Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Ở các nước tiên tiến khoa học kỹ thuật công nghệ đo lường phát triển đạt trình độ cao đã hỗ trợ cho các ngành kinh tế phát triển làm tăng hiệu quả sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

MỞ ĐẦU

Công nghệ đo lường là một trong những yếu tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại

và phát triển kinh tế xã hội, làm cơ sở thống nhất hoá các chuẩn mực và tiêuchuẩn trong hệ thống quản lý chất lượng tiến tới ký kết các hiệp ước thừa nhậnlẫn nhau đang là xu thế phát triển tất yếu của thời đại Phát triển kỹ thuật và côngnghệ đo lường là nhiệm vụ bức thiết đối với mỗi quốc gia trong bối cảnh hiệnnay, góp phần tăng cường giao lưu sản phẩm hàng hoá và thúc đẩy quá trình pháttriển khoa học kỹ thuật công nghệ

Cùng với sự phát triển củacác ngành khoa học điện tử, tin học v.v… kỹ thuật

đo lường không ngừng được phát triển và ngày càng được ứng dụng rộng rãitrong đào tạo và nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao chất lượng và mở rộngqui mô đào tạo

Việt Nam là một trong những nước đang phát triển có nền kinh tế lạc hậu, dovậy việc đầu tư phát triển khoa học kỹ thuật đo lường và các ngành khoa họccông nghệ mũi nhọn là việc làm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, cấp bách mangtính chiến lược trong việc thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hoá vàhiện đại hoá nước nhà góp phần tăng cường sự quản lý của nhà nước về tiêuchuẩn chất lượng trong toàn bộ nền kinh tế–xã hội, theo hệ thống tiêu chuẩn đolường chất lượng thống nhất trên toàn lãnh thổ

Trong hệ thống các Trường Đại học của cả nước, Trường Đại Học NôngNghiệp I Hà Nội có nhiệm vụ đào tạo cán bộ kỹ thuật và triển khai nghiên cứukhoa học kỹ thuật công nghệ góp phần đáp ứng nhu cấu phát triển nông nghiệp

và hiện đại hoá nông thôn Việt Nam, tiến tới hoà nhập khu vực và quốc tế Trướcvận hội mới và thách thức mới của thời đại đòi hỏi trường phải có những bướcnhảy vọt trong khoa học kỹ thuật công nghệ giáo dục và đào tạo, trong đó cần bổxung và nâng cấp chiều sâu hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệp.Kết hợp giữa lý thuyết và thực hành không ngừng nâng cao chất lượng là mục tiêuđào tạo của nhà trường Công tác đo lường thí nghiệm là nhu cầu tất yếu để tồntại và phát triển của trường trong thời gian hiện nay và trong tương lai

Trên cơ sở học tập kinh nghiệm của các cơ sở thực hành đo lường, dựa vàocác tài liệu có liên quan, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, Thạc Sĩ NgôTrí Dương trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo, Thạc SỹNgô Trí Dương trong quá trình thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn cán bộ phòng quản lý chất lượng nhà nước, các bạn sinhviên đồng nghiệp Trường Đại Học Nông Nghiệp I đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôitrong quá trình thực hiện và hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm

Chuơng I

CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.1 Khái quát chung

Ở các nước tiên tiến khoa học kỹ thuật công nghệ đo lường phát triển đạt trình

độ cao đã hỗ trợ cho các ngành kinh tế phát triển làm tăng hiệu quả sản xuất vànâng cao chất lượng sản phẩm Làm cơ sở phát khoa học công nghệ đo lườngđiều khiển, công nghệ tự động hoá và phát triển các ngành khoa học kỹ thuậtcông nghệ có hiệu quả

Một trong những yếu tố chiến lược phát triển khoa học công nghệ giáo dục làphát triển ứng dụng kỹ thuật và công nghệ đo lường hiện đại theo các mô hình đolường có ứng dụng kỹ thuật vi sử lý và máy tính phục vụ cho đào tạo và nghiêncứu trong hệ thống các trường Đại học

Kỹ thuật số đã cải thiện một bước đáng kể chất lượng đo lường Các phươngtiện đo được gọn nhẹ hơn, khả năng làm việc nhiều hơn, độ chính xác và độ tincậy các phép đo cao hơn, có tốc độ nhanh và ổn định hơn v.v…có khả năng kếtnối với các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy in v.v…

Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và các thiết bị ngoại vi ngày nay đã mở ra sự pháttriển vượt bậc trong kỹ thuật và công nghệ đo lường chiếm một tỷ lệ khá lớn sovới các lĩnh vực khác, hiện nay là phần tử quan trọng trong các hệ thống thông tin

đo lường và điều khiển

Hệ thống thông tin đo lường có ứng dụng kỹ thuật vi xử lý có tốc độ đo và xử

lý nhanh, cho phép thực hiện các phép đo tự động đồng thời nhiều kênh, độ tincậy và độ chính xác cao v v…được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự độngphân loại sản phẩm Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật và trong quá trình điều khiển

tự động v.v…

Nhờ có hệ thống đo lường ứng dụng kỹ thuật vi xử lý người ta đã tạo ra cácthiết bị đo thông minh nhờ cài đặt vào chúng các bộ vi xử lý hay vi tính đơnphiếm chúng có những tính năng hơn hẳn các thiết bị đo thông thường, có thể tự

xử lý và lưu giữ kết quả đo, làm việc theo chương trình, tự động thu thập số liệu

đo v.v…

1.2 Vai trò vị trí đo lường

Công tác đo lường là một trong những yếu tố quyết định sự tồn tại, phát triển củađất nước nói chung và của trường ĐHNN I nói riêng trong tương lai Góp phầnnâng cao chất lượng đào taọ, phục vụ nghiên cứu khoa học, nghiên cứu triển khai,nâng cao tiềm lực khoa học kỹ thuật công nghệ tiến kịp trình độ trong khu vực vàtrên thế giới

Trường ĐHNN I coi công tác đo lường thực nghiệm và nghiên cứu khoa học lànhiệm vụ quan trọng góp phần thực hiện mục tiêu chất lượng đào tạo của trường.Thực hành thí nghiệm là nội dung bắt buộc đối với mỗi sinh viên rất được trútrọng trong công tác nghiên cứu triển khai và nghiên cứu khoa học của cán bộ vànghiên cứu sinh trong trường

Đo lường thực nghiệm phục vụ đào tạo, nghiên cứu triển khai bao hàm nhiều lĩnhvực Cơ Điện, môi trường đo như xác định: cơ, lý tính của đất, các chỉ tiêu sinhhọc của thực, động vật, các chỉ tiêu môi trường, các chỉ tiêu máy móc thiết bịv.v…được thực hiện thường xuyên ở càc bộ môn của các khoa, các trung tâmchuyên ngành, các cơ sở thực hành của trường

Trong thời gian học tập sinh viên của khoa Cơ Điện phải hoàn thành một khốilượng đo lường thực nghiệm trong thí nghiệm, thực hành khá lớn như ngành cơkhí chiiếm 41%, ngành điện chiếm 40%, ngành công nghiệp và công trình nôngthôn 37%, đào tạo sau đại học và nghiên cứu sinh 12%, phục vụ đề tài nghiên cứu25%

Để đáp ứng những nhu cầu trên trang thiết bị đo lưòng, đo lường Cơ Điện NôngNghiệp phải thoả mãn các nhu cầu sau:

- Phục vụ mục tiêu đào tạo của khoa Cơ Điện

- Phục vụ nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao kỹ thuật công nghệ tiến tớihoà nhập trong khu vực.

- Phục vụ công tác nghiên cứu triển khai trong thiết kế chế tạo và thử nghiệm cácmẫu máy, thiết bị Cơ Điện sử dụng trong sản suất nông nghiệp và chế biến nôngsản

- Tham gia xác định các thông số của hệ thống điện phục vụ cho quy hoạch tổngthể, các chỉ tiêu kinh tế của lưới điện nông nghiệp hiện tại và trong tưong lai

- Phục vụ công tác nghiên cứu tiết kiệm và sử dụng các dạng năng lượng trongnông nghiệp và chế biến nông sản

- Kiểm tra tình trang kỹ thuật của ôtô, máy kéo

- Kiểm tra thử nghiệm các trang thiết bị điện trên ôtô, máy kéo

- Đo lường các đại lượng vật lý phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học củanhà trường

Têu chuẩn hoá công tác đo lường thực nghiệm theo pháp luận của nhà nước, thamgia quản lý chất lượng, kiểm định và đánh giá sản phẩm Nông nghiệp

Hệ thống trang thiết bị đo lường thử nghiệm của khoa Cơ Điện phải mang tínhđồng đều, thuận lợi có tính năng kỹ thuật phù hợp không những cho đào tạo mà cảcho công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường có khảnăng nối ghép với các thiết bị ngoại vi v.v… Đào tạo và bổ sung đội ngũ cán bộ

kỹ thuật đủ mạnh và công tác quản lý sử dụng có hiệu quả

1.3 Hiện trạng trang thiết bị đo lường cơ điện.

Hệ thống trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện đang được sử dụng chủ yếudựa trên mô hình đo lường tương tự (hình 1.1) để đo các đại lượng cơ học nhưkéo, nén, xoắn v.v… các đại lượng điện như: , U, P v.v… các đại lượng môitrường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất v v… Đo lường thử nghiệm trang thiết bịđiện trên ôtô, máy kéo

Được trang bị từ năm 1960 hầu hết các thiết bị đều của Liên Xô cũ và được bổxung vào những năm 1980 và năm 1985 Mặc dù các thiết bị đã được nhiệt đớihoá xong, cho đến nay hầu hết đều đã bị hư hỏng hoặc qua sửa chữa

Tổ chức quản lý và sử dụng các trang thiết bị trên chủ yếu ở các bộ môn chuyênngành và bảo quản theo các phòng thí nghiệm.

1.3.1 Phòng thí nghiệm kim loại – sửa chữa – Trực thuộc bộ môn kim loại sửa chữa.

Phòng có các thiết bị máy móc như sau:

Thiết bị đo độ bóng, độ cứng bề mặt của các chi tiết

Thiết bị tôi cao tần

Lò nung nhiệt độ cao

Kính hiển vi quang học

Một số dụng cụ đo phục vụ cho công tác sửa chữa

Các thiết bị trên một số bị hư hỏng, một số còn lại chất lượng không đảm bảokhông thể đáp ứng được công tác đào tạo của khoa

1.3 2 Phòng thí nghiệm sức bền vật liệu –Trực thuộc bộ môn Cơ học kỹ thuật được trang bị:

Máy đo lực kéo, nén

Máy đo mômen quay

Một số dụng cụ đo chuyên dùng phục vụ cho các bài thí nghiệm đo ứng suất, biếndạng của vật liệu khi tiến hành thí nghiệm

Phòng thí nghiệm kỹ thuật điện –Trực thuộc bộ môn Cơ sở Kỹ thuật điện, phục

vụ chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện, máy móc thiết bị rất đa dạng, nhiềuchủng loại Có thể phân thành các nhóm:

Máy biến áp đo lường các loại

Các dụng cụ đo: A, V, P, Hz v.v…

Các dụng cụ mẫu

Các thiết bị và dụng cụ trên có độ chính xác thấp, không còn đồng bộ và rất lạchậu Hiện nay phòng thí nghiệm chỉ phục vụ công tác thực tập và thí nghiệm củasinh viên mang tính chất cơ bản không thể thiếu trong đào tạo

1.3.3 Phòng thí nghiệm cung cấp và sử dụng điện–Trực thuộc Bộ môn cung cấp điện, phòng phục vụ thực tập chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện.

Máy biến áp đo lường

Các dụng cụ đo:A, V, P, Hz v.v…

Các dụng cụ mẫu

Máy hiện sóng

Thiết bị tự ghi

Thiết bị đo, đếm các thông số đường dây cao và hạ áp

Thiết bị đo chuyên dùng trong mạch đo lường bảo vệ

Hiện nay hầu hết các thiết bị trên đều bị hư hỏng hoặc quá lạc hậu gặp rất nhiềukhó khăn trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

1.3.4 Phòng thí nghiệm Ôtô, máy kéo-Trực thuộc bộ môn ôtô, máy kéo, được trang bị:

Hệ thống kiểm tra và chuẩn đoán kỹ thuật động cơ ôtô, máu kéo

Hệ thống kiểm tra các trang thiết bị điện trên ôtô và máy kéo

Thiết bị kiểm tra cung cấp nhiên liệu

Thiết bị kiểm tra hệ thống đốt cháy

Thiết bị đo áp suất

Thiết bị đo lưu lượng

Thiết bị đo vận tốc

Một số thiết bị phục vụ cho công tác khảo nghiệm Máy nông nghiệp

Có thể mô tả hiện trạng trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện theo sơ đồhình1.1

Hầu hết các trang thiết bị đều thuộc mô hình đo lường tương tự, các thiết bị đochủ yếu là loại cơ điện trong vùng thông số ổn định (tần số, biên độ v.v…) khôngthích ứng với công tác nghiên cứu khoa học, phần lớn đến nay đã lỗi thời hoặcqua sửa chữa nhiều lần không đáp ứng được nhu cầu hiện nay.

Việc trang bị và nâng cấp hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệpcủa Khoa Cơ Điện sẽ đáp ứng đầy đủ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học

và nghiên cứu triển khai của khoa Đáp ứng được công tác đo lường kiểm tra chấtlượng tiến tới tham gia vào hệ thống tiêu chuẩn đo lường chất lượng nhà nước,tham gia quản lý chất lợng, kiểm định và đánh giá sản phẩm nông nghiệp Tăngcường giao lưu kỹ thuật công nghệ với các nước trong khu vực và trên thế giới

HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG CƠ ĐIỆN

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

BM kim loại sửa chữa

BM ô tô máy kéo

BM máy nông nghiệp

Xưởng cơ khí

Thiết bị dụng cụ đo và thử nghiệm các đại lượng: lực kéo, mômen Các thiết bị phần lớn đã hư hỏng không đáp ứng được nhu cầu thực tập thí nghiệm

Thiết bị đo vận tốc, lưu tốc, nhiệt độ thiết bị kiểm tra các trang thiết bị điện trên ô

tô, máy kéo Thiết bị chuẩn đoán kiểm tra động cơ phần lớn đều do Liên Xô cũ chế tạo độ chính xác thấp, cồng kềnh không đáp ứng nhu

Trang thiết bị đo lường

Hệ thống trang thiết

bị đo lường khoa Cơ Điện

Hình 1.1 Thiết bị đo khoa cơ điện

1.4 Kết luận:

Qua những phân tích đánh giá về hiện trạng, xu thế phát triển, tầm quan trọng

và nhiệm vụ của công tác đo lường trong việc nghiên cứu khoa học cho thấy “xâydựng và đánh giá dụng cụ đo lường trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật đolường” là hoàn toàn đúng đắn và kịp thời phù hợp mục tiêu hiện đại hoá và côngnghiệp hoá nền sản xuất nông nghiệp nói riêng và xu thế hội nhập kinh tế toàncầu

1.5 Hệ thống đơn vị đo lường và dẫn xuất chuẩn.

Việc thành lập các đơn vị, thống nhất đơn vị đo lường là một quá trình lâudài, biến động Việc xác định đơn vị, tổ chức đảm bảo đơn vị tổ chức kiểm tra,xác nhận mang tính khoa học, kỹ thuật, tổ chức và pháp lệnh

Việc thống nhất quốc tế về đơn vị, hệ đơn vị v.v… mang tính chất hiệpthương và qui ước

Tổ chức quốc tế về đo lường học đã họp nhiều lần để thống nhất quốc tế vềcác đơn vị, hệ đơn vị và mẫu quốc gia và quốc tế về những đại lượng cơ bản, chođến nay vấn đề đơn vị cơ bản, hệ thống đơn vị, các mẫu cơ bản và yêu cầu về cácmẫu cơ bản cũng đã thống nhất với trình độ hiện nay

Hệ thống đơn vị đựơc thống nhất hiện nay là hệ thống thống nhất quốc tế SI.

Hệ thống này chấp nhận những đơn vị cơ bản làm cơ sở để suy ra các đơn vị dẫnxuất khác, có bảy đại lượng được coi là đơn vị cơ bản:

Bảng 1.1

102 đơn vị cho 72 đại lượng vật lý

Hệ thống đơn vị đo lường quốc tế SI ra đời vào năm 1954 và được bổ xung hoànchỉnh năm 1960 đã hơn hẳn các hệ thống cũ như : Hệ mét, hệ CGS, hệ MTS v.v…[8], [9]

Để đảm bảo tính thông nhất trong đo lường trên toàn quốc pháp lệnh về đolường của Nhà nước Việt Nam đã quyết định các đơn vị tiêu chuẩn Việt Nam phùhợp với hệ đơn vị đo lường quốc tế SI theo Bộ tiêu chuẩn quốc tế của Tổ chứctiêu chuẩn hoá quốc tế ISO-31 với các đơn vị cơ bản (bảng1.1)

Các đơn vị đo lường được lượng hoá thông qua các đơn vị chuẩn có độ chínhxác cao mà khoa học có thể thực hiện được [8] Dựa trên các đơn vị cơ bản nàyngười ta đã đưa ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đon vị vật lý [8], [2], [5], sựliên quan giữa đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn suất dưạ trên những quy luật thể hiệnbằng những công thức

Ở Việt Nam chuẩn chuẩn Quốc gia do tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chấtlượng quy định chế độ quản lý, đồng thời là cơ quan quản lý nhà nước về công tác

đo lường [8] Định kỳ các chuẩn quốc gia được đem so sánh với chuẩn quốc tế đểluôn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của đơn vị đo

Chuẩn quốc tế: là chuẩn được hiệp định quốc tế công nhận làm cơ sở ấn địnhgiá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên pham vi toàn thế giới[9] do Viện cân đo Quốc tế (BTPM) quản lý

Chuẩn Quốc gia : là chuẩn có chất lương cao nhất được một Quốc gia côngnhận để làm cơ sở ấn định cho các chuẩn khác có liên quan trong một nước [8] ỞViệt nam các chuẩn quốc gia được lưu giữ tại Trung tâm đo lường và tiêu chuẩnQuốc gia

Chuẩn chính: là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể

ở một địa phương hoặc một tổ chức nào đó mà phép đo ở đó đều được dẫn xuất từchuẩn này [ 8 ],[ 9 ]

Chuẩn công tác: là chuẩn được dùng thường xuyên để kiểm tra hoặc hiệuchỉnh vật đo, các phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn, có thể phân loại chuẩn theo sơ

đồ (phụ lục)

Chuẩn Quốc tế và chuẩn Quốc gia được truyền tới các chuẩn thấp hơn thườngđược thực hiện một cách hệ thống theo kiểu mắt xích liên tục không gián đoạnđến các chuẩn công tác, các sản phẩm, đến các thiết bị đo lường v v…(phụ lục)Các chuẩn đo lường được định kỳ kiểm tra và hiệu chuẩn theo sơ đồ hiệuchuẩn (phụ lục) [8 ], [9 ]

1.6 Mô hình quá trình đo lường

Thông qua nguyên lý đo và phương tiện đo các đại lượng vật lý cần đo đượcxác định chính xác về mặt định lượng và được thể hiện kết quả bằng số so với đơn

vị chuẩn của đại lượng cần đo kết quả đo được thể hiện bằng con số so với đạilượng đo của nó Sau đây là một số các mô hình đo lường cơ bản

1.6.1 Mô hình đo lường tương tự.

Mô hình tương tự với tín hiệu đo là những đại lượng liên tục (analog), phép

đo chỉ thực hiện với tốc độ đo thấp, mắc sai số lớn v v…

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Hình 1.2 Mô hình đo lường Analog

1 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC);

2 Mạch đo ( MĐ)

3 Cơ cấu chỉ thị tương tự

4 Cơ cấu tự ghi cơ điện

5 Máy hiện sóng

6 Thiết bị phối hợp phía sau (TBPH)

Tín hiệu cần đo sau khi qua khâu chuyển đổi sơ cấp 1 (có thể là điện hoặc cơđiện) được biến đổi thành tín hiệu điện tương tự Y1 tới mạch đo 2 thành tín hiệutương tự thống nhất hoá Y2, tín hiệu Y2 được đưa tới cơ cấu chỉ thị 3, cơ cấu tựghi 4 và máy hiện sóng 5 hoặc các thiết bị phối hợp 6 ở phía sau

Với phương pháp chia cũ các vạch độ được chia đánh dấu trên mặt dụng cụ,

đó là qui ước của con người được thực hiện một cách tự nhiên mang yếu tố chủquan, quá trình đo chậm, tốc độ thấp Thuận lợi trong đo lường trong thực hành,kiểm tra và trong công nghiệp

1.6.2 Mô hình đo lường A/ D

Quá trình đo lường thực hiện theo phương pháp biến đổi thẳng Đại lượngcần đo X được đưa qua khâu biến đổi biến thành các số N trên cơ sở so sánh với

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Y3

đơn vị của đại lượng đo X0 , cũng được biến đổi thành số N0 và được nhớ lại Kếtquả được đọ c trực tiếp bằng các số chỉ trên bảng chỉ thị, sơ đồ khối nguyên cho ởhình1.3.

Hình 1.3 Mô hình đo lường A/ D

1 Chuyển đổi sơ cấp;

2 Mạch biến đổi thống nhất hoá (BĐTNH)

3 Bộ biến đổi tương tự số (Analog-Digital)

Sơ đồ phối hợp các thao tác đo lường A/ D cơ bản trên hình 1.4 Thao cơ bảncủa quá trình đo bao gồm 4 bước chính sau:

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Nhớ No

Đưa Xo vào thiết bị đo

(có No)

So sánh N/No Đưa X vào thiết bị đo (có N)

Hình 1.4 Sơ đồ phối hợp thao tác mô hình đo lường A/DBước 1: Đưa đại lượng mẫu vào thiết bị đo mã hoá thành tập hợp số N0

1.6.3 Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý

Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý giới thiệu ở hình 1.5 đánh dấu mộtbước phát triển của kỹ thuật và công nghệ đo lường, ngoài các tính năng đonhanh, độ chính xác cao vv có thể thực hiện dễ dàng việc biến đổi, xử lý tín hiệu

và tự động hoá quá trình đo Là cơ sở để xây dựng hệ thông tin đo lường

PKĐTNH

TBGN

Sensor

CTS

A/DX(t)

32

Tín hiệu đo sau khi chuyển đổi sơ cấp 1 là tín hiệu tương tự Y1, qua bộkhuếch đại thống nhất hoá 2 được Y2, tín hiệu tương tự chuẩn hoá Y2 (dòng từ ođến 24mA hoặc từ o đến 10 V) sau đó qua bộ biến đổi tương tự số 3 (A/ D)thành tín hiệu số đưa vào bộ vi xử lý 4 (p) Để điều khiển bộ (p) dùng bộ phátxung nhịp lấy từ bộ điều khiển 6 Thiết bị ghép nối vào ra 7 cho phép đưa thôngtin ra màn hình hay máy in, hoặc lấy tín hiệu điều khiển từ bàn phím, kết quả đođược đưa tới cơ cấu chỉ thị số 5.

1.7 Mô hình hệ thống thông tin đo lường

Hệ thống thông tin đo lường được định nghĩa là một tập hợp đầy đủ cácphương tiện đo và các thiết bị khác liên kết lại để thực hiện những phép đo nhấtđịnh Trong hệ thống đo vi xử lý làm nhiệm vụ thu thập số liệu và thực hiện hàngloạt các vấn đề như: phân lớp, xác định các chế độ đo, các đại lượng cần đo, phạm

vi đo, trình tự đo, tìm ra các hệ số hiệu chỉnh và tự động xử lý kết quả đo trên máy

vi tính mà các phép đo trước kia không thể thực hiện được

Sơ đồ chung một hệ thống thông tin đo lường hình 1.6

P

Hình 1.6 Hệ thống thông tin đo lường.

Tín hiệu từ các bộ cảm biến (S) được đưa qua các chuyển đổi chuẩn hoá(C.Đ.C.H) đến các bộ kênh (MUX) tới bộ tích giữ mẫu (S/H), sau đó tín hiệuchuyển tới bộ khuyếch đại (KĐ) tới bộ chuyển đổi tương tự số (A/D) Trong hệthống sử dụng vi sử lý (P) để thực hiện các nhiệm vụ như: Xử lý thống kê, nénthông tin, thực hiện các phép biến đổi vi xử lý kết hợp với các bộ nhớ cố địnhROM và bộ nhớ thay đổi RAM các thông tin sau ADC được trao đổi với P thôngqua kênh BUS, đồng thời qua BUS điều khiển P có thể điều khiển tất cả cáckhâu trong hệ thống ở đầu ra tín hiệu có thể nối với các đối tượng khác như: Máyphát tín hiệu, máy điều khiển [1]

Hệ thống thông tin đo lường thể hiện bước phát triển nhảy vọt trong kỹ thuật

và công nghệ đo lường không những khắc phục các nhược điểm và phát triển các

ưu điểm của các mô hình đo lường trước mà còn cho phép đo được nhiều kênhtrong cùng một thời gian, truyền đi xa được ứng dụng rộng rãi trong đo lường-điều khiển tự động, trong nghiên cứu khoa học

5 4

6

Y

3

Đến các thiết bị phối hợp

Hình 1.7 Mô tả hệ thống thông tin đo lường đập lập.

Hệ thống thông tin đo lường độc lập về cơ bản quá trình đo cũng giống như

mô hình đo lường A/D (1.6.2), chỉ khác hệ thống có thêm đầu ra Analog để phục

vụ cho mục đích sử dụng ở phía sau: Điều khiển nhờ trên băng từ hoặc trên đĩavv

1.7.2 Hệ thống đo lường nối tiếp.

Là hệ thống mà các đại lượng cần đo được truyền lần lượt trên một kênh duynhất tới thiết bị thể hiện và bộ nhớ hoặc các thiết bị phía sau Sơ đồ khối hình 1.8

Hình 1.8 Hệ thống thông tin đo lường nối tiếpTrong sơ đồ tín hiệu tương tự của cảm biến (S) qua khuếch đại thống nhấthoá (KĐTNH) tới bộ phân kênh (PK), tại đây các đại lượng đo lần lượt đượctruyền tới bộ thu thập và xử lý thông tin (TTXL) trên một kênh duy nhất sau đóđược đưa tới thiết bị thể hiện (CT) hoặc thiết bị nhớ (TBN) Tín hiệu sau bộ nhớ

có thể được gửi đi xử lý tiếp Nếu sử dụng bộ chỉ thị kiểu hiện số thì trước nó cần

có bộ chuyển đổi tương tự số

Để điều khiển hệ thống làm việc có sử dụng hệ điều khiển, hệ điều khiển cóthể được cài đặt theo một trương trình Angorit đã định trước hoặc trực tiếp dongười sử dụng

Trong trường hợp các chuyển đổi chuẩn hoá cùng loại và có cùng một thang

đo thì có thể dùng chung một chuyển đổi chuẩn hoá khi có bộ phân kênh đượcđưa về phía trước của chuyển đổi chuẩn hoá

s1

s2

sn

KĐTNH1KĐTNH2KĐTNH3

tbncts

ĐK

Người quan sát

Hệ thống đo nối tiếp có cấu tạo đơn giản, giá thành hợp lý đòi hỏi tốc độ đo

và phân kênh cao, phù hợp cho các quá trình đo chậm, ở vùng có tần số thấp, độtin cậy không cao, mắc sai số lớn

1.7.3 .Hệ thống đo lường song song.

Hệ thống đo lường song song cho phép đo đồng thời các đại lượng cần đotrong thời điểm bất kỳ tới các cảm biến (S) khác nhau, các tín hiệu được truyềntrên kênh thông tin không ảnh hưởng lẫn nhau

Sơ đồ nguyên lý hình 1.9

Hình 1.9 Hệ thống thông tin đo lường song songCác tín hiệu đo sau khi qua chuyển đổi chuẩn hoá đều được đưa tới bộ thuthập thông tin (TTDL), từ đây tín hiệu được dẫn tới bộ xử lý thông tin trung tâm(XLTT) bằng các tiến hiệu (khoảng cách thích hợp nhỏ hơn 2km) Bộ xử lý trungtâm thực hiện các chức năng đưa ra những tín hiệu cần thiết cho các thiết bị phíasau phối hợp Điều khiển hệ thống có thể theo một trương trình sẵn hoặc trực tiếp

Hệ thống đo lường song song đảm bảo phép đo có độ tin cậy cao, các tín hiệuđược truyền đi song song với nhau nên không phụ thuộc lẫn nhau, nhưng đòi hỏicần có biện pháp chống nhiễu giữa các kênh tốt Nhưng có nhược điểm là sốlượng dây quá lớn, cồng kềnh và giá thành cao

T.B.N

c T số

N gười quan sátt.t.d.l (cpu)xltt

B ộ ghép nốithông tinCác thiết bị ngoài

Hệ thống đo lường hỗn hợp là tổng hợp của hai hệ thống đo nối tiếp và songsong Hệ thống đo lường này cho phép tác động nhanh với các tín hiệu đo, đođược nhiều đại lượng cùng một lúc và hạn chế được nhược điểm riêng rẽ của cácloại trên.

Hiện nay các tổ hợp đo lường đã ra đời và dần dần thay thế các phương tiện

đo lường cũ, hệ thống đo lường càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vựcnhư tự động điều khiển quá trình sản xuất, tự động kiểm tra chất lượng sản phẩm,

tự động hiệu chuẩn các phương tiện đo

Hệ thống đo lường là tập hợp các phương tiện được liên kết với nhau để thựchiện một phép đo nhất định Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật, hệ thống tự độngkiểm tra sản phẩm, hệ thống tự động hiệu chỉnh phương tiện đo

Với ứng dụng của kỹ thuật vi tính, kỹ thuật điện tử và tự động hoá các hệthống thông tin đo lường dần dần được hoàn thiện, càng ngày càng chiếm ưu thế

và được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân, chất lượng của phép

đo không ngừng được cải thiện

Trong tương lai các nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật côngnghệ mới không ngừng được nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thông đo,các phương tiện đo gọn và nhẹ hơn

1.8 Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo.

Để chọn đúng phương tiện đo cho ứng dụng cụ thể hãy xây dựng hệ thốngtrang thiết bị đo cần có sự hiểu biết tốt về cấu trúc và các đặc tính của chúng cũngnhư những căn cứ về kỹ thuật và công nghệ để đáp ứng yêu cầu và mục đích sửdụng

Ngày nay các phương tiện đo lường có ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số

và vi xử lý đang chiếm ưu thế trong các phép đo và đang được ứng dụng rộng rãitrong mọi lĩnh vực, trong sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật công nghệ.Công nghệ đo lường hiện nay gồm các thiết bị chính: Chuyển đổi sơ cấp,chuyển đổi chuẩn hoá, hệ thống thu thập dữ liệu đa năng (loại kênh dẫn hoặckhông dây), bộ vi xử lý với máy tính và phần mềm ứng dụng (thu thập số liệu,phân tích và tự động xử lý số liệu) thực hiện theo các mô hình đo lường đã nghiêncứu ở mục 1.6

Nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả phương tiện đo trong các phép đo có ýnghĩa quyết định trong công tác đo lường và là yếu tố cơ bản nhất để có được kếtquả đo theo mong muốn.

1.8.1 Độ tin cậy của thiết bị đo.

Độ tin cậy của phương tiện đo lường giữ một vai trò quan trọng trong việccấu thành phương tiện đo đó Độ tin cậy của phương tiện đo phụ thuộc vào nhiềuyếu tố và luôn được thể hiện trong quá trình đo các đại lượng khác nhau

Thông thường độ tin cậy của thiết bị đo được xác định bởi khả năng làm việctin cậy của phương tiện trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quiđịnh và phụ thuộc tính chất nội tại của phương tiện đo:

-Trình độ kỹ thuật công nghệ của nhà sản xuất

-Độ tin cậy của các linh kiện, các phần tử trong phương tiện đo

-Các dụng cụ đo được chế tạo có kết cấu đơn giản hay phức tạp

-Điều kiện làm việc của phương tiện đo có phù các tiêu chuẩn hay điều kiện chophép hay không của nhà chế tạo

-Trình độ hiểu biết và kỹ năng thực hành của người sử dụng

Do vậy để nâng cao độ tin cậy của phương tiện đo cần có những biện pháptích cực trong thiết kế chế tạo, trong quản lý sử dụng và trong vận hành phải quantâm tới các yếu tố như điều kiện môi trường, đào tạo cán bộ và nhân viên lànhnghề Duy trì đều đặn chế độ bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ

1.8.2 Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo.

1.Sai số của phương tiện đo.

Các đại lượng cần đo đều có một giá trị thực của nó, đó là giá trị phản ánhthuộc tính của đối tượng đã cho phù hợp với đối tượng đã cho về số lượng và chấtlượng Giá trị thực không phụ thuộc vào phương pháp đo, phương tiện nhận biếtchúng, đó là giá trị mà phép đo cố gắng đạt được

Kết quả đo là sản phẩm của trình độ nhận thức, nó không những phụ thộc vàobản thân đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Phương pháp đo,phương tiện đo, người đo, điều kiện môi trường thực hiện phép đo

Một trong những đặc trưng kỹ thuật cơ bản của các phương tiện đo là sai sốcủa thiết bị phải đảm bảo duy trì trong thời gian xây dựng, sai số của phương tiện

đo thể hiện dưới các dạng sau:

a Sai số hệ thống.

Là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn không đổi hay thay đổi cóquy luật sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

b Sai số ngẫu nhiên.

Là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môitrường bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ) sai số này còn gọi là sai số phụ.Tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác Cấpchính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Người

ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi củadụng cụ đo đó

% 100

*

%

N

m n

X





 (1-1)Trong đó: XN- là giá trị cực đại của thang đo

m- là sai số tuyệt đối cực đại

n- là sai số ngẫu nhiên tính theo %

2 Độ nhạy của phương tiện đo.

Độ nhạy cho biết khả năng làm việc của phương tiện đo đối với đại lượng cần

đo Phương tiện đo có độ nhạy càng cao càng tốt Đặc trưng cho độ nhậy củaphương tiện đo là ngưỡng nhậy của phương tiện cho biết khả năng mà thiết bị cóthể phân biệt được giá trị nhỏ nhất của đại lượng đo

Y

X S





 (1-2)Trong đó: S – là độ nhạy

X – là sự thay đổi của đại lượng vào

Y – là sự thay đổi của đại lượng ra

Ngưỡng nhạy được xác định:

Khi Y= 0 thì X tiến tới một giá trị  (X = )

Nếu S không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính Lúc đó thang đo

sẽ được khắc độ đều

3 Công suất tiêu thụ của phương tiện đo.

Trong các thiết bị đo hạn chế công suất tiêu hao trên phương tiện là điều kiệnhết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn: Tăng khả năng làm việc của thiết bị, kéodài tuổi thọ, tăng độ chính xác của kết quả đo

Hiện nay trong công nghệ đo nhờ áp dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công nghệchế tạo các phương tiện đo có tổn hao cực kỳ nhỏ

4 Độ tác động nhanh.

Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đotrên chỉ thị Đối với dụng cụ tương tự thời gian này khoảng 4s Đối với dụng cụ số

có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong một giây

Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh hơn nhiều Mở ra khảnăng thực hiện các phép đo lường thống kê

5 Thời gian đo của thiết bị đo.

Thời gian đo của thiết bị đo cho biết độ tác động nhanh của phương tiện đo,được xác định bằng thời gian để xác lập kết quả trên cơ cấu chỉ thị Thời gian đo(Tđo) được tính từ lúc đặt tín hiệu cần đo (To) vào phương tiện đo đến khi ổnđịnh đưa kết quả trên cơ cấu chỉ thị (Tođ) Trong phép đo người ta quan tâm tớitốc độ, được xác định:

Tđo=Tođ-To (1-3)

Tốc độ đo nhanh cũng rất cần trong các phương tiện đo phân kênh hay nốitiếp Nay do ứng dụng kỹ thuật điện tử, vi xử lý và máy tính có thể đáp ứng đượctốc độ đo nhanh đến micrô giây và nhanh hơn

1.8.3 Cấu trúc cơ bản của phương tiện và hệ thống đo lường.

1 Mô tả cấu trúc.

Về cơ bản cấu trúc của phương tiện đo lường có thể mô tả theo hình 1.10 và1.11.

Hình 1.10 Mô tả cấu trúc phương tiện đo lườngĐại lượng cần đo được đưa trực tiếp tới đầu vào chuyển đổi sơ cấp (CĐSC)của thiết bị đo, ở đầu ra của chuyển đổi Y1 có thể là dòng điện hay điện áp tớimạch đo (MĐ) để xử lý, gia công được Y2 chuyển tới cơ cấu chỉ thị kết quả(CCCT)

Để đo được nhiều thông số trong cùng một thời gian và thực hiện đồng thờinhiều thao tác như đo với tốc độ nhanh, có thể lưu giữ, quan sát người ta thường

sử dụng hệ thống đo lường có cấu trúc nhiều đầu vào (hình 1.11) Các đại lượngcần đo qua các cảm biến (S) được biến đổi thành đại lượng điện tương ứng vàđược gửi tới đầu vào của bộ thu thập giữ liệu 2 Tại đây tín hiệu được xử lý, giacông hoặc có thể lưu giữ, đầu ra của 2 tín hiệu đưa tới bộ biến đổi A/D 3 và tớimáy tính 4 để quan sát, lưu giữ và gia công kết quả

Hình 1.11 Mô tả cấu trúc hệ thống đo lường 1.Các sensor(S); 2 Bộ thu thập dữ liệu(TTDL)

3 Bộ biến đổi tương tự-số; 4 Máy tính (PC)

Điều khiển quá trình có thể trực tiếp hoặc bằng bàn phím thông qua giao điện(interface)

S1

PCA/D

Sn

43

21

2

2 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC).

Chuyển đổi sơ cấp có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo là điệnhoặc không điện ở đầu vào thành các đại lượng điện tương thích (dòng hoặc áp) ởđầu ra, phương trình mô tả chuyển đổi có dạng:

Y=f(x)Trong đó: x – là đại lượng không điện cần đo

Y – là đại lượng điện sau chuyển đổi

Phương trình mô tả trên có thể là tuyến tính hay phi tuyến tuy nhiên trong kỹthuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi có quan hệ tuyến tính vớimục đích nâng cao độ chính xác của phép đo

Thực tế tiến hiệu Y ở đầu ra của chuyển đổi không những chỉ phụ thuộc vàođại lượng x mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài z, khi đó phương trình mô

tả có dạng:

Y=f(x,z)Các chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bọc bảo vệ có hình dáng rấtkhác nhau phù hợp với chỗ đặt để đo các đại lượng vật lý x cần đo được gọi làSensor (hay đầu đo, cảm biến) Các Sensor được chế tạo riêng rẽ đơn chiếc hoặcđược chế tạo hợp bộ với các thiết bị đo hay hệ thống đo lường

Khi chế tạo các chuyển đổi người ta thường quan tâm các đặc tíh cơ bản sau:-Khả năng thay thế và lắp lẫn của các chuyển đổi

-Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị

-Đường cong của chuyển đổi phải ổn định không thay đổi theo thời gian

-Tín hiệu ra chuyển đổi thường đặt thống nhất (chuẩn) hoá đảm bảo thuận tiệncho việc ghép nối vào các máy đo điện tử, hệ thống đo hay máy tính

-Sai số của các chuyển đổi đảm bảo nhỏ nhất để nâng cao độ chính xác của cácchuyển đổi sơ cấp, đồng thời nâng cao độ chính xác của các phép đo hay dụng cụđo

-Độ nhạy của các chuyển đổi thích hợp cho các ứng dụng phản ánh được với cácbiến động đủ nhỏ của tín hiệu đầu vào trong dãi đo

-Đặc tính động của chuyển đổi sơ cấp cho biết khả năng cho tín hiệu ra khi có tínhiệu ở đầu vào, trong thời gian ngắn nhất phải được chọn phù hợp với yêu cầu củathí nghiệm.

1.8.4 Tuyến tính hoá đặc tính cảm biến.

Trong quá trình đo cảm biến cần phản ánh đúng đặc tính của các đại lượngcần đo X theo quan hệ đơn trị X=f(Y) Điều này khó có thể thoả mãn, phần lớn docác chuyển đổi cấu tạo nên cảm biến có đặc tính phi tuyến hoặc chịu tác động củanhiều yếu tố ảnh hưởng với các nguồn gốc khác nhau

Có thể khắc phục các nhược điểm trên dựa vào các thành tựu khoa học kỹthuật công nghệ điện tử và tin học hiện đại Một số các hướng phổ biến là:

* Sử dụng các chuyển đổi thống nhất hoá.

Chuyển đổi thống nhất hoá gồm phần tử nhạy (Sensor hay cảm biến) vàkhâu phối hợp được kết nối trong thiết bị đo, tại đó tín hiệu điện được xử lý vàđưa ra với đặc tính phù hợp cho các khâu biến đổi tiếp theo của quá trình đo(hình1.12)

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi thống nhất hoáĐại lượng cần đo X sau khi qua chuyển đổi thành đại lượng điện tương ứngu(t), i(t) được đưa qua khâu phối hợp để tạo ra tín hiệu thống nhất hoá ví dụ như:Dòng điện 0-20; 4-20; -5 - +5; -20 - +20 mA

* Trong công nghệ chế tạo

Nâng cao các tính năng của cảm biến bằng ứng dụng linh kiện điện tử, vậtliệu mới và các giải pháp mạch tiên tiến có đặc tính kỹ thuật tốt: chính xác, ổnđịnh và nhiệt đới hoá Sau đây là một số các chuyển đổi có ứng dụng trong đolường các đại lượng cơ điện

1 Chuyển đổi kiểu điện trở.

Là những chuyển đổi kiểu thông số thường được sử dụng để đo các dịchchuyển thẳng hoặc di chuyển góc của đại lượng càan đo Chuyển đổi kiểu điện trởdựa trên sự thay đổi điện trở của chuyển đổi khi có sự tác động cdủa đaị lượngcần đo, những loại thường sử dụng;

a Chuyển đổi kiểu biến trở

Dây điện trở chế tạo bằng Manganin, Ni ken, Crom, Contantan, Vonframđược phủ lớp cách điện, đường kính dây khoảng từ 0,02 đến 0,1 mm, điện trở củadây thay đổi từ vài chục ôm đến vài nghìn ôm và được quấn trên vật liệu cáchđiện như gốm, sứ, hay điện trở màng mỏng có con chạy v.v

Phương trình mô tả quan hệ giữa đại lượng vào, ra của chuyển đổi như sau:

R=f(Xv)Trong đó: R- Giá trị điện trở của chuyển đổi

Xv- Đại lượng cần đo

Trong kỹ thuật đo lường ở các dạng: mạch biến đổi; mạch phân áp; mạch cầu;mạch Lôgômét

Hình 1.13 Chuyển đổi biến trở

a Mạch biến trở

b Mạch phân áp

b Chuyển đổi kiểu điện trở ứng suất (điện trở Tenzô).

Chuyển đổi dựa trên hiệu ứng Tenzô, nghĩa là khi chuyển đổi chịu biến dạng

cơ khí thì điện trở của nó thay đổi và thường được chế taọ dưới ba dạng:

- Chuyển đổi dây điện trở ứng suất có d=20m

- Chuyển đổi màng điện trở ứng suất có chiều dày từ 25 đến 60 m

- Chuyển đổi lá điện trở ứng suất mỏng 0,02mm và dày 0,2mm

Vật liệu chế tạo chuyển đổi thường là Constantan, Nỉcrôm, hợp kim Iriddi Khi đo biến dạng điện trở Tenzô dược dán lên đối tượng đo, khi đối tượngbiến dạng chuyển đổi biến dạng theo kéo theo sự thay đổi điện trở của chuyển đổihình1.14

Platin-Đặc trưng cơ bản của chuyển đổi điện trở ứng suất là độ nhạy:

Trong đó: R và R – Là điện trở và suất gia điện trở khi chịu biến dạng

L và L - Là chiều dài và suất giản dài của điện trở ứng suất tươngứng

Hình 1.14.Điện trở lực căng dây mảnhThông thường chuyển đổi điện trở ứng suất thường được sử dụng với mạchcầu một chiều hay xoay chiều hình 1.15.

Hình 1.15 Mạch cầu

a, Mạch cầu một chiều; b, Mạch cầu xoay chiềuKhi sử dụng chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh trong mạch cầu để đo cácđại lượng cần chú ý:

-Nguồn nuôi chọn sao cho dòng điện đi qua chuyển đổi không vượt quá giá trịcho phép I < Iđm, nếu cần sử dụng cả bốn vai của cầu thì U < Iđm*R

b,

-Độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Do vậy trong mạch đongười ta thường sử dụng các phương pháp bù nhiệt độ để đảm bảo độ chính xáccủa phép đo.

-Khi dán chuyển đổi lên đối tượng đo cần chú ý vị trí dán cho thích hợp để có độnhạy cao tránh sai số do nhiễu và nhiệt độ gây ra

2 Chuyển đổi kiểu điện từ.

Đại lượng không điện cần đo tác dụng tới chuyển đổi làm thay đổi điện cảm,

hỗ cảm hay từ thông của phần tử chuyển đổi

a, Chuyển đổi điện cảm, hỗ cảm.

Chuyển đổi hỗ cảm có cấu tạo tương tự như nhau đều có cấu tạo là cuộn dây 2được quấn trên lõi thép 1 có khe hở không khí Với loại điện cảm thì chỉ cần mộtcuộn (hình 1.16a) còn với loại hỗ cảm có thêm cuộn dây ra (hình 1.16b) Dưới tácdụng của đại lượng vào Xv làm dịch chuyển phần ứng 3, khe hở tương đối giữaphần động và phần tĩnh thay đổi dẫn đến điện cảm hay hỗ cảm trong mạch củachuyển đổi thay đổi theo Để tăng độ nhạy và chống nhiễu sử dụng kiểu vi sai(hình 1.16c)

Phương trình chuyển đổi vối loại điện cảm Z = f()

Phưong trình chuyển đổi với loại hỗ cảm H = f()

12

3

2

3

Hình 1.16 Chuyển đổi kiểu điện từ

a, Loại điện cảm; b, Loại hỗ cảm; c, Kiểu vi sai

1 Lõi sắt từ; 2 Cuộn dây; 3 Phần động;  Khe hở không khí

Các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm đựơc dùng để đo các đại lượng khôngđiện khác nhau như :

- Đo dịch chuyển từ vài chục Mỉcrômet đến hàng chục centimet

- Đo chiều dày của lớp phủ

- Đo độ bóng của chi tiết gía công

- Đo lực tác động từ 0,1N đến hàng trăm Niutơn

- Đo áp suất từ 0,001N/m2 đến hàng nghìn N/m2

Nhựơc điểm cơ bản của các chuyển đổi trên là trong mạch đo cần sử dụngnguồn cung cấp điện áp xoay chiều cố tần số thật ổn định

b Chuyển đổi kiểu áp từ.

Là một dạng đặc biệt của chuyển đổi kiểu điện cảm, hỗ cảm chỉ khác nhauvới hai loại trên là mạch từ của chuyển đổi áp từ là loại mạch từ kín

Dưới tác dụng của biến dạng đàn hồi cơ học độ từ thẩm và các tính chất củavật liệu sắt từ thay đổi nghĩa là độ từ thẩm và từ trở của mạch thay đổi theo dẫnđến điện cảm (hình 1.17a) hoặc hỗ cảm (hình 1.17b) của chuyển đổi thay đổi theo,mạch đo thường sử dụng là mạch cầu vi sai Độ chính xác của chuyển đổi phụthuộc vào điện áp và tần số của nguồn nuôi, khi nguồn cung cấp thay đổi 1 thìkết quả mắc sai số khoảng 1%, tần số của nguồn thay đổi 1% thì gây ra sai số0,2% Chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường

UraFx

Hình 1.17 Chuyển đổi áp từ

a, Kiểu điện cảm; b, Kiểu hỗ cảm;

1, Lõi thép; 2, Cuộn dây; 3, Đối tượng nghiên cứu

Chuyển đổi áp từ có độ chính xác thấp (từ 3% đến 5%) nhưng có cấu trúc đơngiản, độ tin cậy cao thưòng được sử dụng ở ngoài hiện trường để đo áp suất,mômen xoắn trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kimloại v.v

Nhược điểm của chuyển đổi có sai số phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường vàdòng điện từ hoá

c Chuyển đổi kiểu cảm ứng.

Khi có tác động của đại lượng cần đo Xv vào phần động 3 thì trong cuộn đay

2 xuất hiện một sức diện động, kết quả ở cửa ra cho một điện áp tương ứng Độlớn của điện áp đầu ra của chuyển đỏi phụ thuộc vào sự biến thiên của từ thông

do nam châm điện hay man châm vĩnh cửu 1 của chuyển đổi gây ra

Phương trình tổng quát:

Ur = f(Xv)Đại lượng Xv có thể là các tác động thẳng (lực kéo, nén v.v ) hoặc mô menquay hay chuyển dịch góc Nguyên tắc cấu tạo có loại chuyển đổi cuộn dây dịchchuyển có loại phần sắt dịch chuyển

Các chuyển đổi cảm ứng được dử dụng để đo tốc độ quay, mômen quay Loại

có lõi thép di chuyển được dùng để đo các di chuyển thẳng, di chuyển góc, đobiên độ rung từ vài phần trăm mm đến vài mm Chuyển đổi cảm ứng có ưuđiểm:

Tín hiệu ra của các chuyển đổi có giá trị tương đối lớn từ vài phần vôn đến vàichục vôn nên mạch đo không cần khuếch đại Độ nhạy của chuyển đổi cho phép

đo được các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc và các đại lượng khác có tần số từ

15 đến 30 KHz Sai số của chuyển đổi đạt từ 0,2% đến 0,5%

3 Chuyển đổi tĩnh điện

Gồm hai dạng chính:

a Chuyển đổi kiểu áp điện.

Dựa trên hiệu ứng áp điện người ta đã chế tạo các chuyển đổi áp điện làm việctheo nguyên tắc: dưới tác dụng của đại lượng cơ học cần đo biến thiên tác dụngvào bề mặt của vật liệu thì trên bề mặt của chuyển đổi sẽ xuất hiện các điện tíchgọi là hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại nếu đặt các vật liệu trên vào trong mộtđiện trường biến thiên, dưới tác dụng của điện trường biến thiên làm biến dạngchuyển đổi gọi là hiệu ứng áp điện ngược, nghĩa là điện tích q biến thiên với đạilượng vào

Nhược điểm của chuyển đổi áp điện là không đo được lực tĩnh và rất khó khắc

độ b Chuyển đổi kiểu điện dung

Chuyển đổi điện dung là những chuyển đổi có điện dung thay đổi dưới tác dụngcủa đại lượng cần đo khi đại lượng vào là sự dịch chuyển thẳng, di chuyển góc tácđộng vào phần động của chuyển đổi thì tín hiệu ra của chuyển đổi dưới dạng điện

áp Các chuyển đổi làm việc theo nguyên tắc như vậy gọi là chuyển đổi máy phát.Nếu đại lượng vào của chuyển đổi là sự di chuyển còn đại lượng ra là sự thay đổiđiện dung thì gọi là chuyển đổi thông số

Dưới đây là một số loại chuyển đổi thường được sử dụng trong kỹ thuật đo lườngbảng 1.2

 Lĩnh vực ứng dụng:

Chuyển đổi điện dung có khe hở không khí thay đổi dùng để đo những di chuyểnnhỏ từ vài micromet đến vài milimet Loại có điện tích bản cực thay đổi đượcdùng để đo các di chuyển lớn hơn 1cm và di chuyển góc tơí 2700 Chuyển đổi cóđiện môi thay đổi để đo độ ẩm, đo mức nước, chiều dày của vật liệu cách điện và

đo lực

4 Chuyển đổi nhiệt điện

Là những chuyển đổi dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của các quá trình như đốtnóng, làm lạnh hay trao đổi nhiệt v.v thì đầu ra của chuyển đổi sẽ có tín hiệu cóthể là điện áp (như chuyển đổi cặp nhiệt điện ) hay tín hiệu ra là sự thay đổi vềđiện trở ( như chuyển đổi kiểu nhiệt điện trở )

a Chuyển đổi cặp nhiệt điện ( cặp nhiệt ngẫu ).

Là những chuyển đổi được cấu tạo từ hai dây dẫn, được làm từ hai vật liệu khácnhau được nối lại với nhau Khi hai đầu của chuyển đổi có sự chênh lệch về nhiệt

độ thì trong mạch sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt điện ( hình 1-19)

a-a

i

4

6- Vỏ ngoài; 7- Đầu nối ra.

Vật liệu dùng chế tạo chuyển đổi cặp nhiệt ngẫu phải đảm bảo: quan hệ giữa sứcđiện động nhiệt điện với nhiệt độ là hàm đơn trị, tính chất bền điện không thayđổi, độ bền hoá và cơ với nhiệt độ phải cao, dẫn điện tốt, có trị số sức điện độngnhiệt điện lớn

Cặp nhiệt điện nối với nhau theo phương pháp hàn và được đặt trong thiết bịbảo vệ để tránh tác động của môi trường Thiết bị bảo vệ được chế tạo từ loạithép tốt, đối với loại cặp nhiệt điện quý, thiết bị bảo vệ thường được làm bằngthạch anh hoặc gốm ( hình 1-19)

Để tăng độ chính xác của phép đo và có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ củađầu đo trong sơ đồ mạch người ta có đưa thêm một mạch cầu vào mạch đo, trong

đó ba nhánh của cầu đo là ba diện trở không thay đổi theo nhiệt độ ( Đồng hoặcNiken) Cầu được tính toán ở nhiệt độ 00C mắc nối tiếp với đầu tự do của cặpnhiệt ngẫu để ổn định nhiệt trong quá trình đo sử dụnh mạch bù nhiệt theo sơ đồhình 1.20

Hình 1-20 Sơ đồ nguyên lý mạch bù nhiệt độ đầu đo

R1- Điện trở bù nhiệt; EB- Nguồn nuôiCặp nhiệt điện được ứng dụng chủ yếu để đo nhiệt độ, ngoài ra còn để đo các đạilượng không điện như đo dòng điện ở tần đố cao, đo hướng chuyển động.

b Chuyển đổi nhiệt điện trở.

Chuyển đổi nhiệt điện trở là những chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thayđổi của nhiệt độ Vật liệu chế tạo bằng dây đẫn hoặc là chất bán dẫn có hệ sốnhiệt độ lớn, điện trở suất lớn, khó chảy và có độ bền hoá học cao đối với môitrtường

 Loại nhiệt điện trở dây.

Vật liệu chế tạo thường là từ Đồng, Platin và Niken có dường kính từ 0,02 đến0.06mm và chiều dài từ 5 đến 20mm Một số loại nhiệt điện trở thường gặp (hình1.21)

Hình 1-21- Một số nhiệt điện trở thường gặp1- Dây đặt trong ống sứ; 2- Vỏ bảo vệ; 3- Ổ đỡ; 4- Hộp đầu ra

4

3

2 1

 Nhiệt điện trở bán dẫn

Được chế tạo từ một số ôxit kim loại khác nhau như CuO, CoO, MnO v.v Cấutạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và hình cầu.Bảngdưới đây cho đặc tính của một số nhiệt điện trở bán dẫn ( bảng 1.3 )

Mạch đo đối với chuyển đổi nhiệt điện trở có thể dùng mạch bất kỳ để đo điệntrở của nó Thông thường người ta hay dùng mạch cầu không cân bằng ( hình1.22b) có chỉ thị là Lôgomet hoặc mạch cầu cho thiết bị tự ghi ( hình 1.22c ).ứng dụng của chuyển đổi nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích các thành phần, nồng độ củamột số hợp chất và chất khí

Hình 1.22-Mạch đo dùng với chuyển đổi nhiệt điện trở

a, Mạch Lôgômet; b, Mạch cầu 3 dây dùng chỉ thị lôgômet;

c, Mạch cầu 3 dây dùng với thiết bị ngoài

Ngoài các chuyển đổi đã trình bày ở trên trong kỹ thuật đo lường còn sử dụng sơcấp dựa trên nguyên tắc hoá học (các chuyển đổi hoá điện), theo nguyên tắc xuấthiện các điện tử hay Ion (các chuyển đổi điện từ và Ion),v.v [1]

1.9 Phương pháp đo

Phương pháp đo là trình tự Lôgic các thao tác được mô tả một cách tổng quát

để thực phép đo, phương pháp đo là sự thể hiện của nguyên lý đo và phương tiện

đo khoa học công nghệ càng phát triển sẽ có nhiều phương pháp được áp dụng và

có khả năng loại trừ ót các sai số đảm bao kêt quả đo có độ chính xác cao.Trongthực tiễn ứng dụng nhiều phương pháp có thể phân thành một số dạng cơ bản hình1.23.

Phương pháp đó sánh với vật đọ được sử dụng nhiều trong các phép đo hiện nay,phương pháp có ưu điểm:

- Cho kết quả có độ chính xác cao

- Có khả năng loại trừ sai số hệ thống

- Trong quá trình tiêu thụ ít năng lượng của đối tượng đo

- Có ý nghĩa cao trong thực tiễn bởi vì chế tạo một vật đọ có độ chính xác cao sẽ

dễ dàng hơn chế tạo một phương tiện đo có cung cấp chính xác

Trong kiểm định, hiệu thường sử dụng phương pháp so sánh vi sai và phươngpháp chỉ zêzô

Với phương pháp biến đổi thẳng độ chính xác thấp nhưng có ưu điểm là đơn giản

do đó thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp được ứng dụng để đo vàkiểm tra các quá trình sản xuất

Đề tài: Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

Phương pháp đo

Phương pháp thế

Phương pháp chỉ zêzô

Phương pháp hiệu

Phương pháp

đo so sánh với vật đọ

Phương pháp

đo trực tiếp

Hình 1 23 Sơ đồ mô tả các phương pháp đo

1.9.1 Phương pháp đo trực tiếp (phương pháp biến đổi thẳng).

Là phương pháp đo trình tự lôgic các thao tác được thực hiện nối tiếp nhau thôngqua mạch đo lường(M.Đ), gồm các khâu chuyển đổi được nối tiếp với nhau Sơ

đồ nguyên lý quá trinh đo hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ nguyên lý quá trình đo biến đổi thẳng

Đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi sau đó được biếnđổi thành số Nx, mặt khác các đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổithành số No và được ghi nhớ lại Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượngcần đo với đơn vị của chúng, quá trình được thực hiện bằng phép chia Nx/No Kếtquả đo trên cơ cấu chỉ thị:

X = ( Nx/No )*Xo ( 1.6 )

Phương pháp đo trực tiếp thường được áp dụng cho các dụng cụ đo biến đổi thẳng

có sai số lớn Phương pháp thường được áp dụng cho các nhà máy, xói nghiệpcông nghiệp công nghiệp, kiểm tra quá trìng sản xuất có độ chính xác không cao

1.9.2 Phương pháp đo so sánh với vật đọ

Là phương pháp thực hiện trình tự lôgic các thao tác theo một mạch vòng khépkín (có khâu phản hồi), quá trình so sánh có thể cân bằng hoặc không cân bằng,

mô tả quá trình : hình 1.25 giới thiệu phương pháp đo với các lôgic so sánh kiểucân bằng Trong quá trình đo đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xo đều được

Nx/NoNo

NxXo

X

XXo