Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo pot

MỤC TIÊU CỦA HỌC PHẦNSinh viên nắm được: - Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lường - Các mạch gia công tính toán - Một số loại sensor cơ bản - Nắm được phương pháp đo một số đại lượng k

KỸ THUẬT ĐO

LƯỜNG 1

Bài giảng

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Khoa Điện Tử

Bộ môn Đo lường - Điều khiển

GV: Nguyễn Thị Thanh Quỳnh

01266325996 quynh.ruby@gmail.com

MỤC TIÊU CỦA HỌC PHẦN

Sinh viên nắm được:

- Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lường

- Các mạch gia công tính toán

- Một số loại sensor cơ bản

- Nắm được phương pháp đo một số đại lượng không điện

NỘI DUNG VẮN TẮT CỦA HỌC PHẦN

* Cơ sở lý thuyết của Kỹ thuật đo lường:

- Các khái niệm cơ bản của kỹ thuật đo lường

- Sai số của phép đo và gia công kết quả đo

- Vấn đề xử lý số liệu đo lường

* Các cơ cấu chỉ thị:

* Các sensor đo lường

* Mạch đo lường và gia công thông tin

* Đo các đại lượng không điện

Mục lục

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin

và thiết bị đo

Chương 2: Các cơ cấu chỉ thị

Chương 3: Mạch đo lường và gia công thông tin Chương 4: Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp Chương 5: Đo các đại lượng không điện

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo

1.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị đo

1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường

1.3 Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo

1.4 Gia công kết quả đo lường

§ 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ

1 Định nghĩa

- Đo lường: Là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị

Quá trình đo gồm 3 thao tác chính:

+ Biến đổi tín hiệu và tin tức cần đo

+ So sánh với đơn vị đo hoặc với mẫu đo

+ Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả đo

+ Thiết bị mẫu: Là TB đo chuẩn dùng để kiểm tra

và hiệu chỉnh TB đo Quy định hiện hành TB mẫu phải có độ chính xác lớn hơn ít nhất hai cấp so với

TB đo

- Thiết bị đo và thiết bị mẫu

+ Thiết bị đo: Là một hệ thống mà lượng vào là đại

lượng đo, lượng ra là chỉ thị bằng kim, tự ghi hoặc số Đôi khi lượng ra không hiển thị mà đưa tới trung tâm tính toán để thực hiện các angorithm kỹ thuật nhất định

Ví dụ: Muốn kiểm định công tơ cấp chính xác 2 thì bàn kiểm định công tơ phải có cấp chính xác ít nhất

là 0,5

a Dụng cụ đo lường

- Mẫu:

là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lí

nhất định Những mẫu dụng cụ đo phải đạt cấp chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo từng cấp, từng loại.

- Dụng cụ đo lường điện:

dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các

thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng vật lí cần đo.

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thơng tin và thiết bị đo

2 Phân loại

b Chuyển đổi đo lường

loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo lường để

tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công tiếp theo, cất giữ nhưng không cho ra kết quả trực tiếp

Chuyển đối chuẩn hóa: có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 10v ; I = 4  20mA)

Chuyển đổi sơ cấp: có nhiệm vụ biến một tín hiệu không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo Có rất nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau như: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện….

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thơng tin và thiết bị đo

c Tổ hợp thiết bị đo

Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự

động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khỏang cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển.

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thơng tin và thiết bị đo

Lượng vào Mạch đo Chỉ thị Lượng ra

Cấu trúc hệ thống đo 1 kênh

chuy n ển

i s c p đổi sơ cấp ơ cấp ấp

- Đối với hệ thống đo lường nhiều kênh

Phân kênh theo tần số

Bộ thu nhận chế biến tín hiệu

• d Cách thực hiện phép đo

- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận

được trực tiếp từ một phép đo duy nhất

Cách đo này cho kết quả ngay Dụng cụ đo được sử dụng thường tương ứng với đại lượng đo

Ví dụ: đo điện áp Voltmet, trên mặt Voltmet đã khắc độ

sẵn bằng Volt.

- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đo được suy ra từ

sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp

Ví dụ: để đo điện trở ta có thể sử dụng định luật Ohm

R=U/I (thường hay sử dụng khi phải đo điện trở của một phụ tải đang làm việc).

Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thơng tin và thiết bị đo

- Đo hợp bộ: là cách đo gần giống đo gián tiếp nhưng

số lượng phép đo theo cách trực tiếp nhiều hơn và

kết quả đo nhận được thường phải thông qua giải một phương trình (hay hệ phương trình) mà các thông số đã biết chính là các số liệu đo đựơc

- Đo thống kê: để đảm bảo độ chính xác của phép đo

nhiều khi người ta phải sử dụng cách đo thống kê

Tức là phải đo nhiều lần Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thơng tin và thiết bị đo

§ 1.2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

1 Hệ thống đo lường biến đổi thẳng

Trong hệ thống đo biến đổi thẳng đại lượng vào x qua nhiều khâu biến đổi trung gian được biến thành đại lượng ra y

y = f(x)

Trong đó f(.) là một toán tử thể hiện cấu trúc của thiết

bị đo

- Trong trường hợp quan hệ lượng vào và lượng ra

là tuyến tính :

y = S.x (1-1)

S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị

- Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan

hệ giữa lượng vào và lượng ra có thể viết:

y= (1-2)Si: là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị

x Sn

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo

Trong thiết bị đo kiểu so sánh đại lượng vào x

thường được biến đổi thành đại lượng trung gian

yx qua một phép biến đổi T:

y  



2 Hệ thống đo kiểu so sánh

Chương 1: Cơ sở kĩ thuật đo lường, thông tin và thiết bị đo

2.1 Phân loại phương pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng.

a Phương pháp so sánh kiểu cân bằng

Nội dung của phương pháp này là: Đại lượng vào cần đo yx = const, đại lượng bù yk = const

Tại điểm cân bằng ta có:

Δy = yx- yk → 0

x k

Cũng giống như trường hợp trên song

b Phương pháp so sánh không cân bằng (hình 1.5).

2.2 Phân loại phương pháp đo căn cứ vào cách tạo đại lượng bù.

a Phương pháp mã hoá thời gian

- Nội dung: Đại lượng vào yx= const, còn đại lượng

bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t

yx

yky

- Bộ ngưỡng: Để xác định điểm cân bằng của phép

b Phương pháp mã hoá tần số xung.

-Nội dung: Đại lượng vào yx cho tăng tỉ lệ với lượng cần đo x và khoảng thời gian t:

yx = t.x Còn đại lượng bù yk = const

yky

t 0

Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần số xung

Nghĩa là đại lượng cần đo x đã được biến thành

k

t 0

Hình 1.7 Phương pháp mã hoá tần

số xung

t x =1/f x

c Phương pháp mã hoá số xung.

Nội dung: Đại lượng vào yx = const, còn đại lượng

bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang với những bước nhảy không đổi y0 gọi là bước lượng tử

yk = yo   





n 1 i

iT t

Hình 1.8 Phương pháp mã hoá

số xung

Tại điểm cân bằng có: yx  Nx.yo

Hình 1.8 Phương pháp mã hoá

số xung

Tại điểm cân bằng có: yx  Nx.yo

Nghĩa là tại điểm cân bằng đại lượng vào yx được biến thành con số Nx

§1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO

1 Độ nhạy, độ chính xác và các sai số

a Độ nhạy và ngưỡng độ nhạy

- Độ nhạy S được định nghĩa: S = ΔY

- Khả năng phân ly của thiết bị:

b Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo

Với D = Xmax – Xmin là thang đo (thường Xmin = 0)

Vì các thiết bị đo khác nhau có độ nhạy khác nhau, nên để so sánh tính nhạy của thiết bị người ta dùng khái niệm khả năng phân ly của thiết bị

- Dùng thiết bị đo tiến hành đo nhiều lần 1 đại lượng mẫu xđ và thu được tập kết quả x1, x2, xn

Trong đó: xi là kết quả của lần đo thứ i, xđ là giá trị đúng của đại lượng đo, δi là sai lệch của lần đo thứ i

- Sai lệch của kết quả phép đo so với xđ: δi = xi - xđ

- Các sai số

+ Sai số tuyệt đối: x = max|δi|

+ Sai số tương đối của phép đo: β = Δx/ x

+ Sai số tương đối của thiết bị đo:  = Δx/ D

+ Sai số tương đối quy đổi %: % = (Δx/ D)100% % dùng để sắp xếp cấp chính xác thiết bị đo

Dụng cụ đo cơ điện:

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

Dụng cụ đo số:

0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1

2 Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo

Thiết bị đo tiêu thụ 1 công suất nhất định, do đó gây ra sai số gọi là sai số phụ về phương pháp đo Sai số này phải nhỏ hơn sai số cơ bản của thiết bị khi đo

Khi nối thiết bị đo vào đối tượng đo, muốn có đáp ứng phải thu ít năng lượng từ phía đối tượng đo, ta gọi đó là tổn hao công suất

- Các thiết bị đo cơ học: Sai số phụ chủ yếu do ma sát

- Với các thiết bị điện:

+ Trường hợp thiết bị đo mắc nối tiếp với tải:

Tổn hao: pa = RA I2

RA: điện trở vào của TBĐ, RA càng nhỏ thì sai số

do tổn hao càng ít

+ Trường hợp thiết bị đo mắc // với tải:

Tổn hao: pv = V2 / Rv

Rv: điện trở vào của TBĐ, Rv càng lớn thì sai số do tổn hao càng ít

- Khi chưa đo (K mở)

a)

V 0

UA0

3 Các đặc tính động của thiết bị đo

- ĐTĐ của thiết bị đo là đồ thị của (1) với các dạng x(t) + Đặc tính quá độ: Ứng với tín hiệu vào x(t)=A.1(t-)

+ Đặc tính xung: Ứng với tín hiệu vào x(t) = A.(t-)

+ Đặc tính tần: Ứng với x(t) = Asint = Aejt, thường dùng đặc tính biên tần A() và đặc tính pha tần ()

+ Đặc tính sai số tần số: Gồm đặc tính sai số biên tần A=[A()-A0]/ A0 và đặc tính sai số pha tần  =

() - 0

Biểu thức hàm truyền hay độ nhạy động của TBĐ là

Y(p) S(p) =

- Thời gian ổn định hay thời gian đo của thiết bị: Là thời gian kể từ khi đặt tín hiệu vào cho tới khi thiết bị

ổn định có thể biết được kết quả

- Dải tần của dụng cụ đo: Là khoảng tần số của đại lượng vào để cho sai số không vượt quá giá trị cho phép

§1.4 GIA CÔNG KẾT QUẢ ĐO LƯỜNG

Gia công kết quả đo quá trình xác định giá trị đúng và sai số của những phép đo cụ thể

x = x ± Δx = x ± Δx®

1 Tính toán sai số ngẫu nhiên

Giả sử tiến hành đo thống kê đại lượng x, n lần và thu được kết quả: x1, x2, xn

Giá trị tin cậy là giá trị trung bình, trong toán học

thống kê gọi là kỳ vọng toán học:

a Phương pháp tính toán

- Sai số dư: δ = x - M x i i  

Sai số dư có tính chất là 1 đại lượng ngẫu nhiên

Đối với thiết bị đo lường, sai số dư thay đổi theo 1 quy luật gọi là luật phân bố chuẩn

Ghi chú: Luật phân bố xác suất là sự phân bố của sai số ngẫu nhiên xung quanh giá trị kỳ vọng toán học theo 1 quy luật nhất định

 



2 2

-δ 2σ

+ Bước1 : Tính giá trị trung bình

Kỳ vọng toán học được lấy là trung bình cộng của n lần đo

Sai số ngẫu nhiên được tính: x = k.

(k là hệ số, được tra trong sổ tay kĩ thuật)

- Khi số lần đo có hạn ( n  30)

+ Bước 2 : Tính các sai số dư:

+ Bước 5: Tính độ lệch bình quân phương trung

Trong đó: kst là hệ số Student, nó phụ thuộc vào

số lần thu thập n và xác suất yêu cầu p Hệ số kstđược tra trong sổ tay kỹ thuật: kst = f(n,p)

x = kst  x

+ Bước 7 : Kết quả đo được tính

2 Tính toán sai số gián tiếp

Phép đo gián tiếp: Là phép đo mà kết quả được tính

- Sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp được đánh giá

x1, x2,…, xn là sai số tuyệt đối của phép đo các đại lượng trực tiếp x1, x2,…xn

Sai số tương đối được tính

Sai số tuyệt đối y Hàm y

Công thức tính sai số của một số hàm y thường gặp

Ví dụ: Tính sai số tuyệt

đối và tương đối của phép

đo điện trở bằng phương

Hình 1.12cấp chính xác 1,5 Khi đo ta được số chỉ của 2 đồng

hồ là: I = 1 A, U = 100 V

Giải:

+ Sai số tuyệt đối của Ampemet là:

I = DI % = 1 1/100 = 0.01 A

+ Giá trị điện trở theo phép đo là:

R = U/ I =100/ 1 = 100 + Sai số tuyệt đối của phép đo điện trở là