2.2.5 .Tớnh hệ ốs biến đổi
3.2. Tự động chọn thang đo
Sau khi tự động nh đị được thang o, khi đo quỏ trỡnh đo sẽ được tiến đ hành qui trỡnh tự động chọn thang đo như sau:
- Đặt thang đo lớn nhṍt (X2, Xmax) có hợ̀ sụ́ biờ́ đ ̉n ụi K1. - Kờ́t quả đ o là: Nx - Tính 1 x K N X =
- So sánh và chọn khoảng Xi+1 < X < Xi ; (Xi+1, Xi) đ ̃ đ ̣a inh trước. - Chuyờ̉n vờ̀ thang đo thứ i (Xi+1, Xi) với hợ̀ sụ́ biờ́ đ ̉n ụi Ki.
- Bõy giờ con sụ́ thu được là Nix với hợ̀ sụ́ biờ́n đ ̉ụi là Ki: i Kix N X = Sai sụ́: ix D N R γ γ = - Kờ́t quả: i ix K N X = ; ix D N R γ γ = 3.3. Tự động khắc độ:
Quỏ trỡnh tự động khắc độ thiế ị đt b o được thực hiện trờn cơ sở ự t động định thang đo kế ợt h p với m t s m u chu n. ộ ố ẫ ẩ
Thiết bị đọc kết quả giỏ tr đại lượng đo theo thang đo đó được khắc độ ị trờn thiết bị, sau đú so sỏnh giỏ trị đọc được với giỏ trị mẫ đu ó bi t. T cỏc tr ế ừ ị số sai khỏc với giỏ trị mẫu, thiết bị tự động tớnh toỏn l i h số ếạ ệ bi n đổi và nh ớ cỏc giỏ trị đ ú để hiệu chỉnh cho cỏc lầ đn o sau.
Quỏ trỡnh khắc độ tự động được ti n hành theo cỏc bước nh ó trỡnh ế ư đ bày ở 2.1.3.
3.4. Tự động bự sai số thiết bị đ o:
Để làm giảm sai số ă, t ng độ chớnh xỏc c a thi t b o, lu n ỏn đặt v n ủ ế ị đ ậ ấ đề nghiờn cứu cỏc phương phỏp bự sai s cộố ng tớnh, nhõn tớnh và sai s phi ố tuyến của thiết bị đ o. Tiếp theo, tỏc giả trỡnh bày biện phỏp hiợ̀u chỉnh sai sụ́ bằng phương pháp lặp cho phép loại trừ mọi sai sụ́ của thiờ́t bị đo mà khụng cõ̀n xột tới nguyờn nhõn gõy ra sai số.
3.4.1. Bự sai sụ́ cụ̣ng tính.
Cỏc ảnh hưởng của nhiễu, lệch, trụi đ ểi m‘khụng’, tr vv... gõy ra sai số ễ cộng tớnh của thiết bị đo. Cỏc sai số này phụ thuộc nhiều vào mụi trường xung quanh và thường thay đổi liờn tục theo thời gian với tốc độ chậm.
Việc bự sai số tạ đ ểi i m ‘khụng’ và sai s do trụi i m ‘khụng’ được ố đ ể thực hiện bằng xử lý số theo 3 bước :
Hỡnh 3. 1. Bự zero và trụi bằng xử lý số
- Bước (1): Đặt bộ đ ̉ ụi nụ́ ởi vị trí ‘0’, đ ̀õu vào nụ́i vớ đ ́i õt, giá trị đ ̀ õu ra N0 cho biờ́ đ ̣t ụ lợ̀ch iđ ểm ‘khụng’ ban đ ̀õu.
- Bước (2): Chuyờ̉n bộ đ ̉ ụi nụ́i sang vị trí 1, đư đạa i lượng đo X vào thiờ́t bị đ o, giỏ trị đ ̀ õu ra sẽ là NX.
- Bước (3): Chuyển lại bộ đ ̉ ụi nụ́i chuyờ̉n sang vị trí ‘0’. Do trụi điờ̉m ‘khụng’ nờn ở đ ̀ õu ra ta có N'0.
Giỏ trị đại X được tính:
X = 0 0 X X N N ' N 2 K + −
Tỏc giả đ ó xõy dựng và viết chương trỡnh thử nghiệm mụ hỡnh này cho thiết bị ả o [14] bằng cỏch sử dụng đầu ra số (DO) để làm bộ đổi nối chuyển đổi giữa giỏ tr o và giỏ tr ‘khụng’ cho phộp th c hi n phộp o theo 3 bước ị đ ị ự ệ đ trờn. Thiết bị ụ c thể ứ ng dụng trong mụ hỡnh là Vonmột số [14].
3.4.2. Bù sai sụ́ cụ̣ng tính và nhõn tính.
Sai số nhõn tớnh γm thể hi n bệ ằng sự thay đổi hệ số ế bi n đổi K c a thi t ủ ế b ịđo:
K dK
m =
γ
Cú thể xỏc định sự biến ng của hệ số ếđộ bi n đổi K b ng cỏch cho thi t ằ ế bị thực hiện tự động khắc độ. Nếu phộp khắc độ được thực hiện tức thời thỡ cú thể coi sự biến động dK rất nhỏ. N0 NX 1 0 X TBĐ
Dựa trờn cơ sở phộp bự sai s c ng tớnh và s dụố ộ ử ng thờm giỏ tr mẫu M ị để bự sai số nhõn tớnh, s đồ thực hiện phộp bự sai số cụng tớnh và nhõn tớnh ơ được trỡnh bày trờn Hỡnh 3. 2 gồm 4 bước sau :
Hỡnh 3. 2. Bự sai số ộ c ng tớnh và nhõn tớnh
- Bước (1): Đặt bộ đổi nối vào vị trớ ‘0’, nụ́i t đ ́õ đ ̀õu vào, thiế ị đt b o sẽ chỉ giỏ trị N0 là giỏ trị ệ l ch i m ‘0’ ban đầu. đ ể
- Bước (2): Đặt bộ đổ ối vào vị trớ ‘2’, đư đại n a i lượng cầ đn o X vào thiết bị đo, co giỏ trị Ń X
- Bước (3): Đặt bộ đổi nối vào vị trớ ‘1’, đư đạa i lượng mẫu M vào thiế ị t b đo, co Ń M.
- Bước (4): Đặt bộ đổi nối vào vị trớ ‘0’, đưa đ ̀õu vào vờ̀ đ ́ õt, do bị trụi đ ểi m ‘khụng’ thiết bị đ o sẽ chỉ giỏ trị N'0.
Kờ́t quả sau khi tớnh toỏn sẽ cú :
X = 0 0 X 0 0 M N N ' N 2 .M N N ' N 2 + − + −
Như vậy ta đó loại trừ sai số ộng tớnh và nhõn tớnh củ đại lượng đo X. c a Mụ hỡnh và chương trỡnh thử nghiệm cho thiế ị ảt b o được trỡnh bày chi tiết trong [14]. 2 M N0, Nx NM, N0 1 0 X TBĐ
3.4.3. Bù sai sụ́ cụ̣ng tính, nhõn tính và phi tuyờ́n.
Để bự đồng thời cỏc lo i sai s cộạ ố ng tớnh, nhõn tớnh và phi tuy n c a ế ủ thiết bị đ o, tỏc giả đề xu t sử dụấ ng 2 chu n m u khi ti n hành th c hi n phộp ẩ ẫ ế ự ệ đo. Phep o đượ́ đ c tiờn hanh theo 5 bươc nh được trỡnh bày trờn hỡnh 3.3 : ́ ̀ ́ ư
Hỡnh 3. 3. Bự sai số ộ c ng tớnh, nhõn tớnh và phi tuyến.
- Bước 1: Đặt bộ đổ ối vào vị trớ ‘0’, nụ́i t i n đ ́õ đ ̀õu vào, thiết bị đ o sẽ chỉ giỏ trị N1 là giỏ trị ệ l ch i m ‘0’ ban đầu. đ ể
- Bước 2: Đặt bộ đổ ối vào vị trớ ‘1’, đư đại n a i lượng m u Mẫ 1 vào thiết bị đ o, có NM1.
- Bước 3: Đặt bộ đổi nối vào vị trớ ‘2’, đư đạa i lượng cần đo X vào thiế ị đt b o, có giỏ tr Nị X
- Bước 4: Đặt bộ đổ ối vào vị trớ ‘3’, đư đại n a i lượng m u Mẫ 2 vào thiết bị đ o, có
2 M
N
- Bước 5: Đặt bộ đổi nối vào vị trớ ‘0’, đưa đ ̀õu vào vờ̀ đ ́ õt, do bị trụi đ ểi m ‘khụng’ thiết bị đ o sẽ chỉ giỏ trị N2.
Sau khi thực hiện 5 bước trờn, kết quả đ o sẽ được tớnh như sau :
X = M1 + ( ) ( )( 1) 2 1 2 1 X M M M M M N N N N − ′ − ′ ′ − ′
Như vậy đó loại trừ được sai số cộng tớnh, nhõn tớnh và sai số phi tuyến. Với điờ̀u kiợ̀n:
Giỏ trị đ ể i m ‘khụng’ của TBĐ ị b trụi đều từ N1 ờđ ́n N2 . M 2 M N0, N1 Nx,NM1, NM2 1 0 X TBĐ 3
1 2
M X M
N <N <N và tuyờ́n tính trong khoảng (M1, M2)
1 2 M X M N , N , N′ ′ ′ được tính: ( ) 1 1 2 1 M M 1 N N N N N 4 − ′ = − + ( ) ( ) 2 2 2 1 X X 1 2 1 M M 1 2 N N N N N 4 3 N N N N N 4 − ′ = − + − ′ + − +
Trong trường hợp thiờ́t bị đ o được chia làm nhiờ̀u khoảng tuyờ́n tính (tuyờ́n tính hoá từng oan) ta co thờ bụ tri mõu M lam nhiờu gia tri va lõn lươt đ ̣ ́ ̉ ́ ́ ̃ ̀ ̀ ́ ̣ ̀ ̀ ̣ đưa các gia tri mõu và́ ̣ ̃ o TB vàĐ trươc khi th c hi n phộp nụi suy tớnh kờ́t ́ ự ệ ̣ để quả của giỏ tr đại lượng o, c n phai xõy d ng thờm thu tuc chon khoang o ị đ ầ ̉ ự ̉ ̣ ̣ ̉ đ Mi < X < M(i + 1).
Mụ hỡnh và chương trỡnh viết chạy thử nghiệm cho thiết b o được ị ả trỡnh bày chi tiết trong [14].
3.4.4. Bự sai số thiết bị ằ b ng ph ng phỏp lươ ặp (hụi quy) ̀
Phương phỏp hiợ̀u chỉnh sai sụ bằ́ ng thu t toỏn l p đươc nghiờn cứậ ặ ̣ u tai ̣ trường Đ ̣ai học Bách Khoa KIEV cho phép loại trừ mọi sai sụ́ của thiờt bị đ́ o mà khụng cõ̀n biờ́t nguyờn nhõn.
(1) Đ ̣ai lượng X được đưa qua khoỏ 1 vào bụ̣ biờ́n đ ̉ụi thuọ̃n và mã hoá A/D thành N'X1. Giả thiết bụ̣ biờ́ đ ̉n ụi và mã hoá A/D chịu tỏc động c a nhiủ ều loại sai số. N'X1 được đưa vào mụ̣t bụ̣ ghim giữ R1.
Hỡnh 3.4. Hiểu chỉnh sai số ủ c a thiết bị ằ b ng phương phỏp lặp (hồi quy) Lúc này X'Kđược đưa vào đ ̀u A/D của thiờ́t bị õ
1
K X K
X' =N q′ và ta có ở đ ̀ õu ra của bụ̣ A/D.
1 K X K a X x x N q (1 ) X (1 ) N q q ′ ′ + γ ∆ +γ ′ = +
qK = lượng tử của mạch D/A. qx = lượng tử của mạch A/D Sụ́ hiợ̀u chỉnh sẽ là:
1 K
hc X X
N N′ N′ ′
∆ = − (ở sau bụ̣ trừ sụ́). ∆Nhc: được đưa vào bù sai sụ́ cho
1 X
N′ (nhờ bụ̣ cụ̣ng). Sai sụ́ sau khi hiợ̀u chỉnh sẽ là: γC = γ2.
γC: Sai sụ́ sau mụ̣t lõ̀n hiợ̀u chỉnh. γ: Sai sụ́ trươc khi hiờu chinh. ́ ̣ ̉ Nờ́u γ << 1 thỡ γ2 sẽ tiến tới 0
Đ ̉ờ sai sụ ngay cang nho ta co thờ lặ́ ̀ ̀ ̉ ́ ̉ p lai phep bu sai sụ nhiờu lõn cho ̣ ́ ̀ ́ ̀ ̀ đ ́ờn khi at yờu cõu. đ ̣ ̀
Đ ̀iờu kiờn hụi tu: γ̣ ̣ ̣ D/A < γA/D. . 2 1 X N'X ∆Nhc R2 D/A N'X'1 A/D R1 NX'1
Hỡnh 3. 5. Bự sai số thiết bị ằ b ng phương phỏp lặp dựng MCU
Để thuậ ợn l i cho vi c kh c độ thiế ị đệ ắ t b o, t mụ hỡnh c a trường ĐHBK ừ ủ Kiev, luận ỏn đề xuất sử dụng thờm m t b vi i u khi n (MCU) Hỡnh 3. 5 và ộ ộ đ ề ể ứng d ng cho thi t b o. Để ti n hành l p nhi u l n, c n ph i chỳ ý đến t c ụ ế ị ả ế ặ ề ầ ầ ả ố độ biến thiờn c a tớn hi u và s l n lặp. ủ ệ ố ầ
Chương trỡnh phần mềm được trỡnh bày chi tiết được trỡnh bày ở ph l c 6.ụ ụ A/D D/A MCU 2 1 X X'K DK
C
CHHƯƯƠƠNNGG44--TTỰỰĐĐỘỘNNGGĐĐÁÁNNHH GGIIÁÁ TTHHIIẾẾTT BBỊỊĐĐOO
Trong bài toỏn tổng hợp thiết bị đ o, luụn phải quan tõm tới sai số của thiết bị được tổng hợp. Vi c xõy dựng lý thuyết để đỏnh giỏ thiết bị đệ o được tổng hợp là rất quan trọng. Trong chương này, tỏc giả đề xuất cỏc phương phỏp xỏc định sai số của thi t b o sau khi ó được t ng h p, phõn tớch tớnh ế ị đ đ ổ ợ chất của cỏc sai số đ ú (tức là phõn tớch khả năng cú th lo i tr ho c giảm ể ạ ừ ặ thiểu ảnh hưởng của cỏc sai số này hay khụng). Đặc biệt, tỏc giả xõy dựng chương trỡnh trợ giỳp cho việ đỏnh giỏ sai số củc a h thu th p d li u o là ệ ậ ữ ệ đ khõu quan trọng nhất trong thiết bị đ o. Mụ hỡnh này sẽ được mở rộng cho k ỹ thuật chuẩn độ tại ch cỏc quỏ trỡnh o lường m t s đại lượng o khụng n ỗ đ ộ ố đ ổ định nhưng lạ đi ũi h i chớnh xỏc cao.ỏ độ
4.1. Sai số lượng tử, sai số khụng thể vượt qua được.
Cỏc mụ hỡnh thiết bị ả o, giỏ trị củ ấ ảa t t c cỏc đại lượng v t lý cầ đậ n o đề đượu c chuyển thành giỏ tr sốị để o và x lý. Do ú phộp o luụn ph m đ ử đ đ ạ phải sai số một bậc lượng tử
4.2. Xỏc định sai số ng u nhiờn và sai s khụng th n định ẫ ố ể ổ
Một trong những cụng tỏc đảm bảo đo lường là cần phải đỏnh giỏ độ khụng đảm bảo đo bằng cỏch xỏc định sai số ng u nhiờn hay sai s khụng th ẫ ố ể ổn định. Vi c ỏnh giỏ sai s này theo hướng dẫn GUM chỉ cú tớnh lý thuyết, ệ đ ố rất khú cú thể đỏnh giỏ đỳng một hệ thống thiết bị theo cỏch này.
Mụ hỡnh do lu n vậ ăn đề xuất cú thể ỏp dụng cho mọi thiết bị và đặc biệt, cú thể đ ỏnh giỏ được sai số của thiết ngay tại hiện trường với một thiết bị mẫu.
Phần tử quan trong nhất trong cấu hỡnh của thiết bị đ o ảo là vỉ thu thập số liệu DAQ. Bài toỏn thực nghiệm sẽ mụ tả chi tiết phương phỏp và chương trỡnh thử nghi m dựng ệ để đỏnh giỏ sai số của ph n t này d a trờn sai s được ầ ử ự ố
cụng bố của cỏc hóng s n xu t k t h p v i bài toỏn t động ỏnh giỏ sai s ả ấ ế ợ ớ ự đ ố của thiết bị.
4.2.1. Cỏch đỏnh giỏ sai s c a vố ủ ỉ thu thập số liệu khi xu t xưởấ ng:
Cỏc hóng khi xuất xưởng một vỉ thu thập số ệu sẽ ến hành đ li ti ỏnh giỏ sai số tuyệt đối theo cụng thức: [18], [41]
∆= ±((Uvào * %Rd)+ Offset+ System Noise+Trụi nhiệt ) Trong đú:
- Uvào- iđ ện ỏp vào
- %Rd- phần trăm của giỏ trị đ ệ i n ỏp đọc được (địờn ỏp vào), được nhà sản xuất đưa ra.
- Offset – giỏ trị ằ h ng số trong toàn bộ quỏ trỡnh đo (ta cú thể coi đõy là sai số do trụi đ ểi m ‘0’), được nhà sản xuất hiệu chuẩn và đưa ra. - System Noise – nhiễu hệ thống, phụ thuộc vào số đ ể i m lấy trung bỡnh,
được nhà sản xu t th nghi m và a ra. ấ ử ệ đư
- Trụi nhiệt – sinh ra do sai lệch nhiệt độ giữa nhiệ độ qui định do nhà t sản xuất và nhiệt độ làm vi c th c t . Sai s trụi nhi t được tớnh theo ệ ự ế ố ệ cụng thức:
Trụi nhiệt = ±(Uvào * %Rd/0C + Offset/0C )Nhiệt độ
Hóng National Instruments NI đưa ra cỏc thụng số ủ c a vỉ thu thập số liệu: Tớn hiệu vào của DAQ -5V đến +5V
Nhiệt độ làm việc 250C
Số lần đọc 100 lần
Thời gian hiệu chuẩn cuối cựng 1 năm.
Tuy nhiờn là sai số cú thể bị thay đổi theo i u ki n làm vi c và m c đ ề ệ ệ ứ đỏng tin c ng ch a cao nh trỡnh bày trong [51]. Để khắc phục luận ỏn xõy ũ ư ư dựng bài toỏn tự động đỏnh giỏ sai s ng u nhiờn c a v thu th p s li u này. ố ẫ ủ ỉ ậ ố ệ
4.2.2. Xõy dựng bài toỏn tự đ ỏnh giỏ về sai số ngẫu nhiờn của DAQ
Nội dung này đó được cụng bố trong [6] “xỏc định sai số ngẫu nhiờn và sai số ệ h thống”
Theo định nghĩa của đo lường học, độ lệch c a phộp o th i δủ đ ứ i được tớnh:
δi = |Xi - Xđỳng| (4.1)
Với: Xi – Giỏ trị ụ c thể ủ c a lầ đn o thứ i
Xđỳng – Giỏ trị đ ỳng được xỏc định b i chuẩn mẫu, hoặở c được o đ với một dụng cụ chớnh xỏc hơn nhiều bậc so với thiết bị cần kiểm tra.
Sai số tuyệt đối của phộp đo và thiết bị được định ngh a ĩ
∆ = max|δi |=max |Xi - Xđỳng| (4.2)
Với phộp đo nhiều lần đo, kết quả đo Xđỳng được tớnh bằng giỏ trị trung bỡnh X của nhiều lần đo sau khi đó loại trừ sai số thụ.
Sai số tuyệt đối của phộp đo ∆ được phõn tớch thành hai thành phần: sai số ệ h thống ∆ht và sai số ngẫu nhiờn ∆ng.
Để đỏnh giỏ cả hai thành phần sai số này, đầu tiờn, c n ph i tớnh toỏn ầ ả sai số tuyệt đối ∆ bằng phộp so với m u theo cụng thức (4.2), sau đ đẫ ú ỏnh giỏ thành phần sai số ngẫu nhiờn bằng phương phỏp thống kờ và cuối cựng cú thể đỏnh giỏ hành ph n sai s h th ng. ầ ố ệ ố
Phương phỏp xỏc định sai số ngẫu nhiờn bằng phương phỏp th ng kờ ó ố đ được trỡnh bày chi tiế ởt mục 1.3. Sai s h th ng s là: ố ệ ố ẽ
2 ng 2 d 2 ng 2 ht = ∆ −∆ = X−X −∆ ∆ (4.3)
Luận ỏn xõy dựng thiết bị thử nghiệm để đỏnh giỏ sai số ∆ của v thu ỉ thập số liệu. Sơ đồ kh i của hệ thống tựố động ỏnh giỏ vỉ thu thập số liệu đ được trỡnh bày trờn hỡnh 4.1. Trờn hỡnh vẽ, (2) là v thu th p số ệỉ ậ li u DAQ cần