x (1-16)Thiết bị ño nào cũng có sai số và nguyên nhân sai số rất khác nhau, vì vậy cách xác

ñịnh sai số phải tùy theo từng trường hợp mà xác ñịnh Hiện nay ñã dùng nhiều phương

pháp khác nhau ñể phép ño ñảm bảo yêu cầu kỹ thuật ñề ra

1.4.1 Tính toán sai số ngẫu nhiên

- ðể xác ñịnh sai số ngẫu nhiên ta dựa vào phương pháp thống kê nhiều kết quả ño

lường Sai số ngẫu nhiên của lần ño thứ i ñược tính

trong ñó: xi là kết quả lần ño thứ i;

M[x] là kỳ vọng toán học của vô số lần ño ñại lượng x

- 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 ñịnh gọi là luật phân bố xác suất Có nhiều luật

phân bố xác suất khác nhau như luật phân bố chuẩn; luật phân bố ñều; phân bố hình

thang; phân bố hình tam giác; phân bố hai dirăc

Phần lớn trong các thiết bị ño lường và ñiều khiển thường theo quy luật phân bố

chuẩn, ñó là phân bố mà sai số ngẫu nhiên phụ thuộc nhiều nguyên nhân ñộc lập nhau và

không có nguyên nhân nào trội hẳn

P()



Hình 1.10 Luật phân bố chuẩn

Biểu thức giải tích của phân bố chuẩn có thể viết:

Trong kỹ thuật ta thường dùng khái niệm phương sai  D vì nó có cùng thứ

nguyên với ñại lượng cần ño

x

M (x)

D

Hình 1.11 Kỳ vọng và ñộ tán xạ của luật phân bố chuẩn

Quá trình gia công kết quả như sau:

a) Khi số lần ño là rất lớn (n > 30)

Sai số ngẫu nhiên ñược tính:

trong ñó k là hệ số, ñược tra trong sổ tay kỹ thuật (bảng hoặc ñường cong)

Trường hợp này ta không quan tâm nhiều trong kỹ thuật

b) Khi số lần ño có hạn (n  30)

Quá trình gia công ñược tiến hành như sau:

+ Kỳ vọng toán học ñược lấy là trung bình cộng của n lần ño



Thực tế, ta không thể biết chính xác giá trị của x mà chỉ lấy kết quả là giá trị ước

lượng trung bình của n lần ño Vì vậy phương sai sẽ giảm ñi n lần