giáo trình kỹ thuật đo - dương hữu phước

Dương Hữu Phước BỘ THƯ BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯ NG HỌ NGHIỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM IỆ KHOA ĐIỆN BỘ SỞ BỘ MÔN CƠ SỞ Khái niệm đo lường Chương KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG Đo lường trình so sánh, định lượng đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng chuẩn hóa (đại lượng mẫu đại lượng chuẩn) Như vậy, công việc đo lường nối thiết bị đo vào hệ thống khảo sát quan sát kết đo đại lượng cần thiết Tín hiệu đo : tín hiệu mang thông tin giá trị đại lượng đo lường Đại lượng đo thông số xác định trình vật lý tín hiệu đo Trong trình vật lý có nhiều thông số trường hợp cụ thể , ta quan tâm đến thông số cụ thể Đại lượng đo phân thành loại đại lượng đo tiền định đại lượng đo ngẫu nhiên Đại lượng đo tiền định đại lượng đo biết trước quy luật thay đổi theo thời gian chúng đại lượng đo ngẫu nhiên đại lượng đo mà thay đổi chúng không theo quy luật định Thiết bị đo 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 có : thiết bị mẫu , chuyển đổi đo lường , dụng cụ đo , tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường 1.2 ĐẠI LƯNG ĐO LƯỜNG Dựa tính chất đại lượng đo, phân đại lượng đo lường thành hai loại 1.2.1 Đại lượng điện Đại lượng không điện Đại lượng điện Đại lượng điện phân thành hai dạng - Đại lượng điện tác động ( active ) - Đại lượng điện thụ động ( passive ) Đại lượng điện tác động Chương Đại lượng điện tác động đại lượng điện có sẵn lượng điện nên đo lường đại lượng , ta không cần cung cấp cung cấp lượng cho mạch đo Đại lượng điện tác động đại lượng điện áp, dòng điện, công suất Trong trường hợp lượng đại lượng cần đo lớn giảm bớt cho phù hợp với mạch đo Ví dụ điện áp cần đo lớn , ta sử dụng cầu phân áp phù hợp với cấu đo hay thông qua thiết bị khác để giảm nhỏ lượng cần đo 9K I R1 2000 V 20A 2000 A A 200V 1K R2 V CT Trong trường hợp lượng nhỏ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo hoạt động Đại lượng điện thụ động Đại lượng điện thụ động đại lượng không mang lượng điện Vì đo lường đại lượng loại , ta cần phải cung cấp nguồn lượng điện cho mạch đo Đại lượng điện thụ động điện cảm , điện trở , điện dung , hỗ cảm Sau cung cấp lượng điện cho đại lượng , đại lượng đo lường dạng đại lượng điện tác động Như đại lượng điện thụ động có tiêu hao lượng , phải có yêu cầu riêng cho đại lượng : tiêu hao lượng , cung cấp lượng điện , chất đại lượng điện không thay đổi Thí dụ : dòng điện cung cấp cho điện trở cần đo có trị số lớn khiến cho nhiệt lượng đốt nóng điện trở làm thay đổi trị số điện trở 1.2.2 Đại lượng không điện Là đại lượng không mang lượng điện , đại lượng vật lý chẳng hạn nhiệt độ , lực , áp suất , ánh sáng , tốc độ Để đo lường đại lượng vật lý , người ta có phương pháp thiết bị đo lường thích hợp để chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện Nhất với hệ thống tự động hóa cáng đại cần nhiều thông số để xử lý thông số không điện cần xử lý ngày nhiều Tuy nhiên việc đo đại lượng không điện thường phức tạp rời rạc Do , cần chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện để phép đo dễ dàng , thuận lợi , tin cậy xác đồng thời tăng tính tự động hoá Cách thức đo mở rộng kỹ thuật đo lường nói chung cho đại lượng không Khái niệm đo lường điện Những thiết bị biến đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện gọi cảm biến điện chuyển đổi mà đề cập đến phần sau 1.3 CHỨC NĂNG VÀ CÁCH SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO 1.3.1 Chức Các thiết bị đo có chức cung cấp cho kết đo đại lượng khảo sát 1.3.2 Cách sử dụng thiết bị đo Khi sử dụng thiết bị đo ta phải ý đến cách thức qui trình sừ dụng thiết bị đo Phải đọc tìm hiểu kỹ đặc tính, cách sử dụng qui trình họat động thiết bị đo trước cho thiết bị họat động Cần ý đến tầm đo thiết bị Không máy bị chấn động Phải ý đến cấp xác thiết bị 1.4 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 1.4.1 Cấp chuẩn hóa Khi sử dụng thiết bị đo lường, mong muốn thiết bị đo chuẩn hoá (calip) với thiết bị đo lường chuẩn ( standard) Việc chuẩn hoá thiết bị đo lường xác đinh theo cấp sau Cấp “Chuẩn quốc tế” ( International standard ) thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế thực định chuẩn Trung tâm đo lường quốc tế đặt Paris (Pháp) Các thiết bị đo lường cấp định kỳ kiểm tra đánh giá theo trị số đo tuyệt đối đơn vị vật lý hội nghị quốc tế đo lường giới thiệu chấp nhận Cấp “Chuẩn quốc gia” thiết bị đo lường thực định chuẩn viện định chuẩn quốc gia Các thiết bị đo lường viện định chuẩn quốc gia quốc gia khác giới phải chuẩn hoá theo chuẩn quốc tế thiết bị đo lường chuẩn hóa viện định chuẩn quốc gia Cấp “Chuẩn khu vực” Trong quốc gia có nhiều trung tâm định chuẩn cho khu vực ( standard zone center ) Các thiết bị đo lường trung tâm đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia Những thiết bị đo lường định chuẩn trung tâm định chuẩn mang chuẩn khu vực ( standard zone ) Chương Nước ta có chuẩn khu vực trung tâm đo lường ( Khu vực Hà Nội ) , trung tâm đo lường ( Khu vực Miền Trung ) trung tâm đo lường ( Khu vực Tp Hồ Chí Minh ) Các thiết bị đo lường cá trung tâm đo lường , viện định chuẩn quốc gia phải chuẩn hóa mang tiêu chuẩn cấp cao Chẳng hạn , thiết bị phòng thí nghiệm phải trang bị thiết bị đo có tiêu chuẩn vùng tiêu chuẩn quốc gia Còn thiết bị viện định chuẩn quốc gia phải có chuẩn quốc tế Cấp “Chuẩn phòng thí nghiệm” Trong khu vực chuẩn hoá có phòng thí nghiệm công nhận để chuẩn hoá thiết bị đo dùng sản xuất công nghiệp Như thiết bị chuẩn hoá phòng thí nghiệm có chuẩn hoá phòng thí nghiệm Do thiết bị đo lường sản xuất chuẩn hoá cấp mang tiêu chuẩn đo lường cấp 1.5 PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG Trong kỹ thuật đo lường chia phương pháp đo lường cách tổng quát : Phương pháp đo lường trực tiếp Phương pháp đo lường gián tiếp 1.5.1 Phương pháp đo lường trực tiếp Với phương pháp đo lường trực tiếp , thiết bị đo lường cho biết kết đo trực tiếp đại lượng đo , mà không thông qua đại lượng đo khác Phương pháp đo lường trực tiếp cho kết nhanh chóng xác , nhiên đại lượng dùng phương pháp đo lường trực tiếp thiết bị cho biết kết đo đại lượng đo đươc Thí dụ Trong mạch đo có Volt kế Ampere kế , ta dùng phương pháp đo lường trực tiếp để đo công suất mà phải sử dụng phương pháp đo gián tiếp 1.5.2 Phương pháp đo lường gián tiếp Trong phương pháp đo lường gián tiếp , đại lượng đo biết kết thông qua đại lượng đo khác , mà thiết bị đo đo đại lượng đo khác phương pháp trực tiếp Như đại lượng cần đo phải có tương quan với đại lượng đo khác Thí dụ : Công suất có tương quan với điện áp dòng điện dùng Volt kế Ampe kế để đo công suất phương pháp gián tiếp Hay muốn đo điện trở phụ tải , ta đo điện áp dòng điện , từ suy điện trở cần đo Khái niệm đo lường Trong lónh vực đo lường , đại lượng điện dùng phương pháp đo lường gián tiếp bao gồm phương pháp sau Phương pháp đo biến đổi thẳng Phương pháp có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng , khâu phản hồi Đại lượng cần đo X đưa qua khâu biến đổi chuyển thành số NX , đồng thời đơn vị đại lượng đo X0 chuyển đổi thành N0 , sau đại lượng so sánh với ( thông qua bô so sánh SS ) Quá trình thực NX phép chia N0 Kết đo thể biểu thức X = NX X0 N0 Từ sơ đồ , ta thấy trình đo trình biến đổi thẳng Thiết bị đo sử dụng cấu trúc gọi thiết bị biến đổi thẳng Phương pháp so sánh X X SS BĐ XK D/A A/D NK CT BĐ biến đổi A/D chuyển đổi tưong tự - số D/A chuyển đổi số - tương tự SS so sánh CT hiển thị kết đo Sơ đồ mạch có cấu trúc mạch vòng có khâu phản hồi D/A Tín hiệu cần đo X so sánh với tín hiệu XK tỷ lệ với đại lượng mẫu X0 Qua so sánh , ta có X – XK = ∆X Tùy theo cách thức so sánh mà ta có so sánh cân , so sánh không cân , so sánh đồng thời hay so sánh không đồng thời Phương pháp so sánh có tên gọi khác phương pháp tương quan Khi dùng phương pháp thiết bị đo dùng để so sánh đại lượng đo đại lượng mẫu , sau suy đại lượng đo Tuy nhiên , phương pháp đại lượng mẫu cần phải có trị số xác cao Phương pháp đạt đến độ xác cao đại lượng mẫu thiết Chương bị thị có độ xác cao nhiên trình đo thực hiệnkhông nhanh chóng thao tác tương đối phức tạp Thí dụ : Đo điện áp điện trở phương pháp thay hình vẽ Đồng hồ thị Volt đồng hồ thị Ampere dùng để thị tương quan đại lượng đại lượng mẫu So sánh không đồng thời K K Là phương pháp đo mà giá RX R E EX I trị đo X thay đại lượng V mẫu XK Các giá trị đo giá trị E mẫu đưa vào thiết bị đo không Mạch đo điện trở thời gian , thông thường giá trị Mạch đo điện áp mẫu XK đưa vào khắc độ trước , sau qua vạch khắc độ để xác định giá trị đại lượng cần đo Thiết bị đo theo phương pháp thiết bị đánh giá trực tiếp volt kế , ampere kế thị kim ( loại đồng hồ ) So sánh đồng thời Là phương pháp so sánh đại lượng đo X đại lượng mẫu XK Khi hai đại lượng X XK trùng , thông qua XK ta xác định giá trị đại lượng cần đo X Đây phương pháp so sánh phương pháp đại lượng mẫu đại lượng cần đo thực thời gian Thay so sánh phương pháp thay Trong phương pháp không đòi hỏi phận thị điểm phải có độ nhạy cao xác cao đòi hỏi phần tử mạch có trị số xác không thay đổi trình đo Thí dụ : Đo điện áp phương pháp biến trở kế , đo điện trở , điện áp , điện dung cầu cân So sánh cân phương pháp “điểm không” Là phép so sánh đại lượng đo X đại lượng mẫu XK cho ∆X = X - XK = hay X = XK = NK X0 ( với X0 đơn vị đo ) Như XK đại lượng thay đổi cho giá trị X thay đổi giá trị XK thay đổi để đảm bảo ∆X = X - XK không ( zero ) phép đo cân Độ xác phép đo phụ thuộc vào độ xác XK độ nhạy thiết bị thị cân So sánh không cân Nếu XK đại lượng không đổi , lúc ta có X - XK = ∆X suy X = ∆X + XK Khái niệm đo lường Kết phép đo đánh giá qua ∆X ( XK đại lượng biết trước ) phương pháp sử dụng để đo đại lượng không điện nhiệt độ ( sử dụng mạch cầu không cân ) Ngoài phương pháp đo lường kể , hiệân người ta sử dụng máy tính để xử lý tính hiệu điều khiển hệ thống tự động , điều khiển dùng phương pháp số ( digital ) Trong phương pháp số , tín hiệu đại lượng đo lường tín hiệu có dạng xung mã hóa , phương pháp cần đòi hỏi có độ biến đổi tín hiệu điện dòng điện gọi chung tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) Tóm lại phương pháp đo lường nói cần phải đạt yêu cầu chung sau : Nhanh chóng Thuận lợi sử dụng Chính xác cao Thiết bị gọn gàng Đạt hiệu kinh tế cao Khi sử dụng thiết bị đo lường cần phải quan tâm để nguyên lý hoạt động phương pháp đo 1.5 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Trong trình đo , ta tránh khỏi sai số sai số xảy kỹ thuật đo lường , sai số nhiều nguyên nhân đo lường đo trị số xác cách tuyệt đối mà phải có sai số 1.5.1 Các dạng sai số Ta phân loại sai số theo nhiều phương pháp khác sau : Những sai số nhiều bước khác cách thức tiến hành đo lường : Sai số việc chuẩn hóa Sai số việc biến đổi đại lượng đo cho phù hợp với mạch đo Sai số so sánh Sai số quan sát Những sai số theo nhiều nguồn khác Sai số phương pháp : cách thức tiến hành đo lường tạo , khái niệm toán học thông số đo lường cần giải , sai số khắc phục cách tiến hành nhiều phương pháp khác Chương Sai số thiết bị : không xác thiết bị đo Nguyên nhân gây làm việc mạch đo không ổn định phân tử mạch đo Sai số điều kiện bên tác động vào điều kiện đo lường Sai số người thực , có lỗi lầm đo chọn sai phương pháp đo , đọc kết sai , nội dung sai Sai số theo điều kiện mà cách thức tiến hành đo lường làm việc Sai số sai số vốn có dụng cụ đo , trình chế tạo dụng cụ gây hay điều kiện chung quanh môi trường nhiệt độ độ ẩm , nguồn cung cấp điện Sai số phụ : sai số gây phương pháp đo không xác cá nhân người sử dụng dụng cụ gây Sai số tăng lên điều kiện đo lường trị số chuẩn Sai số theo hoạt động đại lượng cần đo khoảng thời gian đo lường Sai số tónh : đại lượng đo không thay đổi theo thời gian Sai số giao thời ( độ ) : đại lượng đột biến thay đổi theo thời gian tạo sai số giao thời Sai số động : đại lượng đo thay đổi theo thời gian , suốt trình đo lường , sai số động xảy phụ thuộc vào đáp ứng thiết bị đo đại lượng thay đổi Nếu tần số đại lượng đo vượt tần số đáp ứng thiết bị đo tạo nên sai số động lớn Theo hình thức mà hệ thống xảy sai số Có hai hình thức sai số xảy Sai số hệ thống : sai số trì kết đo lường , đo lường lập lập lại điều kiện làm việc Sai số đo dụng cụ đo, việc định cho cầu thang đo, ảnh hưởng môi trường : nhiệt độ , độ ẩm , từ trường điện trường nhiễu Sai số ngẫu nhiên : sai số hoàn toàn khác hẳn sai số hệ thống , đo lường lập lập lại trị số sai số lại khác Muốn tính toán sai số ngẫu nhiên phải dùng đến lý thuyết xác suất thống kê 1.5.2 Sai số kỹ thuật đo Sau xuất xưởng chế tạo, thiết bị đo lường kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hoá theo cấp tương ứng phòng kiểm nghiệm định cho cấp xác sau xác định sai số cho tầm đo thiết bị Do sử dụng thiết bị đo lường, nên quan tâm đến cấp xác thiết bị đo ghi thiết bị đo Khái niệm đo lường Chất lượng thiết bị đo đánh giá thông qua tiêu chuẩn độ nhạy , độ xác , khả tải 10 Giáo Trình o Lư ng Không i n (M1) T1 e T1 (M2) 0oC (M1) Hình 1.3-Hiệu ứng nhiệt điện 1.4.1.1.2 Hiệu ứng hỏa điện : Một số tinh thể, gọi tinh thể hỏa điện (thí dụ tinh thể sulfate triglycine ) có tính phân cực tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên mặt đối diện chúng tồn điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện Hiệu ứng hỏa điện ứng dụng để đo thông lượng xạ ánh sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ tăng lên làm thay đổi phân cực điện Sự thay đổi phân cực xác định cách đo biến thiên điện áp hai cực tụ điện Φ v Φ Hình 1.4-Hiệu ứng hoả điện 1.4.1.1.3 Hiệu ứng áp điện : Khi tác dụng lực học lên vật làm vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, gây nên biến dạng vật làm xuất lượng điện tích trái dấu mặt đối diện vật Đó hiệu ứng áp điện Hiệu ứng ứng dụng để xác định lực đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc…) thông qua việc đo điện áp hai cực tụ điện F v F Hình 1.5- Hiệu ứng áp điện 1.4.1.1.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ : Trong dây dẫn chuyển động từ trường không đổi xuất xuất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây đơn vị thời gian, nghóa tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển dây dẫn Cũng tương tự vậy, khung dây dẫn chịu tác động từ thông biến thiên xuất suất điện động ngược dấu với biến thiên từ thông Hiệu ứng cảm ứng điện từ ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo suất điện động cảm öùng Ω B e -5- Ω Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Hình 1.6- Hiệu ứng cảm ứng điện từ 1.4.1.1.5 Hiệu ứng quang điện : Hiệu ứng quang điện có nhiều biểu khác chung chất : tượng giải phóng hạt tự vật liệu tác dụng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện từ nói chung ) có bứoc sóng nhỏ giá trị ngưỡng đặc trưng cho vật liệu Hiệu ứng ứng dụng để chế tạo chuyển đổiquang ( thí dụ công tắc tự động đóng ngắt đèn chiếu sáng công cộng) 1.4.1.1.6 Hiệu ứng quang phát xạ điện tử : Hiệu ứng quang phát xạ tượng điện tử giải phóng thoát khỏi vật liệu tạo thành dòng thu lại tác dụng điện trường Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn : Khi chuyển tiếp P-N chiếu sáng phát sinh cặp điện tử – lỗ trống, chúng chuyển động tác dụng điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện hai dầu chuyển tiếp Hiệu ứng quang – điện – từ : Khi tác dụng từ trường B vuông góc với xạ ánh sáng, vật liệu bán dẫn chiếu sáng xuất hiệu điện theo hướng vuông góc với trường B với hướng xạ ánh sáng Hiệu ứng quang điện từ cho phép nhận dòng phụ thuộc vào độ chiếu sáng Dựa nguyên tắc đo đại lượng quang biến đổi thông tin chứa đựng ánh sáng thành tín hiệu điện Φ i v B Φ Hình 1.7-Hiệu ứng quang điện từ 1.4.1.1.7 Hiệu ứng Hall : Trong vật liệu (thường bán dẫn) dạng mỏng có dòng điện chạy qua đặt từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện I, xuất một hiệu điện VH theo hướng vuông góc với B I Biểu thức hiệu điện VH có dạng VH = KH I B sin θ Trong KH hệ số phụ thuộc vào vật liệu kích thướIc hình học mẫu B θ Vh > X Hình 1.8-Hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật ghép nối học với nam châm Ở thời điểm, vị trí nam châm xác định giá -6- Giáo Trình o Lư ng Khơng i n trị từ trường B góc θ tương ứng với bán dẫn mỏng dùng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện VH đo hai cạnh bán dẫn trường hợp này( cách gián tiếp) hàm phụ thuộc vào vị trí vật không gian (h.1.8) Các chuyển đổi dựa hiệu ứng Hall chuyển đổi tích cực thông tin có liên quan đến suất điện động Đây chuyển đổi lượng trường hợp nguồn dòng điện I (chứ đại lượng cần đo) cung cấp lượng liên quan đến tín hiệu đo 1.4.1.2 Chuyển đổi thụ động Lập tức phát tín hiệu đáp trả lại tác động bên mà không cần lượng cung cấp từ bên Nguồn tín hiệu output có nhờ tác nhân kích thích Ví dụ : cặp nhiệt điện thermocouple Chuyển đổiáp điện (Piezoelectric sensors) Chuyển đổi thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Một mặt giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học mẫu, mặt khác phụ thuộc vào tính chất điện vật liệu điện trở suất ρ, từ thẩm µ ,hằng số điện môi ε Vì giá trị trở kháng thay đổi tác dụng đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học tính chất điện vật liệu Thông số hình học kích thước trở kháng thay đổi chuyển đổi có phần tử chuyển động hay phần tử biến dạng Trong trường hợp thứ nhất, chuyển đổicó chứa phần tử động, vị trí phần tử chuyển động tương ứng với giá trị trở kháng đo giá trị trở kháng xác định vị trí đối tượng Đây nguyên lý nhiều loại chuyển đổi vị trí dịch chuyển (chuyển đổi điện thế, chuyển đổi cảm ứng có lõi động, tụ điện dùng cực di động …) Trong trường hợp thứ hai, chuyển đổi có phần tử biến dạng Sự biến dạng gây nên lực đại lượng dẫn đến lực ( áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp gián tiếp lên chuyển đổi(thí dụ cực di động tụ điện chịu tác dụng áp suất vi sai, chuyển đổiđo ứng lực liên quan chặt chẽ đến cấu trúc chịu tác dụng ứng suất Sự thay đổi trở kháng (do biến dạng ) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghóa tác động đại lượng cần đo biến đổi thành tín hiệu điện ( hiệu ứng áp trở) Phụ thuộc vào chất vật liệu khác nhau, tính chất điện chúng, nhạy với nhiều đại lượng vật lý nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất,độ ẩm …Nếu chó có đị lượng nêu thay đổi tất đại lượng khác giữ không đổi, thiết lập tương ứng đơn trị giá trị đại lượng trở kháng cảm biến Đường cong chuẩn thể tương ứng cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo từ phép đo trở kháng Bảng 1.1 Đặc trưng đại lượng cần đo Đại lượng cần đo Nhiệt độ Bức xạ ánh sáng Biến dạng Vị trí (nam châm) Đặc trưng nhạy cảm ρ ρ ρ Từ thẩm(µ) ρ Loại vật liệu sử dụng Kim loại :Pt, Ni, Cu, Bán dẫn Bán dẫn Hợp kim Ni, Si, pha tạp Hợp kim sắt từ Vật liệu từ điện trở : Bi ,InSb Độ ẩm ρ, ε LiCl, Al2O3, polyme ε Chất lưu cách điện Mức -7- Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Trở kháng chuyển đổithụ động sư ïthay đổi trở kháng tác dụng đại lượng cần đo xác định chuyển đổilà thành phần mạch điện Trên thực tế, tùy trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với chuyển đổi 1.4.2 Chuyển đổi tương tự chuyển đổisố 1.4.2.1 Chuyển đổi tương tự Cung cấp tín hiệu liên tục cường độ, thời gian không gian Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ sáng … 1.4.2.2 Chuyển đổi số : Tín hiệu output chúng giữ trạng thái bước hay rời rạc Tín hiệu số dể dàng lập lại, đáng tin cậy dể truyền xa Ví dụ : Shaft encoder, contact switch 1.4.3 Trạng thái hoạt động 1.4.3.1 Chế độ lệch Chuyển đổi hay dụng cụ đo làm việc chế độ lệch phát tín hiệu phản hồi lại thay đổi (lệch) so với điều kiện ban đầu dụng cụ đo Sự thay đổi (biến dạng) tương ứng với giá trị đo 1.4.3.2 Chế độ cân Chuyển đổi hay dụng cụ đo đưa ảnh hưởng lên hệ thống đo lường để chống lại tác động đại lượng đo Sự ảnh hưởng đại lượng đo cân (hồi tiếp đặc trưng) chúng cân trái ngược giá trị Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết đo xác đáp ứng thường chậm chế độ lệch 1.5 CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG : Các đơn vị đo lường sở hệ thống đơn vi quốc tế SI : Bảng 1.2 : Các đơn vị đo Đại lượng Chiều dài Tên gọi mét Ký hiệu m -8- Được định nghóa(từ năm) Chiều dài đường chuyền ánh Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Khối lượng Thời gian kilogam giây kg s Dòng điện ampe A Nhiệt độ nhiệt động Lượng vật chất kelvin K mol mol Cường độ sáng candela Cd sáng chân không khoảng thời gian 1/299792458s (1983) Mẫu cân platin-indi (1889) Khoảng thời gian 9192613770 chu kỳ xạ ứng với chuyển đổi mức siêu mịn trạng thái nguyên tử Cesium 133(1967) Lực 2.10-7 N mét dài dây dẫn mang điện chân không đặt cách mét (1946) 1/273.16 nhiệt độ nhiệt động điểm bội ba nước (1967) Lượng vật chất chứa 0.012 kg Cacbon 12 (1971) Cường độ sáng theo phương cho nguồn xạ đơn sắc có tần số 5401012 Hz cường độ lượng theo phương 1/683 w/ streradian 1.6 CÁC CHUẨN CHUYỂN ĐỔI: 1.6.1 Chuẩn đơn giản : Chuẩn đơn giản phép đo có đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo xác định sử dụng chuyển đổikhông nhạy với đại lượng ảnh hưởng không chịu tác động đại lượng Đây trường hợp đặc biệt đại lượng đo tónh, nghóa đại lượng có giá trị không đổi, thí dụ đo khoảng cách cố định chuyển đổimà thị không phụ thuộc vào nhiệt độ đại lượng ảnh hưởng, đo nhiệt độ không đổi cặp nhiệt … Trong điều kiện vậy, chuẩn chuyển đổichính kết hợp giá trị hoàn toàn xác định đại lượng đo với giá trị tương ứng đại lượng điện đầu Việc chuẩn tiến hành cách sau : Chuẩn trực tiếp: Các giá trị khác đại lượng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ xác cao Chuẩn gián tiếp: Sử dụng kết hợp chuyển đổicần chuẩn với chuyển đổiso sánh có sẵn đường cong chuẩn, hai đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai chuyển đổibằng giá trị đại lượng đo, ta nhận kết tương ứng chuyển đổiso sánh chuyển đổicần chuẩn Lặp lại tương tự với giá trị khác đại lượng đo cho phép xây dựng đường cong chuẩn cho chuyển đổi cần chuẩn 1.6.2 Chuẩn nhiều lần : Khi chuyển đổi có chứa phần tử có độ trễ (trễ học trễ từ ), giá trị đo đầu phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lượng cần đo đầu vào mà phụ thuộc giá trị trước đại lượng Trong trường hợp cần phải áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần tiến hành sau: -9- Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Đặt điểm chuyển đổi: Đại lượng cần đo đại lượng đầu có giá trị tương đương với điểm gốc, m= s = Dựng lại đại lượng đầu cách lúc đầu tăng giá trị đầu đại lượng cần đo đầu vào đến cực đại, sau giảm giá trị đo Các giá trị biết trước đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo hai hướng đo tăng dần giảm dần Các tính chất vật lý vật liệu chịu tác động đại lượng cần đo thông số định ảnh hưởng đến hồi đáp cảm biến Thí dụ điện dung chuyển đổitụ điện đo mức chất lỏng phụ thuộc vào chiều cao chất lỏng mà phụ thuộc số điện môi ε Điện trở đầu đo nhiệt độ bề mặt vật hàm nhiệt độ bề mặt chất lớp vật liệu nằm bề mặt đó, giãn nở lớp vật liệu gây nên ứng lực cho cảm biến Trong trường hợp tương tự vậy, cần phải tiến hành chuẩn chuyển đổiriêng biệt với loại vật liệu 1.7 NHIỄU ĐO: Nhiễu định nghóa tín hiệu không mong muốn làm mờ hay làm biế dạng tín hiệu quan sát Nhiễu chia làm hai lọai : Nhiễõu nội Nhiễu truyền dẫn 1.7.1 Nhiễõu nội Nhiễu nội phát sinh không hoàn thiện việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu cảm biến…, đáp ứng bị méo so với dạng lý tưởng Sự méo tín hiệu có tính hệ thống ngẫu nhiên Dạng tín hiệu liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính đặc tính động cảm biến Từ cảm biến, tín hiệu khuếch đại chuyển đổi thành dạng số không biểu thị độ lớn đặc tính phổ mà theo độ phân giải số Khi tăng độ phân giải số trị số bit có trọng số thấp giảm Điện áp lệch đầu vào dòng điện phân cực bị trôi Tín hiệu nhiễu (điện áp dòng điện) chế vật lý xảy điện trở transistor sử dụng để chế tạo mạch Một nguyên nhân gây nhiễu tính chất rời rạc dòng điện, dòng điện dòng điện tích chuyển động, điện tích mang giá trị xác định Ở mức nguyên tử dòng điện linh động, chuyển động chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Giá trị quân phương điện áp nhiẽu tính theo công thức : − e = 4k * TR∆f (V / Hz ) Trong k số Boltzmam :k = 1.3810-23(J/K) T nhiệt độ tuyệt đối (oK) R điện trở(Ω) F độ rộng dải tần(Hz) Ở nhiệt độ phòng nhiễu điện trở tạo nên tính e = 0.13 R Nguồn nhiễu dòng điện xoay chiều biểu diễn tạp xoay chiều tạo nên dòng điện chiều tạp chất bán dẫn Khi dòng điện phân cực tăng nhiễu tăng chất bán dẫn FET CMOS có dòng điện nhiễu nhỏ Nguồn nhiễu điện áp dòng điện có mật độ phổ thấp tỉ lệ với 1/ f, gọi tạp hồng giống phía màu đỏ phổ ánh sáng nhìn thấy có bước sóng thấp Nhiễu 1/ f phát sinh vật dẫn Ở tần số thấp tác nhiễu 1/ f với ảnh hưởng trôi điện áp chiều Đôi gọi nhiẽu 1/ f nhiễu thăng giáng, xảy tần số 100 Hz vùng hoạt động cảm biến Do tiến công nghệ chế tạo vật liệu bán - 10 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n dẫn người ta giảm nhiễu 1/ f đáng kể chế tạo mạch phải sử dụng màng kim loại điện trở dây cuốn, vấn đề gây nhiễu đáng kể Đây thuộc tính thiết bị tách sóng, dò hay khuếch đại điện tử Nhiễu nội khắc phục giảm xuống mức tối thiểu 1.7.2 Nhiễu truyền dẫn : Nguồn nhiễu Quá độ nguồn nuôi Từ trường, tónh điện Trường điện từ tần số radio Mạch phối hợp Điện dung Từ trường Môi trường Máy thu Phần tử cảm nhận Điện trở Điện dung Bộ tiền khuếch Hình1.9- Sơ đồ khối nguồn nhiễu mạch phối hợp với máy thu Để chống nhiễu ta dùng kỹ thuật vi sai phối hợp chuyển đổitừng đôi, tín hiệu hiệu hai tín hiệu Một chuyển đổigọi chuyển đổichính chuyển đổichuẩn đặt chắn Nhiễu Y1 Bộ cảm biến Y1 – Y2 Y2 Bộ cảm biến chuẩn Hình 1.10-Kỹ thuật vi sai Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng biện pháp trình bày bảng sau: Bảng 1.3 Các biện pháp giảm nhiễu Nguồn nhiễu Nguồn 50Hz Nguồn 100Hz 150 Hz máy biến áp bị bão hoà Đài phát Tia lửa chuyển mạch Độ lớn 100pA 3µV 0.5µV 1mV 1mV Biện pháp khắc phục Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Lọc nguồn Bố trí linh kiện hợp lý Màn chắn Lọc, nối đất,màn chắn Dao động 10pA Dao động cáp nối 100pA Bảng mạch 0.01-10pA Ghép nối khí, không để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi Sử dụng cáp nhiễu(điện môi tẩm Cacbon) Lau sạch, dùng cách điện Teflon - 11 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n 2.8 Cảm biến Khái niệm Cảm biến linh kiện dùng để phát đánh giá đại lượng vật lý gởi đến phận điều khiển khai thác Mọi cảm biến gồm có hai phần : Phát thay đổi ( phần tử nhạy ) đại lượng vật lý cần phát Tạo truyền thông tin xử lý tín hiệu điện Người ta phân loại cảm biến việc theo đại lượng vật lý cần phát ( phần tử nhạy ) tín hiệu phát tiếp cận, vị trí, từ trường, nhiệt độ, ánh sáng, áp suất… , theo loại tín hiệu mà cảm biến phát ( tín hiệu truyền ) : Tín hiệu có không ( TOR ) : Thường dùng loại tín hiệu phát tiếp cận, vị trí… Tín hiệu tương tự : Thường dùng loại tín hiệu phát nhiệt độ, ánh sáng, áp suất….dưới dạng tín hiệu nằm hai giới hạn Ví dụ : phận phát nhiệt - 12 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Tín hiệu số : Thường dùng loại tín hiệu phát góc quay, mã vạch… Bộ cảm biến phát tiếp điểm vị trí Các đặc điểm Đối tượng cần phát tiếp xúc với thiết bị Chuyển động gây nên thay đổi tiếp điểm điện Tín hiệu kiểu TOR Công tắc vị trí thường sử dụng cảm biến điện có chức cung cấp thông tin điện ( ) tác động Phân loại Có nhiều loại công tắc vị trí, tuỳ theo vấn đề đặt sử dụng ( kích cỡ, nguồn gốc chuyển động cần quan tâm ) điều kiện sử dụng chúng ( khắc nghiệt môi trường, nơi bị ăn mòn dể nổ ) Các loại công tắc vị trí : Loại có đầu di chuyển thẳng : Loại thiết bị điều khiển : - 13 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Loại có đầu chuyển động xoay : Cách lắp đặt Bộ cảm biến công tắc vị trí mắc nối tiếp nguồn cung cấp đầu vào điều khiển Sự tác động cảm biến công tắc vị trí làm cực modul đầu vào tác động tín hiệu lưu giữ xử lý aptomat lập trình Công tắc vị trí công tắc TOR (đóng mở ) chuyển mạch điện Bộ cảm biến nối với phần điều khiển hai dây Nguồn cung cấp cho aptomat lập trình thường 24 VDC - 14 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Bộ cảm biến phát tiếp cận Các cảm biến phổ biến có nhiều ứng dụng, cần phát mà không tiếp xúc trực tiếp với diện phần tử Các phát cung cấp tín hiệu điện ( ) phát đối tượng Các đặc điểm : Không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng cần phát Không mòn, có khả phát đối tượng dể vỡ, sơn Bộ phát đặt cố định, chi tiết di động Tuổi thọ phụ thuộc vào số lần tác động Sản phẩm hoàn toàn kín đặt hộp nhựa Chịu đựng tốt môi trường công nghiệp, không khí ô nhiễm Đối với phát điện cảm dùng cho đối tượng kim loại: dựa vào biến thiên trường điện từ đối tượng kim loại đến gần Phân loại : Gồm loại sau : Cách lắp đặt Tuỳ thuộc loại cảm biến ta có cách lắp đặt khác nhau, sau số sơ đồ : Loại hai dây : - 15 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Với loại hai dây dùng nguồn trực tiếp, cảm biến tác động tải cấp nguồn điện áp trực tiếp qua dây truyền tín hiệu Với loại hai dây dùng nguồn 24VDC qua optron để cách ly điện áp, cảm biến tác động làm led hồng ngoại cấp nguồn qua dây truyền tín hiệu, phát tín hiệu qua Transistor thu ( loại NPN, PNP Rơle ) cấp tín hiệu tác động mạch điều khiển cho aptomat lập trình… Loại ba dây : Tương tự loại hai dây nguyên lý, dây thứ ba dùng làm dây cấp nguồn mạch hoạt động ổn định hơn, chống nhiễu tốt Loại dây : thực chất loại cảm biến dây có thêm dây phụ dùng để truyền tín hiệu bổ xung ( NOT dây truyền tín hiệu ) Nhận xét Với loại dây ( dùng Optron ) đầu dây tín hiệu có kiểu : o Mô hình NPN : chuyển điện ( + ) đến tải ( hay thiết bị điều khiển ) o Mô hình PNP : chuyển điện ( - ) đến tải ( hay thiết bị điều khiển ) o Mô hình dùng Rơle : đóng cắt tiếp điểm rơle cho tải ( hay thiết bị điều khiển ) Do cần phải lựa chọn kiểu tín hiệu phù hợp theo logic đầu vào thiết bị điều khiển Bộ cảm biến phát Quang - Điện Đặc điểm Còn gọi hàng rào ánh sáng, kỹ thuật điện tử cung cấp thông tin ( ) chùm tia phát tia bị vật cản tác động tới phần nhận Thường ứng dụng nhiều thiết bị báo động, chống trộm, điều khiển từ xa… Phân loại Gồm loại sau - 16 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Modul phát thu độc lập Modul phát thu phần tử : Ngoài người ta phân loại theo kiểu phát che chắn chùm tia phát : Cảm biến phát chùm tia phản xạ đưa Cảm biến phát chùm tia phản xạ chiếu mạnh đưa Cảm biến phát có thay đổi chùm tia phản xạ so với chùm tia phát môi trường phát tia Cách lắp đặt Tuỳ thuộc loại cảm biến ta có cách lắp đặt khác nhau, sau số sơ đồ : Với loại modul phát thu độc lập : cần dùng hai nguồn điện áp cho phát thu, đầu dây thu dây tín hiệu nối kết với tải có thêm dây kết nối thiết bị báo động - 17 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Với loại modul phát thu phần tử : kết nối đơn giản hình vẽ : Ứng dụng Bộ cảm biến nhiệt độ ( thermocoupler ) Đặc điểm Dùng phát thay đổi nhiệt độ thiết bị điều khiển nhiệt độ lò sấy, nhiệt độ phòng….cung cấp thông tin theo dạng tín hiệu tương tự (analog ) giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ - 18 - Giáo Trình o Lư ng Khơng i n Phân loại Gồm loại Hai đầu dây Ba đầu dây Ngo ài phâ n biệt theo nguyên lý hoạt động Nhiệt điện trở kim loại : thông thường ký hiệu Pt 100Ù, có giá trị địên trở 100Ù 0 C nhiệt độ tăng giá trị điện trở tăng theo lượng tương ứng, ứng dụng đo nhiệt độ khoảng -2000C đến 4500C Cặp nhiệt điện ( thermocouples ) Tạo điện tiếp xúc hai kim loại từ đến 75µV/0K Ví dụ cặp nhiệt điện NiCr - NiAl : Khi nhiệt độ khoảng 10000C điện áp sinh hai cực cặp khoảng 400mV Vậy trung bình 40µV/0K Cảm biến nhiệt độ - điện áp : Ứng dụng thay đổi điện áp Transistor theo nhiệt độ, người ta chế tạo số mạch IC có điện áp đầu tỷ lệ với nhiệt độ môi trường xung quanh mạch Ví dụ LM35 : Khi nhiệt độ 00C đầu 0V Nhiệt độ thay đổi 10C điện áp thay đổi 10mV Phạm vi làm việc 550C đến 1500C Nếu Tmin < phải có thêm nguồn –VS điện trở R thoả mãn điều kiện : VS > 10Tmin R < VS/50µA - 19 - ... nguyên lý hoạt động phương pháp đo 1.5 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Trong trình đo , ta tránh khỏi sai số sai số xảy kỹ thuật đo lường , sai số nhiều nguyên nhân đo lường đo trị số xác cách tuyệt đối mà... pháp đo lường gián tiếp , đại lượng đo biết kết thông qua đại lượng đo khác , mà thiết bị đo đo đại lượng đo khác phương pháp trực tiếp Như đại lượng cần đo phải có tương quan với đại lượng đo. .. LƯỜNG Trong kỹ thuật đo lường chia phương pháp đo lường cách tổng quát : Phương pháp đo lường trực tiếp Phương pháp đo lường gián tiếp 1.5.1 Phương pháp đo lường trực tiếp Với phương pháp đo lường