Ứng dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để xử lý tín hiệu cho phương tiện đo không điện hiện số

Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT ñể XLTH cho PTĐ ño không ñiện số MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đo giám sát tham số khơng điện quan trọng nhiều quy trình cơng nghệ thuộc lĩnh vực ứng dụng khác nhiệt kỹ thuật, dầu khí, hóa chất, khai thác khống sản, … Đo xác tham số góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định, độ tin cậy trì ñược tính trang thiết bị kỹ thuật dây chuyền cơng nghệ Ví dụ đo lưu lượng, vận tốc, nhiệt độ, áp suất mơi chất lạnh đường ống dẫn hệ thống điều hịa khơng khí cơng nghiệp để đánh giá hệ thống có làm việc theo điều kiện cho phép khơng; đo nhiệt ñộ, áp suất dầu máy ép nhựa; ño ñộ biến dạng áp suất lốp xe ñể kiểm tra ñộ an toàn hoạt ñộng xe tải nặng, máy bay; ño nhiệt ñộ, áp suất, lưu lượng vận tốc nước hệ thống ñiều hòa water chiller ñể ñiều khiển máy nén bơm đóng cắt theo nhiệt độ đặt; đo nhiệt ñộ, ñộ ẩm khí giúp cho dự báo thời tiết khí hậu; đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng luồng khí giúp cho cảnh báo cháy nổ hầm lị khai thác khống sản, Như vậy, lĩnh vực ứng dụng đo giám sát thơng số khơng điện đa dạng cần thiết nhiều ngành khoa học khác Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Ý nghĩa khoa học Trong thực tế để nâng cao độ xác phép đo đại lượng khơng điện người ta sử dụng hai nhóm giải pháp: cơng nghệ, cấu trúc Trong điều kiện Việt Nam giải pháp cấu trúc khả thi cả, vừa nâng cao độ xác phép đo, vừa giảm chi phí đầu tư Trong đo lường khơng điện, vấn ñề giảm sai số phi tuyến phương tiện ño nhiệm vụ quan trọng Đây nội dung luận văn ñi sâu nghiên cứu phát triển nhằm ña dạng hóa giải pháp giảm sai số phương tiện ño Ý nghĩa thực tiễn Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng điện số Trong thực tế nay, lĩnh vực ño lường điều khiển địi hỏi tốc độ xử lý, ñộ xác cao khả thay ñổi linh hoạt phần cứng hệ thống Hiện thiết bị ño lường, giám sát ñiều khiển Việt nam đa số nhập ngoại Do đó, giá thành ñắt không chủ ñộng công nghệ nên khó xử lý gặp cố Chính vậy, việc nghiên cứu tạo thiết bị ñáp ứng ñược yêu cầu ñộ xác, tốc ñộ cao ñiều khiển linh hoạt ñể thay cho thiết bị nhập ngoại ñiều cần thiết Ứng dụng kết nghiên cứu lý thuyết, ñề tài thiết kế, chế tạo thiết bị ño giám sát tham số nhiệt ñộ ñể kiểm chứng kết Ngồi việc minh chứng tính đắn hướng nghiên cứu, khẳng ñịnh ñộ tin cậy kết nghiên cứu; đề tài cịn đóng góp ban ñầu làm sở cho việc chế tạo phương tiện ño ña năng, thay phần thiết bị ngoại nhập Như vậy, ta chủ động cơng nghệ, thuận lợi việc vận hành khai thác bảo trì, giá thành rẻ Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ để kiểm chứng kết nghiên cứu; thiết kế, chế tạo phương tiện ño thử nghiệm - Lý thuyết: + Nghiên cứu cấu trúc phương tiện đo khơng điện, sai số ño phương pháp xử lý sai số; + Nghiên cứu phương pháp cấu trúc ñể xây dựng thuật tốn xử lý thơng tin đo; + Nghiên cứu sử dụng vi ñiều khiển PIC ñể thiết kế modul xử lý thơng tin đo; - Mơ thực nghiệm: + Xây dựng mơ hình mơ thuật toán hiệu chỉnh sai số ứng dụng số phương pháp nội suy + Xây dựng cấu trúc phần cứng phương tiện ño sử dụng vi ñiều khiển PIC + Xây dựng chương trình xử lý thơng tin đo, xử lý hiển thị kết ño Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng ñiện số + Hiệu chỉnh ñánh giá kết phương tiện ño chế thử Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu ñề tài gồm chương: - Chương I: Tổng quan phương tiện ño không ñiện Tổng quan cấu trúc phương tiện ño, sai số ño phương pháp hiệu chỉnh sai số, từ xác định hướng nghiên cứu áp dụng nhóm phương pháp cấu trúc để xây dựng thuật tốn xử lý thơng tin đo phù hợp với mục đích thiết kế - Chương II: Phân tích phương pháp hiệu chỉnh sai số phương tiện đo khơng điện Phân tích số phương pháp cấu trúc tự ñộng hiệu chỉnh hàm biến ñổi hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến ñổi nội suy theo ngun lý bình phương cực tiểu Mơ so sánh phương pháp - Chương III: Kết thực tiễn thiết kế, chế tạo phương tiện đo khơng điện Thiết kế thử nghiệm phương tiện ño giám sát nhiệt ñộ ứng dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để xử lý thơng tin đo theo phương án xử lý số thứ cấp Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, hướng dẫn tận tình Thầy giáo TS Phạm Ngọc Thắng, nội dung nghiên cứu luận văn hồn thành Tuy có nhiều cố gắng trình độ cịn hạn chế nên đề tài khơng thể tránh sai sót Rất mong ñược ñóng góp ý kiến thầy giáo, nhà chun mơn để đề tài hồn thiện tốt Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT ñể XLTH cho PTĐ đo khơng điện số CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN ĐO KHÔNG ĐIỆN 1.1 Tổng quan phương pháp đo lường đại lượng khơng điện 1.1.1 Phép đo đại lượng khơng điện Các đại lượng khơng điện theo xu hướng chung nay, chúng thường đo phương pháp điện Khi cần có chuyển đổi đo lường sơ cấp (BCĐĐLSC) ñể biến ñổi chúng thành ñại lượng ñiện sử dụng thiết bị ño ñiện ñể ño hiển thị kết Q trình biến đổi BCĐĐLSC với đại lượng khơng điện cần đo khác thường ñược xác ñịnh thực nghiệm [1], [2], [4], [5] Chúng mơ tả dạng bảng giá trị, đồ thị biểu thức tốn học ñược gọi chung hàm biến ñổi BCĐĐLSC Để nghiên cứu cách sâu sắc toàn diện đại lượng khơng điện cần phân loại chúng Có nhiều cách phân loại, kỹ thuật đo lường thường phân loại dựa chất vật lý chúng tác ñộng lên ñầu vào phương tiện đo (PTĐ) Theo chúng chia thành hai nhóm chính: Nhóm đại lượng khơng điện vơ hướng bao gồm đại lượng có đặc trưng ñộ lớn (giá trị theo ñơn vị ño) giá trị chúng hướng Các ñại lượng thuộc nhóm khối lượng, ñộ ẩm, nhiệt độ, … Trong nhiệt độ coi đại lượng điển hình vai trị quan trọng chúng nhiều lĩnh vực Nhóm đại lượng khơng điện có hướng (véc tơ) bao gồm ñại lượng có ñộ lớn phụ thuộc vào phương chiều Khi ño, chúng tác ñộng lên ñầu vào PTĐ theo hướng Đặc điểm đại lượng có tính chất "cộng" được, tức là: Khi hai đại lượng tác động chiều chúng ñược cộng với tác ñộng ngược chiều chúng trừ nhau; cịn tác động lệch góc với tác động tổng cộng chúng xác định theo quy tắc hình bình hành Các đại lượng thuộc nhóm đa dạng vận tốc, gia tốc, lực, áp suất … Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng điện số Các đại lượng khơng điện đa dạng tính chất lý hóa nên đo chúng, cách đo cách thể tác ñộng lên ñầu vào PTĐ khác Để thiết kế ñược PTĐ ñại lượng khơng điện có độ xác cao cần phải hiểu rõ đặc điểm, tính chất quy luật biến ñổi chúng 1.1.2 Khái quát phép ño PTĐ đại lượng khơng điện 1.1.2.1 Khái qt phép đo đại lượng khơng điện Q trình sử dụng phương tiện ño ñể ñánh giá ñịnh lượng đại lượng khơng điện để có kết số theo thứ nguyên ñại lượng cần ño gọi phép ño ñại lượng không ñiện Kết phép ño Xkq giá trị số ñại lượng cần ño X ñơn vị ño X0 Như Xkq rõ ñại lượng ño lớn hay nhỏ lần ñơn vị q trình đo viết dạng [4]: X kq = X X0 Từ ta có: X = Xkq.X0 (1.1) Cơng thức (1.1) biểu diễn so sánh ñại lượng cần ño với mẫu cho kết số Từ ta thấy khơng phải đại lượng khơng điện đo theo (1.1) khơng phải ñại lượng cho phép so sánh với giá trị mà cần phải có trình biến đổi trung gian Để thực phép đo cần vào ñối tượng ño, ñiều kiện ño, PTĐ u cầu độ xác kết Trong đo lường đại lượng khơng điện ta sử dụng nhiều cách khác sau:
Đo trực tiếp: Là cách ño mà kết nhận ñược từ phép ño Dụng cụ ño sử dụng ñể thực phép ño thường tương ứng với ñại lượng cần ño Cách ño ñược sử dụng rộng rãi cho nhiều phép ño như: ño nhiệt ñộ dùng nhiệt kế, ño áp suất dùng áp kế, … Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT ñể XLTH cho PTĐ đo khơng điện số
Đo gián tiếp: Là cách ño mà kết phép ño ñược suy từ phối hợp nhiều phép đo trực tiếp Ví dụ: Đo khối lượng riêng nước, độ nhớt chất lỏng thơng qua phép ño trực tiếp nhiệt ñộ, áp suất; ño lưu lượng thơng qua phép đo áp suất chênh lệch, … Cách ño gián tiếp thường mắc phải sai số lớn tổng sai số phép ño trực tiếp Tuy nhiên có số đại lượng khơng thể ño trực tiếp ñược mà bắt buộc phải sử dụng cách đo gián tiếp Vì vậy, giảm loại trừ sai số phép ño gián tiếp vấn ñề cần ñược ñầu tư nghiên cứu
Đo hợp bộ: Là cách đo có ngun tắc tương tự phép ño gián tiếp số lượng phép ño theo cách trực tiếp nhiều thường phải giải phương trình hay hệ phương trình để tìm kết
Đo thống kê: Là cách ño (trực tiếp gián tiếp) thực nhiều lần sau lấy giá trị trung bình kết đo Cách đo nâng cao độ xác thời gian nên thường sử dụng số trường hợp như: u cầu độ xác kết quả, tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra ñộ xác dụng cụ ño 1.1.2.2 Khái quát PTĐ đại lượng khơng điện a Cấu trúc PTĐ đại lượng khơng điện Cấu trúc tổng qt PTĐ đo đại lượng khơng điện có dạng hình 1.1 gồm BCĐĐLSC, kênh truyền thơng tin ño (KTTTĐ), phương tiện ño thứ cấp (PTĐTC) thị (BCT) X Y' Y BCĐĐLS C KTTTĐ N PTĐTC BCT Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát PTĐ đại lượng khơng điện Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng điện số Đại lượng khơng điện cần đo X qua BCĐĐLSC cho đại lượng Y; khâu ghép tín hiệu từ đầu BCĐĐLSC tới PTĐTC ñược biểu diễn khối KTTTĐ biến ñại lượng Y trở thành Y' Quan hệ Y', Y với X thường phi tuyến ñược biểu diễn hàm tổng quát: Y = f(X) (1.2) Y' = f' (Y) (1.3) PTĐTC thực biến ñổi ñại lượng Y' thành N ñể ñưa kết ño BCT PTĐTC phải thực theo cách để mối quan hệ chung N X tuyến tính: N = KX (1.4) với K hệ số PTĐ thường ñược phân thành hai loại PTĐ tương tự PTĐ số Chúng phân biệt qua phương pháp xử lý thơng tin ño kỹ thuật xử lý tương tự hay xử lý số Hiện nay, PTĐ số ñang ñược ứng dụng rộng rãi dần thay PTĐ tương tự chúng có ưu điểm [2],[4], [5], [8], [9], [14]: - Tốc ñộ ño lớn (hàng trăm triệu phép ño thực giây) - Độ xác độ nhạy cao, khơng có sai số chủ quan người gây - Có thể tự động hóa q trình gia cơng thơng tin đo, hiệu chỉnh sai số đo - Kết ño dạng số nên thuận tiện cho việc lưu trữ, truyền ñi xa xử lý Với ưu điểm lớn tính phổ dụng PTĐ số nên luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu PTĐ số Các PTĐ số thường ñược xây dựng theo hai phương pháp ño: Phương pháp ño theo cấu trúc biến ñổi thẳng phương pháp ño theo cấu trúc biến ñổi cân (cấu trúc so sánh) Cấu trúc PTĐ số theo kiểu biến đổi thẳng có sơ ñồ hình Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT ñể XLTH cho PTĐ đo khơng điện số 1.2 gồm BCĐĐLSC, biến ñổi (BĐ), biến ñổi tương tự - số (BĐTT-S) hiển thị số (HTS) Đại lượng cần ño X sau qua BCĐĐLSC ñược biến ñổi thành ñại lượng ñiện, qua khâu biến ñổi trung gian cuối ñược hiển thị kết HTS PTĐ cấu trúc kiểu có ưu điểm ñơn giản, mức tác ñộng nhanh ñộ xác không cao X Y' Y BCĐĐLS C BĐ N BĐTT-S HTS Hình 1.2: Cấu trúc PTĐ đại lượng khơng điện theo kiểu biến đổi thẳng Cấu trúc PTĐ số theo kiểu biến ñổi cân phức tạp có thêm khâu phản hồi để thực so sánh hình 1.3 Ngồi khối hình 1.2 có thêm khối biến đổi ngược (BĐN) so sánh (SS) ñể thực so sánh ñại lượng Y với đại lượng Ym loại cho ∆Y ln (trạng thái cân bằng) PTĐ cấu trúc kiểu cho độ xác cao khó chế tạo độ xác phụ thuộc lớn vào khâu BĐN Tham số PTĐ ñại lượng không ñiện phụ thuộc chủ yếu vào BCĐĐLSC Các khối cịn lại có nhiệm vụ gia cơng, xử lý thơng tin đo lường hiển thị kết X Y Y' ∆Y SS BCĐĐL SC BĐ N BĐTT-S HTS Ym BĐN a) X Y' Y BCĐĐL SC N ∆Y SS BĐ BĐTT-S HTS Ym BĐN Nguyễn Đăng Hưng b) Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Hình 1.3: Cấu trúc PTĐ đại8khơng điện theo kiểu biến đổi cân Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng điện số Khi khảo sát ñánh giá PTĐ ta cần quan tâm ñến số tham số sau ñây:
Hàm biến ñổi tổng quát PTĐ Theo sơ đồ cấu trúc hình 1.1, BCĐĐLSC thực biến ñổi ñại lượng không ñiện ñầu vào thành ñại lượng ñiện ñầu theo quan hệ hàm ñơn trị KTTTĐ gồm khâu truyền dẫn biến đổi tín hiệu trung gian từ BCĐĐLSC tới PTĐTC Nếu chưa tính tới sai số KTTTĐ PTĐTC hàm biến đổi tổng qt PTĐ (1.2) Để có ñược (1.2) phải tiến hành thực nghiệm ñể tìm mối quan hệ X Y Mối quan hệ thường phi tuyến cần phải tuyến tính hóa để nâng cao độ xác PTĐ thuận tiện cho việc xử lý PTĐTC Nếu khơng tính tới sai số phần thứ cấp hàm biến đổi tổng qt PTĐ có dạng lý tưởng: (1.5) Y = hX Trong đó: X ñại lượng cần ño; Y ñại lượng ra; h hệ số ñặc trưng cho ñộ nhạy PTĐ Khi có sai số cộng nhân hàm biến ñổi PTĐ có dạng: (1.6) Y = (1 + α)X ± V Trong đó: α = (Y - X)/X sai số nhân tương Y Y = f(X) ñối; V sai số cộng Y = hX Trong trường hợp chung hàm biến đổi thực tế (1.2) có đầy ñủ thành phần sai số mơ tả hình 1.4 X Trong thực tế hàm biến đổi PTĐ cịn bao gồm loạt tham số danh định đặc tính giá trị Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn hàm PTĐ: a1, a2, , an mơ tả tổng biến ñổi PTĐ Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT ñể XLTH cho PTĐ đo khơng điện số qt sau: Y = fdñ(X, a1, a2, , an) (1.7) Các tham số chịu tác ñộng yếu tố ảnh hưởng mơi trường ngồi nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu tạp, gây sai lệch cách có hệ thống ngẫu nhiên đặc tính giá trị PTĐ Mặt khác hàm biến ñổi BCĐĐLSC trường hợp chung phi tuyến [7] với hệ số biến ñổi thay ñổi ngẫu nhiên theo thời gian nên (1.7) thường hàm phi tuyến Do tham số đặc tính giá trị hàm ngẫu nhiên theo thời gian dạng a1(t), a2(t), , an(t) Vì hàm biến đổi thực tế PTĐ biểu diễn dạng: Y = ftt[X, a1(t), a2(t), , an(t)] (1.8) Để nâng cao ñộ xác phép đo cần phải giảm loại trừ ảnh hưởng tham số a1(t), a2(t), , an(t), tuyến tính hố hàm biến đổi PTĐ
Độ nhạy PTĐ ñặc trưng cho khả phép ño bắt nhạy với thay ñổi nhỏ đại lượng cần đo Độ nhạy xác ñịnh qua công thức sau: S= ∂X ∂Y (1.9)
Sai số ∆ sai lệch hàm biến ñổi danh ñịnh hàm biến ñổi thực tế hàm tín hiệu vào: ∆ = F(X) (1.10) Đây tham số quan trọng ñánh giá chất lượng PTĐ Tham số phụ thuộc lớn vào BCĐĐLSC độ xác PTĐ phụ thuộc lớn vào chất vật lý việc chuyển ñổi Sai số BCĐĐLSC gồm hai thành phần tạo nên sai số sai số phụ Sai số sai số gây khơng hồn thiện cấu trúc, yếu công nghệ chế tạo Nguyễn Đăng Hưng Lớp cao học Điện tử K4 Viện Đại Học Mở Hà Nội 10 Luận văn thạc sỹ Ứng dụng PP xấp xỉ TT để XLTH cho PTĐ đo khơng ñiện số CB nhiệt ñộ Giá trị nhiệt ñộ value Hiển thị phần nguyên Nguyên=value/1 T.phân=value-nguyên For (j=0; j