phương pháp đặc tính tần số trong hệ thống đo

 Khi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm để phân tích và đánh giá sai số trong các kết quả ghi nhận được thường gặp khó khăn và phức tạp do các ảnh hưởng và sự tương tác giữa các thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỂN

PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ

TRONG HỆ THỐNG ĐO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 3 6 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỂN

PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG

HỆ THỐNG ĐO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỂN

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Ngọc Hiển Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1989 Nơi sinh: Đồng Nai

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 166 Ấp Tân Bình, Xã Bình Minh,

Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai Điện thoại cơ quan: 083.9333533 Điện thoại nhà riêng: 0613.8951244 Fax: (08)39302790 E-mail: ngochien0209@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo: từ 10/2007 đến 03/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Đồ án: “Mô hình Nhà máy điện”

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 09/01/2012

Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Ngọc Âu

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của Tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014

Tác giả Luận Văn

Nguyễn Ngọc Hiển

CẢM TẠ

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý Thầy

Cô, Tôi đã hoàn thành được Luận văn tốt nghiệp này

Trước hết, Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt Luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Hồ Văn nhật Chương

đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp này

Ngoài ra, Tôi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các Anh Chị học viên trong lớp cao học 2012 – 2014B đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ Tôi hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp này

Việc thực hiện đề tài Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức chuyên môn Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô và các bạn để

đề tài luận văn này hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Hiển

TÓM TẮT

Tên đề tài: „„Phương pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo”

Thời gian thực hiện: Từ ngày 24/02/2014 đến ngày 24/8/2014

Địa điểm nghiên cứu: Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng

Tp HCM

Nội dung luận văn gồm có:

Chương 1: TỔNG QUAN

 Giới thiệu chung về đo lường, các khái niệm về đo lường, phân loại các thiết

bị đo lường và sai số trong đo lường

 Giới thiệu sơ lược về các đặc tính của thiết bị đo, gia công và xử lý kết quả đo

 Nêu mục đích của đề tài, giới hạn của đề tài và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Trình bày khái niệm về phương pháp đặc tính tần số, các phổ xung điện áp tiêu biểu

 Giới thiệu về phép biến đổi Fourier và các ứng dụng của phương pháp đặc tính tần số

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐO

 Giới thiệu về cấu trúc của một Hệ thống đo, các bộ phân áp đo lường, vai trò của cáp đo trong Hệ thống đo và ảnh hưởng của chúng lên kết quả đo

 Trình bày các yêu cầu của một dao động ký, các hệ số tính toán sai số của dạng sóng được hiển thị

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG ĐÁNH GIÁ SAI

SỐ HỆ THỐNG ĐO

 Nghiên cứu, tính toán và vẽ đặc tính tần số của các Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 theo các hàm của Hệ thống đo này



 Nhận xét đánh giá kết quả thực hiện được, so sánh với các kết quả từ tính toán

lý thuyết và đưa ra phương pháp đo cho phòng thử nghiệm

Topic name: ''The frequency characteristic method in measuring system"

Duration: From February 24th 2014 to August 24th 2014

Research place: Ho Chi Minh city Technical center of Standards Metrology and

Quality

This thesis consists of the parts following:

Chapter 1: OVERVIEW

 Introducing measurement, the concept of measurement, sorting measuring

system, measuring system error

 Introducing about the characteristics of measuring system and process

measuring results

 Presenting the purpose of the thesis, limit of the thesis and research methods

Chapter 2: THEORY BASIS

 Presenting the concept of frequency characteristics method, the voltage pulse

spectrum Introducing the Fourier transform and application of frequency

characteristics method

Chapter 3 : STRUCTURE OF MEASURING SYSTEM

 Introducing structure of measuring system, measuring divider, importance of

cable in measuring system and their effects on the measuring results

 Presenting requirements of oscilloscope, the factor calculation error of the

waveform is displayed

EVALUATING ERRORS OF MEASURING SYSTEM

 Researching, calculating and drawing frequency characteristics of measuring

system according to IEC 60990:1999 and according to the function of this system

 Experiment recorded data of measuring system model according to IEC 60990:1999 and from this data, we draw frequency characteristics of measuring

 Commenting, evaluating the results, comparing the results with theory and then, providing method for laboratory

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Biên bản chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ

Phiếu nhận xét Luận văn Thạc sĩ

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Abstract vi

Mục lục viii

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước đã công bố 1

1.2 Lý do chọn đề tài 12

1.3 Mục đích của đề tài 12

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 13

1.5 Phương pháp nghiên cứu 13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Phương pháp đặc tính tần số 15

2.2 Phép biến đổi Fourier 18

2.3 Phổ của một vài xung điện áp tiêu biểu 20

2.4 Ứng dụng phương pháp đặc tính tần số 26

2.5 Phương pháp đánh giá sai số Hệ thống đo 29

Chương 3 CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐO 31

3.2 Cáp truyền tín hiệu 41

3.3 Dao động ký 50

Chương 4 PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG ĐO 55

4.1 Giới thiệu Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 55

4.2 Giới thiệu thiết bị đo và quy trình thực nghiệm 56

4.3 Đặc tính tần số của Hệ thống đo 59

4.4 Hệ số K của Hệ thống đo 69

Chương 5 KẾT LUẬN 78

5.1 Các kết quả đạt được của đề tài 78

5.2 Hướng phát triển của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc Hệ thống đo một kênh 3

Hình 1.2: Hệ thống đo kiểu so sánh 5

Hình 1.3: Phương pháp so sánh kiểu cân bằng 5

Hình 1.4: Phương pháp so sánh không cân bằng 5

Hình 1.5: Phương pháp mã hóa thời gian 6

Hình 1.6: Phương pháp mã hóa tần số xung 6

Hình 1.7: Phương pháp mã hóa số xung 7

Hình 2.1: Xung dạng hàm mũ 20

Hình 2.2: Đặc tính tần số của xung điện áp dạng hàm mũ 21

Hình 2.3: Đặc tính tần số của hàm điện áp bước nhảy đơn vị 22

Hình 2.4: Đặc tính biên tần của xung tăng tuyến tính 23

Hình 2.5: Phổ của xung sét chuẩn với các thời gian cắt Tc khác nhau 24

Hình 2.6: Đặc tính tần số của xung vuông 25

Hình 2.7: Đặc tính biên tần của bộ phân áp điện trở 28

Hình 2.8: Đặc tính biên tần của bộ phân áp điện dung đệm 28

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của một Hệ thống đo 31

Hình 3.2: Dạng chung của bộ phân áp điện trở 36

Hình 3.3: Phân bố điện áp ban đầu dọc theo ống cách điện của bộ phân áp 37

Hình 3.4: Bộ phân áp điện dung 39

Hình 3.5: Sơ đồ tương đương của bộ phân áp điện dung 39

Hình 3.6: Sơ đồ của bộ phân áp dung – trở 40

Hình 3.7: Sự méo dạng của xung do qua bộ phân áp dung – trở 40

Hình 3.8a: Sơ đồ tương đương bộ phân áp điện dung 41

Hình 3.8b: Các kết quả đo giá trị biên độ của dao động điện áp tần số cao sau khi truyền qua đoạn cáp có chiều dài khác nhau 46

Hình 3.9: Sự méo dạng của xung điện áp do phản xạ từ điện trở đầu cuối của cáp

đo 47

Hình 3.10: Hàm quá độ định mức của bộ phân áp có tính đến cáp đo 49

Hình 3.11: Giản đồ của điện áp xung và điện áp theo vạch chia trên màn hình 53

Hình 4.1: Sơ đồ Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người theo

IEC 60990:1999 55

Hình 4.2: Sơ đồ Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người theo IEC 60990:1999 55

Hình 4.3: Máy phát xung LAG-120B 56

Hình 4.4: Máy ghi nhận tín hiệu điện HIOKI 8870-20 57

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn đặc tính biên tần (|F(jω)|) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 62

Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn đặc tính pha tần (θ(ω)) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 62

Hình 4.7: Biểu đồ biểu diễn sai số biên độ (δ|F(jω)|) của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 63

Hình 4.8: Biểu đồ biểu diễn sai số góc pha (δθ(ω)) của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 63

Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn đặc tính biên tần (|F(jω)|) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 67

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn đặc tính pha tần (θ(ω)) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 67

Hình 4.11: Biểu đồ biểu diễn sai số biên độ (δ|F(jω)|) của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 68

Hình 4.12: Biểu đồ biểu diễn sai số góc pha (δθ(ω)) của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 68

Hình 4.13: Biểu đồ thể hiện sai số độ lớn Hệ số K (δ|K|) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 72

Hình 4.14: Biểu đồ thể hiện sai số góc pha Hệ số K (δθ(K)) theo lý thuyết và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 72

Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện sai số độ lớn Hệ số K (δ|K|) theo lý thuyết và theo thực

nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 76

Hình 4.16: Hình 4.10 Biểu đồ thể hiện sai số góc pha Hệ số K (δθ(K)) theo lý thuyết

và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người77

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Một vài phổ tần số của một số xung điện áp tiêu biểu 26

Bảng 3.1: Các số liệu về sự suy giảm sóng (δ1) trong một vài loại cáp đo 44

Bảng 3.2: Sự giảm biên độ xung ứng với chiều dài cáp 46

Bảng 3.3: Tốc độ ghi xung yêu cầu và khoảng thời gian làm lệch tia điện tử 51

Bảng 4.1: Số liệu đặc tính biên tần của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 60

Bảng 4.2: Số liệu đặc tính pha tần của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 61

Bảng 4.3: Số liệu đặc tính biên tần của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 65

Bảng 4.4: Số liệu đặc tính pha tần của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 66

Bảng 4.5: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 69

Bảng 4.6: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 70

Bảng 4.7: Sai số độ lớn Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 70

Bảng 4.8: Sai số góc pha Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể người 71

Bảng 4.9: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 73

Bảng 4.10: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 74

Bảng 4.11: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 74

Bảng 4.12: Mức độ ảnh hưởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống

đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể người 75

Bảng 4.13: Sai số độ lớn Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp

ứng và trở kháng cơ thể người 75

Bảng 4.14: Sai số góc pha Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng

đáp ứng và trở kháng cơ thể người 76

đo lường: Cái thước giúp ta biết tấm vải, khúc gỗ dài bao nhiêu mét, cái cân giúp

ta biết con gà, con lợn, bao gạo, nặng bao nhiêu kilôgam,

 Đo lường tạo ra cơ sở định lượng tin cậy để thuận mua vừa bán, để đảm bảo công bằng và tin cậy lẫn nhau trong thương mại, trong giao lưu kinh tế giữa mọi người và giữa các nước với nhau Đồng thời, Đo lường tạo ra cơ sở định lượng để chúng ta có được các quyết định đúng đắn liên quan đến an toàn và tính mạng của mọi người Nghiên cứu, cải thiện Hệ thống đo trong lĩnh vực Đo lường, giúp chúng

ta có được những thiết bị có nhiều tính năng, phù hợp các yêu cầu của xã hội và các qui định của thế giới

 Khi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm để phân tích và đánh giá sai số trong các kết quả ghi nhận được thường gặp khó khăn và phức tạp do các ảnh hưởng và sự tương tác giữa các thông số của Hệ thống đo Theo [8], [9], [10] nêu ra các phương pháp để đánh giá một Hệ thống đo Để khắc phục những điều đã nói ở trên, người ta thường sử dụng phương pháp đặc tính tần số [1], [10] Phương pháp đặc tính tần số là một công cụ hữu hiệu giúp chúng ta phân tích Hệ thống đo khoa học hơn, qua đó đánh giá sai số, đưa ra các kết quả chính xác hơn, làm cơ sở cho các kết luận liên quan đến chất lượng sản phẩm cũng như an toàn và tính mạng con người

1.1.1 Định nghĩa

 Theo [2], [3], Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần

đo để có kết quả bằng số so với đơn vị

 Với định nghĩa trên thì Đo lường là quá trình thực hiện ba thao tác chính:

+ Biến đổi tín hiệu và tin tức

+ So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lường

+ Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị

 Căn cứ vào việc thực hiện các thao tác này ta có các phương pháp và Hệ thống đo khác nhau

 Thiết bị đo và thiết bị mẫu

 Thiết bị đo là một hệ thống mà đại lượng đo gọi là lượng vào, lượng ra là đại lượng chỉ trên thiết bị (là thiết bị đo tác động liên tục) hoặc là con số kèm theo đơn

vị đo (thiết bị đo hiện số) Đôi khi lượng ra không hiển thị trên thiết bị mà đưa tới trung tâm tính toán để thực hiện các phân tích kỹ thuật nhất định

 Thiết bị mẫu dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị đo và đơn vị đo

 Theo quy định hiện hành thiết bị mẫu phải có độ chính xác lớn hơn ít nhất hai cấp so với thiết bị kiểm tra

 Ví dụ: Muốn kiểm định công tơ cấp chính xác 2 thì bàn kiểm định công tơ

 Thiết bị đo chuyển đổi thẳng

− Đại lượng cần đo đưa vào thiết bị dưới bất kỳ dạng nào cũng được biến thành góc quay của kim chỉ thị Người đo đọc kết quả nhờ thang chia độ và những quy ước trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị đo cơ điện Ngoài ra, lượng ra còn có thể biến đổi thành số, người đo đọc kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt

 Thiết bị đo kiểu so sánh

 Thiết bị so sánh cũng có thể là chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số Tuỳ theo cách so sánh và cách lập đại lượng bù (bộ mã hoá số tương tự) ta có các thiết bị so sánh khác nhan như: thiết bị so sánh kiểu tuỳ động (đại lượng đo x và đại lượng bù trừ luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (đại lượng bù trừ biến thiên theo một quy luật thời gian nhất định và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm trong chu kỳ)

 Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập đại lượng bù người ta chia thành dụng cụ

mã hoá số xung, tần số xung, thời gian xung Căn cứ vào điều kiện cân bằng người

ta chia thành dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng cụ bù có lệch (vi sai) Căn cứ vào quan hệ giữa lượng ra và lượng vào, người ta chia thành: thiết bị đo trực tiếp (đại lượng ra biểu thị trực tiếp đại lượng vào), thiết bị đo gián tiếp (đại lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua những biểu thức toán học xác định), thiết bị

đo kiểu hợp bộ (nhiều đại lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua các phương trình tuyến tính)

1.1.2.2 Chuyển đổi đo lường

 Chuyển đổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 ÷ 10 V; I = 4 ÷ 20 mA) Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại, đã được nghiên cứu kỹ ở các giáo trình khác nên

ta không xét

 Chuyển đổi sơ cấp: Có nhiệm vụ biến một tín hiệu không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo Có rất nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau như: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện, v.v…

1.1.2.3 Tổ hợp thiết bị đo

 Với một thiết bị cụ thể (một kênh):

Chuyển đổi sơ cấp Mạch đo Chỉ thị

Hình 1.1 Cấu trúc Hệ thống đo một kênh

+ Chuyển đổi đo lường: biến tín hiện cần đo thành tín hiệu điện

+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin, bao gồm: nguồn, các mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ, v.v…

+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho người quan sát, thường gồm chỉ thị số và chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v

1.1.2.4 Với Hệ thống đo lường nhiều kênh

 Trường hợp cần đo nhiều đại lượng, mỗi đại lượng đo ở một kênh, như vậy tín hiệu đo được lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hoá tới mạch điều chế tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đưa qua phân kênh (multiplexer) để được sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền Để có sự phân biệt, các đại lượng đo trước khi đưa vào mạch phân kênh cần phải mã hoá hoặc điều chế (Modulation - MOD) theo tần số khác nhau (thí dụ như f10, f20, ) cho mỗi tín hiệu của đại lượng đo

 Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế (Demodulation - DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo Đây chính là hình thức đo lường từ xa (TE1emety) cho nhiều đại lượng đo

1.1.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường

1.1.3.1 Hệ thống đo hiến đổi thẳng

 Trong Hệ thống đo biến đổi thẳng, đại lượng vào x qua nhiều khâu biến đổi trung gian được biến thành đại lượng ra z Quan hệ giữa z và x có thể viết:

z = f(x) Trong đó: f(x) là một toán tử thể hiện cấu trúc của thiết bị đo

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

z = S.x (1.1) Trong đó: S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị

 Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lượng vực và lượng ra có thể viết:

1

(1.2)

 Phân loại phương pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng

 Phương pháp so sánh kiểu cân bằng (Hình 1.3): Trong phương pháp này, đại lượng vào so sánh: Yx = const; đại lượng bù Yk = const

 Tại điểm cân bằng:

 Phân loại phương pháp đo căn cứ vào cách tạo điện áp bù

 Phương pháp mã hoá thời gian: Trong phương pháp này đại lượng vào

yx = const còn đại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t:

yk = y0.t (y0 = const) y

x

y k

t x

y x

Hình 1.5 Phương pháp mã hóa thời gian

− Tại thời điểm cân bằng yx = yk = y0.tx

yx cho tăng tỉ lệ với đại lượng cần đo x và khoảng thời gian t: yx = t.x, còn đại lượng

bù yk được giữ không đổi

− Tại điểm cân bằng có:

yx = x.tx = yk = const

k x

x

y

x t

 Phương pháp mã hoá số xung: Trong phương pháp này đại lượng vào

yx = const, còn đại lượng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang với những bước nhảy không đổi vo gọi là bước lượng tử T = const còn gọi là xung nhịp Ta có:

Hình 1.7 Phương pháp mã hóa số xung

− Tại điểm cân bằng đại lượng vào yx được biến thành con số NX:

1.1.4 Các đặc tính của thiết bị đo

1.1.4.1 Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của thiết bị đo

 Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x) Để có một sự đánh giá

về quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độ nhạy của thiết bị:

x

z S





Trong đó: + ∆z là biến thiên của lượng ra

+ ∆x là biến thiên của lượng vào

 Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi ∆x đủ nhỏ thì 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 đó, S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị đo

 Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp thì độ nhạy được tính 𝑆 = 𝑛𝑖=1𝑆𝑖, với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị

 Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao nhiêu cũng được, song trên thực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z không thể thấy được

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

 Nguyên nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hiện tượng trễ, ε được gọi là ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo

 Có thể quan niệm ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất mà thiết

bị đo có thể phân biệt được

 Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác nhau nó chưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị Vì vậy, để so sánh chúng với nhau người

ta phải xét tới quan hệ giữa ngưỡng độ nhạy và thang đo của thiết bị

 Thang đo (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân theo phương pháp đo lường của thiết bị:

D = xmax – xmin (xmin thường = 0)

 Từ đó đưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo và so sánh các R với nhau:



 max min

X X

D





 Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo

 Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo Bất kỳ một phép

đo nào đều có sai lệch so với đại lượng đúng:

δi = xi - xđTrong đó: + xi là kết quả của lần đo thứ;

+ xđ là giá trị đúng của đại lượng đo;

+ δi là sai lệch của lần đo thứ i

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

Δx = max[δi]

 Sai số tuyệt đối không đánh giá được tính chính xác và yêu cầu công nghệ của thiết bị đo Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đo được đánh giá bằng sai số tương đối:

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

 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

1.1.4.2 Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo

 Thiết bị đo phải thu năng lượng từ đối tượng đo dưới bất kì hình thức nào để biến thành đại lượng đầu ra của thiết bị Tiêu thụ năng lượng này thể hiện ở phản tác dụng của thiết bị đo lên đối tượng đo gây ra những sai số mà ta thường biết được nguyên nhân gọi là sai số phụ về phương pháp Trong khi đo ta cố gắng sao cho sai

số này không lớn hơn sai số cơ bản của thiết bị

 Với các thiết bị đo cơ học sai số chủ yếu là phản tác dụng của chuyển đổi Với các thiết bị đo 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 đo dòng áp là:

ΔPA = RA.I2

ΔPU = U2/RV

 Vậy ta tạm tính sai số phụ do ảnh hưởng của tổng trở vào là:

γI = RA; γU = Rt / RV

Trong đó : + RA là điện trở của Amperemet hoặc phần tử phản ứng với

dòng;

+ RV là điện trở của Volmet hoặc phần tử phản ứng với áp; + Rt là điện trở tải

1.1.4.3 Các đặc tính động của thiết bị đo

 Khi đo các đại lượng biến thiên ta phải xét đến đặc tính động của dụng cụ

đo Đặc tính động của dụng cụ đo thể hiện ở các đặc trưng sau:

 Hàm truyền đạt của thiết bị đo hay độ nhạy động của thiết bị đo K(p) tức là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào ở trạng thái động;

) (

) ( ) (

P X

P Y P

S 

 Đặc tính này thể hiện dưới các dạng sau:

+ Đặc tính quá độ ứng với tín hiệu vào có dạng bước nhảy:

x(t) = A.l(t - η) + Đặc tính xung hay tín hiệu vào là xung hẹp:

x(t) = A.δ(t - η) + Đặc tính tần lúc tín hiệu vào có dạng hình sin:

)(

A

A A

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

+ θ(ω) là góc pha ở đầu ra phụ thuộc tần số;

+ θ0 là góc pha lý tưởng không phụ thuộc tần số

 Trong dụng cụ đo, các sai số này phải nhỏ hơn một giá trị cho phép quy định bởi nhà nước Giải tần của dụng cụ đo là khoảng tần số của đại lượng vào để cho sai

số không vượt quá giá trị cho phép

 Thời gian ổn định hay thời gian đo của thiết bị là thời gian kể từ khi đặt tín hiệu vào của thiết bị cho tới khi thiết bị ổn định có thể biết được kết quả

 Chính dựa vào thời gian đo của thiết bị này cho phép ta tự động rời rạc hoá đại lượng cần đo để đo giá trị tức thời, sau đó dùng các phép gia công toán học hoặc dùng phương tiện để phục hồi lại hoàn toàn hiện tượng xảy ra

1.1.5 Gia công kết quả đo lường

 Gia công kết quả đo lường là dựa vào kết quả của những phép đo cụ thể ta xác định giá trị đúng của phép đo đó và sai số của phép đo ấy

x x x x

 Dụng cụ đo nào cũng có sai số và nguyên nhân sai số rất khác nhau, vì vậy cách xác định sai số phải tùy theo từng trường hợp mà xác định Hiện nay đã dùng nhiều phương pháp khác nhau để phép đo đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề ra

− Tính toán và vẽ đặc tính tần số của các Hệ thống đo theo IEC 60990:1999

theo các hàm của Hệ thống đo này

− Thực nghiệm lấy số liệu của mô hình Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 và

từ số liệu thu được, ta vẽ đặc tính tần số của Hệ thống đo theo thực nghiệm, đánh giá sai số của Hệ thống đo, đưa ra phương pháp đo cho phòng thử nghiệm

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài

− Hệ thống hóa các kiến thức về đặc tính tần số trong Hệ thống đo

− Nghiên cứu, tính toán và vẽ đặc tính tần số của các Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 theo các hàm của Hệ thống đo này

− Thực nghiệm lấy số liệu của mô hình Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 và

từ số liệu thu được, ta vẽ đặc tính tần số của Hệ thống đo theo thực nghiệm

− Nhận xét đánh giá kết quả thực hiện được, so sánh với các kết quả từ tính toán lý thuyết và đưa ra phương pháp đo cho phòng thử nghiệm

1.4.2 Giới hạn của đề tài

− Đề tài chỉ tập trung vào tìm hiểu và phân tích hoạt động của Hệ thống đo khi thay đổi tần số của tín hiệu đo

− Phạm vi khảo sát bị hạn chế trong Hệ thống đo Đề tài không đi sâu nghiên cứu cải tiến Hệ thống đo

− Đề tài chỉ trình bày và phân tích các đặc tính tần số của Hệ thống đo và đánh giá sai số trên lý thuyết so với thực nghiệm Đề tài không giải quyết các vấn đề hạn chế sai số hay cải tiến Hệ thống đo này

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng các phương pháp sau:

− Phương pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trò chủ đạo Sử

dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo khoa học, … Để phục

vụ cho để tài nghiên cứu này

− Phương pháp chuyên gia: là phương pháp đóng vai trò bổ trợ Tham khảo ý

kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực

đo lường

− Phương pháp tổng hợp: Là phương pháp đóng vai trò bổ trợ Tổng hợp các

ý kiến để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu Từ đó hoàn thành nội dung, yêu cầu của đề tài này

ký sinh trong cơ cấu đo điện chúng kéo theo một quan hệ rất phức tạp giữa điện áp xung vào u1(t) và điện áp xung ra u2(t) Nói chung quan hệ giữa điện áp vào và điện

áp ra có thể mô tả bằng hệ phương trình sau:

m m

n n

A u

A u

 Trong thực tế, hệ phương trình vi phân được sử dụng như là những đặc trưng của thiết bị đo thì rất không thuận lợi, bởi vì các hệ số của nó rất khó xác định bằng thực nghiệm Để đánh giá các tính chất động của thiết bị đo Thông thường, người

ta sử dụng đặc tính tần số phức hoặc đặc tính pha – biên độ phức Chúng được xác định bằng cách tác dụng lên Hệ thống đo một điện áp hình sin với tần số thay đổi Sau đó, xác định môđun và góc pha của điện áp ra u2 và điện áp vào u1, có nghĩa là:

1 2 1 2

)(

;)

(2.1)

Trong đó: G(ω) – được gọi là đặc tính biên tần;

θ(ω) – được gọi là đặc tính pha tần của thiết bị đo

 Các quan hệ G(ω) và θ(ω) có thể hợp nhất với nhau nếu sử dụng mặt phẳng phức Lúc đó, ta có thể viết:

u1(t) = um1ejωt = Um1sinωt Và:

u jQ

P j

G

1

2)()()

Trong đó:

)(

)()

(

)()

()

Q P

j G







− Đặc tính tần số phức có thể nhận được bằng tính toàn từ phương trình (2.1) nếu viết u1 dưới dạng phức, có dạng:

n n m m

A j A

j A j A

B j B

j B j B G

)(

)(

)(

)()

(

2

2 1

0

2

2 1

số, mỗi lần đưa điện áp hình sin đặt ở đầu vào của thiết bị đo cần chờ đợi một khoảng thời gian để quá trình quá độ chấm dứt

− Nếu thay jω bằng p = s + jω ta sẽ nhận được hàm truyền:

n n m m

A p A

p pA A

B p B

p pB B

p G

2

2 1 0

2

2 1 0

− Biểu thức (2.3) cho phép xác định không những ở chế độ xác lập, mà còn ở chế độ tự do Lúc đó, điện áp vào có dạng:

− Trong kỹ thuật điện, để tìm đặc tính tần số hoặc hàm truyền, phần lớn người

ta sử dụng lý thuyết số phức và hàm biến phức Sử dụng lại các quan hệ của phép tính toán tử:

)()

F(jω) = a(ω) + jb(ω) (2.7) Trong đó:

)(

)()

(

)()

()

b a

j F

2

1)(

− Chứng tỏ rằng hàm không chu kỳ f(t) đặc trƣng bằng tổng không giới hạn của các giao động điều hòa với biên độ nhỏ:

)()(0

F

j F

2.2 Phép biến đổi Fourier

− Một ảnh Laplace F(p) đã cho có một phân bố phức F(jω) xác định ở trên trục

ảo, đó là ảnh Fourier của gốc l(t), f(t):

)()()

f t

2

1)()

 Từ (2.11) xét điều hòa nguyên tố:

t j t

j

e j dA e

d j

− Có thể coi rằng giá trị F(jω) là mật độ của hàm A(jω) thông qua nguyên tố dA(jω), dω hay:

2

1)

− Biểu diễn đặc tính tần số biên độ F(jω) có thể theo hai dạng:

F(jω) = F(ω).ejψ(ω) (2.15) F(jω) = F1(ω) + F2(ω) (2.16) Trong đó: + F(ω) – là môđun hay đặc tính tần số biên độ;

+ Ψ(ω) – là góc pha hay argumen;

t



1)

− Thì trên trục ảo ở các tần số ω = ± Ω sẽ làm cho giá trị đặc tính tần số F(ω)

vô cùng lớn Trên trục tần số ở các giá trị ω = ± Ω sẽ có giá trị đặc tính tần số vạch với biên độ hữu hạn ứng với:

Akcos(ωkt + αk) … (2.18)

− Tính chất của các đặc tính tần số dễ tìm thấy:

+ Đặc tính tần số biên độ và đặc tính tần số tần thực là hàm chẵn: đối xứng qua trục tung:

F(ω) = F(-ω), F1(ω) = F1(-ω) (2.19) + Đặc tính tần số pha và đặc tính tần số ảo là hàm lẻ: đối xứng qua gốc tọa độ:

Ψ(ω) = -ψ(-ω), F2(ω) = -F2(-ω) (2.20)

− Nhờ hai tính chất trên có được:

F(jω) = *

F(-jω) (2.21)

− Nghĩa là đặc tính tần số biên độ F(jω) sẽ trở thành liên hiệp khi đổi dấu tần

số điều này phản ánh trong (2.11) một hàm phức F(jω)ejωt, dω trong cận đối xứng (–∞, ∞) mà cho giá trị hàm thực l(t), f(t) có nghĩa là tần số bằng và ngược dấu biểu thức dưới dấu tích phân liên hiệp với nhau

2.3 Phổ của một vài xung điện áp tiêu biểu

2.3.1 Xung dạng hàm mũ (H.2.1): Xung này đặc trưng bằng biểu thức toán học

2)(1

1)

0(

)(

Đặt α = 1/η thì:

2 0

)(1

1)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1,2 1,4 f(t)

t 1/α - π

Hình 2.1 Xung dạng hàm mũ

− Đồ thị F0(ω) khi ω.η = 1 được vẽ trong hình H.2.2 Dễ dàng nhận thấy rằng với một tỷ lệ thích hợp (logarit nhị phân) thì khi ω.η >> 1, đặc tính biên tần sẽ chuyển sang đường thẳng với góc lệch 450 so với trục hoành, nghĩa là có độ suy giảm -20 dB mỗi một decade Như vậy, đặc tính biên tần có thể vẽ gần đúng bằng 2 đường thẳng: Một đường thẳng nằm ngang và một đường thẳng nghiêng

− Trên cơ sở của hàm đặc trưng theo tần số, người ta có thể chọn thông số đặc trưng – tần số giới hạn fgh Chúng ta có thể gọi như vậy, bởi vì trong nhiều trường hợp Ở tần số này, giá trị biên độ của hàm đặc trưng F0(ω) giảm đến 1/√2 lần so với giá trị ban đầu, có nghĩa là giảm 3 dB

0 0,02 0,1 0,5

0,01 0,05 0,2 1

F(jω) F(0)

40 ωπ

F(jω) F(0)

30 20 10

4G 0

Hình 2.2 Đặc tính tần số của xung điện áp dạng hàm mũ

2.3.2 Xung bước nhảy đơn vị: Dạng biểu thức toán học như sau:

𝑓 𝑡 = 0 𝑘𝑕𝑖 𝑡 < 0

1 𝑘𝑕𝑖 𝑡 > 0 Trong đó: U = 1 và α = 0, do đó ảnh laplace của hàm f(t) sẽ là:

1)(





j F

j j

F

ω 0

Hình 2.3 Đặc tính tần số của hàm điện áp bước nhảy đơn vị

2.3.3 Xung tăng tuyến tính và cắt ở thời gian T c: Trường hợp này, biểu thức toán có dạng sau:

− Phổ biên độ với điều kiện F(ω)ω = 0 = 1 trở thành:

𝑓 𝑡 =

0 𝑘𝑕𝑖 𝑡 < 0 𝑣à 𝑡 > 𝑇𝑐𝑈

j

T

e e

j U j

)cos(

1(2)()(

2)

c

T T

T T

T j

Hình 2.4 Đặc tính biên tần của xung tăng tuyến tính

2.3.4 Xung điện áp sét toàn sóng và sóng cắt: Nếu điểm cắt xảy ra ở thời điểm

Tc, thì biểu thức toán học của xung sét có thể viết dưới dạng:

)sin(

(1)(1

))cos(

)sin(

(1)(1)(

2 2

2 2

1 2

1 1

2 1

c c

T

c c

T

T T

e U

T T

e

U a

c c

)sin(

()

(1

))cos(

)sin(

()

(1)(

2 2

2 2 2

1 1

2 1 1

2 1

c c

T

c c

T

T T

e U

T T

e

U b

c c

1

2 1 2

2

2 2

1

1

)(1)(1)

(1)(1)