Luận văn Tính độ rộng kênh và tốc độ truyền cho một kênh đo tự động nhiều thông số

Mỗi một phơng pháp đo chỉ thị, biến đổi tín hiệu cho ta thiết bị đo khác nhaungay cả khi đo cùng một đại lợng.. đại lợng khảo sát với độ tin cậy cần có và thờng thì trong kỹ thuật đo phả

Phần ITổng quan về thiết bị đo lờng điện tửI- Giới thiệu chung

1 Mở đầu.

1.1 Khái niệm về đo lờng.

Đo lờng là sử dụng phơng pháp thực nghiệm để nhận đợc ớc lợng về số lợngcủa đối tợng thông qua việc so sánh với mẫu là quá trình quan trọng nhất, nó phục

vụ cho mục đích nghiên cứu cũng nh sản xuất

Mỗi một phơng pháp đo chỉ thị, biến đổi tín hiệu cho ta thiết bị đo khác nhaungay cả khi đo cùng một đại lợng Để quá trình đo có sai số nhỏ nhất thì yêu cầu ph-

ơng pháp đo phải đơn giản, cấu trúc mạch đo và thiết bị đo hợp lý, gọn nhẹ, dễ sửachữa và nâng cấp khi cần thiết

1.2 Nhiệm vụ của quá trình đo.

So sánh giã trạng thái của đại lợng kiểm tra với mẫu và cho tín hiệu để đánhgiá, xác định xem có tơng ứng hay không giữa đối tợng với mẫu đã cho Định lợng

1

đại lợng khảo sát với độ tin cậy cần có và thờng thì trong kỹ thuật đo phải có sự tínhtoán để đo đợc kết quả mong muốn.

Điều này không ngoài mục đích là nhận biết sự hiện diện của tín hiệu, xác

định đợc đặc tính vật lý của nó đồng thời định lợng so sánh với mẫu Không ít trờnghợp qua kết quả đo khảo sát có thể nhận dạng tín hiệu và quy luật biến thiên rồi biến

đổi tín hiệu đo đợc thành tín hiệu chuẩn để có thể truyền đi xa không bị mất mát vàthực hiện đo chúng bằng một loại dụng cụ duy nhất

2 Phơng pháp đo và dụng cụ đo.

- Các phơng pháp đo tơng tự

* Phơng pháp đo gián tiếp:

Phơng pháp này có thể đo bằng cách so sánh (ví dụ nh đo điện tử: ngời ta sosánh dòng điện đi qua điện tử mẫu với dòng diện trở cần đo và chỉ thị) Và tuỳ theo

sự lựa chọn mà ta có thể chỉ thị trực tiếp đại lợng đo bằng kim, ánh sáng hoặc bằngcầu cân bằng

Đây là phơng pháp thông qua một đại lợng vật lý khác để xây dựng đại lợngcần đo dựa trên cơ sở toán học Phơng pháp này áp dụng cho bộ thống đo có vec tơ

đại lợng vào là n chiều, véctơ đại lợng ra là một chiều

Hình I.2: Mô tả đơn giản thiết bị đo đồng thời nhiều thông số

Trong phơng pháp này các đại lợng cần đo x1, , xn đợc đa tới đầu vào thiết bị

đo một cách độc lập Các đầu ra hiển thị là độc lập nhau không phụ thuộc vào nhau.Các kết quả đo này mang thông tin của đầu vào và có độ chính xác cao Thuật toánbiến đổi là ma trận chéo, số ma trận này rất thuận tiện cho việc đo các vec tơ vào -

ra cùng chiều

Hình I.3: Sơ đồ phơng thức đo trực tiếp

* Phơng pháp đo kết hợp gián tiếp - trực tiếp:

Phơng pháp này áp dụng cho hệ thống véctơ lợng vào là n chiều, véctơ lợng ra

là n chiều Hệ thống này là mô hình giải một hệ phơng trình Kết quả đo đợc đa racùng một lúc khi hệ phơng trình đợc giải

Phơng pháp này có u điểm là đáp ứng đợc nhiều đối tợng đo khác nhau và cókhả năng sai số thấp

- Các phơng pháp đo số:

Các phơng pháp đo số đợc xây dựng trên cơ sở phơng pháp đo tơng tự, nhng ở

đây ở phần biến đổi và chỉ thị là dạng tín hiệu số

Hình I.4: Sơ đò khối phơng pháp đo số

ở đây trong khối biến đổi sẽ thực hiện việc chuyển đổi từ tín hiệu tợng tựsang tín hiệu số (bộ biến đổi A/D)

Nguyên tắc làm việc của ADC

Hình I.5: Sơ đồ bộ biến đổi ADC

Trớc hết tín hiệu tơng tự đợc đa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có hainhiệm vụ:

Lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau (rờirạc hoá tín hiệu về mặt thời gian)

Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trìnhchuyển đổi tiếp theo

Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa đến mạch lợng tử hoá để thực hiện làm trònvới độ chính xác ± :

2

Q

; Q: mức lợng tử

UA

ADC

L ợng tửhoá Mã hoá

Un

Mạch lợng t ử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tơng tự về mặt biên độ.

Nh vậy nhờ quá trình lợng tử hoá một tín hiệu tơng tự bất kỳ đợc biểu diễn bởi một

số nguyên lần mức lợng tử

Q

XΔQ

XQ

Xint

XDi: tín hiệu số của thời điểm iQ: Mức lợng tử

∆XAi: Số d trong phép lợng tử hoá

int (integer): Phần nguyên

Đối với khối chỉ thị số có u điểm là hiển thị với tốc độ nhanh và độ chính xáccao Chỉ thị số dùng phổ biến là đèn điện tử Đèn điện tử là những đèn tinh thể cónhiều catốt và một Anốt hoặc ngợc lại Anốt phía trớc là lới có thể nhìn xuyên quavào Catốt bên trong Catốt đợc uốn thành hình con số thập phân nên có 10 catốt Khimuốn hiển thị con số nào thì ngời ta kích thích điện áp vào catốt uốn thành hình con

số đó với anốt Khi đó sẽ có dòng điện giữa A và K Xung quanh K sẽ có một đámmây điện từ đồng thời nó phát sáng nên số đó sẽ hiện lên

Ngoài ra LED-7 đoạn cũng là loại đợc dùng phổ biến ở đây dùng 4 điodquang, mỗi điod đợc chế tạo thành một đoạn thẳng, 7 đoạn thẳng này sẽ ghép thành

2.2 Dụng cụ đo.

Dụng cụ đo là một hệ thống mà đại lợng cần đo là đại lợng vào và kết quả haycòn gọi là đại lợng cần chỉ thị là đại lợng ra

Có nhiều cách phân loại dụng cụ đo Việc phân loại dụng cụ đo dựa vào côngdụng, mục đích, cấu tạo, tính chất và còn dựa vào phơng pháp đo đợc sử dụng làmnguyên lý để chế tạo dụng cụ đo Song về cơ bản có thể phân chia làm 2 nhómchính:

- Nhóm thứ nhất: Dụng cụ tơng tự

- Nhóm thứ hai: Dụng cụ đo số

Sự khác nhau cơ bản giữa 2 nhóm dụng cụ đó là phơng pháp tiếp cận tín hiệu

đo, chế biến và chỉ thị tín hiệu đo

Ưu điểm của dụng cụ đo tơng tự là: Cho dù đo trực tiếp hay gián tiếp thì dụng

cụ đo thờng có cấu trúc đơn giản dễ sử dụng và do vâỵ giá thành không cao, khi cầnsửa chữa cũng dễ dàng, việc chế tạo đơn giản Ngoài ra việc chỉ thị của dụng cụ đonày rất dễ làm Ngời ta thờng dùng nguyên lý từ điện hoặc điện từ Với các dụng cụ

cũ hơn có thể chỉ thị bằng cơ nh dụng cụ đo tần số, đo điện áp, đo dòng điện mộtchiều

Nh

ợc điểm: Độ chính xác không cao, phạm vi đo hẹp và đặc biệt là không lu

trữ đợc kết quả đo không truyền dẫn đi xa đợc Mặt khác ở những trờng hợp cần liêntục đo, kiểm tra nhiều đại lợng, nhiều thông số đồng thời thì rất khó thực hiện và đôikhi gần nh không thực hiện đợc

Các dụng cụ đo số khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên và mở ra khả năng

tự động hoá cao với các quá trình đo Nó cho kết quả đo chính xác cao và đặc biệt

là khả năng lu trữ truyền dẫn kết qủa đo Nhờ vậy nó cho phép ta sử dụng kết quả đo

nh một tài nguyên của cơ sở dữ liệu Bên cạnh những u điểm nổi bật, dụng cụ đo số

có cấu trúc đòi hỏi công nghệ và kỹ thuật cao, đôi khi có cấu trúc phúc tạp, do vậygía thành cao và khi sửa chữa cũng cần đến ngời có chuyên môn cao Với những u

điểm nh thế, dụng cụ đo số sẽ chiếm vị trí quan trọng và sẽ đợc dùng phổ biến trongtơng lai

II- Tín hiệu đo và các phơng pháp biến đổi tín hiệu đo.

1 Khái niệm về tín hiệu đo.

Tín hiệu đo là tín hiệu ở dạng điện hoặc không điện đợc tạo thành từ đối tợngcần đo thông qua các bộ cảm biến hoặc biến đổi nào đó Tín hiệu đo nó cũng nh tínhiệu thông thờng đều là dạng biểu diễn vật lý của tín tức (đối tợng đo)

2 Phân loại tín hiệu đo.

Với tín hiệu đo thì nó đợc tạo thành từ hai loại đối tợng là tín hiệu điện và đốitợng không điện nh áp suất, nhiệt độ, công suất,

2.1 Tín hiệu điện:

Là những tín hiệu đợc biểu diễn dới dạng điện áp hoặc dòng điện Tín hiệu

điện có thể là những tín hiệu biến thiên chậm đợc coi nh tín hiệu một chiều nh tín

luật, đó là tín hiệu biến thiên theo quy luật của hàm sin hoặc Cosin:

x(t) = XmSin (ω.t+ϕ)

trình điều chế tín hiệu

Tín hiệu là những tín hiệu ngẫu nhiên:

- Là tín hiệu thay đổi không có quy luật Sự ngẫu nhiên gây ra do biến độngcủa điều kiện bên ngoài đối tợng

Ví dụ: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất thay đổi thì tín hiệu đo cũng bị thay đổi theo Đo nhiệt độ của lò trong thời gian từ 0 giờ đến 24 giờ Sự thay đổi có thể phụthuộc vào thời tiết bên ngoài mà nhiệt độ thay đổi theo

- Xét theo hình thức biến đổi tín hiệu đo có thể phân thành:

* Tín hiệu đo liên tục: Đó là một hàm liên tục của một đối số liên tục

Hình I.6: Tín hiệu đo

* Tín hiệu đo liên tục lợng tử: Là các giá trị lợng tử của một hàm có đối số liên tục

Hình I.7: Tín hiệu đo liên tục lợng tử

* Tín hiệu đo rời rạc là một hàm của đối số rời rạc

5

x(t)))

t0

tx(t)

0

Hình I.8: Tín hiệu đo rới rạc.

* Tín hiệu đo rời rạc lợng tử: là giá trị lợng tử của một đối số rời rạc

Hình I.9:Tín hiệu đo rời rạc lợng tử

Một tín hiệu đo ngẫu nhiên đợc gọi là một thể hiện Nếu ta đo nhiều lần đợcnhiều đờng cong khác nhau nó đợc gọi là quá trình ngẫu nhiên

ví dụ: đo nhiệt độ theo thời gian, nó dao động xung quanh một giá trị trungbình T0

Hình I.10: Sơ đồ tín hiệu nhiệt độ dao động theo thời gian.

2.2 Đối tợng không điện.

Là đối tợng không biểu diễn dới dạng điện áp hoặc dòng điện đó là những đạilơng nh: áp suất, lực cơ học, nhiệt độ, Thông qua các bộ cảm biến, bộ biến đổi thìnhững đại lợng này sẽ chuyển thành những tín hiệu điện thông thờng và thực hiện đo

nh bình thờng

Tổng quan về cảm biến:

- Các định nghĩa và đặc trng chung về cảm biến

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo (m) không có tính

điện (nói chung) và cho ta một đặc trng mang bản chất điện ký hiệu là S

Hình I.11: Sơ đồ khối bộ cảm biến

S: Đại lợng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến

m: Đại lợng đầu vào hay kích thích

Công thức trên chỉ là lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động củacảm biến thực tế S phụ thuộc vào cấu tạo vật liệu làm cảm biến, môi trờng, chế độ

sử dụng Để dễ sử dụng thông thờng ngời ta chế tạo cảm biến sao cho tuyến tínhgiữa biến thiên đầu ra ∆s và ∆m

∆s = ρ.∆m

ρ: Độ nhạy của cảm biến

Hình I.12: Dạng tín hiệu sau bộ cảm biến

Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến làm saocho độ nhạy ρ= const, nghĩa là ρ ít phụ thuộc vào:

m(độ tuyến tính), tấn số thay đổi của dải thời gian sử dụng (do già hoá)

ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác của môi trờng xung quanh

Vì cảm biến là một phần tử của mạch nên có thể coi cảm biến là:

Máy phát (cảm biến tích cực)

Trở kháng (cảm biến thụ động)

3 Rời rạc hoá tín hiệu đo.

Rời rạc hoá tín hiệu đo liên tục là một quá trình biến đổi một hàm liên tục theo

có thể nhận đợc ớc lợng của thời tín hiệu đo liên tục x*(t)

A.x(t) = (xo, x1 , xn)

B(x0, x1, ,xn) = x*(t)

phép B lên xi thì ta nhận đợc một ớc lợng x*(t) đó là hai quá trình ngợc nhau mà ta

có các thiết bị tơng ứng đó là các bộ biến đổi A/D và D/A

Toán tử A gọi là toán tử thể hiện

Toán tử B gọi là toán tử phục hồi

Có nhiều cách rời rạc hoá tín hiệu

Hình I.13: Sơ đồ tín hiệu liên tục

Giá trị rời rạc là hệ số của một dãy số

Hàm rời rạc là sai giá trị tức thời của hàm liên tục lấy tại các thời điểm nhất

định thờng là đều nhau

Hình I.14: Sơ đồ tín hiệu rời rạc

Hàm rời rạc là một hiệu các giá trị kế tiếp nhau

Hình I.15: Sơ đồ tín hiệu rời rạc các giá trị kề tiếp nhau.

Cách lấy đờng cong hiệu

Hình I.16: Sơ đồ đờng cong hiệu

Đờng cong hiệu: ∆x = xi-xi-1

Tuỳ theo toán tử A thực hiện theo cách nào thì lấy toán tử B tơng ứng theocách đó.

Lợng tử hoá theo mức.

Trong các hệ thống đo lờng sử dụng các chuyển đổi A/D từ sensor qua A/Dvào máy tính Trong khi đó sai số do việc làm trên các giá trị của tín hiệu ảnh hởng

đến độ chính xác của phép đo Một sai số nh vậy gọi là sai số lợng tử

Phép lợng tử hoá theo mức đợc thực hiện khi lấy giá trị đo ở thời điểm tín hiệu

đo cân bằng

Với mức lợng tử gần nhất và lấy giá trị lợng tử đó

Sai số của phép lợng tử hoá đợc tính là:

δ = 1/12=0,29 của đơn vị thang đo tức là sai số lợng tử hoá chiếm khoảng0,29 một vạch chia của thang đo

Hình I.17: Sơ đồ sai số khi lợng tử

sai số lợng tử và khoảng đo tín hiệu sẽ là :

γ=

4 Nhiễu trong đo lờng và phơng pháp chống nhiễu.

4.1 Khái niệm và phân loại.

- Đó là tất cả các yếu tố không ổn định tác động lên tín hiệu và gây ra sự mấtmát thông tin đo Vậy nhiễu là nguyên nhân gây ra sai số hoặc hỏng hóc Trong hệthống đo thì nhiễu xuất hiện ở mọi khâu

Hình I.18: Sơ đồ mô tả hệ thống đo chống nhiễu

* ở khâu đối tợng nghiên cứu bao gồm các sensor transducer chuyển đổichuẩn hóa Nhiễu gây ra do điều kiện làm việc nặng nhọc, điều kiện đo không ổn

định ở ngay đối tợng (ví dụ nh sự thay đổi nhiệt độ, gia tốc, dao động, tác động hóahọc)

* Khâu kênh liên lạc (dây liên lạc)

Nhiễu sinh ra chủ yếu là do trờng điện tử, ảnh hởng của khí quyển, môi trờng

lý hóa

* Khâu thiết bị thu và gia công

Nhiễu gây ra do sự thay đổi nhiệt độ, nguồn cung cấp

gia công

* Nhiễu ngẫu nhiên : Là một dãy các xung có biên độ, độ dài và thời gianxuất hiện là ngẫu nhiên nh nhiễu đóng ngắt mạch điện.

* Nhiễu hệ thống : Có giá trị không đổi và thay đổi và có quy luật Nh nhiễu

do sự thay đổi chậm các đại lợng nhiệt độ, độ ẩm,

4.2 Các phơng pháp chống nhiễu.

- Sử dụng các dạng tín hiệu điều chế chống nhiễu

Điều chế là sự tác động của tín hiệu đó lên một thông số nào đó của tín hiệumang Sự tác động của nhiễu nhiều hay ít phụ thuộc vào dạng điều chế Tín hiệumang có thể là một điện áp xoay chiều hay là một điện áp xung

* Điều chế với tín hiệu mang là xoay chiều hình sin là :

u(t) = Um sin(ωt + ϕ)

Hình I.19: Sơ đồ tín hiệu hình Sin xoay chiều

Khi tín hiệu đo tác động lên biên độ Um thì ta có điều chế biên độ

Hình I.20: Sơ đồ tín hiệu điều chế

Khi tín hiệu đo x(t) tác động lên tần số ϖ thì ta có điều chế tần số, ở đâu tínhiệu đo nhỏ thì tần số thấp, ở đâu tín hiệu đo lớn thì tần số cao

Khi tín hiệu đo tác động vào góc lệch pha ta có điều chế pha Khi sử dụngdạng điều chế nào thì ta phải sử dụng dạng điều chế tơng ứng Một bộ điều chế vàgiải điều chế gọi là MODEM Thờng tín hiệu điều chế tần có độ chống nhiễu tốt hơn

điều biên

* Điều chế với tín hiệu mang là xung

Tín hiệu mang có thể là một dãy xung thờng là xung hình chữ nhật Các

t

Tín hiệu mang

Hình I.21: Sơ đồ tín hiệu điều chế với tín hiệu mang là xung

Tín hiệu đo tác động vào tần số của dãy xung gọi là điều chế tần số xung ởgiai đoạn vào tín hiệu đo bé thì tần số thấp ở giai đoạn nào tín hiệu đo lớn thì tần sốcao

Tín hiệu đo tác động vào độ rộng xung ở quãng nào tín hiệu đo nhỏ thì độ rộngxung lớn gọi là điều chế độ rộng xung (hay gọi là thời gian xung) Tín hiệu đo tác độngtạo thành các tập hợp mã khác nhau Chỗ nào tín hiệu đo lớn thì mã có số lớn Đó là điềuchế mã xung Thờng để truyền đi xa tín hiệu điều chế mã xung phải kết hợp với một dạng

điều chế khác Ví dụ điều chế tần số xoay chiều

Thờng độ chống nhiễu ở hệ thống mã xung là có độ chống nhiễu tốt nhất vì

để làm thay đổi từ 0  1 hoặc 1  0 thì đòi hỏi nhiễu phải đủ mạnh

- Sử dụng mã sửa sai

Các loại mã thông thờng có một nhợc điểm là khi thay đổi một ký hiệu (donhiều nhiễu hay một nguyên nhân nào đó) thì sẽ xuất hiện một tập hợp mã khác,

- Xử lý các phơng pháp thu chống nhiễu

Đây là các phơng pháp sử dụng các bộ lọc nhiễu Tuy theo dải tần của nhiễu

ta có thể sử dụng các bộ lọc khác nhau, có thể lọc nhiều lần để khỏi nhiễu

Một phơng pháp hay sử dụng nữa là phơng pháp tích dầu Cơ sở của phơngpháp này nh sau :

Cùng một tín hiệu sẽ đợc nhắc lại nhiều lần và kết quả ta nhận đợc ở đầu thu

nh 1 tổng

Khi đó tỷ số của công suất tín hiệu trên nhiễu sẽ là :

U P

P

=Giả sử số xung đợc nhắc lại n lần, vì nhiễu là ngẫu nhiên nên ta có :

Tỷ số công suất tín hiệu trộn nhiễu ở đầu ra là :

2 nh

2

2 2 2 n

1 K nhK

2 2

nh

th

U

nU nU

U n U

U n P

nU C

C

nh 2 2 nh

2

2

vào

Nh vậy việc tích dầu n cầu xung sẽ làm tăng tỷ số Pth /Pnh lên n lần Nh vậy về

lý thuyết với phơng pháp này có thể phát hiện tín hiệu nhỏ bao nhiêu cũng đợc Cóthể sử dụng n kênh thang cho n lần Có thể sử dụng với các điện áp có chu kỳ, tr ờnghợp đó phải đảm bảo đồng bộ với tín hiệu phát

- Sử dụng phản hồi trong hệ thống đo

Phản hồi trong hệ thống đo là một trong những phơng pháp để nâng cao khảnăng chống nhiễu của hệ thống Tùy thuộc vào chức năng mà phản hồi có thể baogồm nhiều khâu

Hình I.22: Sơ đồ mô tả sự phản hồi của hệ thống đo

Khâu phản hồi 1: Bao gồm tầng thu liên hệ với tầng phát Sự thay đổi tín hiệu

ở phần thu xảy ra do nhiễu nhỏ có phản hồi tác động đến phần cuối sao cho sự thay

đổi chế độ của nó bù lại ảnh hởng của nhiễu (tầng công suất phát)

Khâu phản hồi II: Có hai loại

* Hệ thống với mã kiểm tra (mã chẵn lẻ chẳng hạn) Hệ thống phải nhớ định

kỳ cho các nhóm mã, nếu phát hiện ra sai sót ở phần thu theo đờng dây phản hồi đòihỏi phát lại nhóm mã sai số đó Có thể nhắc lại nhiều lần cho đến khi biết chắc làtín hiệu đã đúng

* Hệ thống với sự so sánh mỗi một nhóm mã sẽ đợc truyền trở về theo đờngdây phản hồi và trong bộ mã hóa sẽ so sánh chúng với nhóm mã đã gửi đi nếu kếtquả ăn khớp thì sẽ xuất hiện tín hiệu báo là đã truyền đúng, nếu không đúng thì sựtruyền sẽ đợc nhắc lại

Nhợc điểm: Công suất tiêu thụ của hệ thống này lớn hơn vì phải truyền trởlại tất cả các tập hợp mã đã nhận

III Sai số và phơng pháp xác định sai số trong đo lờng

Từ nguồn

tin tức đo

Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo đợc và giá trị thực của nó.

Sai số trong đo lờng là một trong những vấn đề rất quan trọng cho việc kiểmtra bảo dỡng điều chỉnh hoạt động máy nh sửa chữa máy mà sai số đo lờng chủyếu phụ thuộc vào điều kiện đo phẩm chất thiết bị đo, tuổi của thiết bị đo, cho nênviệc xác định sai số là hết sức phức tạp, do đó ngoài sử dụng phải biết những điềukiện cụ thể để xác định sai số đo lờng sao cho giá trị đo không vợt quá giá trị giớihạn cho phép đối với một thiết bị đo

+ Cha nghiên cứu kỹ đối tợng đo

+ Sai số gây trong mạch của một hoặc nhiều thiết bị đo

+ Do tật của ngời điều hành hệ thống đo lờng

* Sai số của thiết bị là sai số do bản thân thiết bị gây ra Nguyên nhân là do

sự không hoàn chỉnh về công nghệ chế tạo thiết bị đo

* Sai số vận hành : Là sai số gây nên khi sử dụng thiết bị sai số này thay đổitheo thời gian , không gian, địa lý, nhiệt độ

* Sai số ngẫu nhiên là sai số không tuân theo quy luật nào cả, nguyên nhângây ra sai số không xác định theo một quy luật nào

3 Các phơng pháp xác định

3.2 Xác định sai số của dụng cụ đo tơng tự.

Sai số của dụng cụ đo tơng tự là sai số do quá tình chế tạo, lắp ráp, độ chínhxác của mặt chia độ, chất lợng và kết cấu của mạch điện Ngoài ra còn phải kể đếntrạng thái tâm lý của ngời thực hiện đo (sai số do mắt ngời đọc)

- Sai số cơ bản: Sai số cơ bản bao gồm sai số đợc xác định trong điều kiệnchuẩn bao gồm nhiệt độ, độ ẩm ảnh hởng của từ trờng ngoài, tần số tín hiệu đo,dạng tín hiệu cần đo Đó là những sai số không phụ thuộc yếu tố vận hành và ngời

sử dụng

Thành phần của sai số cơ bản bao gồm ma sát, độ lệch trục quay, bảng khác

độ, biến dạng của lò xo từ trễ, ảnh hởng của từ trờng hoặc điện trờng nội bộ Các sai

số cơ bản của thiết bị thờng tính theo phần trăm, phần trăm sai số cơ bản

% = ∑

=

n

i i S

1 2

Si: phần trăm sai số của phần tử gây sai số thứ i

- Sai số phụ: sinh ra do điều kiện vận hành, do ngời sử dụng

Ví dụ: Sự chênh lệch nhiệt độ so với quy chuẩn, chênh lệch tần số, sai số củamắt đọc, do tín hiệu quá nhỏ mà thang đo quá lớn

% =

α

αmax0

Chú ý: Khi đo thì α ≥ αmax

Mức lợng tử của thang đo khác nhau là khác nhau

- Sai số ngẫu nhiên: là sai số sinh ra bởi các yếu tố ngẫu nhiên không xác địnhtrớc đợc Với các thiết bị đo số hóa ngời ta còn phân biệt: sai số cộng và sai số nhân.Sai số cộng: là sai số đợc biểu diễn dới dạng tuyệt đối, nó không phụ thuộc vàocác đại lợng đo và yếu tố ngoại cảnh Sai số cộng làm dịch chuyển kết quả đo mộtcách song song.

Sai số nhân: là sau số sinh ra do không ổn định của hệ số nhân trong bộ biến

đổi ADC và sự thay đổi đặc tuyến của mạch điện bởi môi trờng

- Độ chính xác của dụng cụ đo: là một trong những chỉ tiêu cơ bản của phép đo

và dụng cụ đo Ngời ta sử dụng sai số để biểu diễn độ chính xác đó Vì vậy có thểchia các dụng cụ đo làm ba loại sai số

* Sai số tuyệt đối: Đợc tính bằng hiệu số của giá trị đo đợc với giá trị thực của

đại lợng cần đo

Gọi ∆x là sai số tuyệt đối của một phép đo, x0 là giá trị thực của đại lợng cần

đo, x là giá trị đo đợc

thì sai số của phép đo:

γ' = γ

Ví dụ: Một thiết bị có γ = 1%, α0 = 600, α = 300 thì γ' = 2%

đo

3.1 Xác định sai số của dụng cụ đo số.

- Đặt vấn đề: Bất cứ phép đo hay thiết bị đo nào cũng có sai số Kết quả đo

đ-ợc chỉ có giá trị gần đúng Nh vậy vấn đề đặt ra là phải tìm đđ-ợc nguyên nhân gây sai

số từ đó có thể loại bỏ hoặc giảm nhỏ sai số cũng nh việc định lợng để đánh giá đợcchính xác phép đo Các thiết bị đo số cũng nh các thiết bị đo nói chung đều có 2 loạisai số sau:

+ Sai số hệ thống: Là sai số có độ lớn và dấu luôn gây ảnh hởng tới kết quả

đo, nó nh nhau đối với các lần đo

+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số biến đổi không có quy luật, khác nhau về sựxuất hiện, cách thức xuất hiện, có độ lớn và độ lớn và dấu không xác định

15

Để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lờng số cần xét tới tác dụng củanhững tác dụng ngẫu nhiên chứa đựng ở ngay trong phơng pháp đo, trong kỹ thuật

số hóa đã gây lên sai số, từ đó để đề xuất các phơng pháp xử lý, hạn chế dù là chathể xóa bỏ Điều đó giúp ích cho sự nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo số, thiết

bị đo số có dùng Microprocessor là một trong những biện pháp quan trọng để nângcao độ chính xác của thiết bị đo

- Khảo sát quy luật phân bố sai số

Để đánh giá đợc kết quả của phép đo cần định lợng đợc sai số Với sai số củakết quả mỗi lần đo riêng biệt Khi đã loại bỏ đợc sai số hệ thống thì sai số còn lạihoàn toàn phụ thuộc vào yếu tố ngẫu nhiên của phép đo Kết quả các lần đo khôngthuộc vào nhau nhng nó vẫn khác nhau vì các yếu tố ảnh hởng là khác nhau

Nh vậy để có đợc kết quả phép đo phải đánh giá đợc nó Từ đó ta cần xâydựng đợc quy luật phân bố của sai số và dùng công cụ toán học cần thiết để khảo sát

và định lợng quy luật phân số này Công cụ toán học dùng trong nghiên cứu sai số

đo lờng ở đây là lý thuyết xác suất và phơng pháp thống kê toán học

* Hàm phân bố chuẩn ứng dụng trong đo lờng.

Trớc khi khảo sát đợc sai số ngẫu nhiên phải coi sai số ngẫu nhiên nh cácbiến ngẫu nhiên của hàm phân bố, điều đó có nghĩa:

+ Phải tiến hành đo nhiều lần một đại lợng cần đo, các kết quả các lần đo đợcthực hiện độc lập với nhau

+ Các lần đo đều phải tiến hành cùng một điều kiện môi trờng đo và với sựchu đáo nh nhau

thống kê tần xuất các trị số sai số phân bố theo độ lớn của nó sẽ có dạng tổng quátlà:

Từ biểu thức (1) và (2) ta có:

P(x)

x

Hình I.24: Đặc tính phân bố của hàm Gauss.

Khi đã biết quy luật phân bố sai số ta có thể định lợng đợc trị số sai số ngẫunhiên Điều này có thể thực hiện đợc bằng cách tính xác suất của sai số ngẫu nhiên

có phân bố theo hàm phân bố chuẩn lấy giá trị trong một khoảng cho trớc

Theo tính chất của mật độ phân bố sai số ta có:

P = (|x| < xi) = (3)

Từ biểu thức trên nếu thay biến số tích phân

(4)Giả sử khi đo lờng cần phải tính chính xác suất để số ngẫu nhiên có phân bốchuẩn lấy trị số lệch khỏi trị trung bình cộng (vọng số ) không quá một số thì tacó:

h2,

x 99,73%

P(x)

Tại các giá trị x2, , xn là:

dP2 =

dPn = Xác suất của n lần đo có thể coi nh xác suất của một sự kiện phức tạp, ta có:

Vế bên phải của (6) là trị trung bình phơng của n lần đo Trị số này là sai số

Khi xác suất Pph cực đại là tơng ứng là cực tiểu Vì là trị số gần bằng trị số

không

Vậy là trị trung bình cộng của các kết quả các lần đo, nó có xác suất lớn nhất,tức là gần trị số thực cần đo đợc nhất Nó cũng chính là vọng số của luật phân phốxác suất của biến ngẫu nhiên, là trị số bình quân của biến ngẫu nhiên

= + 2 ; i ≠ jTheo quy luật phân bố chuẩn, các sai số có trị số tuyệt đối bằng nhau nhng tráidấu thì có xác suất nh nhau Nh vậy nếu tiến hành đo một số lần đủ lớn, thì các sai

số sẽ từng đôi một triệt tiêu

Công thức tính δ đợc đổi là:

Nh vậy, độ chính xác của phép đo tùy thuộc vào số lần đo n Khi tăng số lần đo

Đó là sự sai khác của sai số xi tính theo định nghĩa lý thuyết và sai số εi theotính toán thực tiễn đo đạc

Hình I.26: Sơ đồ thực tế mối quan hệ giữa và n

Vì vậy để giảm tối thiểu tác động của sai số ngẫu nhiên, cần phải có số lợnglần đo nhiều Cần phải tính toán kết quả nhanh, chính xác và hiển thị trực tiếp đã đề

ra yêu cầu thiết bị đo lơng phải phối ghép đợc với máy tính số để có thể hoàn thiệnhơn chức năng đo lờng

* Thực hiện giảm tối thiểu sai số ngẫu nhiên

Nh đã nêu ở trên, sai số ngẫu nhiên thì không thể xác định trớc và loại bỏ đợc

nh loại bỏ sai số hệ thống Điều có thể làm là giảm tối thiểu nó bằng cách xử lý kết

19

12 10

5 2,5

quả đo một cách thích hợp trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết sai số đo lờng bằng cách

sử dụng các quy luật phân bố ngẫu nhiên và công cụ tính toán là phép tính thống kêxác suất Nh vậy sai số ngẫu nhiên đợc tính toán với một số hữu hạn n lần đo cótrình tự nh sau:

+ Tính trị số trung bình cộng của n kết quả đo:

Hệ thống đo lờng sử dụng kỹ thuật số

I Khái niệm chung về hệ thống đo lờng số.

1 Khái niệm.

Phép đo lờng truyền thẳng là đo các tín hiệu tơng tự và hiển thị tín hiệu tơng

tự cần đo có trên dụng cụ hiển thị tín hiệu tơng tự Phép đo lờng số là đo các tín hiệu

ở dạng tơng tự hoặc số và hiển thị các tín hiệu cần đo đó ở trên màn hình bằngnhững con số cụ thể

Trong kỹ thuật đo lờng điện tử ngày nay, càng ngày càng đợc sử dụng nhiềumáy đo điện tử chỉ thị số Đó là sự phát triển của kỹ thuật số và công nghệ vi mạch

Sự xuất hiện của vi mạch loại mới vào đầu những năm 70, là các vi xử lý, là khối vimạch thích hợp cao, đã làm thay đổi quan niệm công nghệ và cơ cấu, tính năng củathiết bị đo lờng, đặc biệt là thiết bị đo lờng điều khiển tự động

Thiết bị đo lờng chỉ thị số khác với các loại thiết bị đo chỉ thị kim, chỉ thịbằng ống tia điện tử ngoài hình thức hiển thị kết quả đo Một đằng kết quả đo đợchiển thị bằng đèn chữ số, một đằng là vị trí kim trên thang khắc độ tạo đồng bộ trênmàn huỳnh quang Mà chủ yếu khác nhau ở phơng pháp biến đổi tín hiệu của đại l-ợng đợc đo Thiết bị đo biến đổi liên tục các giá trị của đại lợng cần đo, để kết quảchỉ thị ở đầu ra cũng biến đổi liên tục, tơng tự nh các giá trị đầu vào thiết bị đo biến

đổi giá trị của đại lợng cần đo thành một hệ thống các giá trị rời rạc để thực hiện chỉthị kết quả ở đầu ra, thì thiết bị đo này là loại thiết bị đo số Digital

2 Ưu điểm và nhợc điểm của hệ thống đo lờng số.

Phép đo số khác với phép đo tơng tự là chỉ ghi nhận kết quả đo gián đoạntrong khi các đại lợng cần đo thờng là đại lợng biến đổi liên tục vấn đề chọn thang

đo có tính chất gián đoạn (lợng tử hóa) để đánh giá đại lợng liên tục thực tế khônglàm giảm độ chính xác của phép đo, vì do có thể chọn khoảng gián đoạn nhỏ tùy ý

để đảm bảo độ chính xác yêu cầu Giá trị này gọi là mức mẫu lợng tử thiết bị đo

Ví dụ so sánh:

Ta cần đo điện áp khoảng từ 0V - 1000V Nếu vôn mét số lấy mức lợng tử là

chính xác trên Vì trên vòng cung thang khắc độ ta khó chia độ vạch để phân biệtgiá trị đọc đợc nh trên.

ta khó phân biệt đợc 10V trên 1mm

- Ưu điểm của phơng pháp đo số

+ Tăng độ chính xác của phép đo

+ Nâng cao tốc độ đo

+ Loại bỏ sai số đo khi đọc kết quả

+ Thực hiện tự động hóa đợc quá trình đo

+ Kiểm tra liên tục, thực hiện chơng trình hóa đợc phép đo và kiểm tra cácthông số kỹ thuật của quá trình sản xuất

+ Có khả năng truyền trực tiếp các số liệu đo với máy tính điện tử, để tínhtoán hay xử lý kết quả

- Khuyết điểm của phơng pháp đo số

Các u điểm trên cùng rõ rệt khi các thiết bị đo đợc thiết kế cài đặt vi xử lý

II Cấu trúc của thiết bị đo lờng số.

l-tự, tuy chúng vấn còn các hạn chế do chính phơng pháp đo số và các cấu trúc cơ sởcủa mạch đo số gây ra Ví dụ sai số của các phần tử nhị phân (Flip - Elop) của cácphần tử biến đổi và sai số không đồng bộ + 1

Sự ứng dụng các hiệu quả của kỹ thuật vi xử lý vào kỹ thuật đo lờng đã nângcao độ chính xác độ tin cậy cho thiết bị đo

Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo số nh sau:

Hình II.1: Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo số

Dù là thiết bị đo các thông số, đặc tính của tín hiệu (nh vôn mét số, tần số mét

số, pha mét số )hay là thiết bị đo các thông số và đặc tính của mạch điện Các thiết

bị đo số đều có các khối cơ bản Khối biến đổi tín hiệu, khối gia công xử lý tín hiệu

đổi không

điện - điện

Biến

đổi ADC

Thiết bị

đếm và giải mã

Chỉ thị số

công suất, áp suất, nhiệt độ, lực cơ học Các thông số này có thể ở dạng điện hoặc làkhông điện Với thông số đã ở dạng điện thì sẽ đợc đa trực tiếp sang bộ biến đổiADC Với đại lợng không điện thì phải đợc đa qua bộ biến đổi không điện - điện tr-

ớc khi đa vào số hóa Bộ biến đổi này gọi chung là bộ cảm biến Sau đây ta xét một

Phơng pháp 1: Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào một

trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó liên quan đến vật di động

mà ta cần đo sự dịch chuyển Sự thay đổi của tín hiệu đo sẽ cho biết rõ dịch chuyểncủa vật thể (phơng pháp này đợc sử dụng nhiều hơn)

Phơng pháp 2:ứng với một dịch chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển) cảm

biến sẽ phát ra một xung Khi đo vị trí và dịch chuyển đợc xác định bằng cách đếm

số xung phát ra Phơng pháp này ít sử dụng

Bộ biến đổi ADC:

Bộ biến đổi A/D là tất cả mọi thao tác để biến đổi một đại lợng vật lý, một tínhiệu biến đổi liên tục theo thời gian thành một số hữu hạn trong một hệ thống số đãcho

Bộ ADC thờng là khâu nối giữa bộ phận nguồn tin và xử lý tin trong hệ thống

đo lờng số

Thông thờng quá trình biến đổi A - D là quá trình:

- Tạo điện áp chuẩn: Điện áp chuẩn nh là tập hợp các giá trị khác nhau củamột điện áp ổn định, hay điện áp biến đổi theo một quy luật xác định, ví dụ điện ápbiến đổi tuyến tính theo thời gian

- Thực hiện so sánh điện áp tơng tự cần biến đổi với điện áp chuẩn

- Tạo mã số, thực hiện do độ đếm xung hay trực tiếp do các khối thuật toánthực hiện

Các thông số của bộ biến đổi ADC

- Tốc độ biến đổi

- Độ chính xác biến đổi, có sai số do nguyên lý biến đổi và sai số do dụng cụbiến đổi

- Dải biến đổi: Biên độ tín hiệu vào từ cực tiểu đến cực đại

Ngoài ra còn độ nhạy, độ tin cậy, khả năng biến đổi nhiều kênh, điện trởvào

Sau khi tín hiệu qua bộ ADC chuyển về tín hiệu số thì nó sẽ đợc đa vào bộ

đếm để tiến hành đếm số xung Trong máy đo bộ đếm thờng dùng để phân chia tần

số biến đổi tự động tơng tự - số, số - tơng tự, điều khiển thiết bị làm việc theo chơngtrình, thực hiện đo đếm và chỉ thị số trong các máy đo số

Kết quả thu đợc sẽ đa vào bộ giải mã dới dạng dãy số nhị phân để tiện lợiquan sát và đọc kết quả đo cần phải chuyển đổi thành dãy số thập phân và đợc đa tớithiết bị chỉ thị để hiện thị kết quả đo đợc

Tùy theo cách chỉ thị, thể hiện chữ số trong hệ cơ số mời, mà có sự cấu tạocác bộ giải mã khác nhau Khi chỉ thị dùng đèn số (đèn có khí, có 10 ca tốt ứng với

10 số trong hệ đếm 10 và 1 anốt) hay đèn nêông Đèn báo đợc bố trí theo kiểu vị tríthì bộ giải mã là loại giải mã 2 - 10 Bộ giải mã này có 8 đầu vào (4 đầu kép) và 10

đầu ra

Khi chỉ thị dùng kiểu tổ hợp các thanh hay điểm để thể hiện chữ số Khi đó

đầu ra không phải là 10 mà tùy theo số phần tử thanh hay điểm dùng để tổ hợp Bộgiải mã này có tính chuyên dụng

Sau khi giải mã xong thì kết quả sẽ đợc đa ra chỉ thị Trong thiết bị đo số tùytheo thời gian mà đã có các loại chỉ thị số sau, là sự phân loại theo dụng cụ chỉ thị

- Chỉ thị số dùng hệ thống cơ điện, cơ - điện - quang

- Chỉ thị số dùng hệ đèn báo công suất bé (đèn sợi quang)

- Chỉ thị số dùng đèn số loại có khí

- Chỉ thị số dùng linh kiện có hiệu ứng phát quang

- Chỉ thị số dùng linh kiện là tinh thể lỏng

Còn về phơng pháp thể hiện chữ số của các dụng cụ chỉ thị kể trên thì cũng

có nhiều cách chữ số sẽ hiện sáng khi đèn đợc đốt sáng, chữ số đợc khắc sẵn ở vị trí

cố định cùng với đèn ở trên panen hay bản thân catốt của đèn đã đợc uốn sẵn theohình chữ số, chữ số đợc thể hiện bằng tổ hợp các đèn là các điểm sáng, hay tổ hợpcác đèn là các thanh sáng đợc thực hiện đốt nóng đồng thời

Việc truyền dữ liệu qua cổng RS232 đợc tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa

là các bít dữ liệu đợc gửi đi nối tiếp nhau trên một đờng dẫn Trớc hết loại truyềndẫn này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gâynhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng một cổng song song Việc dùng cổng song song

có một nhợc điểm đáng kể là cáp truyền dùng quá nhiều tín hiệu nằm trong khoảng

Cổng nối tiếp RS232 không phải là một hệ thống bus, nó cho phép dễ dàngtạo ra liên kết dới hình thức điểm với điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin vớinhau Một thành viên thứ 3 không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này Hình dới

đây là sự bố trí chân của phích cắm RS 232 ở máy tính PC

Hình II.2: Sơ đồ bố trí chân của RS232.

Bảng II.1: Sắp xếp chân của cổng nối tiếp RS232

Chân

(Loại 9 chân) (Loại 25 chân) Chân Chức năng

Sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính PC Từ hình vẽ trên ta thấy ổ cắmnối tiếp RS 232 có tổng cộng 8 đờng dẫn cha kể đờng nối đất Trên thực tế có hailoại phích cắm, một loại có 9 chân và một loại 25 chân Cả hai loại này đều cóchung một đặc điểm khác hẳn với cổng máy in là chỗ nối với máy in ở máy tính PC

là ổ cắm trong khi ở cổng nối tiếp lại phích cắm nhiều chân

Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đờng dẫn Qua chân cắm ra TxD(Transmit Data), máy tính gửi các dữ liệu của nó đến máy kia Trong khi đó các dữliệu mà máy tính nhận đợc lại đợc dẫn đến chân nối RxD (Receive Data) Các tínhiệu khác đóng vai trò nh là những tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thếkhông phải trong mọi ứng dụng đều dùng đến

Việc truyền dữ liệu:

Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đờng dẫn TxD và thông thờngnằm trong khoảng -12V đến +12V Các bít dữ liệu đợc gửi đảo ngợc lại Mức điện

áp đối với mức High nằm giữa -3V và -12V và mức Low nằm ở giữa +3V và +12V.Hình dới đây mô tả một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nốiRS232

Hình II.3: Sơ đồ dòng một Byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS232

ở trạng thái tĩnh trên đờng dẫn có điện áp -12V một bít khởi động (starbit) sẽ

mở đầu việc truyền dữ liệu Tiếp đó là các bít dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó nhữngbít giá trị thấp sẽ đợc gửi trớc tiên Con số của các bít dữ liệu thay đổi giữa 5 và 8 ởcuối của dòng dữ liệu còn có một bít dừng (stop bit) để đặt trở lại trạng thái lối ra (-12V)

Bằng tốc độ Baud, ta thiết lập tốc độ truyền dữ liệu Các giá trị thông thờng

là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 baud Ký hiệu baud tơng ứng với số bit

đợc truyền trong một giây Chẳng hạn khi tốc độ baud bằng 9600 có nghĩa là có

9600 bit dữ liệu đợc truyền trong một giây Từ đó ta suy ra rằng còn có một bit bắt

+12V

Starbit

LowHigh-12V