Giáo trình kỹ thuật đo lường

1 CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.1. Khái niệm chung về đo lường o lng là mt quá trình ánh giá nh lng i lng cn o  có kt qu bng s so vi n v o. Kt qu o lng là giá tr bng s ca i lng cn o A x , nó bng t s ca i lng cn o X và n v o X 0 . Ngha là A x ch rõ i lng o ln hn (hay nh hn) bao nhiêu ln n v o ca nó. Vy quá trình o có th vit di dng: 0 X X A X = Ví d: U = 4V thì U là in áp; 4 là kt qu o; V là n v o. T ó ta có: 0 .XAX X = (1.1) Phng trình (1.1) ch rõ s so sánh i lng cn o vi mu và cho ra kt qu bng s. T ó ta cng thy rng không phi bt c i lng nào cng o c bi vì không phi bt k i lng nào cng cho phép so sánh các giá tr ca nó. Vì th  o ta thng phi bin i chúng thành i lng khác có th so sánh c. Ví d:  o ng sut c hc ta phi bin i chúng thành s thay i in tr ca b cm bin lc cng. Sau ó mc các b cm bin này vào mch cu và o in áp lch cu khi có tác ng ca ng sut cn o. Ngành khoa hc chuyên nghiên cu v các phng pháp  o các i lng khác nhau, nghiên cu v mu và n v o c gi là o lng hc. Ngành k thut chuyên nghiên cu và áp dng các thành qu o lng hc vào phc v sn xut và i sng gi là k thut o lng. Mc ích ca quá trình o lng là tìm c kt qu o lng A x , tuy nhiên  kt qu o lng A x tha mãn các yêu cu t ra  có th s dng c òi hi phi nm vng các c trng ca quá trình o lng. Các c trng ca k thut o lng bao gm: Đại lượng đo i lng o là mt thông s c trng cho i lng vt lý cn o Mi quá trình vt lý có th có nhiu thông s nhng trong mi trng hp c th ch quan tâm n mt thông s là mt i lng vt lý nht nh. Ví d: Nu i 2 lng vt lý cn o là dòng in thì i lng cn o có th là giá tr biên , giá tr hiu dng… Ngi ta có th phân loi i lng o theo các tiêu chí nh: • Theo bn cht ca i tng o có th phân thành: o i lng o in: i lng o có tính cht in; tc là có c trng mang bn cht in. Ví d: dòng in, in áp… o i lng o thông s: là thông s ca mch in. Ví d nh in tr, in cm, in dung… o i lng o ph thuc thi gian: Chu k, tn s… o … • Theo tính cht thay i ca i lng o có th phân thành: o i lng o tin nh: i lng o ã bit trc quy lut thay i theo thi gian. Ví d: dòng in dân dng I là i lng o tin nh do ã bit trc quy lut thay i theo thi gian ca nó là mt hàm sin theo thi gian có tn s , biên  I, góc pha ban u  o i lng ngu nhiên: Có s thay i theo thi gian, không theo quy lut. Trong thc t, a s các i lng o là i lng này • Theo cách bin i i lng o có th phân thành: o i lng o liên tc (i lng o tng t-analog): phi s dng các dng c o tng t. Ví d nh ampe mét có kim ch th, vôn mét có kim ch th… o i lng o s (digital): Phi s dng các dng c o s. Ví d nh ampe mét ch th s, vôn mét ch th s. Điều kiện đo i lng o chu nh hng quyt nh ca môi trng sinh ra nó, ngoài ra kt qu o ph thuc cht ch vào môi trng khi thc hin phép o. Các iu kin môi trng bên ngoài nh: nhit , t trng,  m…nh hng rt ln n kt qu o.  kt qu o t yêu cu thì thng phép o phi c thc hin trong iu kin chun là iu kin c quy nh theo tiêu chun quc gia hoc theo quy nh ca nhà sn xut thit b o. Khi thc hin phép o luôn cn phi xác nh iu kin o  có phng pháp o phù hp. Đơn vị đo n v o là giá tr n v tiêu chun v mt i lng o nào ó c quc t quy nh mà mi quc gia phi tuân th. Ví d: Nu i lng o là  dài thì n v o có th là m, inch, dm… Thiết bị đo và phương pháp đo 3 Thit b o là thit b k thut dùng  gia công tín hiu mang thông tin o thành dng tin li cho ngi quan sát Phng pháp o là vic phi hp các thao tác c bn trong quá trình o bao gm các thao tác: xác nh mu và thành lp mu, so sánh, bin i, th hin kt qu hay ch th. Các phng pháp o khác nhau ph thuc vào các phng pháp nhn thông tin o và nhiu yu t khác nh i lng o ln hay nh, iu kin, sai s, yêu cu… Người quan sát Ngi quan sát là ngi thc hin phép o và gia công kt qu o. Nhim v ca ngi quan sát khi thc hin phép o: • Chun b trc khi o: Phi nm c phng pháp o, am hiu vè thit b o c s dng, kim tra iu kin o, phán oán v khong o  chn thit b phù hp, chn dng c o phù hp vi sai s yêu cu và phù hp vi môi trng xung quanh. • Trong khi o: Phi bit iu khin quá trình o  có kt qu nh mong mun • Sau khi o: Nm chc các phng pháp gia công kt qu o  gia công kt qu o. Xem xét xem kt qu o ã t yêu cu hay cha Kết quả đo Kt qu o là nhng con s kèm theo n v o hay nhng ng cong ghi li quá trình thay i ca i lng o theo thi gian Nó không phi là giá tr thc ca i lng cn o mà ch có th coi là giá tr c lng ca i lng cn o. Giá tr này gn vi giá tr thc mà  mt iu kin nào ó có th coi là giá tr thc  ánh giá sai lch gia giá tr c lng và giá tr thc ngi ta s dng khái nim sai s ca phép o là hiu gia giá tr c lng và giá tr thc. T sai s này có th ánh giá phép o có t yêu cu hay không 1.2. Phân loại phương pháp đo Tùy thuc vào  chính xác yêu cu, iu kin thí nghim, thit b hin có…Ta có th phân loi phng pháp o nh sau: 1.2.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phng pháp o có s  cu trúc theo kiu bin i thng, ngha là không có khâu phn hi. 4 Trc tiên i lng cn o X c a qua mt hay nhiu khâu bin i và cui cùng c bin i thành s N x . Còn n v ca i lng o X 0 cng c bin i thành s N 0 (ví d khc  trên mt dng c o tng t). Quá trình này c gi là quá trình khc  theo mu N 0 c ghi nh li. Sau ó din ra quá trình so sánh gia i lng cn o vi n v ca chúng. Quá trình này c thc hin bng mt phép chia N x /N 0 . Kt qu o c th hin bng biu thc c c th hóa nh sau: 0 0 X N N X X = (1.2) Quá trình o nh vy c gi là quá trình o bin i thng. Thit b o thc hin quá trình này gi là thit b o bin i thng. Trong thit b này tín hiu o X và X 0 sau khi qua khâu bin i B (có th là mt hay nhiu khâu ni tip ) a n b bin i tng t s A/D ta có N x và N 0. . Sau khi nhân vi n v X 0 ta nhn c kt qu o nh  biu thc (1.2). 0 1 2 3 4 5 6 7 N XÆ N X X 0 Æ N 0 Tp i lng o liên tc Tp các con s X A/D SS Số BĐ N x /N 0 N x N 0 X X 0 X X 0 Hình 1.1. Quá trình o bin i thng 5 Dng c o bin i thng thng có sai s tng i ln vì tín hiu qua các khâu bin i s có sai s bng tng các sai s ca các khâu. Vì th thng s dng dng c o kiu này  các nhà máy, xí nghip công nghip  o và kim tra các quá trình sn xut vi  chính xác yêu cu không cao lm 1.2.2. Phương pháp đo kiểu so sánh Là phng pháp o có s  cu trúc theo kiu mch vòng ngha là có khâu phn hi. Trc tiên i lng o X và i lng mu X 0 c bin i thành mt i lng vt lý nào ó (ví d dòng hay áp chng hn) thun tin cho vic so sánh. Quá trình so sánh c din ra trong sut quá trình o. Khi hai i lng bng nhau ta c kt qu  mu s suy ra giá tr i lng cn o. Quá trình o nh vy gi là quá trình o kiu so sánh. Thit b o thc hin quá trình này gi là thit b o kiu so sánh (hay thit b bù). N K Æ X K Tp các con s Tp tín hiu liên tc N K A/D SS BĐ N K X K X Hình 1.2. Quá trình o kiu so sánh UX o o o o D/A 6 Hình v trên ch rõ s  khi ca mt thit b o nh vy. Tín hiu o X c so sánh vi mt tín hiu X K t l vi i lng mu X 0 . Qua b bin i s - tng t D/A to ra tín hiu X K . Qua b so sánh ta có: X – X K = UX (1.3) Tùy thuc vào cách so sánh mà ta có các phng pháp sau ây: • So sánh cân bng: Là phép so sánh mà i lng cn o X và i lng mu X 0 sau khi bin i thành i lng X K c so sánh vi nhau sao cho luôn có UX = 0 tc là: X – X K = 0; X = X K = N K .X 0 (1.4) Nh vy thì X K là mt i lng thay i sao cho khi X thay i luôn t c kt qu  (1.4). Ngha là phép so sánh luôn  trng thái cân bng. Trong trng hp này  chính xác ca phép o ph thuc vào  chính xác ca X K và  nhy ca thit b ch th cân bng. Ví d: Cu o, in th k cân bng… • So sánh không cân bng: Nu i lng X K là mt i lng không i, lúc ó ta có: X – X K = UX (1.5) Ngha là kt qu ca phép o c ánh giá theo i lng UX . Tc là bit trc X K , o UX có th suy ra X = X K + UX . Rõ ràng phép o này có  chính xác ph thuc vào phép o UX, mà giá tr UX càng nh (so vi X) thì  chính xác phép o càng cao. Phng pháp này thng c s dng  o các i lng không in nh o nhit , o ng sut… • So sánh không ng thi: Vic so sánh c thc hin nh sau: u tiên di tác ng ca i lng o X gây ra mt trng thái nào ó trong thit b o. Sau ó thay X bng i lng mu X K sao cho trong thit b o cng gây ra úng trng thái nh khi X tác ng, trong iu kin ó rõ ràng ta có X = X K . Khi ó  chính xác ca X hoàn toàn ph thuc vào  chính xác ca X K. . Phng pháp này chính xác vì khi thay X K bng X ta vn gi nguyên mi trng thái ca thit b o và loi c mi nh hng ca iu kin bên ngoài n kt qu o. • So sánh ng thi: Là phép so sánh cùng lúc nhiu im ca i lng cn o X và ca mu X K . Cn c vào các im trùng nhau mà tìm ra i lng cn o. 7 Ví d:  xác nh 1 ins (n v chiu dài Anh) bng bao nhiêu mm. Ta làm phép so sánh sau: ly 1 thc có  chia mm (mu) còn thc kia theo ins (cn do). t im 0 trùng nhau sau ó c các im trùng nhau tip theo là: 127mm - 5ins; 254mm - 10ins; 381mm - 15ins. T ó ta tìm c: 1ins mm4,25 15 381 10 254 5 127 ==== . S dng phng pháp này thc t ta dùng  th nghim các c tính ca các cm bin, hay các thit b o  ánh giá sai s ca chúng 1.3. Phân loại các thiết bị đo Ta có th chia thit b o thành nhiu loi tùy theo chc nng ca nó. Gm các loi ch yu sau: 1.3.1. Mẫu Là thit b o  khôi phc mt i lng vt lý nht nh. Nhng dng c mu phi t  chính xác rt cao t 0,001% n 0,1% tùy theo tng cp, tng loi. Ví d: in tr mu cp I vi  chính xác 0.,01% cp II  chính xác n 0,1%. 1.3.2. Dụng cụ đo lường điện Là dng c o lng bng in  gia công các thông tin o lng, tc là tín hiu in có quan h hàm vi các i lng vt lý cn o Tùy theo cách bin i tín hiu và ch th ta phân thành hai loi dng c o: • Dng c o mà giá tr ca kt qu o thu c là mt hàm liên tc ca quá trình thay i i lng o gi là dng c o lng t. Loi này bao gm: Dng c o kim ch và dng c o t ghi. • Dng c o mà giá tr ca kt qu o c th hin ra bng s c gi chung là dng v o ch th s. 1.3.3. Chuyển đổi đo lường Là loi thit b  gia công tín hiu thông tin o lng  tin cho vic truyn, bin i, gia công tip theo; ct gi không cho ra kt qu trc tip. Có hai loi chuyn i: • Chuyn i các loi in thành các i lng in khác. Ví d: Các b chuyn i A/D – D/A, các b phân áp, bin áp… 8 • Chuyn i các i lng không in thành các i lng in. ó là loi chuyn i s cp là b phn chính ca u o hay cm bin. Ví d: Các chuyn i quang in, nhit in tr… 1.3.4. Hệ thống thông tin đo lường Là t hp các thit b o và nhng thit b ph  t ng thu thp s liu t nhiu ngun khác nhau, truyn các thông tin o lng qua khong cách theo kênh liên lc và chuyn nó v mt dng  tin cho vic o iu khin. Có th phân h thng thông tin o lng thành nhiu nhóm: • H thng o lng: Là h thng  o và ghi li các i lng o. • H thng kim tra t ng: Là h thng thc hin nhim v kim tra các i lng o. Nó cho ra kt qu ln hn, nh hn hay bng chun. • H thng chn oán k thut: Là h thng kim tra s làm vic ca i tng  ch ra ch hng hóc cn sa cha. • H thng nhn dng: Là h thng kt hp vic o lng, kim tra  phân loi i tng tng ng vi mu ã cho. Ví d: Máy kim tra và phân loi sn phm. • T hp o lng tính toán: Vi chc nng có th bao quát toàn b các thit b  trên. H thng thông tin o lng có th phc v cho i tng gn (khong cách di 2km) nhng cng có th phc v cho i tng  xa. Lúc ó cn phi ghép ni vào các kênh liên lc. Mt h thng nh vy c gi là h thng thông tin o lng t xa. 1.4. Đơn vị đo, chuẩn và mẫu 1.4.1. Khái niệm chung n v o là giá tr n v tiêu chun v mt i lng o nào ó c quc t quy nh mà mi quc gia u phi tuân th Trên th gii ngi ta ch to ra nhng n v tiêu chun c gi là các chun. Lch s phát trin và hoàn thin các chun quc t bt u t nm 1881 ti hi ngh quc t  Pari. n nm 1908 ti Luân ôn ã thành lp mt y ban c bit v vic ch to các chun. Mt s chun ã c n nh  ây. Ví d: Chun “ ôm quc t” ca in tr c coi là in tr ca mt ct thy ngân thit din 1mm 2 dài 106,300cm  0 0 C có khi lng 14,4521gam. 9 Tuy nhiên theo thi gian càng ngày càng hoàn thin k thut o lng và nâng cao  chính xác ca phép o. Do ó mà các chun  các quc gia có nhng giá tr khác nhau mc dù phng pháp ch to nh nhau. Sai s nhiu khi vt quá mc  cho phép. Vì th n nm 1948 bt u công nhn mt chun mi gi là “chun tuyt i”. Chun này so vi “chun quc t” trc ó có s sai lch chút ít. Ví d: 1ampe quc t = 0,99985 ampe tuyt i Các chun ngày nay là chun c quy nh theo h thng n v SI là “h thng n v quc t” thng nht 1.4.2. Hệ thống đơn vị quốc tế SI Bao gm hai nhóm n v sau: • n v c bn: c th hin bng các n v chun vi  chính xác cao nht mà khoa hc k thut hin i có th t c. • n v kéo theo (n v dn xut): là n v có liên quan n các n v o c bn th hin qua các biu thc. Bng di ây gii thiu mt s n v o c bn và kéo theo trong mt s lnh vc c, in… Bng 1.1. Bng các n v o c bn và dn xut trong mt s lnh vc Các đại lượng Tên đơn vị Ký hiệu 1. Các đại lượng cơ bản  dài Mét m Khi lng Kilôgam Kg Thi gian Giây s Dòng in Ampe A Nhit  Kelvin K S lng vt cht Môn mol Cng  ánh sáng Candela Cd 10 2. Các đại lượng cơ học Tc  Mét trên giây m/s Gia tc Mét trên giây bình phng m/s 2 Nng lng và công Jun J Lc Niutn N Công sut Watt W Nng lng Watt giây W.s 3. Các đại lượng điện Lng in Culông C in áp, th in ng Vôn V in dung Fara F in tr Ôm  Cng  in trng Vôn trên mét V/m in tr riêng Ôm trên mét /m 4. Các đại lượng từ T thông Vebe Wb Cng  t trng Ampe trên mét A/m in cm Henri H Cm ng t Tetsla T H s t thm Henri trên mét H/m Ngoài các n v o c bn và dn xut trong h thng n v quc t SI, ngi ta còn s dng các bi s và c s ca chúng. [...]... mã 15 sẽ tắt tất cả các vạch 2.2 Mạch đo lường và gia công thông tin đo Mạch đo lường và gia công tín hiệu làm nhiệm vụ biến đổi, gia công tính toán, phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất Có thể coi mạch đo lường là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu của thiết bị đo Mạch đo có nhiều loại khác nhau với các chức... cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức 14 độ cẩn thận khi đo Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số Đó là sai số của phép đo 1.6.1 Phân loại sai số của phép đo Theo cách thể hiện bằng số • Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth X... các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo 1.5.1 Sơ đồ khối của dụng cụ đo Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo Một dụng cụ đo cơ bản có ba bộ phận chính đó là chuyển đổi sơ cấp, mạch đo và cơ cấu chỉ thị Chuyển đổi sơ cấp Mạch đo Cơ cấu chỉ thị Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo Ta lần lượt xét các khâu chức năng này: • Chuyển đổi sơ cấp:làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện Đây là... cụ đo phụ thuộc nhiều yếu tố như: Độ tin cậy của các linh kiện của các dụng cụ đo, kết cấu của dụng cụ đo không quá phức tạp, điều kiện làm việc của dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay không Nói chung độ tin cậy của dụng cụ đo được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định hay không 1.6 Sai số trong đo lường Ngoài sai số của dụng cụ đo, ... thể, một số mạch thông dụng nhất như Mạch tỉ lệ, mạch khuyếch đại đo lường, mạch gia công tính toán, mạch so sánh, mạch tạo hàm, mạch vi xử lý… 2.3 Chuyển đổi đo lường sơ cấp 2.3.1 Định nghĩa Chuyển đổi đo lường: là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định Nghĩa là chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng... quả: X = a ± 3σ a Kết thúc Hình 1.6 Lưu đồ thực hiện quá trình xử lý, định giá sai số, xác định kết quả đo 16 CHƯƠNG II CÁC PHẦN TỬ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO 2.1 Các cơ cấu chỉ thị 2.1.1 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự 2.1.1.1 Cơ sở chung Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục Thường sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu... tượng đo cũng như dụng cụ đo Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm… Theo quy luật xuất hiện của sai số • Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn • Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay... của thiết bị đo • Mạch đo: là khâu thu thập gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện các phép tính trên sơ đồ mạch • Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ thể hiện kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị Có ba cách thể hiện kết quả đo đó là: chỉ thị bằng kim, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi, chỉ thị dưới dạng con số Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi... B.S W I dα Mà ta có: Mc=D.α ⇒ Mc = Mq ⇔ D.α = B.S W I ⇒ α = B.S W I = K I D Từ phương trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có thang đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K Dụng cụ đo kiểu từ điện thường có cơ cấu chỉnh zero để đưa kim chỉ về vị trí 0 trước khi tiến hành phép đo Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và kim chỉ khi không có dòng điện vào Việc... sử dụng để chế tạo các ampemét, vônmét, oatmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, các pha kế để đo góc lệch pha 2.1.2 Cơ cấu chỉ thị tự ghi Cơ cấu chỉ thị tự ghi được sử dụng trong các dụng cụ tự động ghi nhằm mục đích ghi lại những tín hiệu đo thay đổi theo thời gian Trong kỹ thuật đo lường vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy hiện sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia . 1 CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.1. Khái niệm chung về đo lường o lng là mt quá trình ánh giá nh lng i lng cn o . 4.10 -6 A. 1.5. Cấu trúc và các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo 1.5.1. Sơ đồ khối của dụng cụ đo Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo Mt dng c o c bn có ba b phn chính ó là chuyn i. 1.2. Phân loại phương pháp đo Tùy thuc vào  chính xác yêu cu, iu kin thí nghim, thit b hin có…Ta có th phân loi phng pháp o nh sau: 1.2.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phng