do luong dien

Trường TCN Đồng Tháp Mười Lời nói đầu Mơn học kỹ thuật đo lường trình bày kiến thức kỹ thuật đo dùng ngành điện Giới thiệu phép đo để ứng dụng cho ngành sản xuất công nghiệp Kỹ thuật Đo lường Điện môn học nghiên cứu phương pháp đo đại lượng vật lý: Đại lượng điện: Điện áp, dịng điện, cơng suất,… đại lượng khơng điện: Nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc… Bài giảng Kỹ thuật Đo lường Điện biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Kỹ thuật Viễn thơng, Kỹ thuật Thơng tin, Tự động hố, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thơng Cung cấp cho sinh viên kiến thức chuyên sâu kỹ thuật đo lường ngành điện Trình bày dụng cụ đo, nguyên lý đo phương pháp đo thông số Sử dụng loại máy đo để kiểm tra, phát hư hỏng thiết bị/hệ thống điện Trên sở đó, người học biết cách sử dụng dụng cụ đo xử lý kết đo cơng việc sau Trong q trình biên soạn, đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, cố gắng sửa chữa, bổ sung cho sách hồn chỉnh hơn, song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG Trong q trình nghiên cứu khoa học nói chung cụ thể từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm vận hành, sữa chữa thiết bị, q trình cơng nghệ… yêu cầu phải biết rõ thông số đối tượng để có định phù hợp Sự đánh giá thông số quan tâm đối tượng nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lý đặc trưng cho thơng số 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 1.1.1 Khái niệm đo lường Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo lường (A x) giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (Xo): Kết đo biểu diễn dạng: A = X (1-1) ta có X = A.X0 X0 Trong đó: X - đại lượng đo X0 - đơn vị đo A - số kết đo Từ (1.1) có phương trình phép đo: X = A x Xo , rõ so sánh X so với Xo, muốn đo đại lượng cần đo X phải có tính chất giá trị so sánh được, muốn đo đại lượng khơng có tính chất so sánh thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng so sánh 1.1.2 Khái niệm đo lường điện Đại lượng so sánh với mẫu hay chuẩn đo Nếu đại lượng không so sánh phải chuyển đổi đại lượng so sánh với mẫu hay chuẩn đo Đo lường điện trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần đo để có kết số so với đơn vị đo 1.1.3 Các phương pháp đo Phương pháp đo việc phối hợp thao tác trình đo, bao gồm thao tác: Xác định mẫu thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể kết hay thị Các phương pháp đo khác phụ thuộc vào phương pháp nhận thông tin đo nhiều yếu tố khác đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo mà người quan sát phải biết chọn phương pháp đo khác để thực tốt trình đo lường Có thể có nhiều phương pháp đo khác thực tế thường phân thành loại phương pháp đo phương pháp đo biến đổi thẳng phương GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười pháp đo kiểu so sánh 1.1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng - Định nghĩa: Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa khơng có khâu phản hồi - Q trình thực hiện: * Đại lượng cần đo X qua khâu biến đổi để biến đổi thành số N X, đồng thời đơn vị đại lượng đo XO biến đổi thành số NO * Tiến hành trình so sánh đại lượng đo đơn vị (thực phép chia NX/NO) * Thu kết đo: AX = X/XO = NX/NO Hình 1.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình gọi trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X tín hiệu đơn vị X O sau qua khâu biến đổi (có thể hay nhiều khâu nối tiếp) qua biến đổi tương tự - số A/D để có NX NO , qua khâu so sánh có NX/NO Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn tín hiệu qua khâu biến đổi có sai số tổng sai số khâu, dụng cụ đo loại thường sử dụng độ xác u cầu phép đo khơng cao 1.1.3.2.Phương pháp đo kiểu so sánh: - Định nghĩa: phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vịng, nghĩa có khâu phản hồi - Q trình thực hiện: + Đại lượng đo X đại lượng mẫu X O biến đổi thành đại lượng vật lý thuận tiện cho việc so sánh + Q trình so sánh X tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn suốt trình đo, hai đại lượng đọc kết XK có kết đo Q trình đo gọi trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo kiểu so sánh (hay gọi kiểu bù) GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười Hình 1.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh + Các phương pháp so sánh: Bộ so sánh SS thực việc so sánh đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu X K, qua so sánh có: Δ X = X - XK Tùy thuộc vào cách so sánh mà có phương pháp sau: - So sánh cân bằng: * Quá trình thực hiện: Đại lượng cần đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu X K = NK.XO so sánh với cho ΔX = 0, từ suy X = XK = NK.XO + Suy kết đo: AX = X/XO = NK Trong trình đo, XK phải thay đổi X thay đổi để kết so sánh ΔX = từ suy kết đo * Độ xác: Phụ thuộc vào độ xác XK độ nhạy thiết bị thị cân (độ xác nhận biết ΔX = 0) Ví dụ: cầu đo, điện kế cân - So sánh khơng cân bằng: * Q trình thực hiện: Đại lượng tỉ lệ với mẫu XK không đổi biết trước, qua so sánh có ΔX = X - XK, đo ΔX có đại lượng đo X = Δ X + XK từ có kết đo: AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO * Độ xác: Độ xác phép đo chủ yếu độ xác X K định, ngồi cịn phụ thuộc vào độ xác phép đo ΔX, giá trị ΔX so với X (độ xác phép đo cao ΔX nhỏ so với X) Phương pháp thường sử dụng để đo đại lượng không điện, đo ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng), đo nhiệt độ… - So sánh không đồng thời: * Quá trình thực hiện: Dựa việc so sánh trạng thái đáp ứng thiết bị đo chịu tác động tương ứng đại lượng đo X đại lượng tỉ lệ với mẫu X K, hai trạng thái đáp ứng suy X = XK Đầu tiên tác động X gây trạng thái đo thiết bị đo, sau thay X đại lượng mẫu X K thích hợp cho gây trạng thái X tác động, từ suy X = X K Như rõ ràng XK phải thay đổi X thay đổi GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười * Độ xác: phụ thuộc vào độ xác X K Phương pháp xác thay XK X trạng thái thiết bị đo giữ nguyên Thường giá trị mẫu đưa vào khắc độ trước, sau qua vạch khắc mẫu để xác định giá trị đại lượng đo X Thiết bị đo theo phương pháp thiết bị đánh giá trực tiếp vônmét, ampemét thị kim - So sánh đồng thời: * Quá trình thực hiện: so sánh lúc nhiều giá trị đại lượng đo X đại lượng mẫu XK, vào giá trị suy giá trị đại lượng đo Ví dụ: xác định inch mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm trùng nhau, đọc điểm trùng là: 127mm inch, 254mm 10 inch, từ có được:1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm Trong thực tế thường sử dụng phương pháp để thử nghiệm đặc tính cảm biến hay thiết bị đo để đánh giá sai số chúng Từ phương pháp đo có cách thực phép đo là: - Đo trực tiếp : kết có sau lần đo - Đo gián tiếp: kết có phép suy từ số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: gián tiếp phải giả phương trình hay hệ phương trình có kết - Đo thống kê: đo nhiều lần lấy giá trị trung bình có kết 1.2 CÁC SAI SỐ VÀ TÍNH SAI SỐ 1.2.1 Khái niệm sai số Ngoài sai số dụng cụ đo, việc thực trình đo gây nhiều sai số Nguyên nhân sai số gồm: - Phương pháp đo chọn - Mức độ cẩn thận đo Do kết đo lường khơng với giá trị xác đại lượng đo mà có sai số, gọi sai số phép đo Như muốn có kết xác phép đo trước đo phải xem xét điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau đo cần phải gia cơng kết thu nhằm tìm kết xác 1.2.2 Các loại sai số * Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, sai số hệ thống GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười - Sai số phép đo: Là sai số kết đo lường so với giá trị xác đại lượng đo - Giá trị thực Xth đại lượng đo: Là giá trị đại lượng đo xác định với độ xác (thường nhờ dụng cụ mẫu có cáp xác cao dụng cụ đo sử dụng phép đo xét) Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường khơng biết trước, đánh giá sai số phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth đại lượng đo Như ta có đánh giá gần kết phép đo Việc xác định sai số phép đo - tức xác định độ tin tưởng kết đo nhiệm vụ đo lường học Sai số phép đo phân loại theo cách thể số, theo nguồn gây sai số theo qui luật xuất sai số Tiêu chí phân loại theo cách thể số: Theo nguồn gây sai số Theo qui luật xuất sai số Loại sai số: - Sai số tuyệt đối - Sai số tương đối - Sai số phương pháp - Sai số thiết bị - Sai số chủ quan - Sai số bên - Sai số hệ thống - Sai số ngẫu nhiên Tiêu chí phân loại Loại sai số Theo cách thể số Theo nguồn gây Theo qui luật xuất sai số sai số - Sai số tuyệt đối - Sai số phương pháp - Sai số hệ thống - Sai số tương đối - Sai số thiết bị - Sai số ngẫu nhiên - Sai số chủ quan - Sai số bên Bảng 2.1 Phân loại sai số phép đo GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười * Sai số tuyệt đối ΔX: Là hiệu đại lượng đo X giá trị thực Xth : ΔX = X - Xth * Sai số tương đối γX : Là tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực tính phần trăm: γX = ∆X 100(%) ; ∆ th Vì X = X th nên có: γ X ≈ ∆X 100(%) ∆ Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng phép đo Độ xác phép đo ε : Đại lượng nghịch đảo sai số tương đối: ε= ∆ th = ∆X γX * Sai số hệ thống (systematic error): Thành phần sai số phép đo không đổi thay đổi có qui luật đo nhiều lần đại lượng đo Qui luật thay đổi phía (dương hay âm), có chu kỳ theo qui luật phức tạp Ví dụ: Sai số hệ thống khơng đổi là: Sai số khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch…), sai số hiệu chỉnh dụng cụ đo khơng xác (chỉnh đường tâm ngang sai dao động ký…)… Sai số hệ thống thay đổi sai số dao động nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), ảnh hưởng trường điện từ… Hình 2.1 Sai số hệ thống khắc vạch độ - đọc cần hiệu chỉnh thêm độ 1.2.3 Phương pháp tính sai số Dựa vào số lớn giá trị đo xác định qui luật thay đổi sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng phương pháp toán học thống kê lý thuyết xác suất Nhiệm vụ việc tính tốn sai số ngẫu nhiên rõ giới hạn thay đổi sai số GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười kết đo thực phép đo nhiều lần, phép đo có kết với sai số ngẫu nhiên vượt giới hạn bị loại bỏ - Cơ sở tốn học: Việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa giả thiết sai số ngẫu nhiên phép đo đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bố chuẩn (luật phân bố Gauxơ-Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt q giá trị xác suất xuất khơng kết đo có sai số ngẫu nhiên bị loại bỏ - Các bước tính sai số ngẫu nhiên: Xét n phép đo với kết đo thu x1, x2, , xn * Tính ước lượng kì vọng tốn học mX đại lượng đo: − mX = X = n X + X + + X n x =∑ i , n i =1 n giá trị trung bình đại số n kết đo * Tính độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình vi : − vi = x i − X vi (còn gọi sai số dư) * Tính khoảng giới hạn sai số ngẫu nhiên: Được tính sở đường phân bố chuẩn: ∆ = [ ∆1 , ∆ ] , thường chọn: ∆ = [ ∆1 , ∆ ] với: n ∆1 = ∆ = ∑v i −1 i , n.( n − 1) với xác suất xuất sai số ngẫu nhiên khoảng 34% * Xử lý kết đo: kết đo có sai số dư vi nằm ngồi khoảng [ ∆1 , ∆ ] bị loại 1.2.4 Các phương pháp hạn chế sai số Một nhiệm vụ phép đo xác phải phân tích ngun nhân xuất loại trừ sai số hệ thống Mặc dù việc phát sai số hệ thống phức tạp, phát việc loại trừ sai số hệ thống khơng khó khăn * Việc loại trừ sai số hệ thống tiến hành cách: - Chuẩn bị tốt trước đo: Phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước sử dụng; chuẩn bị trước đo; chỉnh "0" trước đo… GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười - Quá trình đo có phương pháp phù hợp: Tiến hành nhiều phép đo phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế… - Xử lý kết đo sau đo: Sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trường hợp sai số hệ thống khơng đổi loại cách đưa vào lượng hiệu chỉnh hay hệ số hiệu chỉnh: + Lượng hiệu chỉnh: Là giá trị loại với đại lượng đo đưa thêm vào kết đo nhằm loại sai số hệ thống + Hệ số hiệu chỉnh: Là số nhân với kết đo nhàm loại trừ sai số hệ thống Trong thực tế khơng thể loại trừ hồn tồn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống thực cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên * Xử lý kết đo Như sai số phép đo gồm thành phần: Sai số hệ thống θ - không đổi thay đổi có qui luật sai số ngẫu nhiên Δ - thay đổi cách ngẫu nhiên khơng có qui luật Trong trình đo hai loại sai số xuất đồng thời sai số phép đo ΔX biểu diễn dạng tổng hai thành phần sai số đó: ΔX = θ + Δ Để nhận kết sai lệch so với giá trị thực đại lượng đo cần phải tiến hành đo nhiều lần thực gia công (xử lý) kết đo (các số liệu nhận sau đo) Sau n lần đo có n kết đo x 1, x2, , xn số liệu chủ yếu để tiến hành gia công kết đo * Loại trừ sai số hệ thống Việc loại trừ sai số hệ thống sau đo tiến hành phương pháp - Sử dụng cách bù sai số ngược dấu - Đưa vào lượng hiệu chỉnh hay hệ số hiệu chỉnh GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang Trường TCN Đồng Tháp Mười 2.2 CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO 2.2.1 Cơ cấu đo từ điện * Lôgômét từ điện (Permanent Magnet Moving Coil) a) Cấu tạo chung: Gồm hai phần bản: phần tĩnh phần động: - Phần tĩnh: Gồm: Nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ cực từ lõi sắt hình thành mạch từ kín Giữa cực từ lõi sắt có có khe hở khơng khí gọi khe hở làm việc, đặt khung quay chuyển động GVTH: Trần Văn Tùng – Khoa: Điện - Điện tử Trang 10 ... Mười đáng kể đến chế độ mạch đo; độ cản dịu tốt; thang đo (do góc quay tuyến tính theo dịng điện) - Nhược điểm: Chế tạo phức tạp; chịu tải (do cuộn dây khung quay nhỏ); độ xác phép đo bị ảnh hưởng... tải lớn - Nhược điểm: Độ xác khơng cao đo mạch chiều bị sai số (do tượng từ trễ, từ dư…); độ nhạy thấp; bị ảnh hưởng từ trường (do từ trường cấu yếu dòng nhỏ) d) Ứng dụng: Thường sử dụng để chế... thực trình đo gây nhiều sai số Nguyên nhân sai số gồm: - Phương pháp đo chọn - Mức độ cẩn thận đo Do kết đo lường khơng với giá trị xác đại lượng đo mà có sai số, gọi sai số phép đo Như muốn có