KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

17/01/2015 KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Giới thiệu Mục đích mơn học 17/01/2015 Giới thiệu Nội dung Chương 1: Các khái niệm Chương 2: Sai số đo xử lý kết đo Chương 3: Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo Chương 4: Chuyển đổi đo lường cảm biến Chương 5: Các cấu thị Chương 6: Mạch đo xử lý kết Chương 7: Đo dòng điện điện áp Chương 8: Đo cơng suất lượng Chương 9: Đo góc pha Chương 10: Đo tần số thời gian Chương 11: Đo tham số mạch điện Giới thiệu Tài liệu tham khảo Phạm Thượng Hàn – Kĩ thuật đo lường đại lượng vật lí – NXB Giáo dục 1997 Nguyễn Văn Vượng – Cơ sở phương pháp đo kiểm tra kĩ thuật – NXB KH & KT – 2001 Vũ Quý Điềm – Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử – NXB KH & KT – 2001 John G Webster – The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook – CRC – 1999 17/01/2015 CHƯƠNG : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Nội dung Định nghĩa Đặc trưng kĩ thuật đo Các phương pháp đo Phân loại thiết bị đo 17/01/2015 Định nghĩa Con người muốn có thơng tin vật, tượng xung quanh Cần phải có dụng cụ, phương pháp để cung cấp, ước lượng thông tin đối tượng cần biết Hoạt động gọi đo lường Định nghĩa Định nghĩa : Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Quá trình đo trình xác định tỉ số : AX = X X0 Ví dụ : I = 10A Ví dụ : đo độ ẩm ? đo ứng suất học ? 17/01/2015 Định nghĩa Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo Kĩ thuật đo lường : ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống Quan tâm : - Đại lượng đo - Đơn vị đo - Độ xác yêu cầu phép đo tính tốn Các đặc trưng kỹ thuật đo Đại lượng đo Điều kiện đo Đơn vị đo Thiết bị đo phương pháp đo Kết đo Người quan sát 17/01/2015 Các đặc trưng kĩ thuật đo Đại lượng đo Định nghĩa : đại lượng cần đo thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Phân loại : Theo chất đại lượng đo Theo tính chất thay đổi đại lượng đo Theo cách biến đổi đại lượng đo Các đặc trưng kĩ thuật đo Phân loại theo chất đại lượng đo Đại lượng đo điện Đại lượng đo lượng Đại lượng đo không điện Đại lượng đo thông số Đại lượng đo phụ thuộc thời gian 17/01/2015 Các đặc trưng kĩ thuật đo Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo Đại lượng đo tiền định Đại lượng đo ngẫu nhiên Các đặc trưng kĩ thuật đo Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) Đại lượng đo rời rạc (đại lượng đo số - digital) 17/01/2015 Các đặc trưng kĩ thuật đo Điều kiện đo Phép đo đại lượng phải thực điều kiện chuẩn theo quy định Các đặc trưng kĩ thuật đo Đơn vị đo Đơn vị đo : giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Hệ SI (System International) Hệ CGS (Centimeter Gramme Second) Hệ Anh (English) Hệ MKS (Meter Kilogram Second) Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere) Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…) Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân…) 17/01/2015 Các đặc trưng kĩ thuật đo Đơn vị đo Đại lượng đo Tên đơn vị Kí hiệu Chiều dài Mét m Khối lượng Kilogram kg Thời gian Giây s Cường độ dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kelvin/oC K Cường độ sáng Candela Cd Số lượng vật chất Mol Mol Các đặc trưng kĩ thuật đo Phân loại thiết bị đo Mẫu Dụng cụ đo Chuyển đổi đo lường Chuyển đổi đại lượng điện thành đại lượng điện khác Chuyển đổi đại lượng không điện thành điện Hệ thống thông tin đo lường Hệ thống đo lường Hệ thống kiểm tra tự động Hệ thống chẩn đốn kỹ thuật Hệ thống nhận dạng Tở hợp đo lường tính tốn 17/01/2015 Các đặc trưng kĩ thuật đo Kết đo Định nghĩa: số kèm theo đơn vị đo hay đường cong ghi lại trình thay đổi đại lượng đo theo thời gian Kết đo giá trị ước lượng, xác định thực nghiệm nhờ thiết bị đo Ở điều kiện đó, coi giá trị thực đại lượng cần đo Sai số phép đo đưa để đánh giá sai lệch giá trị ước lượng giá trị thực đánh giá phép đo Các đặc trưng kĩ thuật đo Người quan sát Định nghĩa: người thực phép đo gia công kết đo Nhiệm vụ Trước đo : nắm phương pháp đo, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu điều kiện môi trường, kiểm tra điều kiện đo Trong đo : biết điều khiển trình đo để thu kết mong muốn Sau đo : nắm phương pháp gia công kết đo 10 17/01/2015 Phân loại phương pháp đo 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 giải phương trình hay hệ phương trình có kết Đo thống kê: đo nhiều lần lấy giá trị trung bình có kết Phân loại phương pháp đo Phương pháp đo trực tiếp Đối tượng đo Cảm biến Kết Mạch điều chế TH Mạch điều biến TH Giao tiếp Khuếch đại Mạch lọc 11 17/01/2015 Phân loại phương pháp đo Phương pháp đo so sánh X E Cảm biến Mạch đặt mẫu Xm Mạch điều chế TH Xm Kết Xm Mạch biến đổi tỉ lệ đầu vào Phân loại phương pháp đo Phương pháp đo so sánh So sánh cân : E = So sánh không cân bằng: E ≠ X = Xm + E So sánh đồng thời : chọn bội số tỉ lệ thích hợp So sánh khơng đồng thời: tạo tín hiệu mẫu có đáp ứng 12 17/01/2015 Mẫu chuẩn Chuẩn: đơn vị đo tiêu chuẩn chuẩn chiều dài, chuẩn khối lượng, chuẩn điện áp… Mẫu: dụng cụ dùng để kiểm tra chuẩn hóa dụng cụ đo khác Pin mẫu Nguồn ổn áp mẫu Điện trở mẫu Mẫu chuẩn Các dụng cụ đo tạo chuẩn gọi dụng cụ chuẩn cấp 1, đảm bảo độ xác quốc gia Các dụng cụ mẫu có cấp xác thấp thường dùng để kiểm định dụng cụ đo sản xuất Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền yêu cầu bảo quản, vận hành nghiêm ngặt nên sử dụng cần thiết (Đọc thêm chương 2, sách Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý) 13 17/01/2015 Hệ thống truyền chuẩn Các thiết bị chuẩn có độ xác cao có ý nghĩa truyền cho dụng cụ mẫu dụng cụ làm việc Nội dung Các loại sai số Phương pháp loại trừ sai số Phương pháp xử lý kết đo 14 17/01/2015 Các loại sai số 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 Sai số phép đo = sai số hệ thống + sai số ngẫu nhiên Các loại sai số 15 17/01/2015 Bài tập Một thiết bị đo có thang đo cực đại 100mA, có sai số tương đối quy đổi ±1% Tính giới hạn giới hạn dòng cần đo sai số theo phần trăm phép đo đối với: a Đô lệch cực đại b 0,5 độ lệch cực đại c 0,1 độ lệch cực đại Bài tập Một ampe mét có khoảng đo 5A, 2.5A, 1A Thang đo chia thành 100 vạch, cấp xác Đặt vào thang đo 5A để đo dòng điện, kim 18 vạch Xác định giá trị dịng điện tính sai số tương đối phép đo Chọn thang đo thích hợp, xác định số vạch mà kim thị Tính sai số 16 17/01/2015 Phương pháp loại trừ sai số Sai sớ hệ thống : Phân tích lý thuyết, kiểm tra dụng cụ đo, chuẩn đo Chỉnh “0” trước đo Chỉnh định theo đặc tuyến Bù ngược dấu bù hiệu chỉnh Sai sớ ngẫu nhiên Kỳ vọng tốn mx (giá trị trung bình) Đợ lệch bình qn σ, phương sai D = σ2 Phân bố xác suất : hàm mật độ phân bố xác suất chuẩn W (∆ ) = e σ 2π − ( x − mx ) 2σ ∆ − 0.5  = e σ  σ 2π Phương pháp loại trừ sai số Các bước tính sai sớ ngẫu nhiên Tính ước lượng kì vọng tốn học mX đại lượng đo − mX = X = n X + X + + X n x =∑ i, n i =1 n Tính độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình − vi = xi − X Tính khoảng giới hạn sai số ngẫu nhiên∆ = [∆ , ∆ ] n ∑v ∆1 = ∆ = i i −1 n.(n − 1) Xử lý kết đo: loại kết đo có sai sớ dư nằm ∆ = [∆1 , ∆ ] khoảng 17 17/01/2015 Phương pháp loại trừ sai số Loại bỏ kết đo không thực (sai lệch lớn) Loại trừ sai số hệ thống Loại trừ sai số ngẫu nhiên Gia công kết đo Phương pháp xử lý kết đo Lưu đồ thuật toán gia cơng kết đo 18 17/01/2015 Tính tốn sai số gián tiếp Bài tập Tính kết đo sai số ngẫu nhiên với xác suất đáng tin cậy p=0.98 phép đo điện trở với kết sau 140,25; 140,5; 141,75; 139,25; 139,5; 140,25; 140; 126,75; 141,15; 142,25; 140,75; 144,15; 140,15; 142,75 Biết sai số ngẫu nhiên có phân bố chuẩn 19 17/01/2015 Bài tập Tính sai số tương đối phép đo gián tiếp công suất mạch điện thông qua đo U,I Chỉ số đo thu U =100V ; I = 1A Giá trị lớn thang đo dụng cụ đo Imax=1A ; Umax=150V Cấp xác 1% Phương pháp xử lý kết đo Tính tốn hệ số tương quan tuyến tính Nếu ρ > tương quan dương Nếu ρ < tương quan âm Nếu ρ = khơng có tương quan ρ gần tương quan tuyến tính mạnh 20 17/01/2015 Phương pháp xử lý kết đo Phương pháp lấy số liệu trung bình Đặt vấn đề: đại lượng X Y có y cặp giá trị đo tương ứng (xi , yi) yi ≠ axi + b Phương pháp : Chọn a, b cho với n phép đo, tổng n sai ∆số= ∑ i i =1 x Chiam lượng phép đo n thành nhóm  gần  ∑ ( yi − a.xi − b) =  i =1  n  ∑ ( yi − a.xi − b) =  j = m+1 Phương pháp xử lý kết đo 21 17/01/2015 Phương pháp xử lý kết đo Xây dựng phương trình biểu thức thực nghiệm từ kết đo Tính hệ số tương quan để chẩn đoán dạng đường cong Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính Phương pháp bình phương cực tiểu Phương pháp trung bình Phương pháp kéo Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến Phương pháp bình phương cực tiểu Phương pháp trung bình Phương pháp tuyến tính hóa: đường cong khơng có dạng đa thức Bài tập Khi thử nghiệm vật liệu sun ta nhân giá trị điện trở theo nhiệt bảng sau Xác định đường cong thực nghiệm nhiệt độ điện trở thí nghiệm Sớ lần thí nghiệm t, oC Ri, Ω +0,5 +9,7 +19,2 +30,5 +40,2 +49,5 1,01 1,02 1.07 1,13 1,18 1,26 22 17/01/2015 Phương pháp xử lý kết đo Phương pháp dùng máy tính Dùng Matlab : lệnh polyfit Dùng công cụ khác như: Mathematical, Excel, Mapple … Dùng công cụ đồ họa 23