BÀI GIẢNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO, HẦ NỘI 7, 2008

TT Giai đoạn Các công việc Dữ liệu vào Hồ sơ ra1 Phân tích nhu cầu - Chất lượng yêu cầu Nhiệm vụ thư Hồ sơ của các đặc tính kỹ thuật 3 Thiết kế tổng thể Kiến trúc chung của hệ - Phân c

GV.TS Nguy n th Lan Hươngễ ị

B môn: K thu t đo và tin h c Công nghi pộ ỹ ậ ọ ệ

Hà n i 8/2007ộ

 Chương 1: Lý thuy t chung v phương pháp và thi t b đoế ề ế ị

 Ph n 1: Thi t k các thi t b đo các đ i lư ng đi nầ ế ế ế ị ạ ợ ệ

◦ Chương 2: thi t b đo dòng đi n, đi n áp và đi n lư ng.ế ị ệ ệ ệ ợ

◦ Chương 3: thi t b đo thông s m ch đi n.ế ị ố ạ ệ

◦ Chương 4: thi t b đo công su t và năng lư ngế ị ấ ợ

◦ Chương 5: thi t b đo thông s th i gian và góc phaế ị ố ờ

 Ph n 2: Thi t k thi t b đo các đ i lư ng không đi nầ ế ế ế ị ạ ợ ệ

◦ Chương 6: Thi t k thi t b đo nhi t đế ế ế ị ệ ộ

◦ Chương 7: Thi t k thi t b đo l c, bi n d ng, áp su t, hi u áp ế ế ế ị ự ế ạ ấ ệ

su t và lưu lư ng.ấ ợ

◦ Chương 8: Thi t k thi t b đo m cế ế ế ị ứ

◦ Chương 9: Thi t k thi t b đo các thông s chuy n đ ng và kích ế ế ế ị ố ể ộthư c hình h c.ớ ọ

1. Phương pháp đo các đại lượng điện và không điện, Nguyễn

Trọng Quế, 1996

2. Kỹ thuật đo các đại lượng vật lý, chủ biên Phạm Thượng Hàn,

tập 1,2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1995

3. Instrumentation Reference Book, BE Noltingk, Butter Worth

Heinemann , 1994

4. Electronique des systemmes de mesures, Tran Tien Lang, 1991

5. Systemmes des mesures, Tran Tien Lang,

6. Computerized Instrumentation, Tran Tien Lang,

7. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, chủ biên

Lê Văn Doanh, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2001

8 Process/Industrial instruments and controls handbook (1999), Gregory K.mcMillan,

McGraw-Hill ( NL507/03)

smart sensors (2002), Nikolay V.kirianaki

…, Jonh Wiley &Sons

N0

 Phương pháp đo: là th t c th c hi n thao ủ ụ ự ệ

tác đo lư ng đ đo đư c k t qu b ng s ờ ể ợ ế ả ằ ố

 Thi t b đo: là th c hi n k thu t c a phương ế ị ự ệ ỹ ậ ủ pháp đo v i m t h đ i lư ng c th ớ ộ ọ ạ ợ ụ ể

Phương pháp đo

(Mô tả quá trình đo-Nguyên công)

Thiết bị đo

(Giải pháp kỹ thuật -Khối chức năng)

Phối hợp các nguyên công khác

nhau

Thể hiện bằng sơ đồ khối chức năng

Kí hiệu : -C -C 1 : Không gian so sánh.

2 : Vào ra khâu so sánh.

-C 3 : Tín hiệu đo.

-C 4 : Mẫu.

Đồng thời Không đồng thời

 So sánh trong không gian số

So sánh trong không gian số được thực hiện bằng phép trừ hay phép chia

 Trong so sánh cân b ng: k t qu so sánh là zero ằ ế ả

NX - NM = 0 hay KX X - KMM = 0

 Và

 KM, KX là h s bi n đ i c a giá tr đo X và giá tr ệ ố ế ổ ủ ị ị

m u M ẫ Các h s này đư c xác đ nh b ng tính toán ệ ố ợ ị ằ

ho c b ng th c nghi m ặ ằ ự ệ

M X

dK K

M M

dK K

1

M X

 Trong so sánh không cân b ng: K t qu so sánh là ằ ế ả

NX - NM = N∆ = KX X – KMM

 Tương t trư ng h p trên ta có sai s c a phép đo ự ờ ợ ố ủ

 ε∆- là ngư ng nh y c a N ỡ ạ ủ ∆ là giá tr m t b c lư ng ị ộ ậ ợ

t (LSB) c a b bi n đ i A/D và là sai s lư ng t ử ủ ộ ế ổ ố ợ ử

 So sánh cân b ng: ằ

 Sai s cũng tương t cách th c hi n b ng phép ố ự ự ệ ằ trừ

 So sánh không cân b ngằ

 Sai số

 εN' – là con s l nh nh t c a N‘ố ẻ ỏ ấ ủ

 Ví d : N'=1,5672 thì ụ εN' =0.0001 và khi đó

 Giá tr nh nh t c a Nị ỏ ấ ủ X và NM là 1 LSB c a A/D hay s có nghĩa c a ủ ố ủ

A/D là 1 LSB Trong phép chia k t qu đư c l y v i s l là 1/100 ế ả ợ ấ ớ ố ẻ

kh năng phân ly c a A/D ả ủ

X M

trong các bộ vi xử lý.

' '

0,0001

0,0006 0,06% 1,5672

N

N

ε

 Hai con s mu n so sánh đư c v i nhau ố ố ợ ớ

◦ Cách đ ng th i hóa s đo và s c a m u ồ ờ ố ố ủ ẫ

◦ Cách s d ng chu i các bi n đ i tín hi u đo ử ụ ỗ ế ổ ệ

◦ Cách tính toán k t qu đo ế ả

 Đ đơn gi n hóa phép so sánh, m u đư c xem là ể ả ẫ ợ

 S li u lưu gi l i là giá tr trung bình c a các s ố ệ ữ ạ ị ủ ố

 NX= KX.K1.X

 NM= KM.K2.M

 Tương t trên ta v n có công th c so sánh ự ẫ ứ

cân b ng và không cân b ng ằ ằ

 Ví d trong câu th c so sánh cân b ng ta có ụ ứ ằ

2

.

X M

 Phân lo i phương ti n đo lư ng ạ ệ ờ

 Mô hình thi t k thi t b đo ế ế ế ị

 Các đ c tính k thu t c a thi t b đo ặ ỹ ậ ủ ế ị

Phương tiện đo lường

Mẫu

chuẩn phần tử cơ bản Chỉ thị phần tử biến đổi dụng cụ đo thiết bị đo hệ thống thông tin

đo lường Hình thức chỉ thị tương tự Số

Chỉ thị Ghi giữ

Sử dụng kết quả đo

Phương tiện Đo lường

HT đo lường HT kiểm tra HT nhận dạng HT chuẩn đoán

HT đo, kiểm tra, báo động HT đo, KT, nhận dạng

HTđo lường , ĐK HT đo, kiểm tra, chuẩn đoán KT

 Xác đ nh m c tiêu ( Xây d ng nhi m v thư- Các ị ụ ự ệ ụ

đ c tính k thu t c a thi t b ) ặ ỹ ậ ủ ế ị

 Ch n phương pháp đo thích h p ọ ợ

 Xây d ng sơ đ kh i c a thi t b và ch n linh ki n ự ồ ố ủ ế ị ọ ệ

 Thi t k t thi t b đo và h th ng đo th nghi m ế ế ế ị ệ ố ử ệ

 Th nghi m và hi u ch nh ử ệ ệ ỉ

 Xây d ng quy trình và sơ đ l p ráp ự ồ ắ

 Ti n hành s n xu t hàng lo t ế ả ấ ạ

Mô hình chữ V

Phân tích

các yêu cầu

Thiết kế

sơ bộ

Thiết kế chi tiết

Mã hóa

Kiểm tra phần tử

Kiểm tra tích hơp

Kiểm tra hoạt động của toàn bộ

hệ thống

úng nh d ng

Đ đị ạ

Ki m ch ng l i ể ứ ạ

TT Giai đoạn Các công việc Dữ liệu vào Hồ sơ ra

1 Phân tích nhu cầu

- Chất lượng yêu cầu

Nhiệm vụ thư Hồ sơ của các đặc

tính kỹ thuật

3 Thiết kế tổng thể Kiến trúc chung của hệ

- Phân chia thành modul thành nhóm (grouping)

- Thông tin giữa các modul

- Trao đổi số liệu

Hồ sơ tạm thời về thực nghiệm/ đánh giá

Các giai o n ti n h nh trong m đ ạ ế à ô hình ch V (ti ữ ế p)

4 Thiết kế chi tiết - Thiết kế hay chọn mỗi một

modul cụ thể

- Phân chia các modul thành các chức năng đơn giản

Hồ sơ thiết kế tổng thể

Hồ sơ thiết kế chi tiết

Hồ sơ thử nghiệm đánh giá đơn vị

5 mã hóa lắp đặt - Chuyên phiên dịch các xử lý

- Hồ sơ nối dây

Hồ sơ thể nghiệm từng đơn vị

Lập bảng tổng kết các chi tiết

bộ phận thử nghiệm tích hợp

Các giai o n ti n h nh trong m đ ạ ế à ô hình ch V (ti ữ ế p)

Các hồ sơ thử nghiệm tích hợp

Hồ sơ các thử nghiệm tích hợp Hồ sơ đánh giá

8 Đánh giá - Thử nghiệm toàn bộ hệ thống

theo chức năng hoạt động của nó

- Đơn kêt nghiệm thu: Thực hiện thử nghiệm bởi chủ đề án

- Rà xét điều hành các điều chỉnh

- Hồ sơ chi tiết về bàn giao  

- Hồ sơ các đặc tính kỹ thuật

- Hồ sơ thử nghiệm và đánh giá.

- Hồ sơ các đơn nghiệm thu

- Hồ sơ thử nghiệm đánh giá toàn bộ.

- Tài liệu sử dụng vận hành, lắp ráp

và bảo dưỡng.

- Hồ sơ nghiệm thu.

Y=F(X,a,b,c ) là phương trinh cơ b n của thiết bị ả

X- là đại lượng vào

Y- Là đại lượng ra của thiết bị đo

Trong đó :

X- là một đại lượng hằng thiết bị đo là thiết bị đo tĩnh.

X(t)- Biến thiên theo thời gian Thiết bị đo là thiết bị đo động

X-là một đại lượng ngẫu nhiên thiết bị đo là thiết bị đo đại lư

ợng thống kê.

X- là một Vector nhiều thành phần thiết bị đo là một hệ đo

gián tiếp hay hợp bộ

a, b,c Là các yếu tố anh hưởng hay là nhiễu tác dụng lên thiết

bị đo.

Phương trinh c b nơ ả

Y= F(X,a,b,c )

∂F/∂X - ộ nhạy với x (Sensibility)Đ

∂F/∂a - ộ nhạy của yếu tố anh hưởng a hay nhiễuĐ

∆F/∆X = KXt- ộ nhạy theo X ở XĐ t hay người ta còn ký hiệu là S

    Khi K=const -> X,Y là tuyến tính

K=f(X) -> X, Y là không tuyến tính - > sai số phi tuyến

Việc xác định K bằng thực nghiệm gọi là khắc độ thiết bị đo Với một giá trị của

X có thể có các giá trị Y khác nhau, hay K khác nhau.

ể đánh giá tính phi tuyến của thiết bị đo ta xác định

Đ

hệ số phi tuyến của nó.

Hệ số phi tuyến xác định theo công thức sau:

∆ Xmax- là sai lệch lớn nhất

Ta thường dùng khâu bù phi tuyên nối  

Scb.Sb= K

n

max pt

 Khoảng đo: Dx = Xmax – Xmin

 Ngưỡng nhạy, khả năng phân ly:

Khi gi m X mà Y cũng gi m theo, nhưng với ả ả ∆X≤ εX khi đó không thể phân biệt được

∆Y, εX được gọi là ngưỡng nhạy của thiết bị đo

Thông thường : dụng cụ tương tự εY=1/5 vạch chia độ

dụng cụ số : εX =Xn/Nn tức giá trị một lượng tử đo

Kh n ng phân ly của thiết bị đo ả ă

-Thiết bị tương tự

-Thiết bị số:

x X

X

D R

Sai sè thiÕt bÞ ®o

Sai số tương đối của phép đo

Sai số tương đối quy đổi của thiết bị đo:

Thiết bị mà sai số cộng tính và sai số nhân tính cùng cỡ với nhau

c= γa+γm - tổng sai số tương đối quy đổi cộng tính và nhân tính

d= γa - sai số cộng tính quy đổi

Cấp chính xác của dụng cụ đo được ghi tỉ số c/d

ở các nước phương Tây người ta thường ghi 2 thông số:

Vi dụ : 0.1 of full scale

 Dựa vào độ chính xác hay sai số của thiết bị

 Qui định theo pháp lệnh của nhà nước

 Với từng cấp chính xác của thiết bị đo, pháp lệnh nhà nước quy định về sai số cơ bản của thiết bị , về sai số phụ về công thức tính toán sai số, về các quy định kiểm

định.v.v mà các cơ quan nghiên cứu, chế tạo và quản lý phải tuân thủ

 Ví dụ:

a) Đối với những thiết bị mà tính chính xác được quy định bằng sai số tuyệt

đối của nó Người ta phân thành cấp 0, cấp 1, cấp 2, cấp3

b/ Đối với thiết bị đo mà sai số chủ yếu là sai số Cộng tính thì cấp chính xác của thiết bị đo được sắp xếp theo sai số tương đối quy đổi tính theo phần trăm

khoảng đo của thiết bị đo

γ%≤ 1% Cấp chính xác của thiết bị đo đạt yêu cầu ấy được xếp vào cấp 1

Đối với dụng cụ đo cơ điện, sai số chủ yếu do ma sát trục trụ; sai số chủ yếu

l sai số cộng tính, người ta phân thành 8 cấp chính xác 0.05; 0.1; 0.2; 0.2; 0.5; 1; à1.5; 2.5; 4

Phương pháp nâng cao tính chính xác của thiết bị

Tối thiểu hoá sai

số bằng biện pháp thống kê

Biện pháp hiệu chỉnh sai số

Có người tham gia Tự động (Không có người )

Hiệu chỉnh

do người đo

thực hiện

Hiệu chỉnh thông qua số chỉ của dụng cụ

Dùng cảm biến đo yếu

tố liên quan

Tạo nên đại lư

ợng tỉ lệ với yếu tố liên quan

Phân theo không gian

Phân theo thời gian

Phân theo không gian

Phân theo thời gian

Cộng tính

Nhân tính

Logomet (tỉ số)

Khi đại lượng X biến thiên theo thời gian ta sẽ có quan hệ

Nếu đại lượng vào có dạng xung hẹp

X(t)= Xtδ(t-τ)

S(p)- thể hiện dưới dạng hàm h(t) đặc trưng cho đặc tính xung của thiết bị đo

Đặc tính xung thiết bị đo có thể có giao động hoặc không tuỳ theo S(p)

 Nếu đại lượng có dạng xung bước nhảy

Xt=Xt.1(t- τ )

S(p) - thể hiện dưới dạng h(t) theo quan hệ

 S(p) đặc trưng cho đặc tính quá độ của thiết bị đo và tuỳ theo phương trình đặc tính của nó, nó có thể giao động hoặc không giao động

t h(t)

δ (t)

Khi tín hiệu vào có dạng hình sin: Xt=Xme j ω t

A(0)- biên độ của thiết bị không ảnh hưởng của đặc tính tần.

f- Tần số đo

) 0 ( A

) 0 ( A ) ( A

) ( A

− ω

=

γ ω

t j n

Thiết bị đo khi nối vào đối tượng đo, muốn có đáp ứng phải thu

một ít năng lượng từ phía đối tượng đo ta gọi đó là tổn hao công suất.

yc t

A t

a

R p

p

γ

yc V

t ff R

R

γ

<

≈ γ

Trường hợp thiết bị đo mắc nối tiếp với

tải:

T n hao: p ổ a = R A .I 2

số do tổn hao càng ít.

Yờu cầu sai số phương phỏp

Trường hợp thiết bị đo mắc // với tải:

Theo tiêu chuẩn ANSI Y32.20.1975 hay ISA - S5.1 của viện

ời ta quy định ký hiệu thiết bị đo cũng chính là đại lượng là đại

G = Định lượng (theo loại) I = dòng điện