Thiết kế hệ thống đa kênh tự động đo và giám sát các tham số của chất lưu

Tổng quan về cấu trúc phương tiện đo, sai số đo và các phương pháp hiệu chỉnhsai số, từ đĩ xác định được hướng nghiên cứu là áp dụng hiệu chỉnh phi tuyến hàmbiến đổi của phương tiện đo b

Trang 1

§¹I HäC TH¸I NGUY£N TR¦êNG §¹I HäC Kü THUËT C¤NG NGHIƯP

-LUËN V¡N TH¹C Sü Kü THUËT

THIÕT KÕ HƯ THèNG §A K£NH Tù

§éNG §O Vµ GI¸M S¸T C¸C THAM Sè

CđA CHÊT L¦U

Ngµnh: Kü THUËT §IƯN Tư Häc viªn: TRÇN V¡N TR×NH Ngêi híng dÉn khoa häc: TS PH¹M NGäC TH¾N

TH¸I NGUY£N - 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

http://lrc.tnu.edu.vn/

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tơi là: Trần Văn Trình

Học viên lớp Cao học khố 13 - Kỹ thuật điện tử - Trường Đại học Kỹ thuậtCơng nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Xin cam đoan đề tài: “Thiết kế hệ thống đa kênh tự động đo và giám sát

các tham số của chất lưu” được sự hướng dẫn của TS Phạm Ngọc Thắng

-Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.

Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như trong đềcương và chưa từng được ai cơng bố Các tài liệu tham khảo đều cĩ nguồn gốc,xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012

Học viên

Trần Văn Trình

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tơi đã nhận được

sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cơ giáo trong bộ mơn Điện tử viễn thơng Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Đại học Thái Nguyên Tơixin bày tỏ lịng biết ơn đến với các thầy giáo, cơ giáo và khoa Sau đại học vì sự giúp

-đỡ tận tình này Tơi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Phạm Ngọc Thắng – Trường

Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi trong thờigian thực hiện đề tài này Tơi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn

bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệmthực tế của bản thân cịn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sĩt Vì vậy, tơirất mong nhận được sự đĩng gĩp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các bạn đồngnghiệp

Tơi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Trần Văn Trình

Trang 4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO THÔNG SỐ CHẤT LƯU,

SAI SỐ ĐO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH SAI SỐ

4

1.1 Tổng quan về phương pháp đo lường các đại lượng không điện 4 1.2 Sai số của phương pháp đo (PPĐ) không điện 13 1.3 Hiệu chỉnh sai số của phương tiện đo không điện bằng phương pháp

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỦ LÝ THÔNG TIN ĐO

2.1 Một số phương pháp xử lý thông tin đo bằng nội suy 33

2.3 Thuật toán hiệu chỉnh sai số đo bằng nội suy spline 40 2.4 Thuật toán kết hợp phương pháp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế

tiếp và nội suy spline

Trang 5

3.1 Các phương án thiết kế phần cứng cho thiết bị đo chất lưu 50 3.2 Thiết bị đo chất lưu ứng dụng hiệu chỉnh sai số bằng phương pháp kết

hợp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy spline

62

3.3 Thuật tốn, chương trình thu thập, xử lý và chỉ thị kết quả đo 72

DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

KẾT QUẢ KHẢO SÁT PTĐ CHẾ THỬ

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ADC: Bộ biến đổi tương tự - số

BCĐĐSC: Bộ chuyển đổi đo sơ cấp

BCĐĐTC: Bộ chuyển đổi đo thứ cấp

BĐĐLSC: Biến đổi đo lướng sơ cấp

BĐTT-S: Biến đổi tương tự-số

BĐN: Biến đổi ngược

BĐT: Biến đổi thuận

BĐTG-X: Bộ biến đổi thời gian xung

KĐTHHC: Khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh

KTTTĐ: Kênh truyền thông tin đo

PTĐ: Phương tiện đo

PTĐS: Phương tiện đo số

PTĐTC: Phương tiện đo thứ cấp

Trang 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 So sánh cấu hình giữa các loại vi điều khiển 51

Bảng 3.4 Bảng các thanh ghi cĩ liên quan đến cổng C 55

Bảng 3.6 Bảng Các thanh ghi liên quan cổng E 56

Bảng 3.10 Các thanh ghi liên quan đến timer3 58Bảng 3.11 Kết quả kiểm tra đo lường nhiệt độ 81

Trang 8

Hình 1.3 Cấu trúc của PTĐ các đại khơng điện theo kiểu biến đổi cân bằng 8

Hình 1.5 Phân loại BCĐ ĐSC đo các đại lượng khơng điện 11

Hình 1.7 Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vịng kín 19Hình 1.8 Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vịng hở 20

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược 22Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược tự hiệu chuẩn 23Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược tự động điều chỉnh 24Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp dùng mẫu 26Hình 1.14 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi lặp 27Hình 1.15 Các phương pháp biểu diễn hàm biến đổi của BCĐĐSC 28Hình 1.16 Cấu trúc PTĐ với xử lý tín hiệu tương tự 30

Hình 2.1 Sơ đồ khối phương tiện đo khơng điện hiện số 42Hình 2.2 Lưu đồ thuật tốn đo các đại lượng khơng điện bằng nội suy bậc 2 43Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn xử lý thơng tin đo bằng nội suy spline bậc 3 45

Trang 9

Hình 3.6 Đường đặc tính điện áp ngõ ra analog 62Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống đa kênh đo và giám sát các tham số của

chất lưu

63

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính 70

Hình 3.21 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính của thiết bị đo chế thử 73Hình 3.22 Lưu đồ thuật tốn chương trình con xử lý dữ liệu nhiệt độ 74Hình 3.23 Lưu đồ thuật tốn tìm nút nội suy thứ cấp 75Hình 3.24 Thuật tốn chương trình con giải phương trình bậc nhất và bậc hai 76

Hình 3.26 Thuật tốn chương trình con xử lý dữ liệu 78

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, để đo và giám sát các tham số của chất lưu rất quan trọng trongnhiều quy trình cơng nghệ thuộc các lĩnh vực ứng dụng khác nhau như nhiệt kỹthuật, dầu khí, hĩa chất, khai thác khống sản, … Đo được chính xác các tham sốcủa chất lưu gĩp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định, độ tin cậy và duy trì đượctính năng của các trang thiết bị kỹ thuật trong dây chuyền cơng nghệ Ví dụ như đolưu lượng, vận tốc, nhiệt độ, áp suất của mơi chất lạnh trên đường ống dẫn của hệthống điều hịa khơng khí cơng nghiệp để đánh giá hệ thống cĩ làm việc đúng theođiều kiện cho phép khơng; đo nhiệt độ, áp suất của dầu trong máy ép nhựa; đo độbiến dạng và áp suất của lốp xe để kiểm tra độ an tồn khi hoạt động của xe tảinặng, máy bay; đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và vận tốc của nước trong hệ thốngđiều hịa water chiller để điều khiển máy nén và bơm đĩng cắt theo đúng nhiệt độđặt; đo nhiệt độ, độ ẩm của khí quyển giúp cho dự báo thời tiết và khí hậu; đo nhiệt

độ, áp suất, lưu lượng luồng khí giúp cho cảnh báo cháy nổ trong hầm lị khai tháckhống sản, Như vậy, lĩnh vực ứng dụng đo và giám sát các thơng số của chấtlưu là rất đa dạng và cần thiết trong rất nhiều ngành khoa học khác nhau

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

Các tham số của chất lưu là nhĩm các đại lượng khơng điện (đại lượng vec tơhoặc vơ hướng) Trong thực tế để nâng cao độ chính xác của phép đo các đại lượngnày, người ta sử dụng hai nhĩm giải pháp: cơng nghệ, cấu trúc Trong điều kiệnViệt Nam hiện nay thì giải pháp cấu trúc là khả thi hơn cả, vì nĩ vừa nâng cao độchính xác các phép đo, vừa giảm được chi phí đầu tư Trong đo lường khơng điện,vấn đề giảm sai số phi tuyến của phương tiện đo là nhiệm vụ quan trọng Đây là nộidung luận văn đi sâu nghiên cứu và phát triển nhằm đa dạng hĩa các giải pháp giảmsai số của phương tiện đo

Trang 11

b Ý nghĩa thực tiễn

Trong thực tế hiện nay, lĩnh vực đo lường và điều khiển địi hỏi tốc độ xử lý, độchính xác cao và khả năng thay đổi linh hoạt phần cứng của hệ thống Hiện nay cácthiết bị đo lường, giám sát và điều khiển ở Việt nam đa số là nhập ngoại Do đĩ, giáthành đắt và khơng chủ động về cơng nghệ nên sẽ khĩ xử lý khi gặp sự cố Chính vìvậy, việc nghiên cứu tạo ra các thiết bị đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác, tốc

độ cao và điều khiển linh hoạt để thay thế cho các thiết bị nhập ngoại là điều rất cầnthiết hiện nay Ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đề tài sẽ thiết kế, chế tạothiết bị đo và giám sát các tham số của chất lưu Ngồi việc minh chứng tính đúngđắn của hướng nghiên cứu, khẳng định độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu; đề tàicịn là một đĩng gĩp ban đầu làm cơ sở cho việc chế tạo phương tiện đo đa năng,thay thế một phần các thiết bị ngoại nhập Như vậy, ta sẽ chủ động về cơng nghệ,thuận lợi trong việc vận hành khai thác và bảo trì, giá thành rẻ

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn và mơ phỏng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu;thiết kế, chế tạo phương tiện đo thử nghiệm

+ Xây dựng cấu trúc phần cứng phương tiện đo sử dụng vi điều khiển PIC

+ Xây dựng chương trình xử lý thơng tin đo, xử lý và hiển thị kết quả đo

+ Hiệu chuẩn và đánh giá kết quả của phương tiện đo chế thử

Trang 12

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm 3 chương:

- Chương I: Cơ sở lý thuyết về đo thơng số chất lưu, sai số đo và các phương pháphiệu chỉnh sai số

Tổng quan về cấu trúc phương tiện đo, sai số đo và các phương pháp hiệu chỉnhsai số, từ đĩ xác định được hướng nghiên cứu là áp dụng hiệu chỉnh phi tuyến hàmbiến đổi của phương tiện đo bằng nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nộisuy spline phù hợp với đặc tính biến đổi của chuyển đổi đo sơ cấp

- Chương II: Xây dựng thuật tốn xỷ lý thơng tin đo bằng nội suy Spline

Phân tích một số phương pháp hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi bằng thay thếhàm biến đổi bằng biểu thức tốn học bậc nhất, bậc hai theo phương pháp bìnhphương cực tiểu, nội suy spline bậc 3 Mơ phỏng so sánh các phương pháp để khẳngđịnh kết quả nghiên cứu

- Chương III: Thiết kế hệ thống đo đa kênh đo các tham số của chất lưu

Thiết kế phương tiện đo đa kênh thử nghiệm ứng dụng các phương pháp hiệuchỉnh phi tuyến hàm biến đổi của phương tiện đo trên cơ sở nội suy bậc 2 qua 3điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy spline bậc 3 Phương án thực hiện là xử lý số thứcấp

Trang 13

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO THƠNG SỐ CHẤT LƯU, SAI SỐ ĐO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH SAI SỐ

1.1 Tổng quan về phương pháp đo lường các đại lượng khơng điện

1.1.1 Phép đo các đại lượng khơng điện

Các đại lượng khơng điện và theo xu hướng chung hiện nay, chúng thườngđược đo bằng phương pháp điện Khi đĩ cần cĩ các bộ biến đổi đo lường sơ cấp(BĐĐLSC) để biến đổi chúng thành đại lượng điện và sử dụng các thiết bị đo điện

để đo và hiển thị kết quả Quá trình biến đổi ở các bộ BĐĐLSC với mỗi đại lượngkhơng điện cần đo là khác nhau và thường được xác định bằng thực nghiệm [1],[2], [4], [5], [15], [20] Chúng được mơ tả dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểuthức tốn học và được gọi chung là hàm biến đổi của BĐĐLSC

Để nghiên cứu một cách sâu sắc và tồn diện các đại lượng khơng điện cần phân loại chúng Cĩ nhiều cách phân loại, nhưng trong kỹ thuật đo lường thường phân loại dựa trên bản chất vật lý của chúng khi tác động lên đầu vào của phương tiện đo (PTĐ) Theo đĩ chúng được chia thành hai nhĩm chính:

Nhĩm các đại lượng khơng điện vơ hướng và cĩ hướng [22], [23], [29]

Nhĩm các đại lượng khơng điện vơ hướng bao gồm những đại lượng cĩ đặctrưng chỉ là độ lớn (giá trị theo đơn vị đo) và giá trị của chúng trên mọi hướng lànhư nhau Các đại lượng thuộc nhĩm này như khối lượng, độ ẩm, nhiệt độ, …Trong đĩ nhiệt độ được coi là đại lượng khá điển hình do vai trị rất quan trọng củachúng trong nhiều lĩnh vực

Nhĩm các đại lượng khơng điện cĩ hướng (véc tơ) bao gồm những đại lượng

cĩ độ lớn phụ thuộc vào phương và chiều Khi đo, chúng tác động lên đầu vào PTĐtheo một hướng nào đĩ Đặc điểm của các đại lượng này là cĩ tính chất "cộng"được, tức là: Khi hai đại lượng tác động cùng chiều thì chúng được cộng với nhau

và khi tác động ngược chiều thì chúng trừ nhau; cịn khi tác động lệch gĩc với nhauthì tác động tổng cộng của chúng được xác định theo quy tắc hình bình hành Cácđại lượng thuộc nhĩm này khá đa dạng như vận tốc, gia tốc, lực, áp suất …

Trang 14

Các đại lượng khơng điện đa dạng về tính chất lý hĩa nên khi đo chúng, cách

đo và cách thể hiện sự tác động lên đầu vào PTĐ cũng khác nhau Để thiết kế đượcPTĐ các đại lượng khơng điện cĩ độ chính xác cao cần phải hiểu rõ đặc điểm, tínhchất và quy luật biến đổi của chúng

1.1.2 Khái quát về phép đo và PTĐ đại lượng khơng điện

1.1.2.1 Khái quát về phép đo các đại lượng khơng điện [2], [4], [5]

Quá trình sử dụng phương tiện đo để đánh giá định lượng một hoặc một số đạilượng khơng điện để cĩ kết quả bằng số theo thứ nguyên của đại lượng cần đo gọi

là phép đo các đại lượng khơng điện Kết quả của phép đo X kq là một giá trị bằng số

của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X 0 Như vậy X kq chỉ rõ đại lượng đo lớn hơnhay nhỏ hơn bao nhiêu lần đơn vị của nĩ và quá trình đo cĩ thể viết dưới dạng:

Từ đĩ ta cĩ:

X = X kq X 0 (1.1)

Cơng thức (1.1) biểu diễn sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kếtquả bằng số Từ đĩ ta cũng thấy rằng khơng phải bất kỳ đại lượng khơng điện nàocũng đo được theo (1.1) vì khơng phải bất kỳ đại lượng nào cũng cho phép so sánhvới giá trị của nĩ mà cần phải cĩ quá trình biến đổi trung gian Để thực hiện phép

đo cần căn cứ vào đối tượng đo, điều kiện đo, PTĐ và yêu cầu về độ chính xác củakết quả

Trong đo lường các đại lượng khơng điện ta cĩ thể sử dụng nhiều cách khácnhau như sau:

 Đo trực tiếp: Là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất.Dụng cụ đo sử dụng để thực hiện phép đo thường tương ứng với đại lượng cần đo Cách đo này được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều phép đo như: đo nhiệt độ dùng nhiệt kế, đo áp suất dùng áp kế, …

 Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả của phép đo được suy ra từ sự phối hợpcủa nhiều phép đo trực tiếp Ví dụ: Đo khối lượng riêng hơi nước, độ nhớt của chất

Trang 15

lỏng thông qua các phép đo trực tiếp nhiệt độ, áp suất; đo lưu lượng thông qua cácphép đo áp suất chênh lệch, …

Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn là tổng sai số của các phép đotrực tiếp Tuy nhiên có một số đại lượng không thể đo trực tiếp được mà bắt buộcphải sử dụng cách đo gián tiếp Vì vậy, giảm và loại trừ sai số trong phép đo giántiếp là vấn đề cần được đầu tư nghiên cứu

 Đo hợp bộ: Là cách đo có nguyên tắc tương tự như phép đo gián tiếp nhưng

số lượng phép đo theo cách trực tiếp nhiều hơn và thường phải giải một phươngtrình hay hệ phương trình để tìm kết quả

 Đo thống kê: Là cách đo (trực tiếp hoặc gián tiếp) được thực hiện nhiều lầnsau đó lấy giá trị trung bình các kết quả đo Cách đo này nâng cao được độ chínhxác nhưng mất thời gian nên thường chỉ sử dụng trong một số trường hợp như: yêucầu về độ chính xác của kết quả, tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độchính xác của dụng cụ đo

1.1.2.2 Khái quát về PTĐ các đại lượng không điện

a Cấu trúc của PTĐ các đại lượng không điện

Cấu trúc tổng quát của PTĐ đo các đại lượng không điện có dạng như hình 1.1gồm BĐĐLSC, kênh truyền thông tin đo (KTTTĐ), phương tiện đo thứ cấp(PTĐTC) và bộ chỉ thị (BCT)

Đại lượng không điện cần đo X qua BĐĐLSC cho ra đại lượng Y; khâu ghép tín

hiệu từ đầu ra của BĐĐLSC tới PTĐTC được biểu diễn bởi khối KTTTĐ và biến đại

lượng Y trở thành Y ' Quan hệ giữa Y ' , Y với X thường là phi tuyến và được biểu diễn

Trang 16

PTĐTC thực hiện biến đổi đại lượng Y thành N để đưa ra kết quả đo trên BCT và PTĐTC phải thực hiện theo cách nào đĩ để mối quan hệ chung giữa N và X

- Tốc độ đo lớn (hàng trăm triệu phép đo thực hiện trong 1 giây)

- Độ chính xác và độ nhạy cao, khơng cĩ sai số chủ quan do con người gây ra

- Cĩ thể tự động hĩa quá trình gia cơng thơng tin đo, hiệu chỉnh sai số đo

- Kết quả đo ở dạng số nên rất thuận tiện cho việc lưu trữ, truyền đi xa và xử

(HTS) Đại lượng cần đo X sau khi qua BĐĐLSC được biến đổi thành đại lượng điện,

qua một hoặc một số khâu biến đổi trung gian cuối cùng được hiển thị kết quả trênHTS PTĐ cấu trúc kiểu này cĩ ưu điểm là đơn giản, mức tác động nhanh nhưng độchính xác khơng cao lắm

Trang 17

Cấu trúc PTĐ số theo kiểu biến đổi cân bằng phức tạp hơn do cĩ thêm khâuphản hồi để thực hiện so sánh như hình 1.3 Ngồi các khối như hình 1.2 cĩ thêm

khối biến đổi ngược (BĐN) và so sánh (SS) để thực hiện so sánh đại lượng Y với đại lượng Y m cùng loại sao cho Y luơn bằng 0 (trạng thái cân bằng) PTĐ cấu trúc

kiểu này cho độ chính xác cao nhất hiện nay nhưng khĩ chế tạo và độ chính xác phụthuộc lớn vào khâu BĐN

Tham số cơ bản của PTĐ các đại lượng khơng điện phụ thuộc chủ yếu vào các

bộ BĐĐLSC Các khối cịn lại chỉ cĩ nhiệm vụ gia cơng, xử lý thơng tin đo lường

và hiển thị kết quả

b Các tham số cơ bản của PTĐ [2], [4], [5]

Khi khảo sát hoặc đánh giá một PTĐ ta cần quan tâm đến một số tham số cơbản sau đây:

 Hàm biến đổi tổng quát của PTĐ

Theo sơ đồ cấu trúc hình 1.1, BĐĐLSC thực hiện biến đổi đại lượng khơngđiện đầu vào thành đại lượng điện đầu ra theo một quan hệ hàm đơn trị KTTTĐ

Trang 18

gồm các khâu truyền dẫn và biến đổi tín hiệu trung gian từ BĐĐLSC tới PTĐTC.Nếu chưa tính tới sai số của KTTTĐ và PTĐTC thì hàm biến đổi tổng quát củaPTĐ chính là (1.2)

Để cĩ được (1.2) phải tiến hành thực nghiệm để tìm mối quan hệ giữa X và Y.

Mối quan hệ này thường là phi tuyến nhưng cần phải tuyến tính hĩa nĩ để nâng cao

độ chính xác của PTĐ và thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo ở PTĐTC Việc tuyếntính hĩa thơng thường được các nhà chế tạo thực hiện bằng cơng nghệ điện tử trongquá trình chế tạo [12], [13], [14], [16], [18], [19] hay sử dụng các thuật tốn ứngdụng mạng neutral [6], [9] Nếu khơng tính tới sai số của phần thứ cấp thì hàm biếnđổi tổng quát của PTĐ cĩ dạng lý tưởng:

Trong trường hợp chung hàm biến đổi thực tế (1.2) cĩ đầy đủ các thành phầnsai số trên và cĩ thể mơ tả như hình 1.4

Trong thực tế hàm biến đổi của PTĐ cịn bao

gồm một loạt các tham số

danh định đặc tính khắc độ của PTĐ: a 1 , a 2 , , a n và

cĩ thể được mơ tả tổng quát như sau:

Y = f dđ (X, a 1 , a 2 , , a n ) (1.7)

Các tham số này chịu tác động của các yếu tố

ảnh hưởng của mơi trường ngồi như nhiệt độ, độ

ẩm, nhiễu tạp, gây sai lệch một cách cĩ hệ thống

và ngẫu nhiên đặc tính khắc độ của PTĐ Mặt khác hàm biến đổi của BĐĐLSCtrong trường hợp chung là phi tuyến [31] với các hệ số biến đổi thay đổi ngẫu nhiêntheo thời gian nên (1.7) cũng thường là một hàm phi tuyến Do đĩ các tham số của

Trang 19

đặc tính khắc độ cũng là một hàm ngẫu nhiên theo thời gian dạng a 1 (t), a 2 (t), ,

a n (t) Vì vậy hàm biến đổi thực tế của PTĐ cĩ thể được biểu diễn dưới dạng:

Y = f tt [X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] (1.8)

Để nâng cao độ chính xác của phép đo cần phải giảm hoặc loại trừ ảnh hưởng của

các tham số a 1 (t), a 2 (t), , a n (t), tuyến tính hố hàm biến đổi của PTĐ.

 Độ nhạy của PTĐ đặc trưng cho khả năng phép đo cĩ thể bắt nhạy với những thayđổi nhỏ của đại lượng cần đo Độ nhạy cĩ thể xác định qua cơng thức sau:

Sai số cơ bản là sai số gây ra do sự khơng hồn thiện của cấu trúc, sự yếu kémcủa cơng nghệ chế tạo

Sai số phụ là sai số gây ra do các điều kiện bên ngồi tác động lên khiBĐĐLSC làm việc trong mơi trường khác với điều kiện tiêu chuẩn

 Phạm vi đo là khoảng giá trị của đại lượng cần đo mà PTĐ cĩ thể đo được.Cùng với sai số, phạm vi đo cũng là một tham số quan trọng quyết định giá thànhcủa PTĐ

1.1.2.3 Phân loại PTĐ các đại lượng khơng điện

Cĩ nhiều cách phân loại các PTĐ như phân loại theo kiểu cấu trúc, phân loạitheo đại lượng cần đo, phân loại theo cơng nghệ, Tuy nhiên cách phân loại chitiết nhất là phân loại theo nguyên tắc chuyển đổi vật lý hoặc theo phương pháp đocủa BĐĐLSC [2], [4], [5] như hình 1.5 :

Trang 20

Hình 1.5: Phân loại BCĐ ĐSC đo các đại lượng khơng điện

 Phân loại dựa trên nguyên lý chuyển đổi :

- Chuyển đổi điện trở là các chuyển đổi làm việc dựa trên sự biến thiên của

điện trở Khi đại lượng đầu vào X tác động lên chuyển đổi làm thay đổi điện trở của

nĩ

- Chuyển đổi điện từ là các chuyển đổi làm việc dựa trên các quy luật về cảm

ứng điện từ Khi đại lượng đầu vào X tác động làm thay đổi các thơng số của mạch

từ như điện cảm, hỗ cảm, độ từ thẩm và từ thơng

- Chuyển đổi tĩnh điện là các chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng tĩnh

điện Khi đại lượng đầu vào X tác động lên chuyển đổi làm thay đổi điện dung hay

điện tích của nĩ

- Chuyển đổi hĩa điện là các chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng hĩa

điện Đại lượng đầu vào X tác động lên chuyển đổi làm thay đổi điện dẫn, điện cảm,

sức điện động hĩa điện

- Chuyển đổi nhiệt điện là các chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng nhiệt

điện Đại lượng đầu vào X tác động lên chuyển đổi làm thay đổi điện sức điện động

nhiệt điện hay điện trở của nĩ

Trang 21

- Chuyển đổi điện tử và ion là loại khi chịu tác động của đại lượng đầu vào Xthì dịng điện tử hay dịng ion chạy qua nĩ thay đổi.

- Chuyển đổi lượng tử dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và cộnghưởng từ điện tử

 Phân loại dựa trên tính chất nguồn điện :

- Chuyển đổi phát điện là loại biến đổi đại lượng đầu vào X thành các đại

lượng đầu ra dạng điện áp hoặc sức điện động hoặc dịng điện

- Chuyển đổi thơng số là loại biến đổi đại lượng đầu vào X thành các đại lượng

đầu ra là điện cảm, hỗ cảm hoặc điện dung,

 Phân loại theo phương pháp đo:

- Chuyển đổi biến đổi trực tiếp là các chuyển đổi biến đổi trực tiếp đại lượng

cần đo X thành đại lượng điện

- Chuyển đổi bù (so sánh) cĩ cấu trúc khối như hình 1.6

Đại lượng cần đo X được bù bởi đại lượng cùng loại X m do BĐN tạo ra:

X m = Y (1.11)

Độ sai lệch X giữa X và X m sau khi qua biến đổi thuận (BĐT) trở thành đại lượng Y:

Y = K(X-X m ) (1.12)Thay (1.11) vào (1.12) ta cĩ:

Nếu K rất lớn thì K >>1 và ta cĩ:

Biểu thức (1.13) cho thấy Y chỉ phụ thuộc

vào độ chính xác của BĐN Do vậy BĐT cĩ thể

rất phức tạp, qua nhiều khâu biến đổi nên sai số

cĩ thể lớn nhưng nếu đảm bảo hệ số K lớn thì sai

số của chuyển đổi bù sẽ rất nhỏ

BĐT

(K)

BĐN()

Trang 22

1.2 Sai số của phương pháp đo (PPĐ) khơng điện

1.2.1 Các thành phần sai số đo đại lượng khơng điện

Các thành phần sai số đo đại lượng khơng điện rất đa dạng và phức tạp Theoquy luật xuất hiện trong quá trình thực hiện phép đo (với PTĐ cĩ cấu trúc tổng quátnhư hình 1.1), thường được phân ra thành hai nhĩm chính là sai số hệ thống và sai

số ngẫu nhiên [2], [4], [5] Sai số hệ thống là một hàm xác định của các tham sốkhơng ngẫu nhiên và gây ra sự sai lệch giữa hàm biến đổi thực tế và hàm biến đổidanh định Về nguyên tắc, sai số hệ thống cĩ thể loại trừ được Sai số ngẫu nhiên làsai số khơng cố định được đánh giá theo quy luật xác suất và thống kê tốn học Cách phân loại trên đây đúng về mặt nguyên tắc, song khơng cho phép xâydựng mơ hình đánh giá và tính tốn sai số của PTĐ các đại lượng khơng điện ở chế

độ cơng tác (chế độ động) Vì vậy cần phân loại các thành phần sai số dưới gĩc độxem xét nguyên nhân và bản chất sinh ra chúng để từ đĩ tìm cách giảm hoặc loạitrừ Theo đĩ cĩ thể chia chúng ra thành ba nhĩm chính sau [22], [26]:

Nhĩm thứ nhất là nhĩm sai số cĩ nguyên nhân sinh ra do sự sai lệch giữahàm biến đổi danh định với hàm biến đổi tĩnh ở các điều kiện thường, ký hiệu là c.Các sai số này là hàm khơng ngẫu nhiên của đại lượng cần đo Để tổng hợp PTĐcác đại lượng khơng điện theo một cấu trúc nào đĩ, các sai số này là ngẫu nhiên vàphụ thuộc vào dung sai cho phép của tham số phần tử PTĐ và cơng nghệ sản xuấtchúng

Nhĩm thứ hai là một hàm xác định của các đối số ngẫu nhiên  Thực tế,chúng là các tham số khơng mang thơng tin của quá trình vào ảnh hưởng lên cáctham số của hàm biến đổi thực tĩnh; ví dụ như điện áp nguồn nuơi, các tham số mơitrường xung quanh PTĐ,

Nhĩm thứ ba là sai số gây ra do sự thay đổi ngẫu nhiên của tham số hàm biếnđổi thực tĩnh  Nhĩm này cĩ hai loại:

- Sai số là hàm tương quan yếu hay nĩi chung là hàm ngẫu nhiên khơng tương quan theo thời gian (phổ rộng); ví dụ như sai số do tạp âm riêng của các linh kiện bán dẫn trong PTĐ

Trang 23

- Sai số là hàm ngẫu nhiên tương quan mạnh (phổ hẹp) gần tần số 0; ví dụ nhưsai số do tham số của PTĐ trơi theo thời gian.

Đối với PTĐ các đại lượng khơng điện làm việc trong thực tế ta thường xemcác yếu tố  là hàm ngẫu nhiên theo thời gian và chúng được biểu diễn là a 1 (t), a 2 (t), , a i (t) trong (1.8) Tuy nhiên chỉ cĩ thể đánh giá sai số khi  được cho là các hàmxác định Việc xác định giới hạn thay đổi của  làm cho việc đánh giá sai số củaPTĐ khơng được chính xác

Mỗi tham số của hàm biến đổi thực tĩnh được xác định trong mối quan hệ phụthuộc của các tham số với nhau: Quá trình tương quan tq và khơng tương quan bq

trong PTĐ; các tham số ảnh hưởng 

Như vậy, sai số của PTĐ các đại lượng khơng điện cũng sẽ là một hàm ngẫunhiên theo thời gian và cĩ thể biểu diễn tổng quát:

 = F[X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] (1.14)Khi biết c và các tham số của hàm biến đổi là hàm ngẫu nhiên thì cĩ thể đánh

giá được  theo (1.14) Từ (1.7) và phân tích khái niệm c ở trên cĩ

thể suy ra được cơng thức:

Trong đĩ: là sự thay đổi tương đối của hệ số biến đổi a i , f là hàm biến đổi.

Trang 24

Để xác định giá trị sai số của PTĐ các đại lượng khơng điện thường sử dụnghai cách: Sai số quy về đầu ra và sai số quy về đầu vào Sai số quy về đầu ra đượcxác định bằng biểu thức:

Y = f tt [X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] - f dđ (X, a 1 , a 2 , , a n ) (1.18) Trong đĩ: f tt [X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] là hàm biến đổi thực tế của PTĐ, f dđ (X,

a 1 , a 2 , , a n ) là hàm biến đổi danh định của PTĐ.

Sai số quy về đầu vào hay chính là giá trị sai số của đại lượng cần đo trongphép đo tương ứng được xác định qua cơng thức sau:

X = f dđ -1 f tt [X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] - X (1.19) Trong đĩ: f dđ -1 f tt [X, a 1 (t), a 2 (t), , a n (t)] là hàm ngược đặc tính khắc độ củaPTĐ

Qua phân tích và từ các cơng thức (1.18) và (1.19) cho thấy sai số của PTĐtồn tại chủ yếu do hàm biến đổi phi tuyến và các hệ số biến đổi thay đổi dưới tácđộng của các yếu tố ảnh hưởng bên ngồi Do đĩ vấn đề đặt ra là cần tìm giải phápthích hợp để loại trừ hoặc giảm các thành phần sai số, tuyến tính hĩa quá trình biếnđổi để tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa bộ hiển thị với đại lượng cần đo Đâychính là mục tiêu nâng cao độ chính xác của PTĐ các đại lượng khơng điện nĩiriêng và PTĐ các đại lượng khơng điện nĩi chung

Để nâng cao độ chính xác của PTĐ thường sử dụng hai nhĩm phương pháp:Nhĩm các phương pháp cơng nghệ và nhĩm các phương pháp cấu trúc [16], [25].Nhĩm các phương pháp cơng nghệ nhằm làm tăng độ ổn định các tham số củađặc tính khắc độ theo thời gian Cĩ nghĩa là giảm thiểu sự sai lệch giữa các tham số

a 1 (t)-a 1, a 2 (t)-a 2 , , a n (t)-a n Ưu điểm của phương pháp này là loại bỏ được cấu trúc

dư trong PTĐ và cĩ độ tin cậy cao Thực tế của phương pháp cơng nghệ là chế tạoPTĐ từ các vật liệu, linh kiện được sản xuất với trình độ kỹ thuật cơng nghệ cao.Đây là nhĩm phương pháp kinh điển, đã và đang được nghiên cứu và ứng dụngrộng rãi Tuy vậy, với những địi hỏi hiện thời về độ chính xác của thiết bị là rất caothì việc chỉ sử dụng phương pháp này cũng khĩ mà đáp ứng được yêu cầu Ngồi

Trang 25

ra, phương pháp này rất tốn kém, đơi khi khĩ thực hiện; nhất là với điều kiện kinh tế

và cơng nghệ của một nước đang phát triển như Việt Nam

Nhĩm các phương pháp cấu trúc là đưa vào PTĐ một số khâu phụ nhằm biếnđổi thơng tin đo lường để phát hiện từ đĩ bù trừ các sai số phi tuyến; các kết quả đođược xử lý theo các thuật tốn riêng sẽ hạn chế được sai số Đặc điểm nổi bật củaphương pháp này là cĩ thể sử dụng các PTĐ đơn giản với độ tin cậy và độ ổn địnhkhơng cao mà vẫn đạt được độ chính xác theo yêu cầu nhờ một số biến đổi phụ vàthuật tốn xử lý kết quả đo

1.2.2 Sai số tổng cộng của PTĐ khơng điện

Sai số tổng cộng của PTĐ các đại lượng khơng điện gồm hai thành phần chính

là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Từ cấu trúc tổng quát của PTĐ đưa ra ở hình1.1 cho thấy: sai số tổng cộng của PTĐ sẽ là tổng sai số của BĐĐLSC, KTTTĐ vàsai số của PTĐTC Việc tính sai số tổng cộng là một vấn đề phức tạp và trong thực

tế, mỗi thành phần được xác định từ các phương pháp khác nhau Hiện nay, phươngpháp phổ biến nhất là tiến hành các thuật tốn logarit, vi phân theo các hệ số biếnđổi để xác định sai số hệ thống tổng cộng của PTĐ:

Đối với sai số do KTTTĐ, nguyên nhân gây ra sự thay đổi hệ số biến đổi trênđường truyền thơng tin chủ yếu do hai yếu tố Thứ nhất là ảnh hưởng của điện trởđường dây nối và sự thay đổi của nĩ khi nhiệt độ mơi trường thay đổi Thứ hai làảnh hưởng của hiện tượng ghép ký sinh do các tham số điện cảm, điện dung ngồi ý

Trang 26

muốn gây ra Ngoài ra còn một yếu tố phụ là nhiễu tác động lên đường truyền thôngtin đo.

Đối với yếu tố ảnh hưởng thứ nhất có thể sử dụng các sơ đồ dây bù để bù điện trởđường dây nối hay thiết kế các PTĐTC có trở kháng vào lớn (hàng trăm đến hàng ngànmêga ôm), còn sự thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi là sai số ngẫu nhiên vì nhiệt

độ môi trường là các yếu tố ngẫu nhiên Để loại trừ sai số này có thể sử dụng cácphương pháp cầu bù mắc chuyển đổi nhiệt phụ hay phương pháp biến đổi lặp lại (xử lýtín hiệu số) trong khoảng thời gian ngắn

Với các PTĐ có cấu trúc đơn giản và sử dụng công nghệ vi mạch để xử lýthông tin đo thì yếu tố thứ hai ảnh hưởng không nhiều và thường có thể bỏ quađược Còn với các PTĐ có cấu trúc phức tạp được ghép nối bởi nhiều khâu thì sai

số này là đáng kể, nhất là với các hệ thống đo xa Khi đó cần sử dụng các mạch lọcthích hợp để giảm hoặc loại trừ sai số này

Để giảm ảnh hưởng của nhiễu tác động trên đường truyền thông tin đo hiệnnay thường xây dựng PTĐTC theo kiểu biến đổi thời gian - xung [3] Với cácPTĐTC loại hiện số thì sai số gây ra chủ yếu do ảnh hưởng của bộ khuếch đại và sai

số lượng tử Các sai số này có thể được giảm hoặc loại trừ bằng các giải pháp nhưtăng độ phân giải, phân chia thang đo thích hợp và hiệu chuẩn sai số bằng cácphương pháp cấu trúc

Các thành phần sai số ngẫu nhiên của PTĐ các đại lượng không điện được xácđịnh thông qua các tham số toán học thống kê như: quy luật phân bố, kỳ vọng toánhọc, độ lệch bình phương trung bình và mức độ tương quan giữa các thành phần sai

số của các khối và các phần tử trong PTĐ [2], [4], [5]

Nếu sai số ngẫu nhiên độc lập hay có sự tương quan yếu thì sai số ngẫu nhiêntổng cộng được xác định như sau:

Trang 27

Với các thành phần sai số ngẫu nhiên tương quan mạnh, khi xác định sai sốngẫu nhiên tổng cộng phải tính đến hệ số tương quan Ví dụ với thành phần sai sốngẫu nhiên 1 và 2 ta cĩ sai số tổng được tính:

(1.22)

Trong đĩ: r là hệ số tương quan.

Xét một cách tổng quát thì việc cộng các sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiênphải thực hiện theo tổng hình học cĩ tính đến hệ số tương quan

Để giảm sai số hệ thống cĩ thể sử dụng phương pháp loại bỏ các nguyên nhângây sai số trước khi đo bằng cách sử dụng PTĐ cĩ cấp chính xác cao, đo trong điềukiện tiêu chuẩn, định kỳ kiểm tra kiểm định PTĐ, … [16] Đây cĩ thể coi là phươngpháp hợp lý nhất nhưng khơng phải lúc nào cũng thực hiện được trong thực tế kỹthuật vì phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào cơng nghệ chế tạo PTĐ, điều kiện

và mơi trường đo, … Ngồi ra, trong một số trường hợp, phương pháp thế hoặcphương pháp bù theo dấu cũng được sử dụng để giảm sai số hệ thống [9], [16] Một trong những phương pháp giảm sai số hệ thống được ứng dụng rộng rãihiện nay là hiệu chỉnh sai số của phương tiện đo bằng phương pháp cấu trúc Nhĩmphương pháp này rất đa dạng, đã được nghiên cứu phát triển từ rất sớm và đạt đượcnhiều thành tựu trong thực tế Kế thừa kết quả của các cơng trình trước, luận văn sẽ

đề xuất và nghiên cứu một phương pháp cấu trúc hiệu chỉnh phi tuyến giảm sai sốtrên cơ sở kết hợp nội suy bậc hai qua ba điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy Spline

1.3 Hiệu chỉnh sai số của phương tiện đo khơng điện bằng phương pháp cấu trúc

1.3.1 Tổng quan về hiệu chỉnh sai số của PTĐ

Hiệu chuẩn sai số đo là tập hợp các thao tác nhằm phát hiện, đánh giá sai số vàtạo ra tín hiệu hiệu chỉnh tương ứng tác động vào PTĐ, nhằm đạt đến độ chính xáccần thiết của PTĐ Bản chất của quá trình này là làm cho hàm biến đổi thực tĩnhtiến dần đến đặc tính biến đổi danh định nhờ tín hiệu hiệu chỉnh Tín hiệu này làhiệu giữa hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh định, tức là sai số củaPTĐ

Trang 28

Việc đánh giá sai số của PTĐ cĩ thể được thực hiện bằng tính tốn hay thựcnghiệm Đánh giá bằng thực nghiệm là phổ biến hơn do nĩ cho sai số tổng cộngkhơng phụ thuộc vào tính chất của PTĐ Xác định sai số bằng cách tính tốn thường

là cho kết quả khơng đầy đủ các thành phần trong sai số tổng cộng; bởi vì chỉ cĩ thểxác định được những thành phần sai số khi đã biết được sự phụ thuộc của chúng vàocác yếu tố ảnh hưởng đến tính chất đo lường của PTĐ Nhưng trong quá trình vậnhành PTĐ, các yếu tố này cĩ thể thay đổi nên việc đánh giá và hiệu chỉnh cần thựchiện thường xuyên và cĩ hệ thống Nhiệm vụ này thường được thực hiện bằng các hệthống điều chỉnh tự động

Một hệ thống hiệu chỉnh tự động cĩ thể được mơ tả bằng hai thành phần chính

là đối tượng hiệu chỉnh (ĐTHC) và thiết bị hiệu chỉnh (TBHC) Khi khảo sát hệthống chúng ta chỉ khảo sát cho một nhiễu cụ thể cịn các nhiễu khác tính bằngkhơng Hình 1.7 mơ tả hệ thống hiệu chỉnh tự động cho những tác động nhiễu khácnhau theo nguyên tắc vịng kín Hình 1.7a mơ tả hệ thống hiệu chỉnh tự động chịu

tác động của nhiễu đặt trước x cịn hình 1.7b mơ tả nhiễu phụ tải p.

Hệ thống kín làm việc theo phương thức hiệu chỉnh theo sai lệch Tín hiệu đođược của đại lượng cần hiệu chỉnh được đưa phản hồi trở lại đầu vào của hệ thống

và được sử dụng trong quá trình tạo ra tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh

Hệ thống điều chỉnh hở cĩ thể làm việc theo phương thức bù nhiễu (hình 1.8a)hoặc theo phương thức hiệu chỉnh theo chương trình (hình 1.8b) Đối với hệ thốngnày, tín hiệu của đại lượng cần hiệu chỉnh khơng được sử dụng trong quá trình tạo

-TBHC

q

b)

Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vịng kín

a - Nhiễu đặt trước; b - Nhiễu phụ tải

Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vịng hở

a - Hệ thống bù nhiễu; b - Hệ thống điều chỉnh theo chương trình

Trang 29

ra tác động hiệu chỉnh Trong phương thức bù nhiễu, tín hiệu hiệu chỉnh được hìnhthành khi xuất hiện nhiễu tác động lên hệ thống và thực hiện bù lại sự tác động này.Cịn trong hệ thống làm việc theo phương thức hiệu chỉnh theo chương trình tínhiệu hiệu chỉnh được phát ra do một chương trình định sẵn trong TBHC.

Khi xây dựng hệ thống hiệu chỉnh trong PTĐ các đại lượng khơng điện cầncăn cứ vào đặc điểm của đối tượng đo; yêu cầu về độ chính xác, độ tin cậy, mức tácđộng, … mà xây dựng hệ thống dựa trên cấu trúc nào cho phù hợp Cũng cĩ thể kếthợp các phương thức hiệu chỉnh trên để nâng cao chất lượng của PTĐ Hiện nay,nhĩm các phương pháp cấu trúc thường thực hiện theo các phương pháp cụ thể sau:Phương pháp hiệu chỉnh đơn các sai số thành phần, phương pháp biến đổi ngược,phương pháp dùng mẫu và phương pháp biến đổi lặp

1.3.2 Các phương pháp tự động hiệu chỉnh sai số của PTĐ khơng điện

1.3.2.1 Phương pháp hiệu chỉnh đơn các sai số thành phần

Phương pháp hiệu chỉnh đơn các sai số thành phần hay cịn gọi là phươngpháp đo phụ dựa trên cơ sở tính tốn các thành phần sai số do ảnh hưởng của cácyếu tố  tác động lên hàm biến đổi thực của thiết bị đo [26], [27] ; hiệu số giữa giátrị thực và danh định của các yếu tố i xác định là tín hiệu điều khiển quá trình hiệuchỉnh

TBĐĐP2

TBTT

zk()

Trang 30

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp đo phụ

Quá trình này được thực hiện theo cấu trúc hình 1.9 gồm các khối đo phụ:ĐP1, ĐP2, …, ĐPn Các khối này để đo các yếu tố ảnh hưởng 1 , 2 , …, n và tiếnhành tính sai số đo  theo những tham số đã biết đối với PTĐ dựa theo sự phụthuộc:

 = (1 , 2 , …, n ) (1.23)Trong bộ nhớ của thiết bị tính tốn (TBTT) đã tích trữ sẵn các giá trịdanh định của các yếu tố ảnh hưởng i dd Tín hiệu hiệu chỉnh được xác định: z k () =

i - i dd Kết quả nhận được cho thấy TBTT tính được sự thay đổi của hàm truyềntĩnh của thiết bị đo cần để loại trừ sai số gây ra bởi hiệu đĩ Tín hiệu hiệu chỉnh

z k () được dùng để điều khiển các tham số của PTĐ hay dùng để đưa vào số hiệu

chỉnh trong tín hiệu đầu ra

Nhận xét:

+ Ưu điểm của phương pháp này là việc đo và hiệu chỉnh được tiến hành đồngthời, liên tục theo các kênh khác nhau

+ Nhược điểm của phương pháp này là:

- Chỉ hiệu chỉnh các thành phần  khác với giá trị danh định của nĩ

- Để đo mỗi yếu tố i cần một thiết bị đo phụ riêng nên cấu trúc của PTĐ phức

tạp, cồng kềnh

Trang 31

- Cần biết hàm (1.22) và xác định nĩ ở trạng thái động Cần cĩ TBTT đểxác định giá trị của hàm trên theo các kết quả thu được từ ĐPi

Do cĩ các đặc điểm như trên nên hiện nay phương pháp này khơng được sửdụng rộng rãi trong thực tế [27]

1.3.2.2 Phương pháp biến đổi ngược

Phương pháp biến đổi ngược được thực hiện theo sơ đồ cấu trúc như hình 1.10.Trong phương pháp này tín hiệu điều khiển quá trình hiệu chỉnh là sai số quy về đầuvào của PTĐ, tức là hiệu giữa giá trị danh định (được xác định theo đặc tính biến đổidanh định khi biết giá trị đầu ra của PTĐ) và giá trị thực của đại lượng đầu vào Do

đĩ cần phục hồi lại về mặt vật lý giá trị danh định của đại lượng cần đo vì cần so sánh

nĩ với giá trị thực Nhiệm vụ trên được thực hiện bởi bộ biến đổi ngược:

với là hàm ngược của đặc tính biến đổi danh định của thiết bị đo TBTT sẽ thực

hiện tính ra tín hiệu hiệu chỉnh z k (X) = X N - X . Tín hiệu này cĩ thể sử dụng trong các

hệ thống tự hiệu chuẩn hay trong hệ thống tự động đưa vào số hiệu chỉnh [28]

Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược

Trên hình 1.10 đưa ra một ví dụ về ứng dụng phương pháp biến đổi ngượctheo kiểu tự hiệu chuẩn Đĩ là một bộ khuếch đại đo lường tuyến tính gồm 2 tầng

khuếch đại (KĐ1, KĐ2) cĩ hệ số khuếch đại lần lượt là K 1 , K 2 mắc nối tiếp nhau

TBĐ

ĐP2X

Trang 32

Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược tự hiệu chuẩn

Đặc tính biến đổi danh định của bộ khuếch đại cĩ dạng:

Trong đĩ: a 1 , a 2 , a 3 - nhiễu cộng đưa đến đầu vào các kênh tương ứng;

- Sai số tương đối của hệ số khuếch đại; K K - Hệ số khuếchđại của bộ khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh (KĐTHHC)

Từ cơng thức (1.25) ta thấy để giảm sai số quy định bởi tính chất của bộ

khuếch đại tự hiệu chuẩn cần chọn K K >> K 1 Khi đĩ cơng thức (1.25) cĩ thể viếtgần đúng là:

(1.26)

Từ các cơng thức (1.25), (1.26) cho thấy độ chính xác và độ ổn định của bộKĐTHHC cĩ thể khơng cần yêu cầu cao lắm nhưng sai số cộng của nĩ quy về đầuvào cần phải rất nhỏ

Phương pháp biến đổi ngược ứng dụng trong PTĐ đo điều chỉnh tự động đượcthực hiện theo sơ đồ cấu trúc hình 1.13

BĐ1

a 2 BĐ2

z k

+ -

Trang 33

Để thực hiện hiệu chỉnh sai số của bộ biến đổi 1 theo cấu trúc này, yêu

cầu các hệ số biến đổi danh định của bộ biến đổi 1 và biến đổi 2 phải giống nhau:

K 1dđ = K 2dđ = K dđ Khi đĩ ta tính được sai số của sơ đồ quy về đầu vào theo cơngthức:

K  a 2 + a 1K 2 + XK 1K 2 (1.27)

Trong đĩ: a 1 , a 2 - nhiễu cộng quy về đầu vào các bộ BĐ1 và BĐ2; K 1 K 2 - sai số

tương đối của các hệ số biến đổi của bộ BĐ1 và BĐ2 so với giá trị danh định

Do a 1 , a 2, K 1 , K 2 là các giá trị ngẫu nhiên nên dấu của chúng trong biểu thức

(1.27) là khơng được tính Để giảm sai số K cần cực tiểu hĩa sai lệch hệ số biến đổi

K 2 của bộ biến đổi hiệu chỉnh

Trong cả hai phương pháp ứng dụng biến đổi ngược trình bày ở trên, sai sốcủa bộ biến đổi ảnh hưởng trực tiếp đến sai số TBĐ đo hiệu chỉnh; hiệu số giữa đạilượng vào TBĐ và đầu ra của bộ BĐN được tách ra Sự khác nhau thể hiện ở đây là:

bộ biến đổi trong khâu phản hồi chia tín hiệu đầu ra theo hệ số xác định (thường lànhỏ hơn hệ số biến đổi thẳng của TBĐ tuyến tính) và tín hiệu ra của bộ BĐN phải tỉ

lệ với đại lượng đầu vào Hiệu số giữa đại lượng vào TBĐ và đầu ra bộ BĐN tácđộng làm thay đổi các tham số của PTĐ (khi tự hiệu chuẩn) hay để xử lý hiệu chỉnh(khi tự động hiệu chỉnh)

Trang 34

Nhận xét:

- Các cơng thức (1.26) và (1.27) cho thấy sự ảnh hưởng của nhiễu cộng trong

cả hai trường hợp lên sai số K thực tế là như nhau Do hệ số biến đổi K 2 cần phải

tiến tới hệ số biến đổi danh định K 1dđ nên hệ số này được đồng nhất với bộ BĐ1, nhưng chỉ phù hợp khi nhiễu a 1 của bộ BĐ1 rất nhỏ

- Các sơ đồ hình 1.11 và 1.12 cho thấy: khi thực hiện hệ thống tự hiệu chuẩnxuất hiện vấn đề đảm bảo ổn định do cấu trúc kiểu vịng kín Khi thực hiện hệ thống

tự động hiệu chỉnh khơng tồn tại vấn đề này và kết quả là đầu ra được tổng hợp từ Y

và một lượng hiệu chỉnh

- Phương pháp biến đổi ngược cĩ ưu điểm là cho phép loại trừ được sai sốtồn phần của PTĐ Tuy nhiên yêu cầu bộ BĐN cĩ độ chính xác cao; dải làm việccủa PTĐ phụ thuộc vào tính chất của hệ thống hiệu chỉnh và đặc tính động của bộBĐN Thực hiện được điều này trong mơi trường ảnh hưởng của các yếu tố  là rấtkhĩ khăn nên phương pháp này ít được sử dụng rộng rãi

1.3.2.3 Phương pháp sử dụng tín hiệu mẫu [30], [32]

Phương pháp sử dụng tín hiệu mẫu được thực hiện theo cấu trúc hình 1.13

Trong đĩ, khối chuyển mạch (CM) sẽ thực hiện kết nối tín hiệu cần đo X và các tín hiệu mẫu cùng loại X m1 , X m2 , … , X mn với PTĐ Khối xử lý số (XLS) thực hiện cácthuật tốn xử lý thơng tin đo

Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp dùng mẫu Giả thiết PTĐ cĩ đặc tính truyền dạng đa thức bậc n như sau:

Y = a 1 + a 2 X + … + a n X n-1 (1.28)

Ở XLS sẽ nhận được hệ phương trình tương ứng với các đại lượng đầu vào:

PTĐĐP2

Trang 35

(1.29)

Sử dụng phương pháp biến đổi đại số sau đĩ thiết lập tỉ số để giải hệ phươngtrình (1.29) sẽ thu được kết quả:

Trong đĩ: N i - Mã tương ứng ở đầu ra bộ BĐTT-S của phương tiện đo số

(PTĐS); X mi - Mẫu tương ứng ở đầu vào

Từ cơng thức (1.30) cho thấy giá trị của đại lượng cần đo X khơng phụ thuộc vào các hệ số biến đổi a i

Nhận xét:

- Phương pháp dùng mẫu cho phép nhận được tín hiệu ở đầu ra của PTĐS làdạng mã; việc nhận được giá trị danh định của tín hiệu là dễ dàng nên khơng địi hỏikhắt khe đối với các bộ biến đổi, bộ hiệu chuẩn, …

- Việc hiệu chuẩn được thực hiện khơng liên tục nhưng cĩ chu kỳ xác định

- Phương pháp này cho phép hiệu chỉnh được sai số tồn phần của PTĐ

Từ các đặc điểm trên cho thấy: ứng dụng phương pháp tín hiệu mẫu cĩ thể sửdụng các thiết bị đo cĩ độ chính xác khơng cao mà vẫn cĩ thể đạt được độ chính xáccần thiết Độ chính xác của phép đo chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác và độ ổnđịnh của mẫu

Với các đại lượng đo tác động cĩ hướng (đại lượng vectơ) việc tạo mẫu là rất dễdàng Với các đại lượng vơ hướng thì việc tạo mẫu là khĩ khăn hơn nhưng cĩ thể khắcphục bằng cách tạo ra các mẫu trung gian của đại lượng cần đo

1.3.2.4 Phương pháp biến đổi lặp[27], [30], [32]

Phương pháp biến đổi lặp thực chất là hiệu chuẩn sai số với việc tạo ra tín hiệuhiệu ở đầu ra Quá trình thực hiện thường được thực hiện theo nguyên lý phân kênhtheo thời gian với cấu trúc như hình 1.14

Trang 36

Hình 1.14: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi lặp Tín hiệu cần đo X và tín hiệu phản hồi X k ' được kết nối tới PTĐS qua CM1.CM2 thực hiện ghép nối tín hiệu ra của PTĐS tới các bộ nhớ BN1 và BN2 lần lượt

theo chu kỳ đo X và Xk' Trong chu kỳ đầu mã N ' (X) được nhớ trong BN1; cịn trong chu kỳ thứ hai tín hiệu sau BĐN: Xk' = N'(X)XK được đo bởi PTĐS và ở đầu ra

1.3.3 Thay thế hàm biến đổi của BCĐĐSC bằng hàm tốn học và hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi của PTĐ

1.3.3.1 Thay thế hàm biến đổi của BCĐĐSC bằng hàm tốn học

Trang 37

Phần lớn các BCĐĐSC cĩ hàm biến đổi phi tuyến và được cho dưới dạngbảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức tốn học Để thuận tiện cho quá trình biến đổitiếp theo cần phải thay thế chúng bằng một hàm tốn học cĩ dạng đơn giản phù hợpcho việc xử lý thơng tin đo lường Các biểu thức tốn học thường được sử dụng đểthay thế cho hàm biến đổi của BCĐĐSC gồm đa thức bậc nhất, bậc cao hay hàm

mũ [19] Để thực hiện việc này ta cĩ thể sử dụng các phương pháp khác nhau như:nội suy Lagrange hay bình phương nhỏ nhất Trên hình 1.15 đưa ra sơ đồ phân loạicác phương pháp biểu diễn hàm biến đổi của BCĐĐSC

Theo khuyến nghị đưa ra trong các tài liệu và qua khảo sát nhiều BCĐĐSCcho thấy: Đa phần các hàm biến đổi của BCĐĐSC kiểu bảng giá trị được thay thếhợp lý nhất bằng biểu thức tốn học dạng đa thức và hàm mũ Tuy nhiên, vẫn cịnmột số dạng hàm khác mà ta cĩ thể sử dụng để thay thế trong các trường hợp riêng.Trong thực tế, việc xác định hàm gần đúng đi qua tất cả các điểm đã xác định

là khơng cần thiết và rất phức tạp, đơi khi khơng thực hiện được Để khắc phụcngười ta thường sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất [1] Theo phương phápnày, tổng bình phương của các sai số tại các điểm tính tốn giữa hàm biến đổi vàhàm gần đúng là nhỏ nhất Với lý do nêu trên, trong đo lường, người ta thường dùng

Hàm biến đổi y=f(x)

Biểu thức tốn học

Bảng giá trị

Đồ thị

mũ

Đường gấp khúc

Hàm phức tạp

Hình 1.15: Các phương pháp biểu diễn hàm biến đổi của BCĐĐSC

Trang 38

phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định hàm gần đúng thay cho các hàmbiến đổi dạng bảng giá trị của các BCĐĐSC, vì nĩ cho phép trong tồn dải cĩ sai sốtương đối đồng đều và cực tiểu.

Cơ sở tốn học, cách xác định các hệ số biến đổi của hàm gần đúng dạng đathức, dạng hàm mũ thay cho hàm biến đổi dạng bảng giá trị của PTĐ, trong đĩ cĩBCĐĐSC, cĩ thể tham khảo trong [1]

1.3.3.2 Hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi của PTĐ

Đối với các BCĐĐSC của PTĐ cĩ hàm biến đổi dạng khá tuyến tính trongphạm vi đo hẹp hoặc khơng cần độ chính xác quá cao ta cĩ thể sử dụng hàm gầnđúng là đa thức bậc nhất Đây là phương pháp thay thế đơn giản nhất Để giảm nhỏsai số hơn nữa người ta thường chia giới hạn biến đổi thành nhiều đoạn và hàm gầnđúng cĩ dạng một đường gấp khúc gồm nhiều đoạn thẳng liên tiếp nhau [1] NếuBCĐĐTC được xây dựng theo nguyên lý biến đổi thời gian-xung tích phân 2 lần thìhàm biến đổi tổng quát của PTĐ cĩ dạng sau:

trong đĩ: N X là đại lượng ra dạng mã; X là đại lượng vào; K kđ là hệ số của bộ

khuếch đại; f 0 là tần số của bộ tạo xung chuẩn; T 1 là thời gian tích phân bước 1; U m

là điện áp mẫu

Để N x = 10 n X ta cĩ thể thay đổi K kđ , f 0 , T 1 hoặc U m Tuy nhiên trong thực tế

thường chọn giải pháp thay đổi U m vì đây là giải pháp đơn giản nhất Khi đĩ PTĐđược xây dựng theo cấu trúc như hình 1.16 gồm các khối: BCĐĐSC, bộ biến đổithời gian-xung (BĐTG-X), bộ tạo hàm thời gian (THTG), bộ điều khiển (ĐK) vàCTHS

Trang 39

Trong sơ đồ hình 1.16, bộ BĐTG-X sử dụng bộ biến đổi thời gian-xung tíchphân hai lần [16] Bộ THTG dùng để tạo ra các điện áp mẫu tương ứng với số đoạnthẳng của đường gấp khúc Các điện áp mẫu này cĩ giá trị gián đoạn khác nhau phụthuộc vào độ dốc của các đoạn thẳng và được đưa tới bộ BĐTG-X thơng qua cáckhĩa điện tử khống chế bởi bộ ĐK.

Nếu ta thực hiện giải pháp dùng thiết bị tính (TBT) thì bộ BĐTG-X phải làtuyến tính Cĩ hai cách thực hiện: Nếu PTĐ xây dựng theo cấu trúc biến đổi thẳng

thì TBT cĩ hàm biến đổi ngược với hàm F(X); nếu PTĐ xây dựng theo cấu trúc biến đổi cân bằng thì TBT cĩ chức năng so sánh và tạo tín hiệu số cùng dạng với F(X).

Cĩ thể đưa ra cấu trúc của PTĐ kiểu biến đổi thẳng làm ví dụ như hình 1.17 Trong

sơ đồ này, khâu xử lý phi tuyến hàm biến đổi được thực hiện nhờ khối TBT Khốinày cĩ thể xây dựng từ bộ chia nhị phân để thực hiện các thuật tốn tính hàm ngượccủa hàm biến đổi BCĐĐSC

Hình 1.17 : Cấu trúc PTĐ với xử lý tín hiệu số

Các phương pháp hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi đã trình bày ở trên lầnlượt thực hiện theo phương pháp xử lý tín hiệu tương tự và xử lý tín hiệu số Cácphương pháp này cĩ ưu điểm là đơn giản nhưng sai số phụ thuộc vào việc thay gầnđúng bảng giá trị bằng hàm tốn học trong tồn dải nên sai số lớn, nhất là với cácPTĐ cĩ phạm vi đo rộng Ngồi ra mỗi dạng cấu trúc của PTĐ chỉ sử dụng được chomột dạng BCĐĐSC nhất định nên thiếu tính đa năng Chính vì vậy luận văn sẽ tậptrung nghiên cứu phương pháp giảm phi tuyến của PTĐ bằng xử lý tín hiệu số nhưngứng dụng nội suy bậc hai qua ba điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy Spline trong khoảng

Trang 40

hẹp nhằm giảm sai số và mềm dẻo tính năng của PTĐ Các nội dung này sẽ lần lượtđược trình bày trong chương sau của luận văn.

1.4 Kết luận chương 1

1 Việc phân loại các đại lượng khơng điện theo bản chất vật lý ở phần

1.1.2.3 là cơ sở để lựa chọn đối tượng và phương pháp thích hợp cho bài tốn hiệu

chỉnh sai số của PTĐ

2 Việc phân tích đặc điểm của các sơ đồ cấu trúc tổng quát của PTĐ chophép lựa chọn phương án thiết kế PTĐ các đại lượng khơng điện theo mục đích sửdụng Để thiết kế các PTĐ cĩ mức tác động cao với độ chính xác khơng quá cao thìchọn PTĐ theo cấu trúc biến đổi thẳng Nếu cần ưu tiên độ chính xác của PTĐ thìlựa chọn cấu trúc biến đổi cân bằng (cấu trúc so sánh) Ngồi ra cũng cĩ thể thiết kếPTĐ với cấu trúc hỗn hợp để đạt được cả hai yêu cầu về mức tác động và độ chínhxác

3 Quá trình phân tích sai số đo các đại lượng khơng điện cho thấy độ chínhxác của PTĐ phụ thuộc rất lớn vào hai yếu tố: Tính phi tuyến của hàm biến đổi củaBCĐĐSC và sai số biến đổi gây ra bởi tác động của các đại lượng ảnh hưởng Đểgiảm sai số của PTĐ cĩ thể sử dụng giải pháp kết hợp giữa hai khâu: Thay thế hàmbiến đổi phi tuyến của BCĐĐSC bằng biểu thức tốn học phù hợp với ngưỡng sai

số thay gần đúng cho trước và giảm hoặc loại trừ sai số biến đổi dưới tác động củacác đại lượng ảnh hưởng bằng phương pháp biến đổi lặp

4 Đa phần các đại lượng khơng điện cĩ thể đo được bằng phương pháp đo trựctiếp, nhưng cĩ một số đại lượng phải thực hiện bằng phương pháp đo gián tiếp Việcgiảm sai số trong phép đo trực tiếp và gián tiếp các đại lượng khơng điện sẽ lần lượtđược giải quyết trong các chương sau của luận văn

Nĩi tĩm lại, đại lượng đo, PTĐ, sai số đo là những khái niệm cơ bản nhất trong

đo lường học Giảm sai số của phép đo và PTĐ là nhiệm vụ quan trọng khơng thểthiếu trong kỹ thuật thơng tin đo lường, được thể hiện trong hàng loạt các cơng trìnhnghiên cứu trong và ngồi nước

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	6,04 MB