Thiết kế thiết bị đo chương 1

slide thiết kế thiết bị đo nguyễn thị lan hương 12312312311111111111111111111111111111111111111111111111111133333333333333333333333333333333311111123333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333311

GV.TS Nguyn th Lan Hng B mụn: K thut o v tin hc Cụng nghip H ni 8/2012 Chng 1: Lý thuy thuytt chung v v phng phỏp v thi thitt b b o Phn Ph n 1: Thit Thi t k k cỏc thit thi t b b o cỏc i i lng l ng in i n Chng 2: thit b o dũng in, in ỏp v in lng Chng 3: thit b o thụng s mch in Chng 4: thit b o cụng sut v nng lng Chng 5: thit b o thụng s thi gian v gúc pha Phn 2: Thit k thit b o cỏc i lng khụng in Chng 6: Thit k thit b o nhit Chng 7: Thit k thit b o lc, bin dng, ỏp sut, hiu ỏp sut v lu lng Chng 8: Thit k thit b o mc Chng 9: Thit k thit b o cỏc thụng s chuyn ng v kớch thc hỡnh hc Phơng pháp đo đại lợng điện không điện, Nguyễn Trọng Quế, 1996 Kỹ thuật đo đại lợng vật lý, chủ biên Phạm Thợng Hàn, tập 1,2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1995 Instrumentation Reference Book, BE Noltingk, Butter Worth Heinemann , 1994 Electronique des systemmes de mesures, Tran Tien Lang, 1991 Systemmes des mesures, Tran Tien Lang, Computerized Instrumentation, Tran Tien Lang, Các cảm biến kỹ thuật đo lờng điều khiển, chủ biên Lê Văn Doanh, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2001 Process/Industrial instruments and controls handbook (1999), Gregory K.mcMillan, McGraw-Hill ( NL507/03) Data Acquistion and signal Processing for smart sensors (2002), Nikolay V.kirianaki , Jonh Wiley &Sons Quỏ trỡnh o bin i thng kờtt qua c i lng ng vt v lý X= X NX X N0 Bt u X0->N0 (Khc ) X -> Nx ( Mó hoỏ) N0 Nx Nn Tp cỏc s t nhiờn Tớnh Nx/N0 a kt qu X = N N x X Kt thỳc Quỏ trỡnh o kiu so sỏnh Xk CT Bt u Nk Nk D/A SS X (0/1) N=0 Nk+1=NK+1 Nk =(0ữNn) Bin i Nk -> Xk X-Xk> ỳng Sai a kt qu X=Nk.X0 Kt thỳc Phng phỏp o: l th tc thc hin thao tỏc o lng o c kt qu bng s Thit b o: l thc hin k thut ca phng phỏp o vi mt h i lng c th Phng phỏp o (Mụ t quỏ trỡnh o-Nguyờn cụng) Thit b o (Gii phỏp k thut -Khi chc nng) Th hin bng s chc nng Phi hp cỏc nguyờn cụng khỏc Thc hin bng phn mm x lý Cỏc th tc phi hp u: CCC31 -C1 -C2 -C3 : Tớn hiu u o -C4 : Mu C2 C4 C2 nh nh ng thi Khụng ng thi Cõn bng I III Khụng cõn bng II IV C3,C4 -bng so sỏnh cỏc dng tớn hiu 10 C{(0,1); (0, 1); (0, 1); (0, 6); (0, 4)} Khụng gian so sỏnh (0,1) ng thi Khụng ng thi (0,1) Cõn bng Khụng cõn bng i lng so sỏnh Dng tớn hiu (0,6) (0,4) (0,1) 11 So sỏnh khụng gian s s Phộp so sỏnh ng ng thi th i Phộp so sỏnh khụng ng thi ng thi húa s liu o v s liu mu Cỏch s dng chung cỏc chui bin i Phộp so sỏnh th thc c hi hin n khụng gian v vtt lý c th Cỏc mch v cỏc phn t so sỏnh So sỏnh mch vũng h Phộp so sỏnh mch vũng kớn B so sỏnh khụng ng thi 12 So sánh đồng thời cân Mu M qua b bin i KM v A/D bin thnh NM NX = KxX NM = KMM KM, KX l cỏc h s bin i tng ca chui o lng: (KX = KCB KBD KAD) KCB: h s bin i ca cm bin ; KB : h s bin i ca b bin i, KAD l h s bin i ca A/D tớnh bng s/n v X Kx A/D Nx C M A NM KM A/D So sỏnh khụng gian s c thc hin bng phộp tr hay phộp chia 13 Trong so sỏnh cõn bng: kt qu so sỏnh l zero NX - NM = hay KX X - KMM = V X= KM M KX KM, KX l h s bin i ca giỏ tr o X v giỏ tr mu M Cỏc h s ny c xỏc nh bng tớnh toỏn hoc bng thc nghim Phộp so sỏnh ny cú sai s X = dK X dK = M + M X X KX KM 14 dK Do du ca X xỏc nh K X v dK M l khụng KM X = M + KM + KX phộp o ny t chớnh xỏc tng ng vi mu, phi cú cỏc iu kin sau: KX, KM phi cú n nh cao KX, KM phi c xỏc nh chớnh xỏc (bng phộp khc ) S ng chung m n S d dng mtt b b bi bin ii Ti sao?? KM =1 KX ( dK M dK X )=0 KM KX Trong so sỏnh khụng cõn b ng: K bng: Ktt qu qu so sỏnh l N NX - NM = N = KX X KMM Tng t trng hp trờn ta cú sai s ca phộp o X = dK dK X = M + M X + = M + Km + KX + X KX KX X NX KM - l ngng nhy ca N l giỏ tr mt bc lng t (LSB) ca b bin i A/D v l sai s lng s l ng t t ca c a b b A/D dựng mch m ch bin i 16 N X KX X = N M KM M NX So sỏnh cõn b bng: ng: N M = K x X = K M M X= KM M KX Sai s cng tng t cỏch thc hin bng phộp tr dK M dK X KX KM X = M + X = M + KM + KX 17 So sỏnh khụng cõn bng NX = N' NM Sai s X = K X X K = N ' ; X k = M M N ' K M M KX N ' + KM + KX + M N' N N ' ' = 0, 0001 0, 0006 = 0, 06% 1,5672 N' l s l nh nht ca N Vớ d: N'=1,5672 thỡ N' =0.0001 v ú Giỏ tr nh nht ca NX v NM l LSB ca A/D hay s cú ngha ca A/D l LSB Trong phộp chia kt qu c ly vi s l l 1/100 kh nng phõn ly ca A/D Tt c cỏc phộp x lý trờn u c thc hin bng phn mm cỏc b vi x lý 18 Hai s n so sỏnh cv s mu mun c vii phi c xem nh ng thi gian, vỡ vy so sỏnh khụng ng thi khụng gian s cú cỏc cn phi xột: Cỏch ng thi húa s o v s ca mu Cỏch s dng chui cỏc bin i tớn hiu o Cỏch tớnh toỏn kt qu o 19 n gin húa phộp so sỏnh, mu c xem l khụng i NM= KM.M = const NX= KX.X bin i theo giỏ tr ca X v theo thi gian ng thi húa s o NX v s ca mu NM cú cỏch: Kờnh bin i riờng r Dựng chung ADC Cỏc kờnh bin i dựng chung S liu o c ly vo v ghim li ti cỏc thi im khỏc bng phng phỏp ri rc húa 20 Nm h thng: Transmitter v transducer: o in o nhit v ỏp sut Phõn tớch n nng ng v vtt ch chtt Thit b ri:Phõn theo nhúm thit b c bn xõy d dng ng h h Multimột: Mỏy m nng: (tn s k) Mỏy hin súng, Monitor cựng cỏc thit b t ghi Thit b dựng àP: Thit b thu thp s liu intelligent transmitter Analyser 29 Mụ hỡnh ch V Phõn tớch cỏc yờu cu Kim tra hot ng ca ton b h thng ỳng nh dng Thit k s b Kim chng li Thit k chi tit Kim tra tớch hp Kim tra phn t Mó húa 30 TT Giai on Cỏc cụng vic D liu vo H s Phõn tớch nhu cu hay kin trỳc chc nng xut ca ngi thnh lp d ỏn Nhim v th Xõy dng cỏc yờu cu v tớnh nng k thut Nghiờn cu: Phm vi ng dng Tỡnh trng hin ti ca mụi trng (ngha rng) Nhim v ca h thng Cỏc ti nguyờn cú th s dng Cỏc iu kin hn ch Cỏc tớnh nng k thut mong mun Nhim v th H s ca cỏc c tớnh k thut H s cỏc yờu cu cht lng H s thit k chung H s tm thi v thc nghim/ ỏnh giỏ Thit k tng th nh cỏc nhu cu (c th hoỏ nh cu thnh c tớnh k thut) cỏc chc nng c th cỏc giao din Cht lng cỏc hn ch (v cỏc mt) Cht lng yờu cu Kin trỳc chung ca h Phõn chia thnh modul thnh nhúm (grouping) Thụng tin gia cỏc modul Trao i s liu Kim tra - iu khin 31 Cỏc giai on tin hnh mụ hỡnh ch V (tip) Thit k chi tit Thit k hay chn mi mt modul c th Phõn chia cỏc modul thnh cỏc chc nng n gin H s thit k tng th H s thit k chi tit H s th nghim ỏnh giỏ n v mó húa lp t Chuyờn phiờn dch cỏc x lý thnh mó Ch to Cu hỡnh cỏc thit b Thc hin cỏc thit b Thc hin v ni dõy - H s thit k chi tit Ch to h s H s ni dõy H s nghim n v Th nghim tng n v - Kim tra tng phn, tng n v H s thit k chi tit - H s th nghim n v Lp bng tng kt cỏc chi tit b phn th nghim tớch hp th tng 32 Cỏc giai on tin hnh mụ hỡnh ch V (tip) Tớch hp h thng Ni ghộp ln lt ( tun t t nh n ln) cỏc chi tit, cỏc n v H s thit k tng th Cỏc h s th nghim tớch hp H s cỏc th nghim tớch hp H s ỏnh giỏ ỏnh giỏ Th nghim ton b h thng theo chc nng hot ng ca nú n kờt nghim thu: Thc hin th nghim bi ch ỏn R xột iu hnh cỏc iu chnh H s chi tit v bn giao H s cỏc c tớnh k thut - H s th nghim v ỏnh giỏ H s cỏc n nghim thu - H s th nghim ỏnh giỏ ton b - Ti liu s dng hnh, lp rỏp v bo dng H s nghim thu 33 Độ nhạy Khoảng đo, ngỡng nhạy khả phân ly Sai số hay độ xác Cấp xác Tính tuyến tính thiết bị Đặc tính động Một số thông số khác nh: công suất tiêu thụ, kích thớc, trọng lợng thiết bị 34 Y=F(X,a,b,c ) phơng trinh bn thiết bị X- đại lợng vào Y- Là đại lợng thiết bị đo Trong : X- đại lợng thiết bị đo thiết bị đo tĩnh X(t)- Biến thiên theo thời gian Thiết bị đo thiết bị đo động X-là đại lợng ngẫu nhiên thiết bị đo thiết bị đo đại lợng thống kê X- Vector nhiều thành phần thiết bị đo hệ đo gián tiếp hay hợp a, b,c Là yếu tố anh hởng nhiễu tác dụng lên thiết bị đo 35 Phng trinh c bn Y= F(X,a,b,c ) F/X - ộ nhạy với x (Sensibility) F/a - ộ nhạy yếu tố anh hởng a hay nhiễu F/X = KXt- ộ nhạy theo X Xt hay ngời ta ký hiệu S Khi K=const -> X,Y tuyến tính K=f(X) -> X, Y không tuyến tính - > sai số phi tuyến Việc xác định K thực nghiệm gọi khắc độ thiết bị đo Với giá trị X có giá trị Y khác nhau, hay K khác dKXt/KXt (Repeatability)Thể tính ổn định thiết bị đo hay tính lặp lại thiết bị đo dKXt/KXt = dS/S=s- Sai số độ nhạy thiết bị đo -> nhân tính (Hysteresis) 36 37 38 ể đánh giá tính phi tuyến thiết bị đo ta xác định hệ số phi tuyến Y Hệ số phi tuyến xác định theo công thức sau: K pt = Y X max Xn X max- sai lệch lớn Ta thờng dùng khâu bù phi tuyên nối Scb.Sb= K X X 39 Khoảng đo: Dx = Xmax Xmin Ngỡng nhạy, khả phân ly: Khi gim X mà Y gim theo, nhng với X X phân biệt đợc Y, X đợc gọi ngỡng nhạy thiết bị đo Thông thờng : dụng cụ tơng tự Y=1/5 vạch chia độ dụng cụ số : X =Xn/Nn tức giá trị lợng tử đo Kh nng phân ly thiết bị đo -Thiết bị tơng tự RX = -Thiết bị số: RX = Dx X DX g = Nn 40 Sai số thiết bị đo Theo cách thể Tuyệt đối Nguyên nhân Hệ thống Quan hệ với X Cộng tính Theo điều kiện kỹ thuật kiểm tra Quy đổi Tơng đổi Ngẫu nhiên Nhân tính Phi tuyến Cơ Phụ thêm Tĩnh Động Chế độ 41 Sai số tơng đối phép đo = X X Sai số tơng đối quy đổi thiết bị đo: = X DX hay = X Xn Thiết bị mà sai số cộng tính sai số nhân tính cỡ với c= a+m - tổng sai số tơng đối quy đổi cộng tính nhân tính d= a - sai số cộng tính quy đổi Cấp xác dụng cụ đo đợc ghi tỉ số c/d X = c + d ( n 1) X nớc phơng Tây ngời ta thờng ghi thông số: Vi dụ : 0.1 of full scale 0.1 of reading 42 Dựa vào độ xác hay sai số thiết bị Qui định theo pháp lệnh nhà nớc Với cấp xác thiết bị đo, pháp lệnh nhà nớc quy định sai số thiết bị , sai số phụ công thức tính toán sai số, quy định kiểm định.v.v mà quan nghiên cứu, chế tạo quản lý phải tuân thủ Ví dụ: a) Đối với thiết bị mà tính xác đợc quy định sai số tuyệt đối Ngời ta phân thành cấp 0, cấp 1, cấp 2, cấp3 b/ Đối với thiết bị đo mà sai số chủ yếu sai số Cộng tính cấp xác thiết bị đo đợc xếp theo sai số tơng đối quy đổi tính theo phần trăm khoảng đo thiết bị đo % 1% Cấp xác thiết bị đo đạt yêu cầu đợc xếp vào cấp Đối với dụng cụ đo điện, sai số chủ yếu ma sát trục trụ; sai số chủ yếu l sai số cộng tính, ngời ta phân thành cấp xác 0.05; 0.1; 0.2; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; 43 Phơng pháp nâng cao tính xác thiết bị đo Loại trừ nguyên nhân gây sai số Kết cấu công nghệ Bảo vệ chống ảnh hởng Giảm bớt mức ảnh hởng nguyên nhân gây sai số Hiệu chỉnh Tối thiểu hoá ảnh hởng sai số Tối thiểu hoá sai số biện pháp thống kê 44 Biện pháp hiệu chỉnh sai số Có ngời tham gia Hiệu chỉnh ngời đo thực Tự động (Không có ngời ) Dùng cảm biến đo yếu tố liên quan Hiệu chỉnh thông qua số dụng cụ Phân theo không gian Cộng tính Nhân tính Tạo nên đại lợng tỉ lệ với yếu tố liên quan Phân theo thời gian Phân theo không gian Phân theo thời gian Logomet (tỉ số) 45 Hàm truyền : Đặc tính động: + Đặc tính độ + Đặc tính tần + Đặc tính xung Y(p)=K(p).X(p) 46 Khi đại lợng X biến thiên theo thời gian ta có quan hệ (t)=St[X(t)] Quan hệ đợc biểu diễn phơng trình vi phân Phơng trình vi phân đợc viết dới dạng toán tử (p)=S(p).X(p) S(p)- Gọi độ nhạy thiết bị đo trình đo đại lợng động 47 h(t) Nếu đại lợng vào có dạng xung hẹp (t) X(t)= Xt(t-) t S(p)- thể dới dạng hàm h(t) đặc trng cho đặc tính xung thiết bị đo Đặc tính xung thiết bị đo có giao động không tuỳ theo S(p) Nếu đại lợng có dạng xung bớc nhảy Xt=Xt.1(t-) S(p) - thể dới dạng h(t) theo quan hệ S(p) đặc trng cho đặc tính độ thiết bị đo tuỳ theo phơng trình đặc tính nó, giao động không giao động 48 49 Khi tín hiệu vào có dạng hình sin: Xt=Xmejt S(p) - thể dới dạng S(j) đựơc gọi đặc tính tần thiết bị S(j) số phức phân tích thành hai thành phần đặc tính A() () đặc tính pha A() thay đổi theo (), gây sai số động tính theo công thức sau: A()- đặc tính tần thiết bị A(tính ) A(tần 0) A(0)- biên độ thiết bị không ảnh hởng Acủa đặc ( ) = A ( ) Quan hệ đặc tính tần đặc tính độ t + Sai số tần số ( Giải1 tần thiết bị) h1(tcủa ) = thiếtdtbịKn (j)ejt Thời gian đo Khả truyền tin0của thiết bị: C=I.f Trong đó: I- lợng thông tin lần đo (Tính bit) f- Tần số đo (0) () 50 Thiết bị đo nối vào đối tợng đo, muốn có đáp ứng phải thu lợng từ phía đối tợng đo ta gọi tổn hao công suất Trờng hợp thit b o mc nối tiếp với tải: Tn hao: pa= RA.I2 RA: in tr vo ca TB, RA: nhỏ sai số tổn hao Trờng hợp thit b o mc // với tải: Tn hao: pv = V RV RV: in tr vo ca TB, RV ln sai số tổn hao ff = pa R A = < yc pt Rt Yờu cu sai s phng phỏp ff Rt < yc RV Yờu cu sai s phng phỏp 51 S hoỏ Thụng minh hoỏ ỏp dng cho phng phỏp o hin i T ng x lý thao tỏc o T ng x lý kt qu o Thụng tin vi h thng Đờng phát triển thiết bị đo 52 Theo tiêu chuẩn ANSI Y32.20.1975 hay ISA - S5.1 viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ (American National Stardard Institute) ngời ta quy định ký hiệu thiết bị đo đại lợng đại lợng cụ thể đợc ghi vòng tròn vẽ sơ đồ công nghệ A = thiết bị phân tích B = Đại lợng liên quan đến vòi đốt lửa (Burner) C = Điện dẫn, nhiệt dẫn D = tỷ trọng, trọng lợng riêng E = Điện áp, sức điện động, đại lợng điện nói chung F = Lu tốc (flow) 53 G = Định lợng (theo loại) I = dòng điện J = công suất K = thời gian, định thời gian L = Mức (level) M = Độ ẩm (Moistrure) N, O = ngời dùng tự chọn P = áp suất (Presure) Q = Lợng hay tích lũy activity) R = Phóng xạ (Radio S = tốc độ, tần số (Speed) T = Nhiệt độ U = nhiễu biên số (phép đo gián tiếp) V = độ nhớt (Viscosity) W = trọng lợng lực Y = Tự chọn Z = vị trí 54 T Chữ R C2 Chữ Xác định chức Xác định thiết bị A Số lặp Phần mở rộng (thông thờng phần không cần) Xác định vòng 55 56 57 58