Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Lý thuyết về sai số ngẫu nhiên Tính toán sai số ngẫu nhiên bằng thực nghiệm Sai số của thiết bị từ các khâu tổ hợp Tính toán độ không đảm bảo đo ĐLV[r]
(1)Bài giảng Kỹ thuật đo lường GV: TS.Nguy(2) n th Lan Hng Bộ môn: Kỹ thuật đo và THCN Hà nội 08/2007 Tài liệu tham khảo Giáo trình ” ”, PGS Nguyễn Trọng Quế, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, 1996 , Chủ biên PGS.TS Phạm Thượng Hàn, Nhà xuất Giáo dục, 1, , PGS Nguyễn Trọng Quế, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, 1996 (3) Nguyễn Thị Lan Hương (4) Mục đích môn học Nghiên cứu sở kỹ thuật đo lường và việc đảm bảo sở cho các thí nghiệm Nguyên tắc hoạt động các phương tiện đo, các phương pháp đo các đại lượng vật lý Các phương pháp đánh giá sai số kết đo, các sở tiêu chuẩn hoá và chứng thực Hình thành kinh nghiệm tiến hành thí nghiệm đo, kinh nghiệm làm việc với các phương tiện đo có trình độ đánh giá kết đo và sai số phép đo Nguyễn Thị Lan Hương Chương Các khái niệm kỹ thuật đo lường Đo lường Định nghĩa và phân loại phép đo Khái niệm và Một số đặc trưng kỹ thuật đo Tín hiệu đo Các điều kiện đo Đơn vị đo vaW chuẩn mẫu Phương pháp đo vaW Phương ti nY đo Ngư i quan s t v đ nh gi k t qu Nguyễn Thị Lan Hương (5) Định nghĩa Đo lường Theo pháp lệnh “ ĐO LƯỜNG” nhà nước CHXHCN Việt nam Chương 1- điều 1: Đo lường là việc xác định giá trị đại lượng cần đo Chính xác hơn: Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Đại lượng đo được: Với đại lượng cần đo là X ta có thể tìm đại lượng ∆X m.∆X >X và (m-1)∆X =X hay nói cách khác Ánh xạ X vào tập số tự nhiên {N} với độ đo ∆X Nguyễn Thị Lan Hương Định nghĩa và phân loại phép đo Phép đo là quá trình thực việc đo lường Phân loại Đo trc ti p: Là cách đo mà kết nhận trực tiếp tưW phép đo Đo gián ti p: Là cách đo mà kết suy tưW sưY phối hợp kết nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp Đo h p bô": Là cách đo gần giống phép đo gián tiếp sôl lượng phép đo theo phép đo trực tiếp nhiều vaW kết đo nhận thường phải thông qua giải phương trình hay hêY phương trình mà các thông sôl đam biết chính là các sôl liệu đo Đo th#ng kê : đên đảm bảo đôY chính xác phép đo nhiều người ta phải sưn dụng phép đo thống kê Tức là phải đo nhiều lần sau đol lấy gial trị trung bình Đo lường học: là ngành khoa học chuyên nghiên cứu vêW các phương pháp đên đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu vêW mẫu vaW đơn vị đo Ky" thuật đo lường: ngành kym thuật chuyên nghiên cứu áp dụng các thành tựu đo lường học vào phục vụ sản xuất vaW đời sống Nguyễn Thị Lan Hương (6) Ví dụ- Phương trình phép đo Ax = X X ⇒ X = Ax × X X: Đ¹i l−îng cÇn ®o X0: Ьn vÞ ®o Ax: Giá trị số đại l−ợng cần đo Quá trình so sánh đại l−ợng cần đo với mÉu kÕt qu¶ b»ng sè Có thể đo đại lượng vật lý không??? Nguyễn Thị Lan Hương Không, vì không phải đại lượng nào có thể so sánh giá trị nó với mẫu Phương trình Muốn đo giá trị đại lượng vật lý phải chuyển đổi đại lượng này sang đại lượng vật lý khác có thể so sánh giá trị nó với mẫu Hai loại chuyển đổi: Đại lượng điện điện Đại lượng không điện điện Công cụ: cảm biến (sensor, chuyển đổi sơ cấp) Nguyễn Thị Lan Hương (7) Ví d(: Đo )ng su+t c h,c c-a m/t d0m bê tông ch(i lc (8) $ & ' % ( ! a e " # ! (9) * % + ÷ ÷ ÷ Ω + ∆R ∆l = f R l Nguyễn Thị Lan Hương Ví dụ (2) Khi P ch−a tác động, cầu cân / ⇒ Ura = ∆ - Khi có P tác động, Rtz thay đổi l−ợng ∆R → Ura thay đổi l−îng ∆U Đo ∆U → ∆R → ∆l ∆U = U × ∆R R ∆R ∆l = f R l ε (R ) = f (ε l ) ∆U?? , R R = Rtz R CM?? εR = + KP + m εl KP : HÖ sè poisson m : HÖ sè tû lÖ Đèi víi kim lo¹i : KP = 0,24 ÷ Nếu thể tích V=l.S không thay đổi quá tr nh biÕn d¹ng th KP = 0,5 vµ bá qua m Nguyễn Thị Lan Hương 10 (10) Xác định đặc tính dây dẫn điện rt = r20 [ 1+α(t - 20) + β(t-20)2 ] α, β ch−a biÕt Đo điện trở nhiệt độ 200C, t1 và t2 ⇒ HÖ ph−¬ng tr nh Èn α vµ β rt = r r = r t [ + α (t [ + α (t − ) + β (t − ) + β (t Các phép đo trực tiếp??? − ) ] − ) ] α β Nguyễn Thị Lan Hương 11 1.2 Phương pháp đo (1) Quá trình đo biến đổi thẳng kết X= X0 NX N0 X = N N x X Nguyễn Thị Lan Hương 12 (11) Phương pháp đo (2) Quá trình đo kiểu so sánh (12) ÷ Nguyễn Thị Lan Hương 13 Ví dụ Có vônmét khắc độ sau: 150V tương ứng 100 vạch Khi đo điện áp Vônmét 120 vạch, xác định kết quả? N0 = So sánh Giá trị Giá trị 100 vach / V 150 100 Nx = 120 : 150 N0 X = 120 C= 150 = 120.1,5 = 180 V 1000 = 1,5 / vach N0 gọi là số volmét Nguyễn Thị Lan Hương 14 (13) 1.3 Đặc trưng kỹ thuật đo(1) Tín hiệu đo & Các điều kiện đo Tín hiệu đo mang theo thông tin vêW đối tượng cần nghiên cứu Tín hiệu đo thê( phần : Phần đại lượng vaW phần dạng tín hiệu Ph n Đ3i l ng: thông tin vêW gial trị đối tượng đo Ph n D3ng tín hi5u: thông tin vêW sưY thay đổi tín hiệu đo Gia công tín hiệu: là nghiên cứu các quy luật biến đổi tín hiệu, xác định các loại tín hiệu, chuyển các tín hiệu bất kyW vêW các tín hiệu có quy luật đên đánh gial chúng, chuyển xa, dùng vào việc điều khiển phục hồi lại tín hiệu cần thiết Xưn lyl tín hiệu đo lường: tức là áp dụng các nguyên công vêW đo lường lên các tín hiệu đol, có đặc điểm riêng là vấn đêW biến các tín hiệu đol thành sôl với sai sôl xác định, phản ảnh định lượng đại lượng cần đo Các điều kiện đo:Khi tiến hành phép đo ta phải tính đến ảnh hưởng môi trường đến kết đo vaW ngược lại, sưn dụng dụng cụ đo phải không ảnh hưởng đến đối tượng đo Nguyễn Thị Lan Hương 15 Đặc trưng kỹ thuật đo(2) Đơn vị đo và chuẩn mẫu Việc đầu tiên đo lường học là xác định đơn vị đo và tổ chức cần thiết để tạo mẫu để đảm bảo cho kết đo lường chính xác, tin cậy Việc thành lập đơn vị , thống đơn vị đo lường là quá trình lâu dài, biến động Việc đảm bảo đơn vị, tổ chức kiểm tra, xác nhận, mang tính chất khoa học, kỹ thuật vừa tổ chức và pháp lệnh Việc thống hệ thống quốc tế đơn vị mang tính chất hiệp thương và quy ước -> -> hệ thống đơn vị IS (International Standard) đời (1960) Do tổ chức quốc tế chuẩn phụ trách ISO(International Standard Organisation) gồm đại lượng chính a a a Nguyễn Thị Lan Hương 16 (14) Đặc trưng kỹ thuật đo(3) Phương pháp đo và Phương tiện đo Quá trình đo thực theo bước định, thực các thao tác đo lường Thủ tục ph i hợp các thao tác (nguyên công) đo lường là phương pháp đo Phương tiện đo thể kỹ thuật phương pháp đo cụ thể ->Định nghĩa “ Phương tiện đo là tập hợp các phần tử, các modul, các dụng cụ, các hệ thống phục vụ cho việc thu thập và xử lý số liệu đo lường” Phân loại phương tiện đo lường Nguyễn Thị Lan Hương 17 Đặc trưng kỹ thuật đo(4) Người quan sát Đol là người đo vaW gia công kết đo Nhiệm vụ người quan sát đo là phải nắm phương pháp đo, am hiểu vêW thiết bị đo mà mình sưn dụng; kiểm tra điều kiện đo; phán đoán vêW khoảng đo đên chọn thiết bị phuW hợp; chọn dụng cụ đo phuW hợp với sai sôl yêu cầu vaW phuW hợp với điều kiện môi trường xung quanh; biết điều khiển quá trình đo đên cho kết mong muốn; nắm các phương pháp gia công kết đo đên tiến hành gia công sôl liệu thu sau đo Biết xét đoán kết đo xem đam đạt yêu cầu hay chưa, có cần đo lại hay không, phải đo lại nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê Ngày vai trò người quan sát giảm nhẹ vì hầu hết các phương tiện đo tự động Nguyễn Thị Lan Hương 18 (15) Đặc trưng kỹ thuật đo(5) Đánh giá kết đo Xác định tiêu chuẩn đánh gial phép Kết đo mức đôY nào đol có thên coi là chính xác Một gial trị gọi là gial trị ước lượng đại lượng đo Đol là gial trị xác định thực nghiệm nhơW các thiết bị đo Gial trị này gần với gial trị thực mà điều kiện nào đol có thên coi là thực Đên đánh gial gial trị ước lượng vaW gial trị thực, người ta sưn dụng khái niệm sai sôl phép đo Sai sôl phép đo là hiệu gial trị thực vaW gial trị ước lượng ∆X = Xthực - Xước lượng Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sai sôl : Do phương pháp đo không hoàn thiện SưY biến động các điều kiện bên ngoài vượt ngoài điều kiện tiêu chuẩn quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn Do dụng cụ đo không đảm bảo đôY chính xác, cách đọc người quan sát, cách đặt dụng cụ đo không đúng quy định v.v Nguyễn Thị Lan Hương 19 1.3 Các nguyên công đo lường bản(1) Quá trình đo là thực các nguyên công đo lường, các nguyên công có thể thực hịên tự động thiết bị người thực Xác định đơn vị đo, thành lập mẫu, tạo mẫu và truyền mẫu: Wxác định đơn vị, tạo chuẩn mẫu là đại lượng vật lyl có tính bất biến cao vaW là thân đơn vị đo lường lượng tưn hoal chuẩn vaW tôn hợp thành đại lượng chuẩn có thên thay đổi gial trị, tạo thuận lợi cho việc xác định gial trị đại lượng đo, ta gọi là truyền chuẩn Nguyên công biến đổi: Thực phép biến đổi trên các tín hiệu đo lường, tưW đại lượng này sang đại lượng khác, tưW dạng này sang dạng thên khác Nguyễn Thị Lan Hương 20 (16) Các nguyên công đo lường (2) Nguyên công so sánh: so sánh có thên thực không gian sôl thuật toán chia (phương pháp đo biến đổi trực tiếp) không gian các đại lượng vật lyl, thực phép trưW bôY so sánh (comparator) X - Xk ≤ε (phương pháp đo kiểu so sánh) Nguyên công giao tiếp Giao tiếp người vaW máy (HMI) việc hiển thiY, trao đổi, theo dõi giám sát là dịch vụ khal lớn hêY thống thông tin đo lường điều khiển Giao tiếp với hêY thống (tức với mạng) thên chun yếu dịch vụ truyền thông Nguyễn Thị Lan Hương 21 1.4 Thiết bị đo (1) Xác định tiêu chuẩn đánh giá thiết bị đo: Tiêu chuẩn có thên là tiêu chuẩn quốc gia quan pháp quyền NhaW nước định vaW thành pháp lệnh Tiêu chuẩn quốc têl là tiêu chuẩn hội đồng các nhaW bác học nghiên cứu, xác định vaW khuyến cáo đên các quốc gia áp dụng ISO vaW IEC là tiêu chuẩn quốc têl ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất Tổ chức kiểm định và xác nhận thiết bị đo: Thiết bị đo lường là thiết bị phải đảm bảo các tiêu chuẩn vêW chất lượng vì định kyW phải kiểm định vaW cấp giấy lưu hành Đây là công việc các trung tâm kiểm chuẩn tức là so sánh thiết bị với chuẩn vaW đánh gial lại thiết bị đo Chỉ có thiết bị đo đam kiềm chuẩn vaW đam cấp giấy chứng nhận coi là thiết bị đo hợp pháp, có thên lưu hành Nguyễn Thị Lan Hương 22 (17) Thiết bị đo (2) Tổ chức quản lý đảm bảo đo lường Thiết bị đo là thiết bị đặc biệt, nó quản lyl theo pháp lệnh NhaW nước NhaW nước quy định vêW quản lyl thiết bị đo, l, đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn, lưu hành hợp pháp hay không Phải đảm bảo việc truyền chuẩn có thên xuống đến nơi cần thiết đảm bảo cho việc nâng cao chất lượng các sản phẩm công nghiệp với yêu cầu ngày càng cao Các tiêu chuẩn chung thiết bị đo y Gial trị đo vaW khoảng đo Sai sôl và độ chính xác Các tiêu chuânn khác NgoaWi hai tiêu chuânn vêW độ nhaYy, độ chính xác cuna thiết bị đo coWn phani xét đến đăYc tính đôYng, tônn hao cuna thiết bị và các tiêu đăYc biêYt thiết bị Các tiêu chuan nayW là tiêu phụ col nhưmng lúc trở thaWnh tiêu quan troYng Nguyễn Thị Lan Hương 23 Chương Hệ đơn vị, chuẩn, mẫu, tạo mẫu và chuyển mẫu Đơn vị và hệ đơn vị Chuẩn và mẫu Tạo mẫu công tác và mẫu biến đổi Tổ chức quốc tế và quốc gia hệ thống chuẩn Nguyễn Thị Lan Hương 24 (18) 2.1.Đơn vị và hệ đơn vị chuẩn(1) Hệ đơn vị SI gồm đại lượng chính (19) (20) ! (21) (22) (23) " % ( o a (24) # % e " e (25) ' & & á (26) (27) (28) a (29) # ) * a o e a * o 102 đơn vị dẫn xuất và 72 đại lượng vật lý Nguyễn Thị Lan Hương 25 Đơn vị và hệ đơn vị (2) Bội số và ước số đơn vị + , , - : : / ; + < o > > a , , - < @ F @ / A B e F e > > a : G D A e E > D A H I a I @ J @ P @ R K A N A : O e > O a L K M D Q µ o e Q a S a o R T P T a K @ A : O U D o e a K @ A N W e > J o : e A B @ A @ : @ : H Y > > e a L D > + X o M V U o A F e V > o Z + e D a B a ; < o D > o Nguyễn Thị Lan Hương 26 (30) Định nghĩa đơn vị a Chiều dài: b Khối lượng: c.Thêi gian: §ã lµ thêi gian cña 9.192.631.770 chu kú cña m¸y ph¸t sãng nguyªn tö Sedi 133(Cs-133) d Dòng điện: Ampe là c−ờng độ dòng điện tạo lực đẩy là 2x10-7 N trên đơn vị chiều dài hai dây dẫn dài vô cực đặt cách 1m Nguyễn Thị Lan Hương 27 Định nghĩa đơn vị (2) e Nhiệt độ (nhiệt động):Đó là ®iÓm ba cña n−íc nguyªn chÊt 273,16 nhiệt độ nhiệt động f L−îng vËt chÊt (mol) §ã lµ l−îng vËt chÊt cña sè nguyªn tö cña vËt chÊt Êy, b»ng sè nguyªn tö cã 0,012 kg cacbon 12 (C12) g.C−ờng độ sáng hay quang độ: candela (Cd) là c−ờng độ nguồn sáng phát ánh sáng đơn sắc tần số 540.1012 Hz, víi c«ng suÊt Watt mét Steradian (Sr) 683 h Hai đơn vị phụ là Radian (Rad) và Steradian Radian lµ gãc ph¼ng cã cung b»ng b¸n kÝnh Sterradian lµ gãc khèi n»m hinh cÇu gíi h¹n bëi vßng trßn cÇu cã ®−êng kÝnh b»ng ®−êng kÝnh cña qua cÇu Nguyễn Thị Lan Hương 28 (31) Bảng các đơn vị dẫn xuất Nguyễn Thị Lan Hương 29 Một số đơn vị ngoài đơn vị hợp pháp mà sử dụng Đơn v Quy đ i SI Quy đ i SI Đơn v Inch 2,54 10-2m Fynt 4,536 10-1kg Foot (phút) 3,048 10-1m Tonne 1,0161 103kg Yard (Yat) 9,144 10-1m Fynt/foot2 4,882kg/m2 Mille (d m) 1,609km0 Fynt/foot3 1,6018510 kg/m3 Mille (h i lý) 1,852km Bari 1.106 N/m2 "Inch vuông 6,4516.10-4m2 Torr 1,332 102 N/m2 Foot vuong 9,290.10-2m Kilogam l c 9,8066N Calo 4,1868J Inch kh i 1,6384 Foot kh i 2,832 10-2m3 Mã l c 7,457.102 W Galon (M ) 3,785 10-3m3 Kilowatt gi 3,60 106J Galon (Anh) 4,5 10-3m3 Thermie 1,0551 103J Electron volt (ev) 1,602 102J Gauss 1.10-4 T Maxwell 1.10-8Wb 10-5m3 Nguyễn Thị Lan Hương 30 (32) 2.2.Chuẩn và mẫu Để thống đơn vị thì người ta phải tạo mẫu đơn vị ấy, phải truyền các mẫu cho các thiết bị đo Để thống quản lý đo lường, đảm bảo đo lường cho công nghiệp, thương mại, và đời sống, quốc gia tổ chức hệ thống mẫu chuẩn và truyền chuẩn quốc gia đó Các số vật lý dùng để làm chuẩn Chuẩn mẫu mét Chuẩn mẫu khối lượng Chuẩn mẫu thời gian và tần số Chuẩn mẫu các đại lượng điện Nguyễn Thị Lan Hương 31 Định nghĩa - chuẩn Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 6165 -1996 chuẩn đo lường (measurement standard) hay vắn tắt là chuẩn, định nghĩa sau: “Chu7n a y a y (33) a ” Phân loại Chuẩn đầu (Primary standard) Chuẩn thứ (Secondary standard): Chuẩn bậc I: Chuẩn bậc II: Nguyễn Thị Lan Hương Theo cùng đại lượng 32 (34) Phân loại (2) Chuẩn đầu (Primary standard): Là chuẩn định hay thừa nhận rộng rãi là có chất lượng mặt đo lường cao và các giá trị nó chấp nhận không dựa vào các chuẩn khác cùng đại lượng Chuẩn thứ (Secondary standard): Là chuẩn mà giá trị nó ấn định cách so sánh với chuẩn đầu cùng đại lượng Chuẩn bậc I: là chuẩn mà giá trị nó ấn định cách so sánh với chuẩn thứ cùng đại lượng Chuẩn bậc I: là chuẩn mà giá trị nó ấn định cách so sánh với chuẩn thứ cùng đại lượng Nguyễn Thị Lan Hương 33 Phân loại (3) Trên phạm vi quốc tế Chuẩn quốc tế (International standard): Là chuẩn hiệp định quốc tế công nhận để làm sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác đại lượng có liên quan trên phạm vi quốc tế Chuẩn quốc gia (National Standard): Là chuẩn định có tính chất quốc gia công nhận để làm sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác có liên quan nước Chuẩn chính (Reference standard): Là chuẩn thường có chất lượng cao mặt đo lường có thể có địa phương tổ chức xác định mà các phép đo đó dẫn xuất từ chuẩn này Chuẩn công tác (Working standard): Là chuẩn dùng thường xuyên để hiệu chuẩn kiểm tra vật đo, phương tiện đo mẫu chuẩn Chuẩn so sánh (Transfer standard): Là chuẩn sử dụng là phương tiện để so sánh các chuẩn Nguyễn Thị Lan Hương 34 (35) Một số số vật lý dùng làm chuẩn Đ¹i l−îng Ký hiÖu Tốc độ ánh sáng ch©n kh«ng C 299.792.458 m/s(chÝnh x¸c) C 1,60217733 10- (0,3ppm) ĐiÖn ¸p, dßng ®iÖn Kj-90 483.587,96 Hz/v (0,4 ppm) ĐiÖn ¸p RJ-90 25,812807 KΩ (0,2 ppm) ĐiÖn trë µ0 4π.10-7 N/A2 (chÝnh x¸c) ĐiÖn dung ĐiÖn tÝch electron H»ng sè “Jozepson" H»ng sè Von klitzing HÖ sè dÉn t ch©n kh«ng Giá trị (với độ không ch¾n 1σ) Nguyễn Thị Lan Hương øng dông Thêi gian, tÇn sè chiÒu dµi 35 Một số chuẩn mẫu các đại lượng điện Chuẩn dòng điện Chuẩn điện áp Chuẩn điện trở Chuẩn điện dung Chuẩn tần số Nguyễn Thị Lan Hương 36 (36) Một số đơn vị ngoài đơn vị hợp pháp mà sử dụng Đơn v Quy đ i SI Quy đ i SI Đơn v Inch 2,54 10-2m Fynt 4,536 10-1kg Foot (phút) 3,048 10-1m Tonne 1,0161 103kg Yard (Yat) 9,144 10-1m Fynt/foot2 4,882kg/m2 Mille (d m) 1,609km0 Fynt/foot3 1,6018510 kg/m3 Mille (h i lý) 1,852km Bari 1.106 N/m2 "Inch vuông 6,4516.10-4m2 Torr 1,332 102 N/m2 Foot vuong 9,290.10-2m Kilogam l c 9,8066N Inch kh i 1,6384 10-5m3 Calo 4,1868J Foot kh i 2,832 10-2m3 Mã l c 7,457.102 W Galon (M ) 3,785 10-3m3 Kilowatt gi Galon (Anh) 4,5 10-3m3 Thermie 1,0551 103J Electron volt (ev) 1,602 102J Gauss 1.10-4 T Nguyễn Thị Maxwell Lan Hương 3,60 106J 1.10-8Wb 37 a.Chuẩn dòng điện Chuẩn cân AgNO3 điện phân Năm 1960 chuẩn thực thông qua cân dòng điện tức là đo lực đẩy điện từ hai dây dẫn dài vô cực thông qua cân có độ chính xác cao ( đạt đến 4.10-6 A) Gần đây thì người ta có đề xuất việc xác định dòng điện thông qua từ trường Xác định dòng điện chuẩn phức tạp vì thực tế người ta sử dụng chuẩn điện áp Nguyễn Thị Lan Hương 38 (37) Phát điện áp chiều chuẩn Dung dịch Điện phân CdSO4 Tinh thể hồ Pin mẫu Weston Thủy ngân Sực điện động Pin mẫu 200C cho Công thức: E20= 1.018636-0.6.10-4 Almangan Hg (12,5%Cd) Dây Pt N-5.0.10-5N N=0.04-0.08 Sức điện động Pin mẫu lại thay đổi theo nhiệt độ theo Công thøc: Et = E20-4.610-5(t-20) –9.510-4(t-20)2 +1.0 10-5(t-20)3+ Trôi sức tự động năm là 1àV/năm (microVolt) Mẫu địên áp Quốc gia đ−ợc lấy là giá trị trung bình 20 (hoặc 10) pin mÉu b·o hoµ nµy Nguyễn Thị Lan Hương 39 Phần tử Jozepson (1) V =n h f e n- Sè cÊp chuyÓn tiÕp Siªu dÉn; h- H»ng sè Plank, e§iÖn tÝch Electron; f tÇn sè sãng ®iÖn tõ cùc ng¾n dông lªn líp chuyÓn tiÕp siªu dÉn ch×-oxit ch× tinh khiÕt Lớp chuyển tiếp để bình cách nhiệt nhiệt độ (24)K Tần số sóng điện từ cực ngắn là GHz §iÖn ¸p trªn mét líp chuyÓn tiÕp (4-5) mV cã tÝnh æn định cao: đ−ợc truyền để so sánh với pin mẫu thông qua mét ph©n ¸p chÝnh x¸c (3.10-8) vµ tæng hîp cã thÓ thiết lập điện áp vào khoảng 1V (để so với Pin mẫu) hệ số không ổn định thấp 5.10-8V Nguyễn Thị Lan Hương 40 (38) Lớp chuyển tiếp Nguyễn Thị Lan Hương 41 Phát tần số chuẩn Nguyên lý máy phát thời gian hay tần số chuẩn dựa trên công thức: hν = E − E h- h»ng sè Plank;ν - lµ tÇn sè;E1vµ E2 lµ hai møc n¨ng l−îng chuyÓn møc HiÖn dïng lo¹i mÉu nguyªn tö vÒ thêi gian: Xedi, Hitro, Rubidi Bảng tóm tắt các đặc tính các mẫu thời gian hay sử dụng ĐÆc tÝnh Xedi Hitro TÝnh lÆp l¹i ± 3.10-12 ± 2.10-12 ổn định(trung binh sec) 5.10-12 Tr«i Rubidi Th¹ch anh 5.10-13 5.10-12 5.10-12 RÊt nhá RÊt nhá ±1.10-13 ± 5.10-10 TÇn sè céng h−ëng 9.192.631.770 1420405.751 Träng l−îng m¸y (khoang) 30kg 400 Nhiệt độ làm việc -20 ÷ +600C ÷ 500 C Sè lÇn céng h−ëng nguyªn tö mét gi©y Nhiệt độ cộng h−ởng 106 1012 3600K 3000K Nguyễn Thị Lan Hương 6.834.682.608 15 10 ÷ 500 C ÷ 500 C 1012 3300K 42 (39) Sơ đồ máy phát tần số mẫu kiểu Xedi ∼ a o (40) a Ố $ $ % a % $ & a ' " ! ChØ cã c¸c nguyªn tö xª di cã l−îng F = mf = míi ®i vµo buång ch©n kh«ng, ë ®©y nó qua điện tr−ờng và ®−îc nung nãng lªn b»ng tia sãng cùc ng¾n, cã tÇn sè 9.162.631.770 Hz # Nguyễn Thị Lan Hương 43 Ví dụ: Một số đài phát tần số trên giới Nguyễn Thị Lan Hương 44 (41) Chuẩn điện trở Tõ l©u, ®iÖn trë mÉu lµ mét bé gåm 10 cuén d©y manganin cã điện trở định mức 1Ω để hộp kín lớp đổ đầy không khí nén, cã gi¸ trÞ 1,0000002Ω víi ph−¬ng s−ai σ = 1.10-7 TruyÒn ®iÖn trë mÉu cho c¸c ®iÖn trë kh¸c b»ng cÇu chiÒu Từ năm 1990, điện trở mẫu đ−ợc xác định thông qua hiệu ứng Hall l−îng tö tõ (QHE), nhß cã h»ng sè vËt lý von Klitzing Hằng số von Klitzing đ−ợc xác định Rk-90 = 25,81280Ω với sai sè 0,2.10-6 PhÇn tö c¬ b n cña mét QHE lµ mét planar MOSFET mỏng để môi tr−ờng nhiệt độ thấp 1-2K (2710C) Từ tr−ờng đ−ợc đặt vuông góc với lá mỏng bán dẫn có c−ờng độ từ c m vài Tesla Nguyễn Thị Lan Hương 45 Hiệu ứng Hall Điện áp cảm ứng Hall tỉ lệ với cường độ từ cảm B và dòng điện qua QHE Nguyễn Thị Lan Hương Dòng điện Dẫn điện tử Từ cảm 46 (42) Chuẩn điện trở Uh = Rk-90 I/i PhÇn tö QHE §iÖn trë truyÒn chuÈn Rh = Uh = R k −90 / i I Uh: ®iÖn ¸p Hall, Rh = ĐiÖn trë Hall l−îng t I dßng ®iÖn ch¹y mµng b¸n dÉn MOSFET i sè nguyªn chØ sè ®o Hall mµng b¸n dẫn lúc xác định Rh Rk-90: h»ng sè von Klitzing Nguyễn Thị Lan Hương 47 Nguyễn Thị Lan Hương 48 Ví dụ (43) Chuẩn điện dung ChuÈn ®iÖn dung ®−îc thùc hiÖn b»ng tô ®iÖn tÝnh theo lý thuyÕt Thompson Lambard Tô gåm thÐp ®−êng kÝnh 50mm dµi 500mm cã trôc song song vµ nằm trên đỉnh hinh vuông, gi a chúng có màn chẵn tĩnh điện đặt tâm h nh vuông: Sự thay đổi điện dung tụ điện (của cặp điện cực) thay đổi theo kho ng di chuyển màn chẵn ∆C = 1 ln 2∆L = ln ∆L 2π πµ0C à0: từ dẫn không k hí, C = tốc độ ánh sáng ∆L ®o b»ng ph−¬ng ph¸p giao thoa víi ∆L = 100mm sai sè 10-7 ∆C= 0,4002443 pF, sai sè kh«ng qu¸ 5.10-7 ĐiÖn dung mÉu ®−îc truyÒn sang c¸c ®iÖn dung kh¸c b»ng cÇu xoay chiÒu Từ các mẫu này ta có thể suy các đại l−ợng điện khác thông qua các hộp điện trë vµ hép ®iÖn dung chÝnh x¸c cao Nguyễn Thị Lan Hương 49 2.3.Tạo mẫu công tác và mẫu biến đổi Sau tạo mẫu quốc gia, phải tổ chức mạng lưới quốc tế và quốc gia để truyền chuẩn đến phòng thí nghiệm tiêu chuẩn khu vực Những chuẩn này phải đạt độ chính xác yêu cầu: cách bố trí, quy luật biến đổi phù hợp với tín hiệu kiểm tra và thiết bị so sánh Nguyễn Thị Lan Hương 50 (44) Tạo mẫu công tác và mẫu biến đổi (2) Các vấn đề tạo mẫu công tác (mẫu biến đổi): Lượng tử hoá chuẩn mẫu: Sau đam xác định đơn vị, cần có cách phân chia mẫu thành bội sôl vaW ước sôl đơn vị Đơn vị nhon chuẩn mẫu gọi là lượng tưn Sai số lượng tử q β= K = X K mẫu N K biến đổi Tổ hợp các lượng tử mẫu thành Các lượng tưn mẫu tôn hợp với thành đại lượng mẫu biến thiên.Tôn hợp các quy tắc gọi vaW biểu diễn các sôl có gial trị xác định gọi là hêY thống đếm Thuật toán biến đổi quá trình mẫu Trong quá trình so sánh với đại lượng cần đo, mẫu cần phải thay đổi giá trị nó Thay đổi theo chiến lược nào để tối ưu theo mục tiêu định, đó là thuật toán biến đổi mẫu Nguyễn Thị Lan Hương 51 2.3 Liên kết chuẩn Tổ chức chuẩn giới Tổ chức đảm bảo đo lường Việt nam Theo sơ đồ tổ chức quốc tế công ước mét Việt nam có Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng trực thuộc hội đồng trưởng chịu trách nhiệm việc xây dựng các tiêu chuẩn, quản lý các phương tiện đo lường để đảm bảo chất lượng các sản phẩm sản xuất Việt nam Về việc đảm bảo đo lường, trực thuộc Tổng cục TC-ĐL-CL có các trung tâm đo lường Trung tâm đo lường nhà nước Trung tâm đo lường 1, trung tâm đo lường Các phòng thí nghiệm chuẩn chuyển ngành Vilas Nguyễn Thị Lan Hương 52 (45) Cấu trúc đảm bảo đo lường Việt nam a (46) Nguyễn Thị Lan Hương 53 Trung tâm đo lường Việt nam a Nguyễn Thị Lan Hương 54 (47) Tổ chức quốc tế chuẩn ISO31-1992 ISO 31-0: Nguyên tắc chung ISO 31-1: Không gian và thời gian ISO 31-2: Hiện tương tuần hoàn và các phần liên quan ISO 31-3: Cơ ISO 31-4: Nhiệt ISO 31-5: Địên và từ ISO 31-6: Ánh sáng và xạ địên có liên quan ISO 31-7:Âm ISO 31-8: Hoá học và vật lý phân tử ISO 31-9: Vật lý nguyên tử và hạt nhân ISO 31-10: Phản ứng hạt nhân và xạ ion hoá ISO 31-11: Dấu hiệu và ký hiệu toán học dùng khoa học vật lý và công nghệ ISO 31-12: Số đặc trưng ISO 31-13: Vật lý trạng thái rắn Nguyễn Thị Lan Hương 55 Tổ chức quốc tế chuẩn Châu âu EUROMET Nguyễn Thị Lan Hương 56 (48) Tổ chức quốc tế chuẩn Châu âu EUROMET (2) Nguyễn Thị Lan Hương 57 VÝ dô: Tæ chøc truyÒn mÉu quèc tÕ (1) Định nghĩa các đơn vị Meter m Kilogram Second k s Ampere A CIPM xác định số Josephson KJ-90 Phßng thÝ nghiÖm quèc gia m Thực các định nghĩa SI k s A Newton N Joule J Watt W Volt V Gi¸ trÞ cña c¸c h»ng sè vËt lý §¹i diÖn quèc gia vÒ Volt ( mÉu 10V) Nguyễn Thị Lan Hương 2e/h J-Array 58 (49) Tæ chøc truyÒn mÉu quèc tÕ (2) J-A rray P hòng thí nghiệm địa ph−ơng TruyÒn chuÈn s¬ cÊp (dïng ë M A P ) 732B M ẫu đầu V olt nhân tạo địa ph−ơng (T heo M A P ) 734A M Éu 10V S o s¸nh víi m ¹ng J-A rray th«ng qua M A P 732B M Éu ph©n ¸p (10:1 vµ 100:1) 752A Đ ại diện độc lập cña ®iÖn ¸p V 5700A M Éu lµm viÖc D ông cô ®o sö dông (dÞch vô cho R & D ) 8842A K ý h iÖu = § Þnh nghÜa = T hiÕt bÞ thùc nghiÖm = T hiÕt bÞ sö dông vµ th−¬ng m ¹i = thiÕt bÞ th−¬ng m ¹i Nguyễn Thị Lan Hương 59 Chương Thiết bị đo và đánh giá thiết bị đo Phân loại phương tiện đo lường Đặc tính kỹ thuật thiết bị đo Mở rộng khoảng đo Nâng cao đặc tính kỹ thuật thiết bị đo Kiểm định phương tiện đo lường Xây dựng thiết bị đo Nguyễn Thị Lan Hương 60 (50) Tình hình phát triển thiết bị đo và hệ thống đo Số hoá Thông minh hoá áp dụng cho phương pháp đo đại Tự động xử lý thao tác đo Tự động xử lý kết đo Thông tin với hệ thống Nguyễn Thị Lan Hương 61 Phân loại phương tiện đo lường (51) ) * $ & ! ' " ! $ ) * ! / + ( ! " ! # ! ( + $ % + , / ) ! ) + / ! / ! ! # / ! ! ' - : ; ( * ) " ! ) = & ! / > ' ( < / ; % + ? Nguyễn Thị Lan Hương 62 (52) Kết nối hệ thống công nghiệp-PLC Nguyễn Thị Lan Hương 63 Phân loại thiết bị đo lường (2) Dông cô ®o l−êng ®iÖn : Gia c«ng c¸c th«ng tin ®o l−êng, tøc lµ các tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại l−ợng vật lý cần đo Các dụng cụ đơn lẻ thực các phép đo trực tiếp Dông cô ®o t−¬ng tù : Gi¸ trÞ cña kÕt qu¶ ®o thu ®−îc ®−îc biÓu diÔn b»ng mét hµm liªn tôc theo thêi gian (gåm c¸c lo¹i dông cô ®o kim chØ vµ dông cô tù ghi ) Dông cô ®o sè : KÕt qu¶ ®o ®−îc thÓ hiÖn b»ng sè ThiÕt bÞ ®o: bao trïm lªn tÊt c¶ dông cô ®o t−¬ng tù vµ dông cô ®o sè, cã thÓ ph©n lo¹i theo ph−¬ng ph¸p ®o gåm lo¹i thiÕt bÞ ®o : Thiết bị đo biến đổi thẳng ThiÕt bÞ ®o kiÓu so s¸nh hay bï Ngoài ra, có thể phân loại dụng cụ đo theo đại l−ợng đo nh−: Ampemet, Volmet, Hecmet (®o tÇn sè), ¸p kÕ (®o ¸p suÊt), tèc độ kế (đo tốc độ), l−u tốc kế (đo l−u tốc) v.v Nguyễn Thị Lan Hương 64 (53) o a (54) e a (55) M RO µP AY PL D OL DIS ANNTR CO A/D Co D/A nd it ion Tim SO R th MaµP MO ME BU S RY 8P 48 o e Thiết bị đo lường trên sở máy tính PC Thiết bị đo lường đơn lẻ PR OC ES Te m pe T OR ratu re Flow Con Pres su re Alar m ing Con ditio tro l Pa ne l ns ST O DI/ O TI/ OP ing Người sử dụng định đặc tính máy Nhà sản xuất định đặc tính máy Nguyễn Thị Lan Hương o (56) a e a o 65 e Tích hợp hệ thống Hardware & Driver Software Acquisition and Control PC or Workstation Te mp era tur e Flo w Co Pre ssu re Ala rm Co nd itio ns ST OP SCX I-100 ntr ol Pa nel LabVIEW Software Analysis and Presentation SCXI 1140 SCXI 1140 SCXI 1140 SC XI 1140 SC XI 1100 M SCX I AINFRA ME DAQ Products Serial Instruments Process GPIB Instruments NATIO INS TRUME NAL NTS ® bus Unit Under Test Other networked computers VXI Instruments Nguyễn Thị Lan Hương 66 (57) Thiết bị đo và đánh giá thiết bị đo C¶m biÕn M¹ch ®o ChØ thÞ Hệ thèng th«ng tin ®o l−êng HÖ thèng ®o l−êng HÖ thèng kiÓm tra HÖ thèng nhËn d¹ng HÖ thèng chuÈn ®o¸n HÖ thèng ®o, kiÓm tra, b¸o động HÖ thèng ®o, kiÓm tra, nhËn d¹ng HÖ thèng ®o l−êng, ®iÒu khiÓn HÖ thèng ®o, kiÓm tra, chuÈn ®o¸n Phân loại các phương tiện đo lường Nguyễn Thị Lan Hương 67 Thiết bị đo và đánh giá thiết bị đo Hệ thống đo l−ờng : Đo và ghi lại các đại l−ợng đo Hệ thống kiểm tra tự động : Thực kiểm tra các đại l−ợng đo Cho kÕt qu¶ lín h¬n, nhá h¬n hay b»ng chuÈn Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật : Kiểm tra làm việc đối t−ợng để hỏng hóc cần sửa chữa Hệ thống nhận dạng : Kết hợp việc đo l−ờng, kiểm tra để phân loại đối t−ợng t−ơng ứng với mẫu đã cho VD: Máy kiểm tra phân loại s¶n phÈm Tổ hợp đo l−ờng tính toán : Sự phát triển kỹ thuật tính toán đã cho đời thiết bị đó là tổ hợp đo l−ờng tính toán với chức n¨ng cã thÓ bao qu¸t toµn bé thiÕt bÞ ë trªn §ã lµ sù ghÐp nèi hÖ thèng th«ng tin ®o l−êng víi m¸y tÝnh Nã cã thÓ tiÕn hµnh ®o, kiểm tra, nhận dạng, tính toán và điều khiển đối t−ợng Nguyễn Thị Lan Hương 68 (58) Phân loại thiết bị đo Nằm hệ thống: Transmitter và transducer: Đo điện Đo nhiệt độ và áp suất Phân tích nồng độ vật chất Thiết bị rời:Phân theo nhóm thiết bị để xây dựng hệ Multimét: Máy đếm vạn năng: (tần số kế) Máy sóng, Monitor cùng các thiết bị tự ghi Thiết bị dùng µP(vi xử lý – Micro Processor): Thiết bị thu thập số liệu intelligent transmitter Analyser Nguyễn Thị Lan Hương 69 2.2 Thông số kỹ thuật thiết bị §é nh¹y Kho¶ng ®o, ng−ìng nh¹y vµ kh¶ n¨ng ph©n ly Sai số hay độ chính xác CÊp chÝnh x¸c TÝnh tuyÕn tÝnh cña thiÕt bÞ Đặc tính động Mét sè th«ng sè kh¸c nh−: c«ng suÊt tiªu thô, kÝch th−íc, träng l−îng cña thiÕt bÞ Nguyễn Thị Lan Hương 70 (59) A Mô hình thiết bị đo Nguyễn Thị Lan Hương 71 B Độ nhạy Phương trinh Y= F(X,a,b,c ) S = ∆f ∆X ∂F/∂X - Đé nh¹y víi X hay ∂F/∂a - Đé nh¹y cña yÕu tè anh h−ëng a hay nhiÔu NÕu kh«ng xÐt tíi nhiÔu ®Çu vµo Khi K=(S)=const -> X,Y lµ tuyÕn tÝnh K=f(X) -> X, Y lµ kh«ng tuyÕn tÝnh - > sai sè phi tuyÕn Việc xác định K thực nghiệm gọi là khắc độ thiết bị đo Với mét gi¸ trÞ cña X cã thÓ cã c¸c gi¸ trÞ Y kh¸c nhau, hay K kh¸c Sai số độ nhạy: γS = dS S Nguyễn Thị Lan Hương Sai số nhân tính 72 (60) Ví dụ Cân trọng lượng có độ nhạy cầu 1,5 mV/V Khi cung cấp cho cầu 1V Đường chéo cầu là 1,5mV X là đại lượng nào?? Y là đại lượng nào ?? X là điện áp cung cấp cho cầu Y điện áp đường chéo cầu Nguyễn Thị Lan Hương 73 Ví dụ Cảm biến đo nhiệt độ LM35 có độ nhạy 10mV/0C Tính điện áp cảm biến nhiệt độ 00C và 1000C Nguyễn Thị Lan Hương 74 (61) Nguyễn Thị Lan Hương 75 C Hệ số phi tuyến thiết bị Để đánh giá tính phi tuyến thiết bị đo ta xác định hệ số phi tuyÕn cña nã Hệ số phi tuyến xác định theo công thức sau: = ∆ a ∆Xmax- lµ sai lÖch lín nhÊt Ta th−êng dïng kh©u bï phi n Scb.Sb= K Nguyễn Thị Lan Hương 76 (62) D Khoảng đo, ngưỡng nhạy và khả phân ly Kho¶ng ®o ( Range/Full Scale/Span): Dx = Xmax – Xmin Ng−ìng nh¹y, kh¶ n¨ng ph©n ly (Resolution): Khi gi m X mà Y gi m theo, nh−ng với ∆X≤ εX đó không thể phân biÖt ®−îc ∆Y, εX ®−îc gäi lµ ng−ìng nh¹y cña thiÕt bÞ ®o Thông th−ờng : dụng cụ t−ơng tự εY=1/5 vạch chia độ dông cô sè : εX =Xn/Nn tøc gi¸ trÞ mét l−îng tö ®o Khả n ng ph©n ly cña thiÕt bÞ ®o -ThiÕt bÞ t−¬ng tù = ε -ThiÕt bÞ sè: = ε Nguyễn Thị Lan Hương = 77 Ví dụ Độ phân giải Volmét là Nguyễn Thị Lan Hương 78 (63) E Độ chính xác và sai số - Phân loại Sai sè thiÕt bÞ ®o Theo c¸ch thÓ hiÖn Tuyệt đối Nguyªn nh©n HÖ thèng Quan hÖ víi X Céng tÝnh Theo ®iÒu kiÖn kü thuËt kiÓm tra Chế độ Quy đổi T−¬ng ®ối NgÉu nhiªn Nh©n tÝnh Phi tuyÕn C¬ b¶n Phô thªm TÜnh §éng Nguyễn Thị Lan Hương 79 Độ chính xác và sai số (2) Sai số tuyệt đối (thiết bị đo, phộp đo) ∆X = X - Xth X: Gi¸ trÞ chØ bëi thiÕt bÞ ®o t¹i mét gi¸ trÞ kho¶ng ®o Xth: Giá trị thực đại l−ợng đo, th−ờng Xth đ−ợc đo dụng cụ đo cấp cao h¬n Sai số t−ơng đối (phộp đo) ∆X × γ x = X th ∆X ≈ X × Sai số t−ơng đối quy đổi (thiết bị đo): đỏnh giỏ thiết bị đo γn = ∆X DX hay γn = ∆X Xn Nguyễn Thị Lan Hương 80 (64) Độ chính xác và sai số (3) Sai sè hÖ thèng : Nguyªn nh©n chÕ t¹o vµ l¾p r¸p Cú giá trị không đổi (khắc độ thang đo, hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh điểm "0" không đúng), nhiễu…) Thay đổi có quy luật: ảnh h−ởng tr−ờng điện từ NÕu t×m nguyªn nh©n cã thÓ lo¹i trõ ®−îc Có thể tìm sai số hệ thống kiểm tra định kỳ thiết bị đo (loại trõ theo mét c«ng thøc hiÖu chØnh hay mét b¶ng hiÖu chØnh) Sai sè ngÉu nhiªn : XuÊt hiÖn mét nguyªn nh©n kh«ng biÕt, theo quy luËt ngÉu nhiªn Nếu tăng số lần đo đến vô cùng (n → ∞) thỡ ∆Xng → Nguyễn Thị Lan Hương 81 Độ chính xác và sai số (4) + §Æc tÝnh thèng kª cña mét biÕn ngÉu nhiªn X Giả thiết ta có biến ngẫu nhiên X, mật độ phân bố xác suất cña X lµ f(x) +∞ M« men bËc k cña X : mk(x) m k x = ∫ x k f x dx −∞ Kú väng to¸n häc : M« men bËc cña X E x = m +∞ x = ∫ xf x dx −∞ C¸c tÝnh chÊt E(X): E(λX) = λE(X) E(X + Y) = E(X) + E(Y) Nguyễn Thị Lan Hương 82 (65) Độ chính xác và sai số (4) Gi¸ trÞ trung bình cña mét biÕn ngÉu nhiªn X chÝnh b»ng kú väng to¸n häc cña nã x= E x = m x E x =x= NÕu X rêi r¹c : ∑x N i n é lÖch trung bình : x ∗ E M = ∗ ∑ xi − x i= n : −íc l−îng gi¸ trÞ trung bình Nguyễn Thị Lan Hương 83 Sai số (5) Sai số cộng tính : ∆a không phụ thuộc vào giá trị đại l−ợng đo (g©y hiÖn t−îng trÔ, ma s¸t ) Sai sè nh©n tÝnh : ∆m tØ lÖ víi gi¸ trÞ ®o : ∆m = γmX (g©y sù thay đổi độ nhạy thiết bị đo) ∆X ∆m Sai số tuyệt đối thiết bị đo: ∆a + ∆X = ∆a + ∆m = ∆a + γmX Sai số tương đối thiết bị đo ∆a ∆X ∆ = a +γm X X = γa +γm nhỏ γx = Khi X=Xn γ x ∆X = Nguyễn Thị Lan Hương ∆m X 84 (66) F CÊp chÝnh x¸c cña dông cô ®o Để đánh giá độ chính xác thiết bị đo Cấp chính xác thiết bị đo đ−ợc quy định chặt chẽ theo ph¸p lÖnh nhµ n−íc vÒ sai sè c¬ b¶n cña thiÕt bÞ, sai sè phô, công thức tính toán sai số, các quy định kiểm định C¸c c¬ quan nghiªn cøu, chÕ t¹o vµ qu¶n lý ph¶i tu©n thñ pháp lệnh này Nguyễn Thị Lan Hương 85 Phân loại cấp chính xác(1): a) Đối với thiết bị mà tính chính xác đ−ợc quy định sai số tuyệt đối nó Ng−ời ta phân thành cấp 0, cấp 1, cấp 2, cấp3 VD : Đối với các pin mẫu : Pin mẫu cấp1, cấp 2, cấp Độ biến động cña pin mÉu cÊp kh«ng qu¸ 50 µV/1n¨m; cÊp < 100 µV/1n¨m; cÊp < 300 àV/1năm Tính theo giá trị tuyệt đối b) §èi víi thiÕt bÞ ®o mµ sai sè chñ yÕu lµ sai sè céng tÝnh th× cÊp chính xác thiết bị đo đ−ợc xếp theo sai số t−ơng đối quy đổi tÝnh theo phÇn tr¨m kho¶ng ®o cña thiÕt bÞ ®o VD: γn%≤ ≤ 1% cÊp chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o ®−îc xÕp vµo cÊp §èi víi dông cô ®o c¬ ®iÖn, sai sè chñ yÕu ma s¸t trôc trô; sai sè chñ yÕu là sai sè céng tÝnh, ng−êi ta ph©n thµnh cÊp chÝnh x¸c 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; Nguyễn Thị Lan Hương 86 (67) Phân loại (2): c) §èi víi thiÕt bÞ ®o mµ sai sè chñ yÕu lµ sai sè nhân tÝnh th× cÊp chính xác thiết bị đo đ−ợc xếp theo sai số t−ơng đối thiết bị đo tÝnh theo phÇn tr¨m VD: Ký hiệu cấp chính xác loại thiết bị này đ−ợc đóng khung vòng tròn VD : cấp chính xác → sai số t−ơng đối 1% d) §èi víi thiÕt bÞ ®o mµ sai sè céng tÝnh vµ sai sè nh©n tÝnh cïng cì víi nhau, sai sè c¬ b¶n gåm thµnh phÇn vµ phô thuéc vµo gi¸ trÞ ®o X CÊp chÝnh x¸c ®−îc ghi b»ng tØ sè c/d γ = ± c + d n − X Víi c = γa + γ m ; d = γa VD : CÊp : 0,02/0,01 ⇒ γa + γ m = 0,02 vµ γa = 0,01 ⇒ γ m= 0,01 Các nước phương tây: %FS+%Rdg(reading) Nguyễn Thị Lan Hương 87 Ví dụ Vonmét thang đo 200V Sai số thiết bị đo viết: 1%FS+0,5%Rdg Đọc kết trên thiết bị là 100V -> Sai số phép đo bao nhiêu? ∆X= 1%.200V+ 0.5%100V=2,5V Nguyễn Thị Lan Hương 88 (68) Bài tập: 1, Một thiết bị đo có thang đo cực đại 100à àA, có sai số t−ơng đối quy đổi ±1% Tính các giới hạn trên và giới hạn d−ới dòng cần ®o vµ sai sè theo phÇn tr¨m phÐp ®o ®ối víi : a, Độ lệch cực đại b, 0,5 độ lệch cực đại c, 0,1 độ lệch cực đại 2, Mét thiÕt bÞ ®o chØ 250µ àA với độ lệch toàn thang đo và sai số t−ơng đối quy đổi ±2% Tính độ chính xác phép đo dòng là 200µ µA vµ 100µ µA 3, Một thiết bị đo có thang đo cực đại 100à àA, có sai số t−ơng đối quy đổi ±3% Hãy tính sai số dụng cụ : a, 50µ µA b, 10µ µA 4, Dßng 25µ àA đo đ−ợc dụng cụ có thang đo cực đại 40à µA NÕu ph¶i ®o 25µ àA chính xác khoảng ±5% Hãy tính độ chính xác cÇn thiÕt cña dông cô ®o Nguyễn Thị Lan Hương 89 G Đặc tính động thiết bị (1) Hµm truyÒn c¬ b¶n : Y(p)=K(p).X(p) Đặc tính động: + Đặc tính quá độ + §Æc tÝnh tÇn + §Æc tÝnh xung h(t) δ(t) a Đặc tính xung: Nếu đại l−ợng vào có dạng xung hÑp: x(t)= δ(t-τ) Đại lượng y(t) = h(t-τ) gọi là đặc tính xung thiết bị ☺☺ ý nghĩa đặc tính xung??? ∞ = ∫ τ −∞ −τ τ Nguyễn Thị Lan Hương t PhÇn tö c¬ b¶n cho phép tính đáp ứng cña thiÕt bÞ 90 (69) Đặc tính động thiết bị (2) g(t) b Đặc tính quá độ Nếu tín hiệu vào có dạng xung đơn vị: x(t) = u(t-τ) Đại lượng y(t) = g(t-τ) [= h(t-τ)] gọi là đặc tính quá độ thiết bị Xt t τ c Đặc tính tần số Nếu tín hiệu vào có dạng sin: x(t) = ejωt Đại lượng y(t) = H(ω).x(t) với H(ω) gọi là đặc tính tần số thiết bị Đặc tính tần số phân tích thành hai thành phần: đặc tính môđun A(ω) và đặc tính pha ϕ(ω) (Lý thuyết mạch 1) Ưu điểm sử dụng đặc tính tần số thiết bị??? Nguyễn Thị Lan Hương 91 Đặc tính động thiết bị (3) d Hàm truyền đạt thiết bị đo Phương trình biểu diễn quan hệ tín hiệu ra/tín hiệu vào thiết bị đo: ∂ M α (t ) ∂α (t ) ∂ N x (t ) ∂x (t ) y (t ) = b x (t ) + b + ⋅ ⋅ ⋅ + aM +a + ⋅ ⋅ ⋅ + bN ∂t M ∂t ∂t N ∂t Y (ω ) = b X (ω ) + b jω X (ω ) + ⋅ ⋅ ⋅ + bN jω N X (ω ) + a jω Y (ω ) + ⋅ ⋅ ⋅ + a M jω Y (ω ) b + b j ω + ⋅ ⋅ ⋅ + b N j ω = X (ω ) − a jω − ⋅ ⋅ ⋅ − a M jω H (ω ) = M Y (ω ) N M ω : gi¸ trÞ thùc Thay jω b»ng sè phøc p = σ + jω Hàm truyền đạt thiết bị đo H(p) b + b p + ⋅ ⋅ ⋅ + bN p − a p − ⋅⋅⋅ + aM p M H (p ) = N Nguyễn Thị Lan Hương Cách xác định điểm cực và điểm không hệ thống?? 92 (70) Đặc tính động (4) N bN ∏ p − zi bN p − z p − z −aM p − p p − p H p = p − zN = p − pN i= M −aM ∏ p − pi i= Tõ c¸c vÞ trÝ cña ®iÓm cùc (p) vµ ®iÓm kh«ng (z) trªn mÆt ph¼ng p (hay s) cã thÓ nhËn biÕt ®−îc tÝnh chÊt cña thi t b đo/hÖ thèng đo Nguyễn Thị Lan Hương 93 H Tæn hao c«ng suÊt, ®iÖn trë vµo cña thiÕt bÞ ®o Thiết bị đo nối vào đối t−ợng đo, muốn có đáp ứng phải thu ít l−ợng từ phía đối t−ợng đo ta gọi đó là tổn hao công suÊt Tr−êng hîp thiết bị đo mắc nèi tiÕp víi t¶i: Tổn hao: pa= RA.I2 RA: điện trở vào TBĐ, RA: cµng nhá th× sai sè tæn hao cµng Ýt Yêu cầu sai số phương pháp γ ff = pa R = A <γ pt Rt yc Tr−êng hîp thiết bị đo mắc // víi t¶i: Tổn hao: = RV: điện trở vào TBĐ, RV cµng lớn th× sai sè tæn hao cµng Ýt Yêu cầu sai số phương pháp γ ≈ < γ (71) Nguyễn Thị Lan Hương 94 (72) Giới thiệu số chuẩn thiết bị công nghiệp Theo tiªu chuÈn ANSI Y32.20.1975 hay ISA - S5.1 cña viÖn tiªu chuÈn Hoa Kú (American National Stardard Institute) ng−êi ta quy định ký hiệu thiết bị đo chính là đại l−ợng là đại l−ợng cụ thể đ−ợc ghi trên vòng tròn vẽ trên sơ đồ công nghệ A = thiÕt bÞ ph©n tÝch B = Đại l−ợng liên quan đến vòi đốt và lửa (Burner) C = §iÖn dÉn, nhiÖt dÉn D = tû träng, träng l−îng riªng E = Điện áp, sức điện động, đại l−ợng điện nói chung F = L−u tèc (flow) Nguyễn Thị Lan Hương 95 Chuẩn thiết bị công nghiệp (tiếp) G = §Þnh l−îng (theo lo¹i) I = dßng ®iÖn J = c«ng suÊt K = thời gian, định thời gian L = Møc (level) M = §é Èm (Moistrure) N, O = ng−êi dïng tù chän P = ¸p suÊt (Presure) Q = L−îng hay tÝch lòy R = Phãng x¹ (Radio activity) S = tốc độ, tần số (Speed) T = Nhiệt độ U = nhiÔu biªn sè (phÐp ®o gi¸n tiÕp) V = độ nhớt (Viscosity) W = träng l−îng vµ lùc Y = Tù chän Z = vÞ trÝ Nguyễn Thị Lan Hương 96 (73) Ví dụ Nguyễn Thị Lan Hương 97 Ví dụ sơ đồ công nghệ Nguyễn Thị Lan Hương 98 (74) 3.3 Mét sè biÖn ph¸p n©ng cao cÊp chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o Ph−¬ng ph¸p n©ng cao tÝnh chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o Lo¹i trõ nguyªn nh©n g©y sai sè KÕt cÊu vµ c«ng nghÖ B¶o vÖ chèng ¶nh h−ëng Gi¶m bít møc ¶nh h−ëng cña nguyªn nh©n g©y sai sè HiÖu chØnh Tèi thiÓu ho¸ ¶nh h−ëng sai sè Tèi thiÓu ho¸ sai sè b»ng biÖn ph¸p thèng kª Nguyễn Thị Lan Hương 99 Ph−¬ng ph¸p hiÖu chØnh BiÖn ph¸p hiÖu chØnh sai sè Cã ng−êi tham gia HiÖu chØnh ng−êi ®o thùc hiÖn Tự động (Không có ng−ời ) HiÖu chØnh th«ng qua sè chØ cña dông cô Dïng c¶m biÕn ®o yÕu tè liªn quan Ph©n theo kh«ng gian Céng tÝnh Tạo nên đại l−îng tØ lÖ víi yÕu tè liªn quan Ph©n theo thêi gian Nh©n tÝnh Nguyễn Thị Lan Hương Ph©n theo kh«ng gian Ph©n theo thêi gian Logomet (tØ sè) 100 (75) 4.4 Kiểm định phương tiện đo lường Kiểm tra giấy phép sản xuất và lưu hành Đây là kiểm tra dùng để tư vấn cho quan nhà nước cấp giấy phép sản xuất, cấp giấy chứng nhận thương hiệu Nội dung kiểm tra đúng theo dẫn tiêu chuẩn nhà nước Thiết bị nhập ngoại phải kiểm định trước đưa lưu hành Kiểm tra xuất xưởng Hội đồng kiểm tra chất lượng sản phẩm định tiêu chuẩn cụ thể cho đặc tính kỹ thuật thiết bị đo sản xuất Mẫu biên thử nghiệm phải hội đồng duyệt Biên này coi phần công tác bảo hành Cơ quan quản lý đo lường, theo chu kỳ đột xuất , tiến hành kiểm tra sản xuất và xét tính trung thực băng thử nghiệm Kiểm tra định kỳ Mỗi lần kiểm tra định kỳ, thiết bị cấp chứng và kết đo dụng cụ coi có giá trị pháp nhân Hội đồng tiêu chuẩn nhà nước tổ chức các trung tâm đo lường uỷ quyền thực các phép kiểm tra cấp giấy chứng lưu hành Nguyễn Thị Lan Hương 101 Chương Tổ chức phép đo và gia công kết đo lường Thiết kế phép đo hay băng thử nghiệm Xác định nhiệm vụ: gồm các qui trình (1) xác định mục tiêu; (2) Yêu cầu kỹ thuật; (3) Mô tả quá trình đo; (4) yêu cầu dịch vụ; (5) yêu cầu thông tin Lập sơ đồ đo: gồm các quyi trình (1) Chọn phương pháp đo; (2) Chọn loại thiết bị đo; (3) Chọn thang đo; (4) Mở rộng thang đo; (5) Chọn sai số dụng cụ đo; (6) Chọn tốc độ hay đặc tính động thiết bị; (7) Thiết bị và kết đo Tổ chức phép đo: gồm các khâu (1) thu thập số liệu đo lường; (2) quản lý số liệu thu thập Gia công số liệu đo lường: Chỉnh lý lại số liệu Tính toán kết Bù các yếu tố ảnh hưởng Tính toán sai số Trình bày kết Nguyễn Thị Lan Hương 102 (76) Gia công số liệu đo Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Lý thuyết sai số ngẫu nhiên Tính toán sai số ngẫu nhiên thực nghiệm Sai số thiết bị từ các khâu tổ hợp Tính toán độ không đảm bảo đo Nguyễn Thị Lan Hương 103 Gia công số liệu đo Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Lý thuyết sai số ngẫu nhiên Tính toán sai số ngẫu nhiên thực nghiệm Sai số thiết bị từ các khâu tổ hợp Tính toán độ không đảm bảo đo ( ĐLVN 131:2004) Trªn c¬ së nh ng kÕt qua ®o l−êng b»ng nh ng dông cô cô thÓ , x¸c định giá trị đúng kết qua đo và sai số phép đo Kết qua đó ®−îc viÕt: X®=X ± ∆X Dông cô ®o nµo còng cã sai sè vµ nguyªn nh©n sai sè rÊt kh¸c nhau, vi cách xác định sai số phai tuỳ theo thiết bị đo mà xác định Nguyễn Thị Lan Hương 104 (77) Độ không đảm bảo đo Thông số gắn với kết phép đo, đặc trưng cho phân tán các giá trị có thể quy cho đại lượng đo cách hợp lý Độ không đảm bảo đo có thể phân thành hai thành phần: Đánh giá ước lượng phân bố thống kê đặc trưng độ lệch chuẩn thực nghiệm.( loại A) Được ước lượng từ các phân bố xác suất mô trên sở thực nghiệm các thông tin khác.(loại B) Độ không đảm bảo tổng hợp(các phép đánh giá độc lập) uc = u A + uB Độ không đảm bảo đo mở rộng U=k Hệ số phủ k ( lấy theo phân bố student) Nguyễn Thị Lan Hương 105 Tính toán sai số ngẫu nhiên (đánh giá độ không đảm bảo loại A) Ng−êi ta còng l¹i chøng minh r»ng víi nh ng ph©n bè x¸c suÊt kh¸c nhau, sai sè ngÉu nhiªn cña thiÕt bÞ ®o ®−îc tÝnh theo c«ng thøc ∆=k σ k phô thuéc vµo ph©n bè x¸c suÊt cña sai sè ngÉu nhiªn cña lo¹i dụng cụ đo đựơc xét Độ lệch quân ph−ơng trở thành -−ớc l−ợng độ lệch binh quân ph−ơng n ∑ sX = Xi − X n n− Sai sè ngÉu nhiªn ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: tst lµ hÖ sè student ∆ = tst s X σ Nguyễn Thị Lan Hương 106 (78) Ví dụ ( ) TT KÕt qu¶ δi = X i − X 100,5 +0,34 0,0576 100,4 +0,14 0,0196 100,6 +0,34 0,1156 100,2 -0,06 0,0036 100,2 -0,06 0,0036 99,91 -0,36 0,1296 100,4 +0,14 0,0196 100,4 +0,14 0,0196 100,1 -0,16 0,0256 10 99,9 -0,36 δ2 = X i − X n ∑δ SX = n ( n − 1) S X = 0, 076 Chän: P = 0,99 Tra b¶ng Student: (n = 10, P = 0,99) Kst = 3,25 ∆ng = 2,35.0,076 = 0,247 11 10 X= 12 ∑X i ∑δ δ= 10 10 100,26 0,1296 n i SX = ∑δ i KÕt qu¶ i n ( n − 1) 100,013V<X<100,507V víi x¸c suÊt tin cËy P = 0,99 0,00 Nguyễn Thị Lan Hương 107 Nguyễn Thị Lan Hương 108 (79) Sai số phép đo gián tiếp, sai số từ các khâu tổ hợp ( nhóm độ không đảm bảo loại B) Sai số tuyệt đối ∆Y Hàm Y Sai số tương đối γ= X1+X2 ± ∆X + ∆X ± X1.X2 ± X ∆X + X ∆X + ∆X X +X ∆X ∆X ± + X X ( ∆X ) ∆Y Y X X ± X ∆X (80) + X ∆X Xn ∆X ∆X ± + X X X ±x(∆X/X) ± nX n − ∆X Nguyễn Thị Lan Hương 109 Đối với hàm số Đèi víi hµm sè Y=f(X1, X2, X3, Xn) ∂ ∆ = ∂ γ = γ ∆ ∂ + ∂ + +γ + Nguyễn Thị Lan Hương ∆ +γ 110 (81)