chuong 1 : Những vấn đề chung về kỹ thuật đo lường

Microsoft Word GA KT DO LUONG LQHuy C1 Cac khai niem co ban doc KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 1 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ.

KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHƯƠNG NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.1.1 Quá trình đo lường, định nghĩa phép đo Trong trình nghiên cứu khoa học nói chung cụ thể từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm vận hành, sữa chữa thiết bị, q trình cơng nghệ… u cầu phải biết rõ thơng số đối tượng để có định phù hợp Sự đánh giá thông số quan tâm đối tượng nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lý đặc trưng cho thơng số - Định nghĩa phép đo: Đo lường trình đánh giá đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo lường (AX) giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (X0): AX = X/X0 (1.1) - Quá trình đo lường: trình đo trình xác định tỉ số: Từ (1.1) có phương trình phép đo: X = A X X0 , rõ so sánh X so với X0, muốn đo đại lượng cần đo X phải có tính chất giá trị so sánh được, muốn đo đại lượng khơng có tính chất so sánh thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng so sánh Ví dụ: đo dịng điện I=5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo dòng điện I, đơn vị đo A(ampe), kết số - Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo - Kĩ thuật đo lường: ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống Như trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X (các tính chất nó), đơn vị đo X0 phép tính tốn để xác định tỉ số (1.1) để có phương pháp xác định kết đo lường AX thỏa mãn yêu cầu 1.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật đo Mục đích q trình đo lường tìm kết đo lường A x, nhiên đẻ kết đo lường Ax thỏa mãn u cầu đặt để sử dụng địi hỏi phải nằm vững đặc trưng trình đo lường Các đặc trưng kĩ thuật đo lường gồm: - Đại lượng cần đo - Điều kiện đo - Đơn vị đo - Phương pháp đo - Kết đo - Thiết bị đo - Người quan sát thiết bị thu nhận kết đo -1- 1.1.2.1 Đại lượng đo - Định nghĩa: đại lượng đo thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Mỗi q trình vật lý có nhiều thơng số trường hợp cụ thể quan tâm đến thông số đại lượng vật lý định Ví dụ: đại lượng vật lý cần đo dịng điện đại lượng cần đo giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số … - Phân loại đại lượng đo: phân loại theo chất đại lượng đo, theo tính chất thay đổi đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo • Phân loại theo chất đối tượng đo: o Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện, tức có đặc trưng mang chất điện, ví dụ: điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng o Đại lượng đo không điện: đại lượng đo khơng có tính chất điện, ví dụ: nhiệt độ, độ dài, khối lượng … o Đại lượng đo lượng: đại lượng đo lượng, ví dụ: sức điện động, điện áp, dịng điện, từ thơng, cường độ từ trường … o Đại lượng đo thông số: thông số mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm, điện dung … o Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số … • Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo: o Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo biết trước qui luật thay đổi theo thời gian o Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có thay đổi theo thời gian không theo qui luật Trong thực tế đa số đại lượng đo đại lượng ngẫu nhiên, nhiên tùy yêu cầu kết đo tùy tần số thay đổi đại lượng đo xem gần đại lượng đo ngẫu nhiên tiền định phải sử dụng phương pháp đo lường thống kê • Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo: Hình 1.1 Các dạng tín hiệu a Liên tục; b Lượng tử; c Rời rạc; d Rời rạc lượng tử (số) o Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự-analog): đại lượng đo biến đổi thành đại lượng đo khác tương tự với Tương ứng có dụng cụ đo tương tự, ví dụ: ampe mét có kim thị, vơnmét có kim thị … o Đại lượng đo số (digital): đại lượng đo biến đổi từ đại lượng đo tương tự thành đại lượng đo số Tương ứng có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét thị số, vônmét thị số… Hầu hết đại lượng đo qua công đoạn xử lý (bằng phương tiện xử lý: sensor) để chuyển thành đại lượng đo điện tương ứng 1.1.2.2 Điều kiện đo Đại lượng đo chịu ảnh hưởng định môi trường sinh nó, ngồi kết đo phụ thuộc chặt chẽ vào môi trường thực phép đo, điều kiện mơi trường bên ngồi như: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, từ trường bên ngồi…ảnh hưởng lớn đến kết đo Để kết đo đạt yêu cầu phải thực phép đo điều kiện xác định, thường phép đo đạt kết theo yêu cầu thực điều kiện chuẩn điều kiện qui định theo tiêu chuẩn quốc gia theo qui định nhà sản xuất thiết bị đo Khi thực phép đo cần phải xác định điều kiện đo để có phương pháp đo phù hợp 1.1.2.3 Đơn vị đo - Định nghĩa: Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Ví dụ: đại lượng đo độ dài đơn vị đo m (mét), inch, dặm…; đại lượng đo khối lượng có đơn vị đo kg(kilôgam), aoxơ(ounce), pound… Trên giới người ta chế tạo đơn vị tiêu chuẩn gọi chuẩn Hệ thống đơn vị chuẩn quốc tế hệ SI, thành lập năm 1960, đơn vị xác định: đơn vị chiều dài mét(m); đơn vị khối lượng kilôgam(kg); đơn vị thời gian giây(s); đơn vị cường độ dòng điện ampe(A); đơn vị nhiệt độ kelvin(K); đơn vị cường độ ánh sáng nến candela(Cd); đơn vị số lượng vật chất môn(mol) Các đại lượng Độ dài Khối lượng Thời gian Dòng điện Nhiệt độ Số lượng vật chất Cường độ ánh sáng Tên đơn vị Mét Kilơgam Giây Ampe Kelvin Mơn Canđêla Kí hiệu m kg s A K Mol Cd 1.1.2.4 Thiết bị đo phương pháp đo - Thiết bị đo: • Định nghĩa: thiết bị đo thiết bị kĩ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Những tính chất thiết bị đo có ảnh hưởng đến kết sai số phép đo • Phân loại: gồm thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường , loại thiết bị thực chức riêng trình đo lường - Phương pháp đo: • Định nghĩa: phương pháp đo việc phối hợp thao tác trình đo, bao gồm thao tác: xác định mẫu thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể kết hay thị Các phương pháp đo khác phụ thuộc vào phương pháp nhận thông tin đo nhiều yếu tố khác đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… • Phân loại: thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo: o Phương pháp đo biến đổi thẳng o Phương pháp đo so sánh 1.1.2.5 Người quan sát - Định nghĩa: người quan sát người thực phép đo gia công kết đo - Nhiệm vụ người quan sát thực phép đo: • Chuẩn bị trước đo: phải nắm phương pháp đo, am hiểu thiết bị đo sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu phù hợp với môi trường xung quanh • Trong đo: phải biết điều khiển trình đo để có kết mong muốn • Sau đo: nắm phương pháp gia công kết đo để gia công kết đo Xem xét kết đo đạt yêu cầu hay chưa, có cần phải đo lại hay phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê 1.1.2.6 Kết đo - Định nghĩa: kết đo số kèm theo đơn vị đo hay đường cong ghi lại trình thay đổi đại lượng đo theo thời gian Kết đo giá trị thực đại lượng cần đo mà coi giá trị ước lượng đại lượng cần đo, nghĩa giá trị xác định thực nghiệm nhờ thiết bị đo Giá trị gần với giá trị thực mà điều kiện coi giá trị thực Để đánh giá sai lệch giá trị ước lượng giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số phép đo, hiệu giá trị thực giá trị ước lượng Từ sai số đo đánh giá phép đo có đạt u cầu hay khơng Kết đo gia cơng theo thuật tốn (angơrit) định tay máy tính để có kết mong muốn 1.1.3 Tín hiệu đo Tín hiệu đo loại tín hiệu mang đặc tính thông tin đại lượng đo Trong trường hợp cụ thể tín hiệu đo tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo lường, nhiều trường hợp xem tín hiệu đo đại lượng đo 1.1.4 Các phương pháp đo Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo mà người quan sát phải biết chọn phương pháp đo khác để thực tốt q trình đo lường Có thể có nhiều phương pháp đo khác thực tế thường phân thành loại phương pháp đo phương pháp đo biến đổi thẳng phương pháp đo kiểu so sánh KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ - Quá trình thực hiện: • Đại lượng cần đo X qua khâu biến đổi để biến đổi thành số NX , đồng thời đơn vị đại lượng đo X0 biến đổi thành số N0 • Tiến hành trình so sánh đại lượng đo đơn vị (thực phép chia NX /N0 ) • Thu kết đo: AX = X/X0 = NX /N0 Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình gọi trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X tín hiệu đơn vị X sau qua khâu biến đổi (có thể hay nhiều khâu nối tiếp) qua biến đổi tương tự-số A/D để có NX N0 , qua khâu so sánh có NX /N0 Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn tín hiệu qua khâu biến đổi có sai số tổng sai số khâu, dụng cụ đo loại thường sử dụng độ xác yêu cầu phép đo không cao 1.1.4.1 Phương pháp đo kiểu so sánh - Định nghĩa: phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vịng, nghĩa có khâu phản hồi - Q trình thực hiện: • Đại lượng đo X đại lượng mẫu X0 biến đổi thành đại lượng vật lý thuận tiện cho việc so sánh • Q trình so sánh X tín hiệu XK (tỉ lệ với X0) diễn suốt trình đo, hai đại lượng đọc kết XK có kết đo Quá trình đo gọi trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo kiểu so sánh (hay cịn gọi kiểu bù) Hình 1.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh - Các phương pháp so sánh: so sánh SS thực việc so sánh đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu X K, qua so sánh có: ∆X = X – X K Tùy thuộc vào cách so sánh mà có phương pháp sau: • So sánh cân bằng: o Quá trình thực hiện: đại lượng cần đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu X K= NK.X0 , so sánh với cho ∆X = 0, từ suy X = X K = NK.X0 ⇒ suy kết đo: -5- KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ AX = X/X0 = NK Trong trình đo, XK phải thay đổi X thay đổi để kết so sánh ∆X = từ suy kết đo o Độ xác: phụ thuộc vào độ xác XK độ nhạy thiết bị thị cân (độ xác nhận biết ∆X = 0) Ví dụ: cầu đo, điện kế cân … • So sánh khơng cân bằng: o Q trình thực hiện: đại lượng tỉ lệ với mẫu XK khơng đổi biết trước, qua so sánh có ∆X = X - XK, đo ∆X có đại lượng đo X =∆X + XK từ có kết đo: AX = X/XO = (∆X + XK)/XO o Độ xác: độ xác phép đo chủ yếu độ xác XK định, ngồi cịn phụ thuộc vào độ xác phép đo ∆X, giá trị ∆X so với X (độ xác phép đo cao ∆X nhỏ so với X) Phương pháp thường sử dụng để đo đại lượng không điện, đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ… • So sánh khơng đồng thời: o Quá trình thực hiện: dựa việc so sánh trạng thái đáp ứng thiết bị đo chịu tác động tương ứng đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, hai trạng thái đáp ứng suy X = XK Đầu tiên tác động X gây trạng thái đo thiết bị đo, sau đóthay X đại lượng mẫu XK thích hợp cho gây trạng thái X tác động, từ suy X = XK Như rõ ràng XK phải thay đổi X thay đổi o Độ xác: phụ thuộc vào độ xác XK Phương pháp xác thay XK X trạng thái thiết bị đo giữ nguyên Thường giá trị mẫu đưa vào khắc độ trước, sau qua vạch khắc mẫu để xác định giá trị đại lượng đo X Thiết bị đo theo phương pháp thiết bị đánh giá trực tiếp vơnmét, ampemét thị kim • So sánh đồng thời: o Quá trình thực hiện: so sánh lúc nhiều giá trị đại lượng đo X đại lượng mẫu XK, vào giá trị suy giá trị đại lượng đo Ví dụ: xác định inch mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm trùng nhau, đọc điểm trùng là: 127mm inch, 254mm 10 inch, từ có được:1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm Trong thực tế thường sử dụng phương pháp để thử nghiệm đặc tính cảm biến hay thiết bị đo để đánh giá sai số chúng Từ phương pháp đo có cách thực phép đo là: - Đo trực tiếp : kết có sau lần đo - Đo gián tiếp: kết có phép suy từ số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: gián tiếp phải giả phương trình hay hệ phương trình có kết - Đo thống kê: đo nhiều lần lấy giá trị trung bình có kết 1.1.5 Phân loại thiết bị đo Thiết bị đo phương tiện kĩ thuật để thực trình đo Thiết bị đo -6- KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ thể phương pháp đo khâu chức cụ thể Thiết bị đo chia thành nhiều loại tùy theo chức năng, thường gồm có: mẫu, dụng cụ đo, chuyển đổi đo lường, hệ thống thông tin đo lường 1.1.5.1 Mẫu - Định nghĩa: thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý định Thiết bị mẫu phải có độ xác cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo cấp, loại 1.1.5.2 Dụng cụ đo - Định nghĩa: thiết bị để gia công thông tin đo lường thể kết đo dạng số, đồ thị bảng số 1.1.5.3 Chuyển đổi đo lường - Định nghĩa: thiết bị biến đổi tín hiệu đo đầu vào thành tín hiệu thuận tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công lưu giữ mà không cho kết trực tiếp - Phân loại: có hai loại chyển đổi: • Chuyển đổi đại lượng điện thành đại lượng điện khác: phân áp, phân dòng; biến áp, biến dòng; A/D, D/A… • Chuyển đổi đại lượng khơng điện thành đại lượng điện: chuyển đổi sơ cấp- phận đầu đo (cảm biến - sensor): chuyển đổi nhiệt điện trở, cặp nhiệt, chuyển đổi quang điện… 1.1.5.4 Hệ thống thông tin đo lường - Định nghĩa: tổ hợp thiết bị đo thiết bi phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc chuyển dạng để tiện cho việc đo điều khiển - Phân loại: phân hệ thống thơng tin đo lường thành nhiều nhóm: • Hệ thống đo lường: hệ thống để đo ghi lại đại lượng đo • Hệ thống kiểm tra tự động: hệ thống thực nhiệm vụ kiểm tra đại lượng đo, cho kết lớn hơn, nhỏ hay chuẩn • Hệ thống chẩn đoán kĩ thuật: hệ thống kiểm tra làm việc đối tượng để chỗ hỏng hóc cần sữa chữa • Hệ thống nhận dạng: hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu cho • Tổ hợp đo lường tính tốn: có chức bao qt tồn thiết bị trên, ghép nối hệ thống thông tin đo lường với máy tính; tiến hành đo, kiểm nhận dạng, chẩn đoán điều khiển đối tượng Hệ thống thơng tin đo lường phục vụ cho đối tượng gần (khoảng cách 2km) phục vụ cho đối tượng xa, càn phải ghép nối vào kênh liên lạc Một hệ thống gọi hệ thống thông tin đo lường từ xa 1.1.6 Đơn vị đo Chuẩn mẫu 1.1.6.1 Đơn vị đo - Định nghĩa: đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Ví dụ: đơn vị đo chiều dài mét(m), đơn vị đo dòng điện ampe(A)… - Các hệ thống đơn vị đo: hệ thống đơn vị đo bao gồm nhiều đơn vị đo khác nhiều đại lượng đo khác để tiến hành đo đại lượng thực tế -7- KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hệ thống đơn vị đo bao gồm hai nhóm dơn vị: • Đơn vị bản: thể đơn vị chuẩn với độ xác cao mà khoa học kỹ thuật đại thực • Đơn vị dẫn xuất: đơn vị có liên quan đến đơn vị qui luật thể biểu thức Các đơn vị chọn cho với số lượng suy đơn vị dẫn xuất cho tất đại lượng vật lý Hiện có nhiều hệ thống đơn vị đo khác sử dụng tùy quốc gia, lĩnh vực áp dụng: • Hệ SI (System International) • Hệ CGS (Centimeter Gramme Second) • Hệ Anh (English) • Hệ MKS (Meter Kilogram Second) • Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere) • Hệ Á Đơng (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…) • Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân…) Nói chung kĩ thuật ta dùng hệ SI để thống qui định đơn vị đo đánh giá kết chỉnh định thông số dụng cụ đo Ví dụ: Các đơn vị hệ thống đơn vị đo SI: Các đại lượng Tên đơn vị Kí hiệu Độ dài mét m Khối lượng kilơgam kg Thời gian giây s Dòng điện ampe A Nhiệt độ Kelvin K Số lượng vật chất môn Mol Cường độ ánh sáng Canđêla Cd 1.1.6.2 Thiết bị chuẩn - Chuẩn: Chuẩn đơn vị đo tiêu chuẩn: chuẩn độ dài, chuẩn thời gian, khối lượng, dòng điện, nhiệt độ, điện áp, điện trở, cường độ ánh sáng, số lượng vật chất (hoá học) Tùy phạm vi áp dụng, nơi tạo chuẩn, độ xác có chuẩn quốc tế, chuẩn quốc gia… Ví dụ: - Đơn vị độ dài theo hệ đơn vị SI mét (m), chuẩn quốc tế độ dài 1650763,73 độ dài sóng phát chân khơng ngun tử Kripton 86, tương ứng với việc chuyển mức 2p10 5d5 • Đơn vị thời gian theo hệ đơn vị SI giây(s), chuẩn khoảng thời gian 9192631770 chu lì phát xạ, tương ứng với thời gian chuyển hai mức gần trạng thái nguyên tử Xêsi (Cs) 133 - Thiết bị chuẩn: thiết bị đo tạo chuẩn 1.1.6.3 Thiết bị mẫu - Định nghĩa: thiết bị mẫu thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý -8- KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ định - Đặc điểm: • Thiết bị mẫu phải có độ xác cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo cấp, loại • Mẫu dụng cụ đo dùng để kiểm tra chuẩn hoá dụng cụ đo khác • Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền yêu cầu bảo quản, vận hành nghiêm ngặt nên sử dụng cần thiết • Các dụng cụ mẫu có cấp xác thấp dụng cụ chuẩn thường dung để kiểm định dụng cụ đo sản xuất 1.1.6.4 Cách truyền chuẩn Các thiết bị chuẩn có độ xác cao khơng có ý nghĩa khơng truyền cho dụng cụ mẫu dụng cụ làm việc Vì quan đo lường quốc gia phải quan tâm đến việc truyền chuẩn đại lượng cho dụng cụ mẫu hay dụng cụ đo làm việc - Định nghĩa: hệ thống truyền chuẩn thường thiết kế dạng hệ thống kiểm tra thiết bị đo Nó bao gồm thiết bị, phương pháp độ xác việc truyền từ thiết bị chuẩn thiết bị mẫu hay thiết bị làm việc - Q trình truyền chuẩn: • Từ chuẩn cấp quốc gia truyền đến mẫu cấp đến mẫu cấp 2: sử dụng phương pháp đo xác phương pháp so sánh cân bằng, kết mẫu có độ xác theo u cầu • Từ chuẩn cấp quốc gia đến dụng cụ đo: sử dụng phương pháp đo biến đổi thẳng từ chuẩn quốc gia từ thiết bị mẫu cấp cấp 2, u cầu độ xác khơng cao Quá trình truyền chuẩn thực lưu đồ hình 6.1 - Kiểm tra thiết bị đo: trình xác định sai số thiết bị đo hiệu chỉnh chúng để đảm bảo độ xác đưa vào sử dụng Hình 6.1 Hệ thống truyền chuẩn -9- KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình 6.2 Kiểm tra thiết bị đo sử dụng phương pháp so sánh với giá trị chuẩn hay mẫu Hình 6.3 Kiểm tra thiết bị đo sử dụng phương pháp sử dụng dụng cụ đo với độ xác cao Để kiểm tra thiết bị đo áp dụng phương pháp: • So sánh với giá trị chuẩn hay mẫu: đo chuẩn hay mẫu thiết bị đo kiểm tra, tính cấp xác dụng cụ đo γn so sánh với cấp xác ghi dụng cụ đo γTB từ suy thiết bị đo cịn sử dụng hay phải hiệu chỉnh Quá trình kiểm tra lưu đồ hình 6.2 • Sử dụng dụng cụ đo với độ xác cao (thiết bị mẫu), so sánh số dụng cụ kiểm tra với thiết bị mẫu: sử dụng thiết bị đo cần kiểm tra thiết bị mẫu (phải xác thiết bị đo cần kiểm tra cấp) để đo đại lượng, tính cấp xác dụng cụ đo γn so sánh với cấp xác ghi dụng cụ đo γTB từ suy thiết bị đo sử dụng hay phải hiệu chỉnh Quá trình kiểm tra lưu đồ hình 6.3 • Sử dụng phương thức đo gián tiếp hay hợp để tạo số liệu hiệu chỉnh dụng cụ đo kiểm tra • Sử dụng hệ thống kiểm tra tự động - 10 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ 1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO * Các sơ đồ chung Dụng cụ đo lường đặc biệt dụng cụ đo lường điện ngày đa dạng tùy theo mục đích, phạm vi sử dụng yêu cầu cụ thể ứng dụng khác Có nhiều loại dụng cụ đo phân loại theo nhiều cách khác nhau: dụng cụ đo kiểu biến đổi thẳng, kiểu biến đổi bù; dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp, kiểu so sánh; dụng cụ đo tương tự, thị số…Các loại dụng cụ đa dạng có đặc tính cấu trúc chung thống 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung dụng cụ đo Mỗi dụng cụ đo có phận là: - Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC) - Mạch đo (MĐ) - Cơ cấu thị (CCCT) Cấu trúc chung cảm biến thơng minh (Smart Sensor): Hình 2.1 Cấu trúc dụng cụ đo 1.2.2 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng Đối với dụng cụ đo biến đổi thẳng việc biến đổi thông tin diễn theo hướng thẳng nhất, nghĩa khơng có khâu phản hồi Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng Đại lượng đo X nối tiếp qua khâu chuyển đổi: chuyển đổi sơ cấp CĐSC, Đ1, CĐ2… chuyển thành đại lượng Y tiện cho việc quan sát, ghi lại hay nhớ để truyền cho cho cấu thị CCCT thực chức thị kết truyền xa Các khâu CĐ1, CĐ2, …, CĐn làm nhiệm vụ xử lý thông tin đo để đưa dạng dễ thị, thường khâu: phân áp đầu vào, mạch khuếch đại, biến đổi tương tựsố AD… - Đặc điểm chung dụng cụ đo biến đổi thẳng: • Cấu trúc đơn giản, tin cậy • Giá thành rẻ • Vận hành, bảo trì, bảo dưỡng đơn giản chí phí thấp • Khơng địi hỏi tay nghề cao • Độ xác thấp (thường có cấp xác cỡ ÷ 2,5) Ví dụ: - Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo tương tự theo kiểu biến đổi thẳng: hình 4.3 - Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo số theo kiểu biến đổi thẳng: hình 2.4 - 11 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo tương tự theo kiểu biến đổi thẳng Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo số theo kiểu biến đổi thẳng 1.2.3 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh Dụng cụ đo kiểu so sánh sử dụng khâu phản hồi với chuyển đổi ngược (CĐN)để tạo tín hiệu Xk so sánh với tín hiệu cần đo X Mạch đo vịng khép kín • Sau so sánh có ∆X = X - XK, đo ∆X đo tín hiệu sau chuyển đổi thuận Y xác định X Theo phương pháp so sánh có loại tương ứng so sánh cân bằng, không cân bằng; so sánh đồng thời, không đồng thời - Đặc điểm dụng cụ đo kiểu so sánh: • Có cấu trúc phức tạp so với dụng cụ đo biến đổi thẳng • Hiện thường dùng vi xử lí bên • Độ xác cao giá thành đắt Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh Ví dụ: - Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh khơng cân bằng: hình 4.6 - Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh cân bằng: hình 4.7 - Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh để đo đại lượng khơng điện hình4.8 - 12 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh không cân Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh cân Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh để đo đại lượng không điện 1.3 ĐỊNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 1.3.1 Nguyên nhân phân loại sai số 1.3.1.1 Nguyên nhân gây sai số Đo lường phương pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu tin tức đặc tính số lượng q trình cần nghiên cứu Nó thực cách so sánh đại lượng cần đo với đại đo tiêu chuẩn Kết đo biểu thị số hay biểu đồ Tuy nhiên, kết đo trị số gần đúng, nghĩa pháp đo có sai số Vấn đề cần đánh giá độ xác phép đo Khitính tốn sai số cần tính trường hợp sai số kết hợp với theo hướng bất lợi với nguyên nhân - Nguyên nhân chủ quan: lựa chọn phương pháp đo dụng cụ đo không hợp lý, trình độ người sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo - Nguyên nhân chủ quan: dụng cụ đo khơng hồn hảo, đại lượng đo bị nhiễu mơitrường bên ngồi nhiệt độ, độ ẫm, bụi bẩ, áp xuất… 1.3.1.2 Phân loại sai số * Phân loại theo nguyên nhân gây sai số: + Sai số chủ quan + Sai số khách quan * Phân loại theo quy luật xuất sai số: + Sai số hệ thống yếu tố thường xuyên hay yếu tố có quy luật tác động Nó khiến cho kết qủa đo có sai số lần đo nhau, nghĩa kết lần đo lớn nhỏ giá trị thực đại lượng đo Nhóm sai số hệ thống thường nguyên nhân sau: • Do dụng cụ, máy móc khơng đo hoàn hảo - 13 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ • Do phương pháp đo, cách xử lý kết đo bỏ qua yếu tố ảnh hưởng + Sai số ngẫu nhiên sai số yếu tố bất thường, khơng có quy luật tác động Do vậy, sai số hệ thống sử lý nhờ lấy lại chuẩn sai số ngẫu nhiên sử lý khơng biết quy luật tác động * Phân loại theo biểu thức + Sai số tuyệt đối hiệu số trị số tuyệt đối giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo ∆X * = a − X a: giá trị đo được, X: giá trị thực * Vì chưa biết X nên thơng thường người ta lấy ∆X = ∆X max lược phép đo + Sai số tương đối tỷ số sai số tuyệt đối tri số thực đại lượng đo Sai số tương đối biểu thị đầy đủ sai số truyệt đối ∆X 100% X sai số tương đối chân thực ∆X δX = 100% a sai số tương đối định danh δX = Cấp xác dụng cụ đo: giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Người ta quy định cấp xác dụng cụ đo sai số tương đối quy đổi dụng cụ đo nhà nước quy định cụ thể γx% = ∆X m 100% Xm ∆X m : sai số tuyệt đối cực đại X m : giá trị lớn thang đo 1.3.2 Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số Để đánh giá kết phép đo ta cần xét giới hạn định lượng sai số ngẫu nhiên Nếu ta xét kết lần đo riêng biệt, sai loại bỏ sai số hệ thống hồn tồn mang tính ngẫu nhiên Muốn đánh giá sai số ngẫu nhiên ta phải tìm quy luật phân bố sai số ngẫu nhiên thông qua lý thuyết xác suất thống kê Để loại bỏ sai số hệ thống lần đo phải thiến hành với độ xác (cùng máy đo, điều kiện đo, phương pháp đo…) Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số Giả sử đo đại lượng X, n lần với sai số lần lược: x1, x2,… xn Xắp xếp sai số theo độ lớn thành nhóm riêng biệt: n1, n2, … xn Ví dụ: n1 có sai số nằm khoảng 0-0,01 n2 có sai số nằm khoảng 0.01-0,02 n3 có sai số nằm khoảng 0.01-0,02 … Trong đó:… gọi tần suất ca1c lần đo có sai số ngẫu nhiên nằm khoảng tương ứng Biểu đồ phân bố tần suất hình vẽ Lập tỷ số: v1 = n1 n , v2 = n n - 14 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ P(x) Diện tích hình chữ nhật biểu thị xác suất xuất sai số ngẫu nhiên khoảng tương ứng trục hoành Khi thực phép đo nhiều lần, n tiến tới vô cùng, theo quy luật tiêu chuẩn lý thuyết xác xuất biểu đồ tiến đến đường cong trung bình: p(x) gọi hàm phân bố tiêu chuẩn sai số Hàm p(x) : gọi hàm Gausse với công thức: p ( x) = h − h2 x e π h: tham số độ xác p(x) h1 h1>h2>h3 h2 h3 Nhận xét: + Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số có dạng hình chuông đối xứng qua trục trung, h lớn đường cong cao hẹp, tức độ xác cao + Xác suất xuất sai số có giá trị bé lớn xác suất xuất sai số có giá trị lớn + Xác suất xuất không phụ thuộc vào dấu, tức sai số có giá trị tuyệt đối có xác suất xuất + Khi biết p(x) xác định xác suất xuất sai số khoảng sau: p ( x1 ≤ x ≤ x ) = x2 ∫ x1 p ( x)dx = h π x2 ∫e − h2 x dx x1 ( diện tích giới hạn đường cong p(x) đường x1, x2) - 15 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ 1.3.3 Sai số trung bình bình phương sai số trung bình 1.3.3.1 Sai số trung bình bình phương σ : p(x) x n ∑x σ= i =1 n 2 − x2 2σ p ( x) = e 2πσ i , víi Với: xi sai số phép đo thứ i h: biểu thị độ cao đồ thị , σ biểu thị độ rộng đồ thị p(−1 σ ,2 σ ) ≈ 68,3% p(−2 σ ,2 σ ) ≈ 95% p(−3 σ ,3 σ ) ≈ 99,7% 1.3.3.2 Sai số trung bình d d: trị số trung bình cộng tất trị số tuyệt đối sai số phép đo n d= ∑x i =1 n i = = σ π h π 1.3.4 Sự kết hợp sai số Những phép đo có sử dụng nhiều dụng cụ đo hay nhiều sai số hệ thống có xu hướng tích tụ lại, sai số toàn hệ thống thường lớn sai số phép đo đơn lẻ Khi tính tốn cần giả định sai số kết hợp với theo hướng bất lợi 1.3.4.1 Sai số tổng đại lượng E = (V1 ± ∆V1 ) + (V2 ± ∆V2 ) = (V1 + V2 ) ± ( ∆V1 + ∆V2 ) 1.3.4.2 Sai số hiệu đại lượng E = (V1 ± ∆V1 ) − (V2 ± ∆V2 ) = (V1 − V2 ) ± (∆V1 + ∆V2 ) Ví dụ: E1 = 100V ± 2V = 100V ± 2% E2 = 80V ± 4V = 80V ± 5% E1 + E2 = 180V ± 6V = 180V ± 3,3% E1 – E2 = 20V ± 6V = 20V ± 30% Từ ta thấy sai số % hiệu đại lượng lớn nên cần tránh phép đo cho hàm phép hiệu đại lượng 1.3.4.3 Tích hai đại lượng - 16 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ E = (V1 ± ∆V1 )(V2 + ∆V2 ) = V1.V2 ± V1.∆V2 ± V2 ∆V1 ± V1.V1.∆V2 ≈ V1.V2 ± (V1.∆V2 + V2 ∆V1 ) δE = ±  ∆V ∆V  V1.∆V2 + V2 ∆V 100% =  ± ÷.100% V1.V2 V2   V1 Nhận xét: Sai số tương đối tích đại lượng tổng sai số tương đối thành phần Trường hợp riêng, nâng lũy thừa: δ ( E )α = αδ E 1.3.4.4 Thương hai đại lượng E= (V1 ± ∆V1 ) V1 ≈ (V2 + ∆V2 ) V2 δ E = ±(δ V1 + δ V2 ) Ví dụ minh họa: Ví dụ 1: nguồn 12V mắc với điện trở 470 Ω , ± 10% Điện áp nguồn đo vôn kế khoảng 25V độ xác 3% Tính công suất điện trở sai số phép đo Giải: Ta cã: U2 P= R Vì vơn kế có độ xác 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối lớn ∆U là: ∆U = 25V 3% = ±0, 75V → U = 12V ± 0, 75V = 12V ± 6, 25% δ U = 2.6, 25% = 12,5% U2 = 12,5% + 10% = 22,5% R 122 P= ± 22,5% 470 δ Ví dụ 2: vơn kế có thang đo 30V, độ xác 4%, ampe kế có thang đo 100mA, độ xác 1%, sử dụng để đo điện áp dòng điện qua điện trở R Kết đo 25V 90mA Hãy tính giá trị R Pmin, Pmax Giải: ∆U = 30V 4% = 12V ⇒ U = 25V ± 1, 2V = 25V ± 4,8% ∆I = 100mA.1% ⇒ I = 90mA ± 1mA = 90mA ± 1,1% U 25 →R= = m( 4,8 + 1,1) % = 277, 78Ω ± 5,9% I 0, 09 → P = U I = 25.0, 09 ± ( 4,8 + 1,1) % = 2, 25W ± 5,9% = 2, 25W ± 0,13W ⇔ Pmin = 2, 25 − 0,13 = 2,12W = 2, 25(1 − 0.059) ⇔ Pmax = 2, 25 + 0,13 = 2,38W = 2, 25(1 + 0.059) - 17 - ... tránh phép đo cho hàm phép hiệu đại lượng 1. 3.4.3 Tích hai đại lượng - 16 - KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ E = (V1 ± ∆V1 )(V2 + ∆V2 ) = V1.V2 ± V1.∆V2 ± V2 ∆V1 ± V1.V1.∆V2 ≈ V1.V2 ± (V1.∆V2 + V2 ∆V1 ) δE... thông tin đo lường từ xa 1. 1.6 Đơn vị đo Chuẩn mẫu 1. 1.6 .1 Đơn vị đo - Định nghĩa: đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Ví d? ?: đơn vị đo chiều... c? ?: mẫu, dụng cụ đo, chuyển đổi đo lường, hệ thống thông tin đo lường 1. 1.5 .1 Mẫu - Định nghĩa: thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý định Thiết bị mẫu phải có độ xác cao từ 0,0 01% đến 0 ,1%