chương 1: khái niệm chung về đo lường ppsx

Đo lường Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo... Nghĩa là kết quả đo được chính là trị số của đại lượng cần đo

Bài Giảng

Đo Lường - Cảm Biến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ

THUẬT CÔNG NGHIỆP

Khoa: Điện – Điện tử

Phần 1

Đo lường

Chương 1

Khái Niệm Cơ Bản Trong Kỹ Thuật Đo Lường

I Định Nghĩa Và Khái Niệm Chung Về Đo Lường

1 Các định nghĩa về đo lường

a Đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần

đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng:

A = X/Xo => X = A.Xo

Trong đó: A: con số kết quả đo

X: đại lượng cần đo

Xo: đơn vị đo

b Đo lường học

Đo lường học là ngành khoa học chuyên nghiên

cứu để đo các đại lượng khác nhau, nghiên

cứu mẫu và đơn vị đo.

c Kỹ thuật đo lường (KTĐL)

KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu để

áp dụng kết quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội.

2 Phân loại cách thực hiện phép đo

a Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất Nghĩa là kết quả đo được chính là trị số của đại lượng cần đo mà không phải tính toán thông qua một biểu thức nào

Phương pháp đo trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ được sai số do tính toán

b Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo trực tiếp thông qua phương trình

X = f(A1, A2, …An)

c Đo tương quan

Là phương pháp được sử dụng trong trường hợp cần đo các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa các đại lượng

d Đo hợp bộ

Là phương pháp có được kết quả đo nhờ giải một hệ

phương trình mà các thông số đã biết trước chính là các

số liệu đo được từ các phép đo trực tiếp

e Đo thống kê

Là phương pháp sử dụng cách đo nhiều lần và lấy giá tri trung bình để đảm bảo kết quả chính xác Cách này

II Các Đặc Trưng Của Kỹ Thuật Đo Lường

KTĐL gồm các đặc trưng sau:

- Tín hiệu đo và đại lượng đo

- Điều kiện đo

- Đơn vị đo

- Thiết bị đo và phương pháp đo

- Người quan sát

- Kết quả đo

1 Khái niệm về tín hiệu đo và đại lượng đo

a Tín hiệu đo: là tín hiệu mang thông tin về giá trị của

đại lượng đo

b Đại lượng đo: là thông số xác định quá trình vật lý của

tín hiệu đo Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông

số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể người ta chỉ

quan tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định

Ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một

trong các thông số như: biên độ rung, gia tốc rung, tốc

độ rung…

Có nhiều cách phân loại đại lượng đo, dưới đây là một số

cách thông dụng:

* Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo :

- Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước được quy luật thay đổi theo thời gian của

chúng

- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nhất định nào Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên

*

* Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo : Có hai loại

tín hiệu đo là tín hiệu đo liên tục hay tương tự và tín hiệu đo rời rạc hay số Khi đó ứng với hai tín hiệu đo này có hai loại dụng cụ đo là dụng cụ đo tương tự và dụng cụ đo số

* Phân loại theo bản chất của đại lượng đo

- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng mà bản thân nó mang

năng lượng

Ví dụ: dòng điện, điện áp, công suất, sức điện động…

- Đại lượng đo thông số: là đại lượng đo các thông số của mạch

Ví dụ: điện trở, điện cảm, điện dung

- Đại lượng phụ thuộc vào thời gian

2 Điều kiện đo

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn với môi trường sinh ra đại lượng đo Môi trường ở đây có thể điều kiện môi trường tự nhiên và cả môi

trường do con người tạo ra.

Khi tiến hành phép đo cần tính đến ảnh hưởng của môi trường tự nhiên đến kết quả đo và ngược lại

Ví dụ: điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung…

3 Đơn vị đo

Đơn vị đo lường quốc tế SI gồm 7 đơn vị cơ bản: + Đơn vị chiều dài: m

+ Đơn vị khối lượng: kg

+ Đơn vị thời gian: s

+ Đơn vị cường độ dòng điện: A

+ Đơn vị nhiệt độ: 0K

+ Đơn vị cường độ ánh sáng: Cd

+ Đơn vị vật chất: mol

Các đơn vị khác được định nghĩa thông qua đơn vị cơ bản gọi là đơn vị dẫn xuất.

4 Thiết bị đo và phương pháp đo

a Thiết bị đo : là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát.

Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo

lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo

lường và hệ thống thông tin đo lường.

b Phương pháp đo: được chia làm 2 loại chủ yếu là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương

5 Người quan sát

Là người tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo Yêu cầu nắm được phương pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ đo hợp lý, kiểm tra điều kiện đo (phải nằm trong chuẩn cho phép để sai số chấp nhận được) và biết cách gia công số liệu thu được sau khi đo

6 Kết quả đo

Giá trị xác định bằng thực nghiệm được gọi là ước lượng của đại lượng đo, giá trị gần gía trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực

Sử dụng các phương pháp đánh giá sai số để đánh giá kết quả đo

III Các Phương Pháp Đo

1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có cấu trúc biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi Quá trình đo là quá trình biển đổi thẳng Thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng.

Hình 1.1: Sơ đồ biến đổi thẳng

B Đ

A/

C T

Trong đó: BĐ: là bộ biến đổi

A/D: là bộ chuyển đổi tương tự /số

SS: là bộ so sánh

CT: là cơ cấu chỉ thị

Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi và

thành con số NX Đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành N0, sau đó được so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị đo qua bộ so sánh Kết quả đo được thể hiện bởi phép chia NX/N0

Kết quả đo: X = NX/N0.X0

Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp đo kiểu so sánh

Trong đó: SS: là bộ so sánh

BĐ: là bộ biến đổi

A/D: là bộ chuyển đổi tương tự /số

D/A: là bộ chuyển đổi tương số/ tương tự

Tín hiệu X được đem so sánh với một tín hiệu

XK tỉ lệ với đại lượng mẫu X0 Khi đó qua bộ

3 Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo

đổi hoặc khắc trên thang đo của thiết bị đo.

đại lượng mẫu) thành những đại lượng khác tiện lợi cho

việc đo hay xử lý, thực hiện các thuật toán, tạo ra các mạch

đo và gia công kết quả đo.

mẫu hay giữa con số tỉ lệ với đại lượng đo và con số tỉ lệ với mẫu.

đo dưới dạng tương tự con số, có thể ghi lại kết quả đo trên giấy hay bộ nhớ.

đo bằng tay hoặc máy tính.

IV Các Đặc Tính Của Thiết Bị Đo Lường

1 Độ nhạy, ngưỡng nhạy, thang đo và khả năng phân ly.

a Độ nhạy: là sự biến thiên của đại lượng ra khi có sự biến thiên của đại lượng vào.

S = ∆Y/∆X

Trong đó: ∆Y là biến thiên của đại lượng ra

∆X là biến thiên của đại lượng vào

b Ngưỡng nhạy:

Với S = ∆Y/∆X

Khi ∆X giảm => ∆Y giảm Khi ∆X giảm tới giá trị ε nào đó thì không phân biệt được ∆Y Khi đó ε gọi là ngưỡng nhạy của thiết bị đo.

Vậy ngưỡng nhạy là giá trị nhỏ nhất của đại lượng cần đo đặt

ở đầu vào thiết bị mà ta nhận biết ở đầu ra.

c Thang đo :

là phạm vi làm việc của thiết bị đo, trong phạm vi làm việc đó quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào tuân theo giá trị đặc trưng

Y = f(X)

Ký hiệu thang đo D = Xmax – Xmin

Xmax là giá trị lớn nhất mà thiết bị đo

được

Xmin là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo được

d Khả năng phân ly của thiết bị đo:

Là quan hệ giữa thang đo D và ngưỡng nhạy ε

R = D/ ε

Cho biết chia thang chia độ thành bao nhiêu phần có thể nhìn thấy được

Ví dụ: D = 100 V; ε = 0,1 => R = 100/0,1 = 1000

2 Sai số và cấp chính xác của thiết bị đo

* Xét 3 loại sai số cơ bản:

- Sai số tuyệt đối của thiết bị đo:

ΔX = | Xthực - Xđo|

- sai số tương đối của thiết bị đo:

γ = ΔX / D.100 (%)

Trong đó: D: là giá trị lớn nhất của thang đo

ΔX: giá trị sai số tuyệt đối

- Sai số tương đối của phép đo: được đánh giá bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực

Vì (Xthực≈X) nên có:

γX = ΔX / X thực.100 (%) = ΔX / X.100 (%)

b Cấp chính xác của thiết bị đo:

- Là tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của thiết bị

đo Cấp chính xác của thiết bị đo là giá trị sai số cực đại mà thiết bị đo đó mắc phải

- Người ta quy định cấp chính xác của thiết bị đo

đúng bằng sai số tương đối quy đổi của thiết bị đo đó

γ % = ΔX / D.100%

- Cấp chính xác do quốc tế quy định đối với

thiết bị đo gồm 8 cấp:

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4

3 Độ tác động nhanh của thiết bị đo

Là số lượng phép đo được thực hiện trong đơn vị thời gian là 1s, số lượng phép đo càng lớn thì thiết bị đo

đó có độ tác động nhanh càng cao

N = 1/Tđo

Trong đó: N: là số lượng phép đo

Tđo: là thời gia được tính từ lúc đặt tín hiệu vào thiết bị đo đến lúc đọc xong và xoá kết quả

đó trên thiết bị đo

Tđo = Tchuyển đổi + Tchỉ thị + Txoá

* * Với thiết bị đo tương tự:

Tđo = (2÷4)s

=> N = (1/2÷1/4) phép đo => độ tác động nhanh thấp

Tđo= (10-2 ÷10-4)s

=> N = (102 ÷104) phép đo => độ tác động nhanh cao

4 Độ in cậy của thiết bị đo

Nói lên khả năng làm việc không hỏng hóc của thiết

bị, được tính bằng thời gian làm việc không hỏng hóc Thời gian làm việc không hỏng hóc của thiết bị càng lâu thì độ tin cậy càng cao

* Độ tin cậy của thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu tố:

- Độ tin cậy của các linh kiện tạo lên thiết bị

- Kết cấu của thiết bị hợp lý, không quá phức tạp

- Điều kiện làm việc của thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn quy định

5 Đặc tính động của thiết bị

- Đặc trưng bằng thời gian ổn định của thiết bị

- Thường xuất hiện khi thiết bị làm việc với các cấu kiện đo biến thiên hoặc làm việc ở chế độ động Đặc trưng cho chế độ động chính là độ nhạy động:

S(p) = Y(p)/X(p)

V Tính Toán Sai Số Của Kết Quả Các Phép

Đo Gián Tiếp

Giả sử đo gián tiếp Y thông qua các phép đo trực tiếp

X1, X2,…, Xn

hay Y = f(X1, X2,…, Xn)

Ta có:

Trong đó: ΔX1, ΔX2,…,ΔXn là các sai số tuyệt đối của các phép đo trực tiếp X1, X2,…,Xn

+ Sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp Y như sau:

+ Sai số tương đối các phép đo gián tiếp Y như sau:

Trong đó: γX1, γX2,…,γXn là sai số tương đối của các phép đo trực tiếp X1, X2,…,Xn

Bảng tính sai số tương đối và sai số tuyệt đối

của một số hàm thường gặp.

Bài 2 Dùng một Volmet và một Ampemet để đo công suất của một lò điện trở Volmet có thang đo 300V; cấp chính xác 1,5 Khi đo Volmet chỉ 220V

Ampemet có thang đo 500A; cấp chính xác 2,5 Khi

đo Ampemet chỉ 350A Tính công suất của lò và sai

số tuyệt đối, sai số tương đối lớn nhất của phép đo, vẽ

sơ đồ mạch đo?

Bài 3 Xác định sai số gián tiếp của phép đo sau: