Thiết kế thiết bị đo ảo vạn năng bằng phần mềm Labview

Thiết kế thiết bị đo ảo vạn năng bằng phần mềm Labview

Lời nói đầu Ngày nay khi nền khoa học ngày càng phát triển thì sự cần thiết của việc đo lờng các đại lợng để phục vụ cho những ngành khoa học khác nhau càng cần thiết. Ngành kĩ thuật đo lờng đợc sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng nh trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật khác nhau. Để thực hiện đợc nhiệm vụ đó nhất thiết phải tiến hành đo các đại lợng vật lí khác nhau: đó là các đại lợng điện, các đại lợng về kích thớc, cơ học Trong ngành điện nói riêng thì việc đo lờng các đại lợng điện là thực sự cần thiết. Từ việc đo các đại lợng điện ta có thể đánh giá đợc chất lợng điện, chất lợng thiết bị trong hệ thống điện qua đó đề ra đợc những phơng pháp nhằm nâng cao hiệu quả trong hệ thống điện. Hiện nay, khi nền tin học phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều hiệu quả to lớn với rất nhiều ngành khoa học khác nhau thì việc ứng dụng những tiến bộ trong tin học vào ngành kĩ thuật đo lờng cũng mang lại những hiệu quả u việt. Riêng i vi cỏc h thng o lng, mỏy tớnh ngy cng chim vai trò quan trng v tr nờn không th thiu c, c bit l mc t ng hoỏ trong vic thu thp v x lý cỏc kt qu o, k c vic lp bng thng kờ hay in ra kt qu. thc hin nhng công vic nh vy thỡ khụng th thiu c nhng phn mm chuyờn dng, hin nay có rt nhiu phn mm chuyờn dng c ng dng trong nhiu lnh vc c th khỏc nhau. Mt trong nhng ng dng c th mang li nhiu li ớch cho ngnh o lng l phn mm LabView (Laboratory Virtual Istrument Electronic Workbench) ca hóng National Instruments, chng trỡnh ny đã c phỏt trin rt mnh v ngy cng tr nờn chuyờn dng cho cỏc h thng o lng. Phn mm ny giúp cho vic thit k cỏc thit b o o cho cỏc phũng thớ nghim da trờn c s l cỏc thit b tht, ngi s dng hon ton cú th thao tỏc d dng trờn cỏc thit b o ny ging nh i vi cỏc thit b tht. LabView có kh nng thớch ng vi cỏc phn cng v cỏc phn mm khỏc nhau nờn nú rt hu ớch trong vic thu thp phõn tớch v x lý s liu nờn rt tin dng cho cỏc phũng thớ nghim. Chính vì vậy mà em đã đi sâu và tìm hiểu về phần mềm này, thực hiện đề tài thiết kế thiết bị đo ảo vạn năng bằng phần mềm Labview. 2 Chơng I Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lờng 1.1. Định nghĩa Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng đại lợng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Sự đánh giá định lợng một hay nhiều thông số của các đối tợng nghiên cứu đợc thực hiện bằng cách đo các đại lợng vật lý đặc trng cho các thông số đó. Kết quả đo lờng là giá trị bằng số của đại lợng cần đo A x , nó bằng tỉ số của đại lợng cần đo X và đơn vị đo X 0 . Nghĩa là A x chỉ rõ đại lợng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn) bao nhiêu lần đơn vị của nó. Vậy quá trình đo có thể viết dới dạng: 0x 0 x X.AX X X A == (1-1) phơng trình (1-1) gọi là phơng trình cơ bản của phép đo. Ngành nghiên cứu về các phơng pháp để đo các đại lợng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo đợc gọi là đo lờng học. Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lờng học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kĩ thuật đo lờng. 1.2. Các đặc trng của kĩ thuật đo lờng 1.2.1. Tín hiệu đo lờng 1.2.1.1. Định nghĩa Tín hiệu đo lờng là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin, nó chứa đựng thông tin về giá trị của chúng.Tín hiệu đo nhằm mục đính nối liền các khâu trong các hệ thống đo lờng, điều khiển, kiểm tra tự động của cả quá trình sản xuất. Các thông số của tín hiệu có thể thay đổi theo thời gian và nhiều đại lợng 3 khác nữa. Nhng trong kĩ thuật đo lờng phần lớn tín hiệu thay đổi theo thời gian và vì thế ta chỉ xét những tín hiệu thay đổi theo thời gian và kí hiệu là x(t). 1.2.1.2. Phân loại Tín hiệu đo thay đổi theo thời gian có thể chia thành hai loại: tín hiệu không ngẫu nhiên và tín hiệu ngẫu nhiên. a-Tín hiệu không ngẫu nhiên: gồm tín hiệu tiền định và gần tiền định. - Tín hiệu tiền định (THTĐ) là loại tín hiệu mà quy luật thay đổi của nó đã biết và do đó ta biết trớc giá trị của tất cả các thông số của nó. THTĐ đợc sử dụng nh là tín hiệu chuẩn sử dụng khi khắc độ, kiểm tra hay dùng làm tín hiệu mang khi phải truyền tín hiệu đo đi xa. - Tín hiệu gần tiền định(THGTĐ): là loại tín hiệu đã biết trớc quy luật thay đổi theo thời gian nhng không biết một hay vài thông số mà ta cần phải đo nó ví dụ :nh khi ta đo tín hiệu xoay chiều hình sin tần số 50Hz tức là phải đo độ lớn của biên độ cha biết. b-Tín hiệu ngẫu nhiên (THNN): là tín hiệu mà giá trị của nó tại mỗi thời điểm là đại lợng ngẫu nhiên. THNN là một hàm ngẫu nhiên theo thời gian hay còn gọi là quá trình ngẫu nhiên (QTN N). Tuỳ thuộc vào phơng pháp biến đổi mà ta có thể chia thành 4 loại tín hiệu sau đây: - Tín hiệu đo liên tục x(t) là một hàm liên tục của một đối số liên tục (H1-1). - Tín hiệu đo lợng tử x l (t) là một hàm lợng tử của một đối số liên tục (H1- 2). - Tín hiệu đo rời rạc x r (t) là một hàm liên tục của một đối số rời rạc (rời rạc hoá theo thời gian) (H1-3). - Tín hiệu đo rời rạc lợng tử xrl(t) là một hàm lợng tử của một đối số rời rạc (H1-4). 4 x(t) x(t) x(t) x k a) H1-1:Tín hiệu đo liên tục b) H1-2: Tín hiệu đo lợng tử x rl (t) c) H1-3: Tín hiệu đo rời rạc d) H1-4: Tín hiệu đo rời rạc lợng tử 1.2.2. Điều kiện đo Các thông số đo lờng bao giờ cũng gắn chặt với môi trờng sinh ra đại l- ợng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính đến ảnh hởng của môi trờng đến kết quả đo và ngợc lại khi sử dụng dụng cụ đo phải không ảnh hởng đến đối tợng đo. Những yếu tố của môi trờng ảnh hởng đến kết quả đo là: Nhiệt độ, độ ẩm của không khí, bui bẩn, từ trờng, độ rung, độ lệch áp suất cao thấp so với áp suất trung bình . những yếu tố này phải ở điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện đợc quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, gọi là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định. Đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn của nó đợc ghi trong các đặc tính kĩ thuật của nó. Trong thực tế thờng phải tiến hành đo nhiều đại lợng cùng một lúc rồi laị phải truyền tín hiệu đi xa, tự động ghi lại và gia công thông tin đo.Vì thế cần 5 t t t t x r (t) x r (t) phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất. 1.2.3. Đơn vị đo Trong hệ thống đơn vị đo quốc tế (SI) các đơn vị đợc xác định nh sau: - Đơn vị chiều dài là mét (m) - Đơn vị khối lợng là kilôgam (kg) - Đơn vị thời gian là giây (s) - Đơn vị cờng độ dòng điện là ampe (A) - Đơn vị nhiệt độ là độ Kenvin ( 0 K) - Đơn vị ánh sáng là candela (cd) - Đơn vị số lợng vật chất là môn (mol) 1.2.4. Thiết bị đo,phơng pháp đo và ngời quan sát *Thiết bị đo Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát. Chúng có những tính chất đo lờng học tức là những tính chất có ảnh hởng đến kết quả và sai số của phép đo. Thiết bị đo lờng gồm nhiều loại: Thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lờng, các dụng cụ đo lờng . * Phơng pháp đo Các phép đo đợc thực hiện bằng các phơng pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phơng pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nh: Đại lợng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số . Có hai loại phơng pháp đo: Phơng pháp đo biến đổi thẳng và phơng pháp đo so sánh. *Ngời quan sát Ngời quan sát khi đo phải nắm đợc phơng pháp đo, am hiểu về thiết bị sử dụng, kiểm tra điều kiện đo và dụng cụ đo cho phù hợp. Cuối cùng là nắm đợc các phơng pháp gia công kết quả để có thể thu thập đợc số liệu sau khi đo. 1.2.5. Kết quả đo 6 Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay đờng cong tự ghi, ghi lại quá trình thay đổi của đại lợng đo theo thời gian. Để đạt đợc kết quả đo chính xác ta phải gia công kết quả đo. 1.3. Sai số của phép đo 1.3.1. Định nghĩa Sai số của phép đo là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ớc lợng. Sai số của phép đo có một vai trò rất quan trọng trong kĩ thuật đo lờng. Xác định sai số của phép đo tức là xác định độ tin tởng của kết quả đo- là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lờng học. 1.3.2. Phân loại * Theo cách thể hiện bằng số - Sai số tuyệt đối: Là hiệu giữa đại lợng đo X và giá trị thực X th . X = X X th (1-2) - Sai số tơng đối: Đợc tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực. 100. X X th x = (1-3) Sai số tơng đối đặc trng cho chất lợng phép đo. - Độ chính xác của phép đo đợc định nghĩa nh là một đại lợng nghịch đảo của mô đun sai số tơng đối: x th X X 1 = = (1-4) *Theo nguồn gây ra sai số có thể chia ra làm các loại sau: -Sai số phơng pháp - Sai số chủ quan -Sai số thiết bị -Sai số bên ngoài * Theo quy luật xuất hiện của sai số 7 - Sai số hệ thống: Là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lợng đo.Trong trờng hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại đựơc bằng cách đa vào một lợng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh. + Lợng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lợng đo đựơc đa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. + Hệ số hiệu chỉnh là số đợc nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. Trong thực tế không thể loại bỏ hoàn toàn sai số hệ thống. Việc giảm ảnh hởng sai số hệ thống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên. - Sai số ngẫu nhiên: Là thành phần sai số của phép đo thayđổi không theo quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lợng duy nhất. Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định đợc vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng nh không thể xác định đợc. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên ngời ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lợng và vì thế để xét ảnh hởng của nó đến kết quả đo ngời ta sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác suất. 1.3.3. Tính toán sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên xuất hiện khi đo nhiều lần một điểm đo, nghĩa là khi thực hiện phép đo theo cùng một phơng pháp bằng những thiết bị có độ chính xác nh nhau với điều kiện bên ngoài không đổi. Dựa vào số lớn các giá trị đo đợc ta có thể xác định quy luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng phơng pháp toán học thống kê và lí thuyết xác suất. Đặc tính chung nhất cho sai số ngẫu nhiên và đại lợng ngẫu nhiên bất kỳ nào là luật phân bố xác suất của chúng, nó đợc xác định bởi các giá trị có thể của sai số ngẫu nhiên và xác suất xuất hiện của chúng. 8 Phần lớn các phép đo có sai số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân phối chuẩn luật Gauxơ. Nó dựa trên giả thiết: các sai số có cùng giá trị thì có cùng xác suất; có giá trị nhỏ thì xác suất xuất hiện lớn và giá trị lớn thì xác suất xuất hiện nhỏ. Sai số ngẫu nhiên của lần đo thứ i có thể coi là hiệu giữa kết quả đo x và kì vọng toán học m x của nó: =x-m x (1-5) Mật độ phân bố xác suất chuẩn của sai số ngẫu nhiên hay là hàm phân bố vi phân chuẩn w() đợc biểu diễn bởi công thức: 2 2 2 )(5,0 .2 )mxx( e. 2. 1 e. 2. 1 )(WƯ == (1-6) -Sai số ngẫu nhiên tuyệt đối - độ lệch bình quân phơng Phơng sai D của sai số ngẫu nhiên bằng phơng sai của các kết quả đo, nó đợc định nghĩa là kì vọng toán học của bình phơng sai số ngẫu nhiên và nó đặc trng cho sự sai lệch của kết qủa đo vì có sai số ngẫu nhiên. == + d).(w.D 22 (1-7) Xác suất rơi của sai số ngẫu nhiên vào trong khoảng nào đó cho trớc 1 , 2 bằng: == d)(5,0 22 1 2 1 e. 2. 1 d)(wP (1-8) Việc tính nh trên sẽ gặp khó khăn.Vì vậy trong thực tế sử dụng luật phân bố chuẩn nhng đã đợc chuẩn hoá rồi.Ta đa vào hệ số k= 1.2 / sau đó lập bảng các giá trị xác suất đáng tin cậy P (là xác suất của khoảng sai số, hệ số tin cậy) 9 là một hàm của hệ số P=(k) tính theo biểu thức: == k 0 . 2 t 1)k(0;dte./2)k(P 2 (1-9) Nh vậy để tính đựơc sai số ngẫu nhiên 1,2 = 2 - 1 nhất thiết phải tính đựơc các gía trị k và . Hệ số k đợc xác định bằng xác suất đã cho P và dạng luật phân bố xác suất của sai số ngẫu nhiên. Bảng 1-1: Giá trị k phụ thuộc vào xác suất P P 0,5 0,68 0,95 0,98 0,99 0,997 K 0,667 1 2 2,33 2,58 3 Để tính sai số ngẫu nhiên ngời ta thờng chọn: - 1,2 = nghĩa là k=1 - Đôi khi ta chọn 1,2 = 2/3 hay k=0,667. Khi đó sự xuất hiện của sai số ngẫu nhiên trong và ngoài khoảng (2/3) sẽ đồng xác suất, tức là 50% xác suất xuất hiện của sai số ngẫu nhiên sẽ có giá trị nhỏ hơn (2/3) còn 50% sẽ lớn hơn (2/3). - Sai số lớn nhất có thể mắc phải khi 1,2 =3. tức là k=3. Khi đó số giá trị sai số ngẫu nhiên lớn hơn 3 chỉ chiếm 0,3% còn số nhỏ hơn chiếm 99,7%.Trong thực tế kĩ thuật đo thì hầu nh không có. Sau khi đã có các kết quả đo ta phải gia công kết quả. 1.4 Phơng pháp gia công kết quả đo 1.4.1.Ước lợng điểm và ớc lợng khoảng *Ước lợng điểm Khi tính toán sai số ngẫu nhiên, ngời ta thờng sử dụng các đặc tính số của chúng đó là kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phơng. Việc tính các đặc tính số này là nội dung cơ bản của quá trình gia công kết quả đo. Để tính toán kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phơng ta có số lợng các phép đo rất lớn.Vì trong thực tế các phép đo n có hạn nên ta chỉ tìm đợc ớc 10 [...]... nhiều phần mềm hữu ích để ứng dụng trong ngành kĩ thuật đo lờng Các phần mềm này kết hợp với hệ thống vi xử lý đã tạo ra bớc đột phá trong việc xây dựng các thiết bị, dụng cụ đo lờng mới Một trong những phần mềm đó chính là phần mềm Labview Đây là một trong những phần mềm mới nhất đợc sử dụng để thiết kế những thiết bị, dụng cụ đo ảo trên hệ thống máy tính dựa trên những thiết bị, dụng cụ đo thật Các thiết. .. Các thiết bị ảo này có những tính năng u việt hơn thiết bị, dụng cụ đo thật 1.6 Kết luận chơng I Chơng I ta đã tìm hiểu và nắm đợc cơ sở lý thuyết của kĩ thuật đo lờng Hiểu đợc những cấu trúc cơ bản, các thành phần, yếu tố cơ bản trong kĩ thuật đo lờng Biết cách tính sai số, xử lí kết quả, xây dựng đờng quan hệ giữa các đại lợng đo và đa ra một số ví dụ minh hoạ Tìm hiểu về thiết bị, dụng cụ đo và hớng... triển của dụng cụ đo lờng 27 Ngày nay các thiết bị và dụng cụ đo vẫn có cấu trúc cơ bản nhng sự phát triển của các ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật số và vi xử lí đã ngày càng góp phần nâng cao các đặc tính kĩ thuật của dụng cụ đo Chúng có những tính năng u việt hơn hẳn thiết bị đo thông thờng giúp cho việc đo đạc, thu thập và xử lý kết quả đo một cách chính xác, nhanh chóng và còn có khả năng truyền số... nhau Ví dụ: để đo điện áp sử dụng vôn kế, đo dòng điện dùng ampemet, để đo năng lợng điện dùng côngtơmétMột số dụng cụ đo điện tử và tự ghi số đặc biệt nh: máy đo hiện sóng (ôsiloscop), dao động tia sáng, máy phát tần số chuẩn hay nh máy đo vạn năng có thể sử dụng để đo đợc các đại lợng điện: dòng điện một chiều và xoay chiều, đo điện áp một chiều và xoay chiều, đo điện trở, kiểm tra diod, kiểm tra... và khoảng đáng tin 1,2 Kết quả đợc gia công là: X '1, 2 13 (1-22) Sơ đồ gia công kết quả Bắt đầu n phép đo xi kỳ vọng toán học M[x]= sai số dưVi=xi- tính 2 n v i =1 i tính * x * = n cho xác suất P tìm hhs Khoảng đáng tin 1,2=hst.x* kết quả đo = kết thúc 14 Ví dụ về gia công kết quả đo: - Xét kết quả 25 lần đo của một giá trị điện áp U với độ chính xác nh nhau bằng điện thế kế một chiều Luật phân... thành phần sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn khoảng 3 lần thành phần thứ hai thì thành phần đó có thể bỏ qua theo tiêu chuẩn sai số bé Ví dụ về gia công kết quả đo Gia công kết quả đo gián tiếp Ví dụ: Ta đo điện trở bằng phơng pháp gián tiếp dùng ampemet và vonmét Theo biểu thức tính điện trở: R = U I Theo chỉ số của dụng cụ đo là: I=1A, U=100V Các thông số của dụng cụ đo nh sau: giá trị lớn nhất của thang đo. .. mạch đo Có ba cách chỉ thị kết quả đo: - Chỉ thị bằng kim chỉ trên bảng đã khắc sẵn, việc so sánh do con ngời thực hiện - Chỉ thị bằng dụng cụ tự ghi, để ghi lại các tín hiệu thay đổi theo thời gian - Chỉ thị số có kết quả đo dới dạng con số đọc trực tiếp hoặc tự động ghi lại, việc so sánh đợc tiến hành tự động Để đo các đại lợng vật lý có rất nhiều loại thiết bị dụng cụ đo khác nhau Ví dụ: để đo điện... Tìm hiểu về thiết bị, dụng cụ đo và hớng phát triển của dụng cụ đo trong tơng lai Qua đó dựa trên cơ sở lí thuyết về đo lờng để tìm hiểu và thiết kế xây dựng phần mềm Labview đợc ứng dụng trong ngành kĩ thuật đo lờng trong các chơng tiếp theo của đề tài 28 Chơng ii: nghiên cứu card giao diện daq pci6024e và thiết kế mạch mở rộng thang đo cho multimeter 2.1 Giới thiệu về Card thu thập số liệu DAQ-PCI6024E... Dụng cụ đo lờng 1.5.1 Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo lờng Một dụng cụ đo cơ bản có ba bộ phận chính đó là: chuyển đổi sơ cấp, mạch đo và cơ cấu chỉ thị Cđsc Mđ 26 ccct Hình1-2: Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo 1 Chuyển đổi sơ cấp: Là bộ phận làm nhiệm vụ biến đổi các đại lợng đo thành tín hiệu điện Đây là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo Độ chính xác cũng nh độ nhạy của dụng cụ đo đều quyết... hành đo cùng một giá trị X Giá trị đáng tin cậy nhất đại diện cho đại lợng đo X là các giá trị trung bình đại số của dãy các phép đo nh nhau n X = ( x1 + x 2 + + x n ) / n = i =1 Xi n X : (1-13) trong đó: x1,x2, xn- kết quả của các phép đo riêng biệt n- số các phép đo ớc lợng của kỳ vọng toán học mx* của đại lợng đo sẽ bằng số hệ thống thì X X Nếu không có sai sẽ là giá trị thực của đại lợng đo Độ . tìm hiểu về phần mềm này, thực hiện đề tài thiết kế thiết bị đo ảo vạn năng bằng phần mềm Labview. 2 Chơng I Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lờng 1.1.. môn (mol) 1.2.4. Thiết bị đo, phơng pháp đo và ngời quan sát *Thiết bị đo Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện