Cơ sở kỹ thuật Đo - Quyển 1

Cơ sở kỹ thuật đo lường là bộ môn khoa học nghiên cứu những lý luận cơ bản về kỹ thuật đo lường. Giáo trình Cơ sở kỹ thuật đo cung cấp những kiến thức cơ bản phục vụ cho các môn học "Phương pháp và thiết bị đo các đại lượng điện và không điện", "Hệ thống thông tin đo lường" và những môn học chuyên ngành khác của kỹ thuật thông tin đo lường như "Thiết bị đo sinh hoá và sinh học", " Thiết bị đo thông minh và linh hoạt", đồng thời xây dựng một hệ thống kiến thức cho việc thu thập số liệu đo, xử lý, gia công, điều khiển hiện đại. Lần xuất bản này, các tác giả đã bổ khuyết những chi tiết về cơ sở lý luận, bố sung thêm các phần tử, linh kiện hiện đại thực hiện các chức năng của các nguyên công do lường, làm cho giáo trình sát với thực tế các thiết bị đo và hệ thống đo thông minh hiện đại. Giáo trình cũng cung cấp thêm những kiến thức về đo lường học phục vụ cho việc đảm bảo đo lường cho các thiết bị đo công nghiệp hiện đại hiện có và các thiết bị đo mới sắp ra đời. Nội dung giáo trình bao gồm 8 chương, được chia thành 3 quyển nhỏ. Quyển 1 gồm các chương 1, 2, 3.

NGUYEN TRONG QUE

NGUYEN THI LAN HUONG

PHAM THI NGOCYEN

NGUYEN TRONG QUE, NGUYEN THI LAN HUONG PHAM THI NGOC YEN

CO SO KY THUAT DO

QUYEN 1

NHA XUAT BAN BACH KHOA HA NOI

CO SO KY THUAT DO

QUYEN 1

NHA XUAT BAN BACH KHOA HA NOI

Số 1 Đại Cô Việt — Hai Ba Trung — Ha Noi

VPGD: Ngé 17 Ta Quang Buu — Hai Ba Trung — Ha Nội

DT: 024 38684569; Fax: 024 38684570

https://nxbbachkhoa.vn

Chịu trách nhiệm xuất bản điện tứ:

Giám đốc — Tổng biên tập: PGS TS BÙI ĐỨC HÙNG

Biên tập: DO THANH THUY

Trinh bay: DUONG HOANG ANH Thiết kế bìa: ` DƯƠNG HOÀNG ANH

LOI NOI DAU

Cơ sở kỹ thuật đo lường là bộ môn khoa học nghiên cứu những lý luận cơ bản về kỹ thuật đo lường Giáo trình Cơ sở kỹ thuật đo cung cấp những kiến thức cơ bản phục vụ cho các môn học "Phương pháp và thiết bị đo các đại lượng điện và không điện", "Hệ thống thông tin đo lường" và những môn học chuyên ngành khác của kỹ thuật thông tin đo lường

nhu "Thiết bị đo sinh hoá và sinh học", " Thiết bị đo thông mình và linh hoạt", đồng thời xây

dựng một hệ thống kiến thức cho việc thu thập số liệu đo, xử lý, gia công, diéu khién hién dai

Nội dung giáo trình bao gém 8 chwong, với 2 phân cơ bản như sau:

Phân thứ nhất: Đưa ra định nghĩa và mô hình quá trình đo, trên cơ sở đó phân tích các nguyên công cơ bản về đo lường, tìm ra quy luật phân tích tín hiệu đo, phép tạo mẫu, phép biến đổi, phép so sánh, phép giao tiếp với người và hệ thống, đề ra các thuật toán đề

tổng hợp phương pháp đo và xây dựng sơ đồ khối của thiết bị đo

Phân thứ hai: Trình bày cơ sở lý luận về đánh giá thiết bị đo, đánh giá một phép đo, các biện pháp nâng cao tính năng của thiết bị đo, các biện pháp gia công kết quả đo lường Đây là cơ sở để thiết kế thiết bị đo, thiết kế một phép đo phức tạp và là cơ sở để tạo ra các cảm biến thông mình, thiết bị thông mình và xây dựng hệ chuyên gia trong kỹ thuật ẩo lường

Lần xuất bản này, giáo trình được xuất bản phiên bản điện tử tại NXB Bách khoa Hà Nội và có sửa chữa, bồ sung Các tác giả đã bồ khuyết những chỉ tiết về cơ sở lý luận, bố sung thêm các phân tử, linh kiện hiện đại thực hiện các chức năng của các nguyên công do lường, làm cho giáo trình sát với thực tế các thiết bị ẩo và hệ thống đo thông mình hiện đại Giáo trình cũng cung cấp thêm những kiến thức về đo lường học phục vụ cho việc đảm bảo đo lường cho các thiết bị ảo công nghiệp hiện đại hiện có và các thiết bi do moi sắp ra đời

Phiên bản điện tử của giáo trình được chia thành 3 quyển nhỏ Quyển l gồm các chương 1, 2, 3

Các tác giả chân thành cảm ơn những đóng góp vô cùng quý báu về tài liệu, về các gợi y của Viện sĩ Terentrep C N, Trường Đại học Bách khoa Kharkov va đặc biệt của Giáo sư Ornatsky, Trường Đại học Bách khoa Kiev, người đã xây dựng cơ sở cho môn học và ý tưởng cho giáo trình này Các tác giả cũng cảm ơn các tài liệu và kiến thức hiện đại do các giáo sư Viện Đại học Bách khoa Grenoble, Cộng hòa Pháp chuyển giao, đã giúp cho giáo

trình thêm phân hiện đại

Các tác giả mong nhận được ÿ kiến đóng góp về nội dung cuốn sách, các ý kiến xin gửi về Khoa Tự động hóa, Trường Điện — Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội

Các tác giả

1.1.2 Các tiên đề đo lường “

1.1.3 Đại lượng đo được «¿5S tre 6 1.2 Mô hình của quá trình đO - ¿+ 5+ ++£SEx+Eerxererkererxerrrkerrrrrre 7

1.2.1 Quá trình đo biến đổi thẳng 1.2.2 Quá trình đo kiểu so sánh

1.3 Các nguyên công đo lường cơ bản ¿-¿- 5 cc+ceccerekekexer 9

1.3.1 Xác định đơn vị đo, thành lập mẫu, tạo mẫu và truyền mẫu 10

1.3.2 Nguyên công biến đồi

1.3.3 Nguyên công so sánh

1.3.4 Nguyên công giao tiệp

1⁄4; Líï HIỆU-d0” Win sx990255563939160999065519569%0361950u930252408309161409295090388 1.4.1 Đại lượng vật lý của tín hiệu

1.4.2 Dạng của tín hiệu

1.5 Phương pháp đo và phương tiện đo

1.5.1 Khái niệm chung về phương pháp đo và phương tiện đo 12 1.5.2 Phân loại phương tiện đo

1.5.3 Hệ thống thông tin đo lường và điều khiển công nghiệp

1.6 Đánh giá kết quả đo và thiết bị đo

1.6.1 Xác định tiêu chuân đánh giá một phép đo và thiết bị đo 14

1.6.2 Tổ chức kiểm định và xác nhận thiết bị đo 15

1.6.3 Tổ chức quản lý đảm bảo đo lường

1.6.4 Các tiêu chuẩn cơ bản chung nhất của một thi

Chương 2 Tín hiệu do lường và phép biến đối tín hiệu 18

2/1: Đại lượng:vật: ý: Của tm-HIỆU::zss:sssxssssss6x25191665466616586416461158119614608936008181

2.2 Dạng tín hiệu đo biến thiên theo qui luật tiền định

2.2.1 Dạng hằng ee 2:22 Dane XufilÐ H€Pisszssszss:7754516109100032GS040GES03)4A0399g803a2V92gu304E96/008v600u700083 23 2:2:3 Dang bậc thang Va XUN g VUONS cássc6i6i6ss16610140 0201006334868 24 2.2.4 Dạng tín hiệu tỷ lệ thời gian và xung răng cưa

2.2.5 Dạng tín hiệu hình sin

2.2.6 Biểu diễn hình thức các tín hiệu đo tiền định - 27 2.3 Biến đổi tín hiệu và xử lý tín hiệu tiền định .- -c+ 28

2.3.1 Biến đổi giữa các đại lượng

2.3.2 Biến đôi giữa các dạng tín hiệu tiền định

Chương 3 Hệ đơn vị, chuẩn, mẫu, tạo mẫu, chuyển mẫu 66

3.1 Đơn vị và hệ đơn vị

3.1.1 Hé don vi SI 3.2 Chuẩn và mẫu

3.2.1 Các hang số vật lý dùng dé lam chuan

3.2.2 Chuẩn mẫu mét 3.2.3 Chuẩn về khối lượng

3.2.4 Chuẩn thời gian và tần sỐ ¿-©222222cccstcECEEvrrrrrrrrrrecee 73 3.2.5 Chuẩn về đại lượng điện

3.3 Tạo ra mẫu công tác và mẫu biến đổi

3:3:1: Phương hướng CHUTiE ::::::z::s:2s2222666500515026036008204335000631120331 00066

3.3.2 Mẫu công tác chiều dài

3.3.3 Mẫu khói lượng ‘ 3.3.4 Mau thoi gian o ccccccccseccsseccssecsssecssseessseesssecsscessecessecessecesseessseeese 3.3.5 Mẫu điện áp

3.4 Tổ chức quốc tế và quốc gia về hệ thống chuan

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Đo lường học là môn khoa học nghiên cứu về lý thuyết các quá trình đo lường, nghiên

cứu các phương pháp đo và tạo ra các thiết bị đo với yêu cầu kỹ thuật xác định

Đo lường học cũng nghiên cứu về tiêu chuẩn của các thiết bị đo, xây dựng tiêu chuẩn, tạo mẫu và quản lý về đo lường theo pháp lệnh Nhà nước về các thiết bị đo

1.1 Định nghĩa và khái niệm về quá trình đo

1.1.1 Định nghĩa

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số đo với đơn vị

Ví dụ: Đo điện áp: U = 135V +0,5V

Tức là điện áp đo được là 135 đơn vị điện áp tính bằng von, với sai số là 0,5V

1.1.2 Các tiên đề đo lường

Về lý thuyết đo, các nhà toán học đã đưa ra các tiên đề về so sánh các đại lượng như

Sau:

A Tiên đề về tương đương

Tiên đề về tương đương tức bằng nhau được phát biểu như sau:

x(A) = x(A); A phai bang A (tinh ty phan) (1.1)

- Nếu x(A) = x(B) thi x(B) = x(A) (tính đối xứng) (12) - Nếu x(A) = x(B) và x(B) = x(C) thì x(A) = x(C) (tính bắc cầu) (13)

Tiên đề này chỉ cho phép nhận dạng các đối tượng

B Tiên đề về xếp hạng

Tiên đề về xếp hạng lớn bé được phát biểu như sau:

x(A) #x(A); A không thể lớn hơn A được (chống tự phản) (1.4)

- Nếu x(A) > x(B) thì x(B) # x(A) (chống đối xứng) (1.5) - Nếu x(A) > x(B) va x(B) > x(C) thi x(A) > x(C) (tinh bie cau) (1.6)

Tiên đề này chỉ cho phép làm các thống kê, xếp hạng các đối tượng (ứng dụng vào tâm lý học, sư phạm v.v ) Trong kỹ thuật, cho phép thành lập các hệ thống kiểm tra, báo động V.V )

C Tién dé vé tinh kha céng

Tiên đề về tính khả cộng được phát biểu như sau:

- Nếu x(A) = x(P) và x(B) = 0 thì x(A) + x(B) = x(P) (dai lugng zero) (1.7) x(A) + x(B) = x(B) + x(A) (hoan vi) (1.8) - Nếu x(A) = x(P) và x(B) = x(M) thi x(A + B) = x(P + M) (1.9) x(A + B) + x(C) = x(A) + x(B+C) (tinh két hop) (1.10) x(A + B) = x(A) + x(B) (tinh phân bồ) (1.11) 1.1.3 Đại lượng đo được

Một đại lượng đo được, mang trong nó đặc tính thể hiện các tương quan tương đương, lớn nhỏ và khả cộng, cho phép ánh xạ về dãy số tự nhiên (tương đương và xếp hạng)

Ngoài ra do đặc tính khả cộng, cho phép thành lập một dãy số, với một khoảng cách nhất

định, từ 0 đến n, tương ứng với các đại lượng cần đo Tức là tương ứng tập với tập: {xo, x1, X¿ Xa} có tập {0, 1, 2, n} tương ứng

Day xo, XỊ, X2 Xn VỚI:

AX, goi 1a độ đo của tập các giá trị {Xxọ, XI, Xạ Xa}

Khi thoả mãn được 3 tiên đề trên và AX\ là độ đo của một tập số liệu, thì theo nguyên

lý của Acsimét, có thể phát biểu như sau:

Có hai đại lượng A và B, ta có thể tìm ra một con số tự nhiên n dé cho nB > A

Như vậy, với một đại lượng cần đo là X, ta có thể tìm một đại lượng AX dé cho:

mAX > X [ với (m-1)AX # X]

hay nói cách khác là ánh xạ một một X vào tập số tự nhiên (thành con số m) với độ đo là AX

Đại lượng X như vậy là đại lượng đo được Từ khái niệm này có thể thành lập mô hình của quá trình đo.

1.2 Mô hình của quá trình do

Theo những khái niệm trên, quá trình đo lường có thể diễn ra theo 2 cách: quá trình đo

biến đổi thang và quá trình đo kiểu so sánh

1.2.1 Quá trình đo biến đổi thẳng

Ánh xạ tập các đại lượng vật lý cần đo (liên tục) vào tập các con số tự nhiên (rời rạc) X > Nx (hinh 1.1)

Đại lượng đơn vị (hoặc bội số và ước sô của nó) cũng được ánh xạ vào tập con sô và trở thành Nọ:

> N = nhiên băng một phép chia: —* &

Ny

¬ i Tập con số tự nhiên Ö-m (rời rạc) và kêt quả được việt ra:

x N Hình 1.1 Ánh xạ từ không gian vật lý sang không gian số

x=“°N =_—* Ny WN, FT K trong quá trình đo biên đôi thăng x với VỆ ase as

K hệ số biến đổi (nó thẻ hiện phép ánh xạ)

Quá trình đo theo thủ tục hình 1.2a và thực hiện kỹ thuật theo sơ đồ khối 1.2b

(Ket thie) CT- chi thi

Hình 1.2 Lưu đồ và sơ đồ khối của quá trình đo biến đổi thẳng.

tác này thường được thực hiện định kỳ và được nhớ lại ở thiết bị đo Khi đó, đại lượng đo X sẽ được bộ mã hoá biến đổi thành Nx

Phép so sánh được thực hiện tự động (bằng phép chia) hoặc do người thực hiện

Đối với dụng cụ đo cơ điện, quá trình đọc số và nội suy giá trị do người thực hiện Đối với dụng cụ đo số, các quá trình trên do máy thực hiện

Ví dụ: Có một vôn mét được khắc độ như sau:

150V tương ứng 100 vạch

Đo một điện áp, vônmet chỉ 140 vạch, xác định kết quả đo?

Xác định: Nọ = ¬ vạch/V 150

So sánh:

Bs =140,{12) X=140.122 15 =210 V No 150 100

Hang số của vônmet được tính như sau C = N =1,5/V

0

Két qua: X = CNx = 1,5.x140= 210V

1.2.2 Quá trình đo kiểu so sánh

Quá trình diễn ra như sau:

Ánh xạ tập các con số tự nhiên (rời rạc) thành dãy các đại lượng vật lý (rời rạc) (hình 1.3):

Xx = Nx.Xo

N, bién thién trong khoảng (0 - N,)

X là đơn vị hoặc bội số hoặc ước số của đơn vị Tập

X (X- Xx ) voi điều kiện X < X < Xk+i

Tập con số tự nhiên

: Hình 1.3 Ánh xạ từ không gian số sang không gian

Quá trình đo diễn ra theo lưu đồ hình vật lý trong quá trình đo kiểu so sánh

1.4a và thực hiện kỹ thuật bằng sơ đồ khối 1.4b

Theo lưu đồ hình 1.4a:

Bắt đầu N = 0 sau đó, tăng lần lượt lên 1 (từ 1 đến N,) Nk (con số thứ k) được biến déi thanh Xx = Nx Xo.

=N,+1 XK=Nx.Xo kel

CT - chuong trình Đúng EU

Sai D/A- biến đổi số tượng tự Đua ra kết quả X=N¿

Hình 1.4 - Lưu đồ phương pháp và sơ đồ khối của quá trình đo kiểu so sánh

Xo duge goi la luong ttr cua X (hay LSB - Least Signification Bit cua D/A)

X: duge so sanh voi dai lugng cần đo X nhờ bộ so sánh SS, đầu ra của bộ so sánh ' dùng để điều khiển thay déi con sé Nx đưa vào D/A

Kết quả được lấy ra là Nự, don vj la Xo: X =NxXo

Đó là mô hình của quá trình đo kiểu so sánh

1.3 Các nguyên công đo lường cơ bản

Trong quá trình đo, thiết bị hay con người phải thực hiện các nguyên công đo lường, nguyên công ấy có thể thực hiện tự động trong thiết bị đo hoặc do con người thực hiện

Dựa trên định nghĩa về đo lường và mô hình quá trình đo, các nguyên công đo lường cơ bản có thê sắp xếp như sau:

" Nguyên công xác định đơn vị đo, thành lập mẫu, tạo mẫu và truyền mẫu * Nguyên công biến đổi

" Nguyên công so sánh * Nguyên công giao tiếp.

1.3.1 Xác định đơn vị đo, thành lập mẫu, tạo mẫu và truyền mẫu Nguyên công đầu tiên của quá trình đo là xác định đơn vị và tạo mẫu

Nội dung cơ bản của nguyên công này là xác định đơn vị, tạo ra chuẩn mẫu là những

đại lượng vật lý có tính bắt biến cao và là hiện thân của đơn vị đo

Sau đó phải lượng tử hoá chuẩn và tổ hợp thành đại lượng chuẩn có thể thay đổi giá trị, tạo thuận lợi cho việc xác định giá trị của đại lượng đo, ta gọi quá trình đó là truyền chuẩn

1.3.2 Nguyên công biến đổi

Thực hiện phép biến đổi trên các tín hiệu đo lường, từ đại lượng này sang đại lượng khác, từ dạng này sang dạng khác thé hiện ở hình 1.5

T là toán tử biến đổi tín hiệu X tín hiệu Xx Y —————‡ T F——Y

vào, Y tín hiệu ra

Có rất nhiều phép biến đổi khác nhau Y=T [X]

T biến đổi từ đại lượng này sang đại lượng Hình 1.5 Sơ đồ quan hệ của bộ biến đổi

Trên cơ sở phân tích phép so sánh, ta tìm ra quy luật tổ hợp các thao tác đo lường để

tổng hợp phương pháp đo và từ đó nghiên cứu ra các thiết bị đo thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật đặt ra

10

1.3.4 Nguyên công giao tiếp

Sau khi xử lý ra kết quả đo, số liệu về kết quả này phải được thông báo cho người

hoặc cho hệ thông Ngày nay với những phát triển mới của công nghệ thông tin, nguyên

công này thể hiện:

- Giao tiếp người và máy (HMI) trong đó việc hiển thị, trao đổi, theo dõi, giám sát là

địch vụ khá lớn trong hệ thống thông tin đo lường điều khiển

- Giao tiếp với hệ thống (tức với mạng) thể hiện chủ yếu ở dịch vụ truyền thông

Hiện nay 2 dịch vụ này chiếm một vị trí khá quan trọng trong hệ thống thông tin đo

lường điều khiển hiện đại 1.4 Tín hiệu đo lường

Trong quá trình đo, các thao tác đo lường tác động lên tín hiệu đo, tín hiệu đo mang

thông tin về đối tượng cần nghiên cứu

Tín hiệu đo là một đại lượng vật lý cụ thể, biến thiên theo những quy luật cụ thẻ, phản ảnh thuộc tính cần nghiên cứu của đối tượng cần đo

Một tín hiệu đo gồm 2 phần:

- Phần đại lượng vật lý của tín hiệu - Phần dạng của tín hiệu

1.4.1 Đại lượng vật lý của tín hiệu

Đây là các đại lượng vật lý cụ thể phản ánh thuộc tính của đối tượng cần nghiên cứu

Ví dụ: Kích thước, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng v.v

1.4.2 Dạng của tín hiệu

Đại lượng đo có thể không biến thiên (đại lượng hằng) nhưng đa số là biến thiên theo thời gian theo những dạng có quy luật xác định (xung hẹp, bậc thang, tam giác, hình sin) hoặc theo quy luật thống kê, hoặc không theo quy luật nào cả gọi là tín hiệu ngẫu nhiên

Gia công tín hiệu là nghiên cứu các quy luật biến đổi tín hiệu, xác định các loại tín hiệu, chuyển các tín hiệu bất kỳ về các tín hiệu có quy luật để đánh giá chúng, truyền đi xa, dùng vào việc điều khiển hoặc phục hồi lại tín hiệu ấy khi cần thiết Lĩnh vực lớn này sử dụng những lý thuyết mới, những phương pháp và phương tiện hiện đại

Xử lý tín hiệu đo lường, tức là áp dụng các nguyên công về đo lường lên các tín hiệu đó, có những đặc điểm riêng là vấn đề biến các tín hiệu đó thành số với một sai số xác định, phản ánh định lượng đại lượng cần đo Do đó nó có những đặc thù riêng không có trong các lĩnh vực khác

Gia công số, truyền số đi xa với những yêu cầu về sai số, về độ tin cậy là lĩnh vực của kỹ thuật đo xa và của hệ thống thông tin đo lường công nghiệp

11

1.5 Phương pháp đo và phương tiện đo

1.5.1 Khái niệm chung về phương pháp đo và phương tiện đo

Quá trình đo được tiến hành theo những bước xác định, thực hiện các thao tác đo lường cơ bản Thủ tục tổ hợp các thao tác đo lường đã nói trên là phương pháp đo

Thủ tục của hai quá trình đo cơ bản đã được trình bày ở mục 1.2 Tuy nhién trong phép đo so sánh có thể có những so sánh cân bằng, không cân bằng, đồng thời và không đồng thời, từ đó dẫn đến các phương pháp đo khác nhau Các phương pháp đo này sẽ trình bày cụ thể trong các chương sau

Áp dụng các phương pháp đo cơ bản vào các trường hợp khác nhau, phân tích các thao tác khác nhau một cách chỉ tiết sẽ đưa đến những phương pháp cụ thê và chỉ tiết hơn, làm phong phú nội dung của kỹ thuật đo lường

Thực hiện kỹ thuật các thao tác nói trên, ta dùng các khối chức năng tương ứng và phương pháp đo thể hiện qua sơ đỗ khối của thiết bị đo

Như vậy, thiết bị đo được coi là thể hiện kỹ thuật của phương pháp đo cụ thể Trong nhiều trường hợp thủ tục đo và sơ đồ khối của thiết bị là một, nhưng một số trường hợp khi có sự tham gia của con người, của máy thông minh, thủ tục và sơ đồ khối thiết bị có thé khác nhau

Trong kỹ thuật hiện đại, các nguyên công đo lường được thực hiện bằng khối chức năng được tổ chức thành môđun (modul hoá) hoặc được tích hợp hoá (IC hoá)

Các khối chức năng ấy, các thiết bị đo, các hệ thống đo được mang tên chung là phương tiện đo lường

Phương tiện đo lường là tập hợp các phần tử, các modul, các dụng cụ, các hệ thông phục vụ cho việc thu thập và xử lý số hiệu đo lường

1.5.2 Phân loại phương tiện đo

Có thể tóm tắt phương tiện đo lường theo sơ đô hình 1.6 Phương tiện đo bao gồm các phương tiện cơ bản áp dụng vào mọi thiết bị và hệ thống đo lường Phần tử là các môđun đo lường cơ bản

Theo kỹ thuật hiện đại, các hệ thống dù lớn và phức tạp bao nhiêu, cũng gồm những phần tử những môđun chức năng cơ bản (modul hoá) như: cảm biến; các bộ biến đổi; các giao diện; các bộ xử lý tín hiệu và số liệu

Phân tử, môđun chức năng

- Cac cảm biến: Vi du TE (phần tử nhiệt độ), PE (phần tử áp suất) - Các bộ biến đổi: TT (biến đổi nhiệt độ)

TP (biến đổi áp suất - Theo ANSI ký hiệu PT TF (biến đổi lưu lượng- Theo ANSI ký hiệu FT)

12

- Các giao diện: DAQ (thu thap sé liéu) - Các bộ xử lý tín hiệu va số liệu

Phân tử Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống

modul đo và dụng cụ kiểm tra, báo nhận dạng chẩn đoán

lường đo lường động bảo vệ và AI và KT

Hình 1.6 Phân loại phương tiện đo lường theo chức năng

Các phần tử này được tiêu chuẩn hoá và môđun hoá đề có thể nâng cao chất lượng chế tạo và thuận lợi cho việc cải tiến

A Hệ thống và dụng cụ đo lường

Ở các thiết bị đo và hệ thống, kết quả là con số phản ánh định lượng đại lượng đo hay nói cách khác đại lượng đo được ánh xạ vào không gian số với một độ chính xác xác định

(tương ứng một - một với đại lượng cần đo) (Hệ quả của điều kiện đo được)

Thiết bị đo và hệ thống đo lường thường được xây dựng trên các phần tử và modul đo lường nói trên

Hệ thống chân đoán kỹ thuật cũng là ứng dụng của trí tuệ nhân tạo

Hệ thống báo hiệu có thể gồm có phần nhận dạng và phần phân tích sự cố cộng thêm với hướng dẫn khắc phục sự có

1.5.3 Hệ thống thông tin đo lường và điều khiển công nghiệp

Trong công nghiệp, người ta kết hợp các khối trên với chức năng điều khiển và thông

tin vào một hệ thống chung gọi là Hệ Thống Thông Tin Đo Lường Điều Khiển công

nghiép - HTTTDLDK (I & C System)

13

Hệ I & C công nghiệp trong các nhà máy sản xuất hiện đại hiện nay được xây dựng

trên các phương tiện đo lường và điều khiển hiện đại như đã nói và phải đảm bảo triết lý

hay đường lối cơ bản như: Hệ tích hợp, thông minh, phân bố, môđun hóa và mở A Hệ tích hợp (ICS)

Tích hợp với hệ thống công nghệ bao gồm: Tích hợp chức năng

Tích hợp cấu trúc Tích hợp thông tin

Ngày nay người ta đang nghiên cứu xây dựng hệ “tích hợp toàn diện” (Total Inter-

grated) tích hợp giữa quản lý kỹ thuật và điều hành sản xuất, kinh doanh và chiến lược

B Hệ thông mình

Hệ thông minh xử lý (dựa trên cơ sở vi xử lý) giữa các quan hệ:

Quan hệ thích ứng với đối tượng

Quan hệ thích ứng với ngoại cảnh Quan hệ với người (HMI)

Quan hệ với hệ thống (truyền tin công nghiệp)

€ Hệ thống phân bố (DCS)

Theo địa dư Theo không gian Theo thời gian

1.6 Đánh giá kết quả đo và thiết bị đo

Đánh giá kết quả đo lường và thiết bị đo là vấn đề lớn của đo lường học Nó gồm

những vấn đề sau:

14

Xác định tiêu chuẩn đánh giá một phép đo và thiết bị đo Tổ chức kiểm định và xác nhận thiết bị đo

Tẻ chức quản lý đảm bảo đo lường

1.6.1 Xác định tiêu chuẩn đánh giá một phép đo và thiết bị đo

Xác định tiêu chuẩn đánh giá một phép đo và thiết bị đo là nhiệm vụ của các viện tiêu

1.6.2 Tổ chức kiểm định và xác nhận thiết bị đo

Thiết bị đo lường là thiết bị phải đảm bảo các tiêu chuẩn về chất lượng vì vậy định kỳ

phải được kiểm định và cấp giấy lưu hành

Tổ chức kiểm định và xác nhận thiết bị đo là chức năng của các trung tâm kiểm chuẩn,

tức là so sánh thiết bị đo với chuẩn và đánh giá lại thiết bị đo

Chỉ có những thiết bị đo đã kiểm chuẩn và đã được cấp giấy chứng nhận mới được coi

là thiết bị đo hợp pháp, có thể lưu hành

1.6.3 Tổ chức quản lý đảm bảo đo lường

Thiết bị đo là một thiết bị đặc biệt, nó được quản lý theo pháp lệnh Nhà nước Nhà nước ra những quy định về quản lý thiết bị đo như đăng ký, chứng nhận đạt tiêu chuẩn, được lưu hành hợp pháp hay không Cơ quan quản lý phải đảm bảo việc truyền chuẩn xuống đến những nơi cần thiết, giúp cho việc nâng cao chất lượng của các sản phẩm công nghiệp với yêu cầu ngày càng cao Tắt cả các công việc trên nằm trong phạm vi tổ chức quản lý đảm bảo đo lường

1.6.4 Các tiêu chuẩn co bản chung nhất của một thiết bị đo

Các tiêu chuẩn cơ bản bao gồm những tiêu chuẩn: Giá trị và khoảng đo, sai số và độ chính xác và một số tiêu chuẩn khác

A Giá trị đo và khoảng đo

Mục đích của phép đo là đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có giá trị xác thực

của kết quả đó Đó là một con số hiển thị trên dụng cụ đo và sai số của phép đo là sai số

của thiết bị đo

Trong phép đo nhiều lần, thì giá trị đo đúng được coi là giá trị trung bình của nhiều lần đo:

Xto = X; = chà „ X; là kết quả của mỗi lần đo nị

Để có thể đo được, Xạo phải nằm trong khoảng đo của thiết bị đo Một cách khác

khoảng đo là phạm vi giá trị danh định của đại lượng đo mà một thiết bị đo được sử dụng theo quy định

Khoảng đo được xác định:

15

D= Ximax - Xmin va = Xmin <X < Xmax

Xmax, Xmin 1a giá trị cực đại và cực tiểu của thiết bị đo

Giá trị Xmin và Xmay, trong một chừng mực nào đấy, cho phép đánh giá một thuộc tính

của thiết bị đo, đó là độ nhạy

Theo phương trình của thiết bị đo hay của các bộ biến đổi, trong thiết bị đo Y=T([X]

Độ nhạy của thiết bị đo được xác định là tỷ lệ của sự biến thiên AX và AY:

Độ nhạy cho ta biết biến thiên của đại lượng đầu ra theo sự biến thiên của đại lượng

đầu vào Giảm AX, AY cũng giảm theo

Sai số tuyệt đối của phép đo hay của thiết bị do được định nghĩa:

AX = max| ði 3 v6i 6; = Xj - Xp

8; 46 lệch của phép đo hay thiết bị đo

Sai số tuyệt đối chưa cho phép đánh giá tính chính xác của phép đo hay thiết bị đo Đối với một phép đo, tính chính xác được xác định bằng sai số tương đối

Sai số tương đối của phép đo:

16

Trong do: AX sai số tuyệt đối của phép do; Xao = giá trị đo được

Xụ là giá trị định mức của thiết bị đo

Đối với thiết bị đo cơ điện, y được tính ra % và con số đó được đặt cho cấp chính xác

của thiết bị đo

V7 dụ: Dụng cụ cấp 0,5 có sai số tuyệt đối bằng 0,5% của toàn khoảng đo: 1

AS;

Ỹ

A được gọi là độ chính xác thiết bị đo

Các cách tính sai số, các biện pháp xử lý kết quả đo sẽ được tiến hành ở chương 7 và

chương 8

€ Các tiêu chuẩn khác

Ngoài hai tiêu chuẩn về độ nhạy, độ chính xác của thiết bị đo còn phải xét đến đặc tính

động, tổn hao của thiết bị và các chỉ tiêu đặc biệt đối với từng thiết bị

Các chỉ tiêu khác là những chỉ tiêu phụ nhưng có những lúc trở thành chỉ tiêu quan trọng

17

Chuong 2

TIN HIEU DO LUONG

VA PHEP BIEN DOI TIN HIEU

Trong quá trình đo lường, thông tin về đối tượng cần đo được truyền về các phương tiện đo, thông qua các tín hiệu đo lường

Tín hiệu đo lường mang trong nó thông tin về đối tượng đo, thông qua các thông số đặc trưng của tín hiệu

Dé có thể phân tích một cách cơ bản về các tín hiệu đo lường, ta có thể dùng sơ đỗ tóm

tắt ở hình 2.1

Tín hiệu đo lưỡng

lượng | sự đại || Khối || Thời || Điện Am || omer

mang § di ; | | lượng || gian ae và |[ Nhiệt || sáng ù : lam thông chuyển| | tựe tần số|| Từ || đè sốt

tin Fs

chat

Ý Ý Ỷ ¥ ¥ ¥ ¥ Ỷ

tính ‡ ‡ ¥ Ni chất Hãng Tiển định Ấ Tiền định :

Hinh 2.1 Phan loại tin hiệu đo lường

Tin hiệu do lường là một đại lượng vật lý có giá trị hằng hay biến thiên qua thời gian

theo những luật xác định có quan hệ mật thiết đến thông tin của đối tượng

Tín hiệu đo lường (hình 2.1) có thể chia làm 2 phan:

- Đại lượng vật lý mang thông tin

- Dạng biến thiên theo thời gian của tín hiệu 18

2.1 Đại lượng vật lý của tín hiệu

Tín hiệu được tạo thành bởi đại lượng vật lý hằng hoặc biến thiên theo thời gian mà giá trị hoặc thông số đặc trưng của nó, mang thông tin của đối tượng cần đo Có rất nhiều đại lượng vật lý dùng để mang thông tin của tín hiệu, tuy nhiên để hợp pháp và hợp lý, ta

có thê quy đại lượng của tín hiệu thành 7 nhóm đại lượng cơ bản 'theo cách phân chia của

hệ thống đơn vị, đó là:

1 Chiều đài với đơn vị đo là mét (m) Ký hiệu theo các phương trình thứ nguyên là L 2 Khối lượng hoặc lực mà đơn vị đo là kg và Newton (N) Ký hiệu theo các phương trình thứ nguyên là M

3 Thời gian là một đại lượng đặc biệt, nó vừa có độ lớn của nó vừa nằm trong dạng của tín hiệu, đơn vị là giây (s) Ký hiệu theo các phương trình thứ nguyên là T

4 Điện và từ là các đại lượng rất phổ biến trong kỹ thuật đo lường như: dòng điện I don vi la ampe (A) Dién ap U đơn vị là vôn (V), điện tích q đơn vị là culong (C), từ thông

don vi la tesla (Tes)

5 Nhiét d6 t ma don vi la d6 Kelvin (K)

6 Anh sáng mà đơn vị cường độ là Candela (Cd) 1 Lượng vật chất mà đơn vị là mol

Đây là 7 đại lượng cơ bản, độc lập với nhau, các đại lượng khác đều có thể suy ra từ các đại lượng cơ bản này gọi là đại lượng dẫn xuat

Quan hệ giữa các đại lượng dẫn xuất có thể suy ra từ các đại lượng cơ bản thông qua phương trình thứ nguyên Có 113 đơn vị đại lượng dẫn xuất

T: đặc trưng cho thời gian và TỶ là đạo hàm hạng hai theo thời gian = Luce F= my

Phương trình thứ nguyên này trong một chừng mực nào đó, thé hiện được nguyên tắc

các cảm biến, biến các đại lượng này sang đại lượng khác

20

Bảng 2.1 Một số đại lượng dẫn xuất

Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Phương trình thứ Đơn vị Ký hiệu nguyên

Góc phẳng, a,B,8 | Radian Ra

Góc khối o Steradian Sr

Dién tich s Mét vuông mỸ PP Thể tích Vv Mét khối mỶ L Tốc độ V Mét/giay m/s LT” Gia tốc 1 Métgiây? m/s LT?

Tốc độ góc o Radian/giây Ra/s rT

Gia tốc góc yo Radian/giây? | Ra/s? 7?

Bước song À Mét m L

Trọng lượng, Lực PF Newton N MLT? Trọng lượng riêng 1 Newton/m? Nim? ML ?T? | Momen M,G Newton.mét Nm ML?T ?

Công, năng lượng W,E Jun J ML?T ?

Céng suat P Watt Ww ML?T 3

Hiệu suất 7 Khéng thir nguyén Cường độ trọng trường, G Newton/kg, N/kg LT

Dién lugng Q Coulomb Cb TI

Momen điện trường, P Cm LTI

Hang số điện môi 8 Faraday/mét F/m LM TT Cường độ điện trường E Vol/mét Vim LMT ÊI? Dién thé Vụ Volt LẦMT 3Ị† Điện dung c Farad F LƯ?M'T*Ẻ Điện trở R Ohm Q LM'T*4?

Điện trở suất p Ohmmét Qn LMT? P

Dién din Gg Siemen Si LM}T?Ẻ

Điện dẫn xuất Y Siemen Si/m LM'TÊ

Mật độ dòng điện J Ampe/met” Alm? L1 Cường độ điện trường, H Ampe/m A/m Ly Tir thong 6 Weber Wb LẦMT ?T' Từ cảm ứng B Tesla Tes MT?

Từ dẫn suất ụ Henry/mét h¿m LMT?T'

Điện cảm, hỗ cảm LM Henry h LẦMT 2I?

Ví dụ: Muốn đo gia tốc y ta có thể đo chuyển động A(), sau đó qua 2 khâu đạo hàm để

có gia tốc (đấy là nguyên lý các cảm biến đo gia tốc và biên độ đao động)

Ở các gia tốc kế sử dụng trong ô tô người ta đo sự thay đổi điện dung (C = =) để suy

ra sự di chuyển của 2 bản cực tụ điện từ đó suy ra gia tốc

Bang 2.2 Một số đại lượng vật lý của tín hiệu đo lường

“Tên đại lượng vật lý | Đơn vị Phương trình suy diễn Phương trình thứ nguyên

Chiều dài, di chuyển m Đơn vị cơ bản HD,

Khối lượng Kg Đơn vị cơ bản M Thời gian s Đơn vị cơ bản T

Thể tích mm v= (> L

Tốc độ m |v=dl⁄dt LT!

Gia téc m/s? y=d?⁄dẺ LT?—LT? Lực N F=my MLT? Năng lượng, Kgm W =FI ML?T?

Dong dién A Don vi co ban 1

Dién tich Cc q=It IT

b TL | b= fudt=1T IRT

Một đại lượng đặc biệt, không phải là vật chất cụ thể mà là những ký hiệu logic hình thức rời rạc, mang thông tin của đối tượng cần đo, mà người ta dùng để đánh giá định lượng đại lượng đo, đó là con số hay còn gọi là số liệu đặc trưng cho đối tượng

Trong các ký hiệu tiêu chuẩn đặc trưng cho đại lượng vật lý của tín hiệu ta có thẻ lấy: O đặc trưng cho đại lượng số

L đặc trưng cho chiều dài và di chuyền

M đặc trưng cho khối lượng

TTT? viv đặc trưng cho thời gian, đạo hàm hạng 1, hạng 2 v,v EI, EV dòng điện, điện áp

Và các ký hiệu của các đại lượng dẫn xuất có thể theo phương trình thứ nguyên của

nó

Ví dụ: Gia tốc có thể ký hiệu y và cũng có thể ký hiệu là LT3

Theo tiêu chuẩn ANSI Y32.20.1975 hay ISA-SS5.I của viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ (American National Standard Institute) người ta quy định ký hiệu thiết bị đo cũng chính là đại lượng đo của thiết bị dùng cho công nghiệp như sau:

A = Thiết bị phân tích (đại lượng cụ thể được ghi trên vòng tròn vẽ trên sơ đồ công nghệ)

21

B = Dai lượng liên quan đến đốt và ngon lira (Burner)

R = Phong xa (Radio Activity)

S = Tốc độ, tan sé (Speed)

T = Nhật độ

U = Nhiễu biến số (phép đo gián tiếp)

V = Độ nhớt (Viscosity) W = Trọng lượng và lực Y = Tự chọn

A-Báo hiệu; H- Cao

Phin md rong (thôn

thang phin này không

2.2 Dạng tín hiệu đo biến thiên theo quy luật tiền định

Đại lượng mang tín hiệu có thể có giá trị là hằng nhưng cũng có thể biến thiên theo

thời gian Tín hiệu biến thiên theo quy luật xác định ta gọi tín hiệu có dạng tiền định gọi tắt là tín hiệu tiền định, nếu sự biến thiên mà giá trị của tín hiệu không theo một luật nào xác định tín hiệu có dạng ngẫu nhiên gọi tắt là tín hiệu ngẫu nhiên Phần này sẽ xét các tín hiệu

tiền định Tín hiệu tiền định có các dạng thường gặp trong kỹ thuật đo lường và điều khiển:

dạng hằng số, dạng xung hẹp, dạng bậc thang và xung vuông, dạng tín hiệu tỉ lệ với thời gian và xung răng cưa, đạng tín hiệu hình sin

Tại thời điểm + có 1 đại lượng hằng X

đặt vào thiết bị đo và sau đó không biến

T 2T 3T 4T ở thời điểm T, 2T, v.v khảo sát Hình 2.3 Tín hiệu xung hẹp

T chu ky khảo sát (K = 1, 2, 3 ) t#kT x, =0

t=kT x,=X,

Muốn xác định được tin hiệu này, chỉ cần xác định khoảng thời gian T, tức chu kỳ

hoặc tần số của tín hiệu (f= 1/T)

23

Độ ổn định của chu kỳ tín hiệu được đánh giá bằng ®-

Các tín hiệu này thường được thấy ở các máy phát tần số chuẩn với độ chính xác cao nhất hiện nay

Ví dụ:

Máy phát thạch anh là máy phát xung hẹp độ không ổn định 107, 10

‘ Fees Redo de BR a A dT <1

Máy phát xêd¡ với độ không ôn định ¬ =10

May phat hydro (H) với độ không ổn định oS =108

Dạng tín hiệu này thường được dùng trong việc đo tần số 2.2.3.Dạng bậc thang và xung vuông

Tín hiệu xung bậc thang có thể biểu diễn:

Xt = Xo.1 (t- kT) (hinh 2.4a) (2.2) Giá trị một bậc thang là Xo và (k = 1, .n)

Trong khoảng thời gian kT dén (k+ TT, X: có giá trị kXo Độ chính xác của dạng tín hiệu này phụ thuộc vào tính ôn định của Xo:

dXy "xX

Dang tín hiệu bậc thang có thể chuyền thành dạng tín hiệu xung vuông bằng cách: sau

một khoảng thời gian 9 < T, ta cho 1 bước nhảy âm trở về zero Ta có tín hiệu dạng xung

vuông, có thể viết như sau:

Hinh 2.4 a) Tín hiệu bậc thang; b) Tín hiệu xung vuông

Xo được gọi là biên độ xung

T được gọi là chu kỳ xung; Ÿ= + là tần số xung 24

9 được gọi là độ rộng xung

Muốn xác định được tín hiệu này, phải xác định được 3 thông số: biên độ, tần số và độ rong xung

Độ chính xác về tín hiệu được đánh giá wy : oa x, T 6

Trong thực tế đạng tín hiệu xung vuông x này thường được dùng để truyền thông tin

theo 3 thông số nói trên

Nếu thông tin truyền đi tỷ lệ với biên %

độ gọi là điều chế biên độ xung, nếu thông 2)

tin truyền đi bằng tần số gọi là điều tan Jat

(điều chế tần số xung) và nếu thông tin % *%

truyền đi bằng 0 ta gọi là điều chế độ rộng :

xung Hình 2.5 a) Tín hiệu tuyến tính; b) Mạch tích phân

tạo tín hiệu tuyến tính

Xo là hệ số góc của tín hiệu tỷ lệ thời gian

Để xác định tín hiệu này người ta chỉ cần xác dinh duge Xo

Giá trị x tại thời điểm tị là X = Xoti

Tín hiệu này có thể tạo bằng bộ tích phân mà đại lượng vào là x (hình 2.5b) Tín hiệu dạng xung hình răng cưa được viết theo biểu thức:

Xi = Xot - XoP 1(t- kT) (2.5)

Đó là tín hiéu x; = Xot va sau timg chu kỳ T có một bước nhảy có gid tri XoT tro vé giá

tri zero ban đầu (hình 2.6a)

Để xác định tín hiệu này, người ta chỉ cần xác định Xọ, không cần quan tâm đến t Chất lượng của dạng xung này là tính tuyến tính theo thời gian tức là:

Xo=const hay CC 0 Xo Sơ đồ của mạch phát xung răng cua cho ở hình 2.6c

Một dạng khác của loại xung này là xung hình tam giác (hình 2.6b)

Ở khúc T\ là sườn xung lên với hệ số Xị x=Xtt

Ở khúc T¡ là sườn xung lên với hệ số X' = - X¿ và xị = XỊT\ - X¿t — Xụ bằng Zerô ở

25

= XX Z Xo Xe a ° xì

@ - góc pha đầu của tín hiệu

Để xác định được tín hiệu này ta phải xác định biên độ Xm, tần số góc œ hay tần số f, góc pha đầu ọ

Như vậy để đo một đại lượng hình sỉn ta phải xác định biên độ, tần số, góc pha Rõ

ràng đo một tín hiệu hình sin chính xác là rất khó khăn

Tín hiệu hình sin thường được dùng để truyền tin bằng các biện pháp điều chế khác

nhau

Điều biên: Thông tin được truyền đi bằng biên độ song hinh sin

Điều tần: Thông tin được truyền đi bằng tần số Điều pha: Thông tin được truyền đi bằng góc pha 26

2.2.6.Biéu diễn hình thức các tín hiệu đo tiền định

Có thể tóm tắt tín hiệu đo lường trong bảng 2.3

Trong bảng, hàng ngang biểu thị dạng tín hiệu, cột dọc biểu thị đại lượng vật lý mang thông tin Phối hợp với nhau ta có các tín hiệu đo lường thuộc các đại lượng khác nhau và có dạng biến thiên theo thời gian khác nhau

Như vậy, ta có thể lấy ký hiệu chung cho tín hiệu đo lường là X với hai chữ số ở trong dấu ngoặc: chữ số đầu tượng trưng cho đại lượng vật lý, chữ số sau chỉ dạng tín hiệu và sắp ở các ô tương ứng trong bảng Trong các ô này có ghi ví dụ những tín hiệu thực tế thường gặp trong đo lường

Bảng 2.3 Sắp xếp các tín hiệu đo lường

0 | Consé Nx Nr Nm Nr,No Nxo Nam: NaNo

tae X(1,1) X(1,2) X(1,3) X(1,4)

1 | Chiều d “ees Li Am) Encoder Mô tơ bước Mô tơ Chan dong 5

Khối lượng X(2,1) X(2,2) X(2,3) X(2,4) 2 Lực M(kg) Xung va dap | xung lượng ra Lực nén Xung âm

thanh

X(3,1 X(3,2 X@,3 X(3,4 3 Thời gian T(s) Phát xunghẹp | Định thời gian | Tgian tăng dân G1) ‘ G2) 4 3) À tiêu

(A) X(4,1) X(4,2) X(4,3) (4,4) 4 | Điện U(V) Phát xung hẹp Phát xung A Phát xung Roy Phat hinh sin

vuông tuyên tính

X(5,1) X(5,2) X(5,3) X(5,4) 5 | Nhiệt độ 10K) Xung nhiệt Xung lượng Nung với

1 là dạng tín hiệu xung hẹp X(4,1) là mạch phát xung hẹp

Việc biểu diễn hình thức này giúp cho ta đơn giản hoá việc tổ hợp phương pháp đo và

27

thiết bị do Đặc biệt là: trong thiết bị đo lường ảo các khâu chức năng đều được xây dựng trong không gian số

2.3 Biến đổi tín hiệu và xử lý tín hiệu tiền định

Đa số tín hiệu đo lường là tín hiệu tiền định; các tín hiệu này có thể biến đổi qua lại

với nhau

Từ trước tới nay các phép biến đổi này đã được nghiên cứu rất nhiều và cho ra đời rất

nhiều biện pháp, nhiều linh kiện, nhiều thiết bị thực hiện các phép biến đổi này

Phép biến đổi các tín hiệu đo lường thường được chia ra: các phép biến đổi giữa các đại lượng và phép biến đổi giữa các dạng tín hiệu

2.3.1 Biến đối giữa các đại lượng

A Các loại biến đổi đại lượng

Các khâu biến đổi đại lượng thường được gọi là các bộ biến đổi sơ cấp hay trong nhiều trường hợp gọi là cảm biến

Đại lượng vào của cảm biến là đại lượng cần đo X

Đại lượng ra của cảm biến là đại lượng điện Y

Y=T.X)

T, là toán tử biến đổi giữa đại lượng vào và đại lượng ra

Nếu Y là đại lượng điện: U, I, q, H, ®, f - cảm biến ấy là cảm biến tích cực

Nếu Y là thông số của mạch điện R, L, C v.v cảm biến này được gọi là cảm biến thụ

động hay là cảm biến thông số Với cảm biến này phải có một biến đổi phụ để chuyển

thành đại lượng điện Biến đổi này có thể gọi là biến đổi thống nhất hoá cảm biến (TNH) Hình 2-8 tóm tắt các biến đổi sơ cấp tạo nên các cảm biến đo lường

Ở đây ta thấy các biến đổi sơ cấp cơ bản hay chuyển đổi sơ cấp biến các đại lượng cơ

bản thành đại lượng điện Đó là các ô từ 1 đến 11 ở cột dọc gồm: Encoder, biến trở, điện

cảm, điện dung, áp điện, điện trở lực căng, áp từ, nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở, photo điết, quang trở, mà đại lượng vào là những đại lượng cơ bản: dĩ chuyển (L), lực hay khối lượng (M), nhiệt độ (©), quang thông (¿) Thời gian T và dòng điện I được coi là đại lượng vật lý

đầu ra Y Phía bên trái là các biến đổi các đại lượng vào thành các đại lượng cơ bản, biến

đổi này quyết định kết cấu của cảm biến nên gọi là biến đổi kết cấu cảm biến Phía bên phải là các biến đổi thông số R, L, C thành điện (U, I, v.v ) có thể gọi là biến đổi thống

nhất hoá cảm biến 28

¬ b2 4 ° es ° + 1

š llšš|I#Š||l§ã|FŠ ae 3|[25| 2 a|[65] (85

#

E#—

KS re 4+—++

¡, Eneoder hay các thước mã hoá

Các đĩa mã hoá biến các đại lượng đi chuyển và kích thước thành các xung điện dưới

dạng mã, vì thế cũng có thể coi là biến đổi tương tự - số, và chuyển đổi này được mang tên

Encoder (Encoder cé thé biểu diễn hình thức T(L, U) hay Tr (L, Nt)

Các encoder chuẩn hoá chế tạo cho công nghiệp thường theo công nghệ quang khắc, được dùng khá phổ biến

29

Tinh nang của một encoder được xác định như sau:

» Số xung ứng với 1 vòng quay, tức là sai số tuyệt đối của phép đo di chuyển góc saz 1 os 5 psf OTOL gs

này là a vòng quay hay một góc NN radian » Tinh tuyến tính của việc chia xung » Lực hay mômen ma sát của encoder

Ngày nay encoder được dùng để đo tốc độ quay các môtơ, đo di chuyền và kích thước kiểu số như các micromet

16 ụ

Hình 2.9 Cấu tao mt encoder

ii, Biến trở trượt

Người ta còn gọi biến trở trượt là chiết áp hay điện thế kế (potentionmeter) được mắc theo sơ đồ phân áp hay biến trở (hình 2-10 a,b)

Ở sơ đồ phân áp hay chiết áp:

U,=U,—#=U,.—= 2 1 R, 1 L, ¢ QT )

Lạ: chiều dài toàn bộ chiết áp

Lạ: Chiều dài tính từ đầu chiết áp đến vị trí con trượt

Nếu chiết áp là dây quấn thì chiều dài Lạ tỷ lệ với số vòng day:

30

W, - sé vong quần toàn bộ chiết ap W.,.- 86 vong tai vi tri do

Sai số lượng tử của chiết áp Ye= 1 (2.8)

W

Để tăng số vòng chiết áp người ta chế tạo chiết áp nhiều vòng Đặc tính của một chiết áp được xác định

- Giá trị điện trở Rạ

- Số vòng quấn W, cua chiét ap

- Tinh ổn định và mài mòn vật liệu (con chạy dây quần) - Hệ số ma sát của trục chiết áp và của con chạy

iii, Chuyển đổi điện cảm

Trên hình 2.11 là nguyên lý của chuyển đổi điện cảm Giá trị của điện cảm được tính

2

theo công thức như sau: L= > (2.9) Ryatos

HạS

L: Điện cảm của chuyên đổi u: Hệ số dẫn từ của mạch từ (I = Hạ Ho;

W: Số vòng quấn của chuyển đổi _ uọ = 4.10” H/m); uạ - Hệ số dẫn từ tương đối

1 , Wiki dan, an : Rạ: Từ trở ctia mach tir; Rm = 2 §: Tiêt diện của mạch từ

Hình 2.11 a) Nguyên lý chuyển đổi điện cảm; b) Mach do lường kiểu vi sai

Chuyển đổi này có những đặc tính sau: "=_ Có thể có độ nhạy cao so với di chuyển

"_ Là chuyển đổi thông số cho nên phải có mạch biến đổi phụ biến thành điện áp một chiêu thong nhat

31

Quan hệ giữa L và di chuyển không tuyến tính

Phần tác dụng lớn

Phải cung cấp bằng điện xoay chiều hình sỉn

Kích thước không thể tiểu hình hoá do phải dùng các công nghệ truyền thông Vì những lý do trên mà chuyển đổi này hiện nay chỉ còn được sử dụng vào các chuyển mạch tới hạn về đi chuyển (Posidon witch ZS) và các công tác hành trình

Tạo Đầu ra của dao Troger thiết bị động chuyển mạch

3 MYT b> Hình 2.12 Các loại công tắc tới hạn dùng chuyển đổi điện cảm

iv, Chuyén đồi điện dung

Hình 2.13 biểu diễn nguyên lý của chuyển đổi điện dung Giá trị điện dung của tụ điện phẳng được tính theo công thức:

Hinh 2.13 a) Nguyên lý của chuyển đổi điện dung; b) Mạch đo lường điện dung kiểu vi sai

Sơ đồ mắc dây như hình 2-13b ta có:

Au- Ủ¿ ÁC Us Ad yy Ad 2 C 2d D

với D = (di + do)

32

Đặc tính của chuyển đổi điện dung như sau: " Có độ nhạy cao với di chuyền

* Là chuyển đổi thụ động (chuyển đổi thông số) “ Quan hệ giữa C và d không tuyến tính.:

“ Điện kháng Xc= se lớn cho nên cần mạch khuếch đại trước khi vào chỉ thị

wo

«Voi công nghệ vi gia công, kích thước chuyển đổi này trở nên rất nhỏ, người ta

có thể kết hợp các mạch biến đổi mã hoá, xử lý và truyền số liệu trên một IC gọi là vi hệ

thống

Vi du: Phan tt IC gia tốc kế dưới dạng vi hệ thống trong ôtô là một hệ thống hoàn

chỉnh từ chuyển đổi điện dung, mạch đo, xử lý số liệu, truyền tín hiệu lên mạng theo chuẩn

IạC Hình 2.14 giới thiệu cấu tạo của các cảm biến điện dung trong công nghiệp

Nguyên lý hoạt động của chuyên đổi áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện” chia ra làm hiệu ứng áp điện nghịch và hiệu ứng áp điện thuận Hiệu ứng áp điện thuận biến lực tác động thành điện áp:

q=d.F (2.12)

F: lực tác động vào 2 mặt của chuyền đổi áp điện

dị;: hệ số biến đổi của chuyển đổi

q: điện tích xuất hiện trên điện cực Điện áp ở 2 điện cực

u=4 Cc

? Hiệu ứng này có thé tìm hiểu kỹ hơn trong các giáo trình về kỹ thuật cảm biến

33

C là điện dung của tụ tạo nên bởi 2 điện cực với chất điện môi là tỉnh thể

Hình 2.15 Cấu tạo của cảm biến áp điện

Hiệu ứng áp điện nghịch dùng để đo lực tác động, đo cường độ âm thanh và sóng siêu âm Hiệu ứng áp điện thuận được phát biểu như sau: Khi tác dụng lên 2 điện cực của chuyển đổi áp điện một điện áp xoay chiều, điện áp ấy gây ra một biến dạng và phát ra âm thanh (loa gốm) hay siêu âm (phát siêu âm)

Ngày nay chuyển đổi áp điện được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau Với

kích thước nhỏ, giá thành không cao Một chuyển đổi điện áp bắt kỳ đều có thể được dùng

được cả 2 hiệu ứng thuận và nghịch

Các đặc tính cơ bản của chuyển đổi này là:

Tan số cộng hưởng của chuyển đổi là tần số siêu âm Tính ổn định của tần số cộng hưởng

34

vi, Ấp điện trở hay điện trở lực căng

Đây là chuyển đổi cơ bản được dùng nhiều nhất để đo các lực, ứng suất và biến dạng trong các chỉ tiết cơ khí Nguyên lý dựa trên hiệu ứng điện trở lực căng (piezoresistive):

màng điện trở dưới tác dụng của ứng suất

k: hệ số biến đổi hay độ nhạy của điện trở lực căng

Đối với các vật liệu kim loại, điện trở suất không thay đổi theo ứng suất như constan hay NiCr, k = 1,8 - 2,2

Đối với vật liệu bán dẫn điện trở suất thay đổi theo ứng suất k có thể lên đến 100 hay 200, có thể âm hoặc đương tuỳ theo chất pha tạp

Hiệu quả của chuyển đổi này càng phát huy tác dụng khi công nghệ vi điện tử cho phép nuôi cấy chuyển đổi này lên các chỉ tiết cơ khi với các hình dáng tuỳ ý muốn

Ngày nay các tế bào cân (loadeell), các lưu tốc kế kiểu hiệu áp suất, các áp kế đều

được chế tạo theo kiểu này Các áp kế và lưu tốc kế kiểu điện cảm, trước kia, đã nhường chỗ cho các lưu tốc kế áp điện trở (điện trở lực căng) Hình 2.18 biểu diễn sơ đồ khối và cấu tạo lưu tốc kế thông minh thực hiện bằng áp điện trở

Hình 2.18 Cấu tạo và sơ đồ khối của lưu tốc kế thông minh thực hiện bằng áp điện trở

(SIWAREX K- hãng SIEMENS)

vii, Chuyển đổi áp từ

Nguyên lý làm việc của chuyển đổi là lực tác động lên vật liệu áp từ (hợp chất của Nï) làm thay đổi hệ số từ dẫn của vật liệu tạo ra sự thay đổi điện cảm L của cuộn dây Các ứng 35

dụng cũng như ở chuyển đổi áp điện, nhưng tần số cộng hưởng thường thấp hơn chuyển đổi áp điện

Hinh 2.19 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của chuyển đổi áp từ

viii, Chuyển đổi nhiệt điện

Chuyển đổi nhiệt điện hay nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng Peltier: Hai kim loại khác nhau hàn lại với nhau sẽ xuất hiện giữa mối nỗi một sức điện động nhiệt điện phụ thuộc vào nhiệt độ của môi nôi:

Er=KrT

Kr: Hé sé biến đổi nhiệt điện

T: Nhiệt độ tuyệt đối đầu nóng

Trong trường hợp có 1 đầu nóng và một đầu nguội (hay còn gọi là đầu tự do) ta có:

Er = Kr (Thong - Try do)

Đặc điểm của loại chuyên đổi:

“ Cấu tạo đơn giản chắc chắn = Tinh lap lẫn cao

“ - Vật liệu cặp nhiệt điện rẻ tiền, trừ loại Pt- Pt.Rh "` Quan hệ giữa nhiệt độ và Er tương đối tuyến tính

“._ Sức điện động nhiệt điện tương đối thấp nên phải dùng với các mạch khuếch đại

* Trong công nghiệp người ta chế tạo chuẩn hoá các cặp nhiệt khác nhau với các chỉ

số chuẩn được ký hiệu: R, S, B, K, T, v.v có các hệ số K+ xác định cho từng loại

36

Khi đo nhiệt độ thấp (< 650°C) người ta dùng các nhiệt điện trở (RTD- Resistantce

Temperature Detector) Nhiệt điện trở có thê chê tao bang bán dân hoặc băng kim loại:

Đối với kim loại hệ số nhiệt độ œ đương và là hằng số

Đối với bán dẫn œ âm và thay đổi theo nhiệt độ (phi tuyến)

Trong công nghiệp hiện nay, nhiệt kế nhiệt điện trở được chế tạo bằng dây Pt có điện trở 100© ở 00C (Pt - 100) Hình 2.21 thẻ hiện cấu tạo một nhiệt kế điện trở (Pt 100)

Thay đổi vị trí nhiệt điện trở

ì Đầu ra ti luồn dây

Hình 2.21 Cấu tao của nhiệt điện trở Pt100

37

Nhiệt kế nhiệt điện trở Pt có tính ổn định rất cao, quan hệ Pt = f(t) tuyén tinh, gid thành không đắt vì thế đó là phần tử cơ bản do nhiệt độ 0 - 650°C

x, Té bao quang dién

Tế bào quang điện (Photo Cell) hay chính xác hơn là phôtô điôt có quan hệ lạ = f(¿) lạ: dòng quang điện phát ra từ phôtô diốt

ở: Quang thông tế bào quang điện

Các photo diot được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử, nên có chất lượng cao giá thành rẻ và kích thước nhỏ vì thế việc ứng dụng chuyển đổi quang điện vào công nghiệp và đời sống ngày càng nhiều

Camera số hiện đại gồm trên 1024 x 1024 tế bào quang điện trên một diện tích

5mm x 5mm với mạch đổi nối quét số liệu, tổ chức truyền tin kết nối với mạng Camera này không những chỉ ứng dụng cho công nghiệp mà đã được phổ biến trong dân dụng

truc peste

Hình 2.22 a) Cấu tạo một chuyển đổi quang điện và sơ đồ tương đương của tế bào quang điện trở

Cũng như ở photo diot quang điện trở là điện trở thay đổi theo quang thông ánh sáng chiếu lên quang trở Rẻ:

RO=f a) 2th ánh sáng

(2.16) Điện cực = - „ Lớp điện cực

tà đu xu † 1 =a Lap photo