Cơ sở kĩ thuật của các hệ thống đo lường

1- Hệ thống đo lường và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp. 1.1 Hệ thống đo lường. 1 – Cảm biến (sensor) 2 – Khuếch đại và biến đổi tín hiệu đo 3 - Truyền thông tin đo

Phần A: Cơ sở kĩ thuật của các hệ thống đo lờng.

1- Hệ thống đo lờng và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp 1.1 Hệ thống đo lờng

a Mục đích của đo lờng: Xác định giá trị bằng số của đại lợng vật lý

X N

χ = χ & N: cùng tính chất vật lý

N: là chuẩn mẫu

Điều kiện phép đo: - Đối tợng đo χ đơn trị

- Đơn vị đo N có độ lớn phù hợp giá trị đo

Nhận xét: - N chọn phù hợp điều kiện thực tế và thuận tiện cho sử dụng

Đại l ợng đo X : là đại lợng vật lý đợc xác định trong quá trình đo

Vd: chiều dài l, điện trở R

Đại l ợng Vật lý: Một hiện tợng vật lý, một vật thể mang theo nó một số thuộc tính vật chất, đối tợng quan sát và nghiên cứu của vật lý học

Vd: + Hình tròn: - có chu vi có thuộc tính dài

- có bề mặt có thuộc tính rộng+ Dòng điện: cờng độ có thuộc tính mạnh yếu

- Trong công nghiệp (cơ khí) : - kích thớc hình học, hình dạng, chất lợng bề mặt, tốc độ chuyển động, lực, nhiệt độ, độ cứng vật liệu …

Tùy theo độ chính xác cần thiết của phép đo cũng nh các thông số tác động của đại ợng đo ngời ta sử dụng các phơng pháp và dụng cụ đo khác nhau Mỗi phơng pháp đo và dụng cụ đo chỉ thích hợp trong những điều kiện nhất định ảnh hởng của môi trờng đo và môi trờng bên ngoài làm cho độ chính xác của các phép đo khác nhau

l-Kết luận:

Mục đích đo lờng : Xác định giá trị số của đại lợng đo, song giá trị đo đợc lại không phải là giá trị thực của đại lợng đo

Đối tợng đoChuẩn mẫu

Thiết bị đo

Hệ đo

1 Cảm biến (sensor)– – nhậy cảm chủ yếu với đại lợng đo và chuyển đổi sang

dạng thích hợp và thuận lợi cho sử lý tiép theo

- Điện tử R=f(ε) - Tổn hao năg lợng ít nhất (nó cần công suất là nhỏ nhất)

- l2 kế tấm chắn p= f(Q)

2 – Khuếch đại và biến đổi tín hiệu đo: biến đổi và khuếch đại tín hiệu giúp cho

yếu tố nhạy cảm (cảm biến) làm việc chính xác và quá trình xử lý đếm thuận tiện

+Biến đổi : - Các chuyển đổi thứ cấp vd: ánh sáng → dòng điện hoặc điện áp

- Cần biến biến thiên điện tử thành biến thiên điện áp

- Bộ dao động ∆R, ∆C, ∆L →∆fNgày nay : - Các chuyển đổi chuẩn hóa fát dòng và áp tích hợp máy tính để đo lờng

điều khiển

+Khuếch đại: khuếch đại áp và dòng:

+Phối hợp trở kháng xử lý đếm: So sánh độ lớn đại lợng đo với đại lợng chuẩn

mẫu Vd- bảng khắc độ và giá trị số trong dụng cụ đo số

- Ngoài 4 phép tính số học cộng trử nhân chia còn log, ∫, √…

Ví dụ: ∆Q= ∆N đo lu lợng

- Khi đo gián tiếp: phải xử lý đo đồng thời nhiều

đại lợng

- Các chức năng khác: đánh dấu thời gian, phân tích tìm hiểu theo tần số và

thời gian nh giá trị trung bình, giải tần phổ xử lý logic số tơng tự

Đối

Lu trứ hiển thị

Biến đổiKhuếch đại

Xử lý đếmTruyền dữ

liệu

3- Truyền thông tin đo: Có vai trò quan trọng trong các thiết bị đo lờng điều khiển

tự động hiện nay đẻ thu thập và truyền thông tin đi xa

Vd: Các bộ ghép nối : phân kênh và điều kênh (MUX)

4- Hiển thị và lữu trữ: phản ánh thông tin đo ở dạng thuận

tiện cho quan sát và lu trữ:

1- MP: là một bộ vi xử lý (micro-processor) trên mạch LSI và VLSI nó thực hiện

choc năng của bộ tính toán nhỏ và là bộ não của máy vi tính CPU

Lịch sử phát triển MP: 71: 4 bit → thời gian thực hiện một lệnh 5-10ms

phép logic, phép bù, dịch trái, dịch phải …

+Các thanh ghi: gồm có các thanh ghi lệnh, số liên, đệm, đa năng, đếm chơng

+Bộ vi chơng trình: chứa các bộ lệnh xử lý thông tin dữ liệu động b… … ớc nhỏ

gọi là vi lệnh và tập hợp các vi lệnh →vi chơng trình( điều khiển MP)

+Đơn vị điều khiển (control unit) thực hiện điều khiển tơng đối và chế biến

thông tin , thay đổi trạng thái MP

Kờnh dữ liệu

5 ứng dụng MP trong đo lờng

+ Chứa khoảng đo và tự động chọn khoảng đo

+ Xử lý bù 0, bù tuyến tính và nội suy tuyến tính

+ Xử lý bù sai số: bù sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, ding xác suet thống kê để Xử

lý sai số

+ Xử lý đo gián tiếp

+ Xử lý đo hợp bộ

+ Xử lý báo hiệu báo động

+ Xử lý chống nhiễu ( trong đo từ xa)

+ Xử lý tín hiệu: Xử lý các tín hiệu đa vào bằng các algorith ví dụ: - FFT , lọc số Đệ quy và không đệ quy

+ Thay đổi cấu trúc thiết bị bằng phần mềm để mở rộng choc năng của thiết bị

+ Đối thoại giữa ngời và thiết bị đo

+ Vẽ đồ thị và trình bày kết quả đo…

Cấu trúc dụng cụ đo có cài đặt MP

> Chuyển

đổi chuẩn hóa

Hiển thị

Điều khiển

Vào ra

I/O

-ứng dụng MC

Có thêm các chức năng :

1- Tự động thu thập số liệu của các đối tợng đo khác nhau

+Hoạt động theo chế độ địa chỉ : đo bằng tây hoặc lập trình điều khiển

+ Hoạt động theo chế độ chu trình: đo tự động theo chơng trình trong máy tính

2- Tự động chọn số kênh trên cơ sở sai số cho phép : tùy theo sai số cho phép

2 Đặc tính tĩnh của hệ thống đo lờng

- Mục đích: Khảo sát các đặc tính tĩnh trong quá trình làm việc và ảnh hởng của nó đến

độ hoàn thiện của hệ thống

- Khái niệm đặc tính tĩnh: là quan hệ giữa O và I của một phần tử khi I biến đổi rất chem

hoặc không biến đổi

2.1 Các đặc tính hệ thống:

- Là các đặc tính đợc xác định chính xác về mặt toán học và độ thị ( khác với các đặc tính

thống kê)

1- Phạm vi đo của dụng cụ: Imax ữ Imin hoặc Omax ữ Omin

2- Khoảng đo làm việc của chuyển đổi.: Khoảng biến đổi lớn nhất cuat Imax –

Imin hoặc Omax – Omin

3- Đặc tuyến: quan hệ O và I là đờng thẳng:

Đặc tuyến thẳng lý tởng giữa A(Imin, Omin) và B(Imax, Omax)

Đk logic LSB

MSB

Hiển thị tốc

độ motor

-a: gia số của đặc tuyến.

Ví dụ: áp kế: O=1,6.10-3I+4,0

4- Độ phi tuyến: sự sai khác của trạng thái thực với đặc tuyến lý tởng

N(I)=O(I)-(KI+a) ( 2-3)Or: O(I)=KI+a+N(I) ( 2-4)

Trờng độ phi tuyến đánh giá theo độ lệch cực đại theo phần trăm của khoảng làm việc

6- ảnh hởng của môi trờng

O không chỉ phụ thuộc I mà còn chịu ảnh hởng của môi trờng :-nhiệt độ, áp suất không khí, độ ẩm, điện áp nguồn

vd điều kiện chuẩn: 25o C , 1000 mbar, 50%, 10V…

2 dạng ảnh hởng của môi trờng :

a- loại I: IM (IM=0 ở điều kiện chuẩn) sai loch với điều kiện chuẩn → đờng

đặc tuyến O=(K+KMIM)I+ab- loại II: Ii→ đặc tuyến O=a+KiIi+KI

Tổng cộng: O=KI+a+N(I)+KMIM+KiIi

Ví dụ: a)

b) Nhiệt độ cặp nhiệt có nhiệt độ môi trờng T (+)

7- Độ trễ: O tùy thuộc vào I tăng hay I giảm

H(I)=O(I) tăng – O(I) giảm

Ví dụ: Khe hở bánh răng-thanh răgn → biến thiên góc quay do trễ

8- Độ phân giải : I biến thiên liên tục → O bậc : xác định bằng sự thay đổi lớn nhất của I ứng với sự biến thiên của O tơng ứng

……… Là sự thay đổi K or a rất chậm Và có hệ thống theo thời gian

a) độ cứng lò xo K(t) giảm chem Theo thời gian do giãoK(t) = Ko-bt

b) Cặp nhiệt : hệ số a1,a2 biến thiên do biến thiên hóa học của kim loại

9- Dải sai số: độ phi tuyến, độ trễ, độ phân giải, trong nhiều sensor và cảm biến

hiện đại nhỏ đến mức khó tính chính xác tong ảnh hởng riêng biệt Khi đó các nhà sản xuất sẽ xác định sự hoàn thiện của các yếu tố qua dải sai số

O

Hình 2.7Các nhà sản xuất coi bất kỳ tín hiệu vào I bào thì tín hiệu ra …Trạng thái hệ thống hoặc chính xác đợc thay bằng trạng thái thống kê: hàm mật độ xác suất p(0)

a) Hàm mật độ xác suất chữ nhật: (diện tích = 1 đơn vị)

02

lt lt

Nừu không có độ trễ và hiệu ứng phân giải, song vẫn có tác động của môi trờng và hiệu ứng phi tuyến trên mỗi phần tử Khi đó tín hiệu tĩnh ra O của 1 phần tử có thể viết:

O=KI+a+N(I)+KMIMI+KIII

Ví dụ về dạng sơ đồ khối biểu diễn đặc trng tĩnh của một phần tử:

KM

XKN()

K

G(S)

Ii

Đặc tính các phần tử

a) Đo sức căng

• Điện trở 100S2 không chịu lực

• Điện trở do chịu ảnh hởng của nhiệt độ nh lực căng

4 3 1

6 3 1

13, 43

3, 319.10

2, 071.10 2,195.10

T T T T

++

+

1

T1Sức căng C

Toc – nhiệt độ môi trường

-38,74

RΩ

+

++

+100S2 Điện trở ban đầu

Điện trở ban đầu bị thay

đổi

do To thay đổi (tăng điện trở Ro lên ∆Ro)

2.3 Các đặc tính thống kê

2.3.1 Sự thay đổi của của một phần tử với thời gian - độ ổn định

Vd1: giả thiết

Nếu đọc nhiều lần 0 ta có các giá trị: 0,99; 1,01; 1,02; 0,98.v.v gọi là độ không ổn…

định: do các yếu tố ngẫu nhiên và môi trờng tác dụng lên phần tử

Vd1: lu lợng kế xoắn:

Song đọc đợc thực tế

• Nguyên nhân chính độ không ổn định của 0 là biến đổi ngẫu nhiên IM và II của môi trờng nếu KM và KI 0 Nh≠ nhiệt độ môi trờng ảnh hởng đến điện tử, điện áo nguồn -> bộ khuếch đại hoặc cần hàm mật độ xác suất của 0

• Nếu nắm đợc hàm mật độ xác suất I, IM, II có thể tìm đợc hàm mật độ xác suất của

0 Thờng thì hàm mật độ xác suất I, IM, II là phân bố Gauss

của kì vọng phân bố và σ: Sai lệch chuẩn (đặc trng phân bố)

X

P(X) 0.399

Từ (2.9) biểu diễn quan hệ của 0 với I, IM, II

Với ∆0 là sai lệch nhỏ của 0 so với 0 do sai lệch của ∆I, ∆IM, ∆II đối với I , I , M I I

2 0

0 01

2.3.2 Biến đổi thống kê của 1 tập các phần tử giống nhau dung sai– Một loạt phần tử giống nhau: ví dụ: 100 nhiệt điện tử đợc sản xuất Khi đo R0 ở 00C không đạt đợc giá trị bán của nhà sản xuất 100,0 Ω mà là 99,8 ; 100,1; 99,9; 100,0 Ω do biến thiên ngẫu nhiên của nhà sản xuất-> hàm mật độ xác suất Gauss:

0 0

gia tri chap nhan

gia tri loai bo

sRo=0.1O

Hình 2.12Ngời sử dụng có hai lựa chọn:

a Họ thiết kế hệ đo có giá trị R0 sản xuất R0 =100,0 Ω và chấp nhận hệ riêng có R0 100,1 Ω có sai số đo nhỏ (điều này là thực tế)

b Họ thực hiện kiểm đo R0 về độ chính xác đối với đối với mỗi phẩn tử đợc

đo của loạt -> bỏ sai số do độ không chắc chắn của R0 song mất thời gian

và đắt (tuy nhiên khi đo vẫn có một độ không chắc chắn của R0 do độ chính xác giới hạn của test kiểm chuẩn)

Lúc đó: với loạt phần tử ta xác định đợc phân bố xác suất các thông số, ví dụ;

độ truyền k, hệ số a và … K− , a−

2.3.3 Tổng quát.

Với một loạt phần tử giống nhau, mỗi phần tử là đối tợng của sự biến đổi của điều kiện môi trờng với thời gian, với cả hai: các tín hiệu vào I, IM, Ii và các thông số K,a Nếu các biến đổi đó có hàm MĐXS Gauss -> hàm MĐXS của O cũng vậy:

2 2

2 2

σ = ∂∂  σ

Đặc điểm : tổng độ phi tuyến và phân bố giá trị R0 (R ở 00C) là nhỏ của loạt

Ví dụ 2 Mẫu điện tử biến đổi dòng

- Giá trị trung bình toàn bộ: i K R−= − −T+K R−pa −T∆ +T−0 K T−i∆ +−0 a−

- Đặc điểm: Biến thiên T0 ảnh hởng cả IM và Ii; Điểm 0 và độ nhạy của yếu

tố này đợc chuẩn xác Song không thể chắc chắn bộ biến đổi dòng đợc lắp

sẽ chuẩn -> điều này phản ánh với giá trị ≠ 0 của σ0

chuẩn

dụng cụ chuẩn

M

i

O

dụng cụ chuẩn

I I

Phần tử or hệ thống đuợc chuẩn I

Độ chính xác của dụng cụ phải gần hơn phép đo đối với giá trị thực của biến đổi Nó

định lợng các thành phần bởi đo: Sự khác giữa giá trị đo và giá trị thật -> làm thế nào để xác định giá trị thật: là giá trị đo đợc với độ chính xác cao nhất Điều này dẫn đến thay kiểm chuẩn có độ chính xác cao dần

Phương tiện

đo cấp 3

- Số lợng vật chất mol [mol].

Sai số thực hiện vật lý các đơn vị SI

1- Đơn vị chiều dài [m] : 1m=1650763 λ Sai số 2.10-8

Trong đó λ là bức xạ Kr 86 trong chân không khi chuyển từ mức năng lợng 2p10 đến 5d5 λ = 0,6057 àm (màu cam)

2 - Đơn vị đo khối lợng: [kg]: là khối lợng khối platin – oridi đặt tại viện đo lờng tiêu chuẩn của Pháp l=d=39mm

Các chuẫn mẫu quốc gia đợc sao chép với sai số vài p gram

3 - Đơn vị đo thời gian [s] 1s=9192631771 t0

t0 : là chu kì phóng xạ ứng với bớc chuyển giữa hai mức mỏng của cesi 133 ở trạng tháI cơ bản

4 - Đơn vị nhiệt độ [ 0K]: 10K = 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động học của điểm ba của

n-ớc đá (thấp hơn điểm tan của nn-ớc đá 0,01 K)

5 - Đơn vị cờng độ dòng điện [A]: 1A=là cờng độ dòng điện chạy qua 2 dây dẫn tròn nhỏ vô cùng có chiều dài vô cùng đặt song song cách nhau 1m

6 - Đơn vị cờng độ sáng [Cd]: Candela là cờng độ sáng đo theo phơng vuông góc với

nó của 1 diện tích 1/6.105 m2 bức xạ toàn phần (vật đen tuyệt đối) ở t0 đông đặc của platin (171500 C) dới áp suất 101325N/m2

7 - Đơn vị vật chất Mol: là lợng vật chất của một hệ chứa số thực thể nguyên tố đúng bắng số nguyên trong 0.012 kg nguyên tử cacbon (tức số nguyên tử, phân tử……)

- Đặc điểm nổi bật của t0 là tính không cộng, ngày nay có xu hớng -> năng lợng J

- Độ dài -> λ ->f (tần số) ->thời gian có độ chính xác cao hơn

- Vấn đề thời gian cha có hiểu biết rõ ràng

- Vấn đề khó nhất làm chuẩn là chuất chuẩn: ví dụ : nớc không tuyến tính, nớc nh thế nào là tinh khiết -> 0C

* Các đơn vị đợc dẫn xuất và đơn vị bội

Các đơn vị bội (để phù hợp với điều kiện: độ lớn đơn vị đo phảI phù hợp giá trị đại ợng đo.)

SI: Systeme internation

ISO: International Standardisation organization

2.4.2 Đo lờng thực nghiệm và đánh giá kết quả tính

Xác định đặc tuyến tính:

- Việc đo lờng thực nghiệm để xây dựng đặc tuyến chia làm 3 phần:

a O đối với I khi IM= Ii =0

- lý tởng là test này thực hiện dới điều kiện chuẩn

- Cho I tăng chậm với các khoảng ghi (I,O) với ∆I = 10% (Imax- Imin)

a I

lêch di= O(Ii) – Oi thì các hệ số aq xác định khi 2

0

min

n i

d →

tính)

Oi là giá trị tính theo đặc tuyến

Để phát hiện độ trễ, cần hai tập số liệu hồi qvi

- Khi đó đờng cong này khác nhau

- Nếu sự phân tán các điểm mỗi đờng cong lớn hơn sự sai lệch:

H max( )I =O I( )I↑−O I( )I↓ thì bỏ qua trễ

- Khi đặc tuyến là tuyến tính, ta xác định đợc K và a từ đờng đặc tính lý tởng qua (Imin,

Omin) và (Imax, Omax)

Độ phi tuyến: ( )N I =O I( ) (− KI a+ ) (2.24)

I 0

hình 2.16

Ví dụ : Cảm biến nhiệt độ đợc chuẩn theo các điểm chuẩn nh căpj nhiệt độ từ 0 –

500 0 C tại điểm đóng băng, bay hơi nớc ,và sôi của thiếc:

Công thức:

Với việc tìm a1, a2, a3, khi giảI hệ phơng trình

b O đối với IM, Ii tại I=const

-Trớc hết cần tìm ảnh hởng của môi trờng đến nhiễu +, tức là hệ số a.Tức là I giữ không đổi bằng Imin Tức là một biến môi trờng thay đổi một lợng đã biết, còn lại có giá trị tại chuẩn Biết ∆O do Ii thì xác định Ki = ∆O/ ∆Ii.

Nếu ∆O = 0 thì ∆I đó không phảI là nhiễu cộng Lập lại quy trình này với các điều kiện khác

N =

= ∑ (1-27)Sai lệch chuẩn

2 _ 0

1

k K

Vd:Test độ ổn định áp kế : N=50 , O=0.975ữ1.030 v với kỳ vọng 1.000v

Phân nhóm 0.005v

Tìm đợc O =0.999v & _ σ0=0.010v hàm gần Gauss

O(v) 1.03 1.02 1.01 1.00 0.99 0.98 0.97 20

40 P(o)

- Yêu cầu hàm phảI gần Gauss càng tốt Khi đó độ ổn định chỉ có ảnh hởng của các nhân

tố ngẫu nhiên & có độ tập trung cao

- Có khả năng giảm các biện pháp : Thiết kế , phơng pháp đo mới

3) Độ chính xác của hệ thông đo trong trạng thái tĩnh

Độ cx hệ thống đợc định lợng qua sai số đo:

E=giá trị đo-giá trị thực = O –I

Mục đích – Tính sai số đo, kiểm tra & giảm sai số hệ thống đo

3.1 Sai số đo của một hệ các phần tử lý tởng

Một hệ n phần tử lý tởng: hoàn tòa tuyến tính& không chịu ảnh hởng điều kiện

Khi đó E=O-I hay E=(K1K2….Kn-1)I (3.4)

Nếu K1K2….Kn =1 thì E=0 (hệ hoàn toàn chính xác)

ví dụ: hệ đo nhiệt độ sau thỏa mãn điều kiện này

- Điện áp ra bộ khuyếch đại thay đổi theo nhiệt độ

- Độ nhạy K3 phụ thuộc độ cứng lò xo cuộn cảm mà nó chịu ảnh hởng của

nhiệt độ môI trờng & độ dão nên K3≠250 C/VSuy ra ĐK K1K2K3=1 không đợc thỏa mãn→ sai số hệ

Nói chung sai số của một hệ đo bất kỳ tùy thuộc vào các đặc tính không lý tởng

-độ phi tuyến (các ảnh hởng môI trờng & ngẫu nhiên)của mỗi hệ thống để tính s2 này với độ chính xác có thể cần ding các mẫu chung mỗi phần tử trong 2.2&2.3

3.2 Hàm mật độ xác suất sai số của một hệ các phần tử không lý tởng

Từ(2.22) tính giá trị trung bình của mỗi phần tử :

1 2

2 3

- sai sè trung b×nh cña hÖ : E− =O− −I−

- Sai lÖch chuÈn tÝn hiÖu ra cña mçi phÇn tö

Sai sè chuÈn tÝn hiÖu vµo =0

T C→ R TΩ→ →imA T C M →nhiệt độ đo đợc nhiệt độ nhiệt điện B/đổi điện Bộ ghi

- Giá trị trung bịnh toàn bộ: T−M =K i a− −+−

Sai lệch chuẩn toàn phần :

là tổ hợp của n phân bố chữ nhật có độ rộng 2hi(i=1,n) Nếu n>3 thì P(E) gần phân bố gauss(tức n càng lớn →càng gần gauss) Sai lệch chuẩn σE của P(E) cũng dùng luật tổ hợp các phân bố chữ nhật có độ rộng 2h là / 3h

3

h K

h K

3.3 Kỹ thuật giảm sai số

Ta đã thấy : sai số hệ đo phụ thuộc vào các đặc tính không lý tởng của mỗi phần tử Dùng kỹ thuật kiểm chuẩn (mục 2.4) ta có thể đánh giá các phần tử của hệ có đặc tính không lý tởng(lớn vợt trội)

Dùng kỹ thuật bù có thể giảm đáng kể sai số toàn hệ thống

*Một trong các phơng pháp phổ biến để hiệu chỉnh các phần tử phi tuyến là phơng pháp bù phẩn tử phi tuyến nh hình 3.4

Vd: -dòng bình ổn nhiệt cho cặp nhiệt

- phòng điều hoà nhiệt độ

-lắp chống rung cho lò xo và chọn phơng tác dụng vuông góc chiều

làm việc của lò xo

Phơng pháp khác: là dùng yếu tố không nhạy cảm với môI trởng:K M =K I =0 , thanh lỡng kìm& điện tử có hệ số giãn nở nhiệt ≅0 →điều này rất khó khăn