- 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 được đỏnh giỏ sai s . Mỏy phỏt chu n mẫố ẩ u m u bi n đổi được (1) phỏt tớn ẫ ế hiệu chuẩ để cú giỏ trị Xn đ. Giao diện (3) cho phộp đối thoại với ngườ ử i s dụng để đặt cỏc thụng số và hiển thị cỏc giỏ trị sai số tớnh toỏn được của hệ thống.
Hỡnh 4. 1. Sơ đồ khối tự động ỏnh giỏ v thu thập số ệu PCI 6024E. đ ỉ li Hệ thống hoạt động theo nguyờn lý:
Đầu tiờn, đặt giỏ trị chuẩn mẫu cho mỏy phỏt chuẩn biến đổi được (calibrator)
Đọc n lần giỏ tr o Xị đ j bằng vỉ thu thập tớn hiệu DAQ. Ta sẽ cú n giỏ trị Nj. Tớnh giỏ trị trung bỡnh của n lầ đn o: = n∑−1
0 ij
j N
n 1 N
Tớnh độ lệch δij giữa giỏ trị đ o được tại thời đ ểi m i và giỏ trị trung bỡnh của n lần đo: δij=N −ij Nij
Độ lệch bỡnh quõn phương (dung sai) của phộp o s là: đ ẽ
) 1 n ( n S n 1 2 ij X − δ = ∑ 1 2 3
Loại trừ sai số thụ của phộp đo: nếu δij > 3SXj thỡ loại trừ sai số thụ, và tớnh lại theo cỏc bước trờn
Xỏc định xỏc suất tin cậy của phộp đo (P%). Tra bảng hệ số Student theo số lượng n lần o đ
Tớnh khoảng tin cậy
j X st ngj =K .S
∆ . Đõy chớnh là sai số ngẫu nhiờn của thiết bị tại một giỏ trị đ o Xj nằm trong khoảng đo của thiết bị.
Tiến hành đo tất cả cỏc giỏ trị đ o trờn khoảng đo của thiết bị để tỡm ra sai số ớ l n nhất của thiết bị đ o trong khoảng o đ được định nghĩa là sai số của thiết bị đo.
Chương trỡnh tớnh toỏn sai số thiết bị đ o theo cỏc bước trờn đó được viết cho thiết bị đ ả o o. Giao diện tớnh toỏn của thiết bị được trỡnh bày trờn hỡnh 4.2. Mó nguồn chương trỡnh được trỡnh bày chi tiết trong phụ ụ l c 7.
Hỡnh 4. 2. Mặt mỏy của chương trỡnh tự động ỏnh giỏ DAQ cđ ủa VI.
4.3. Xỏc định sai số phi tuy n và bự sai s phi tuy n củế ố ế a thi t b o. ế ị đ
Sau khi xỏc định và đỏnh giỏ được sai số hệ ố th ng và sai s ng u nhiờn ố ẫ của vỉ thu thập số liệu DAQ, luận ỏn tiếp tục nghiờn cứu phương phỏp đỏnh giỏ sai số phi tuyến của vỉ thu thập này.
Sai số hệ ố th ng ∆ht bao gồm hai thành phần : sai số cộng tớnh ∆a và sai số nhõn tớnh ∆m. Như đ ó phõn tớch tại chương 3, sai số nhõn tớnh tỷ lệ ớ v i giỏ trị đại lương đo: ∆m = γm.X và γm là nguyờn nhõn gõy ra sai số phi tuy n c a ế ủ thiết bị đ o.
Hỡnh 4.3. trỡnh bày đồ thị biểu di n sai số phi tuyến của thiết bị đễ o. Sai số phi tuyến của thiết bị đo được tớnh theo cụng thức:
n pt pt X ∆ = γ (4.2)
Với ∆pt- là sai lệch lớn nhất giữa giỏ trị đ o thực tế Y và giỏ trị nội suy Ynội suy tương ứng trong đ ạn thẳng tuyến tớnh hoỏ. o
Xn là giỏ trị qui đổi lớn nhấ ủa thang đo. t c
Hỡnh 4.3. Đồ thị biểu diễn sai số phi tuyến.
Chương trỡnh tớnh toỏn sai số phi tuyến của thiết bị đ o ảo là phần chương trỡnh nhỏnh độc lập của chương trỡnh đỏnh giỏ sai số ngẫu nhiờn của thiết bị đ o, được tiến hành theo cỏc bước:
Đọc n lần giỏ tr o Xị đ j bằng vỉ thu thập tớn hiệu DAQ. Ta sẽ cú n giỏ trị Nj.
Tớnh giỏ trị trung bỡnh của n lầ đn o: = ∑−1
0 1n ij j N n N Ynội suy XN Y ∆p X X Y
Tớnh hệ ố s tuyến tớnh của khoảng tuyến tớnh hoỏ:
n N N
K = n− 0 ; với Nn, N0, đ ểi m cuối và đầu của khoảng tuyến tớnh hoỏ.
Tớnh độ lệch phi tuyến δj =Nj −[N0 +KJ]
Lập quan hệ δj(X) Tỡm max | δj| = ∆pt
Tớnh sai số phi tuyến :
n pt pt N ∆ = γ
Từ việc đỏnh giỏ sai số phi tuyến của thiết bị, luận ỏn nghiờn cứu xõy d ng ự bài toỏn tố ưi u hoỏ đặc tớnh tuyến tớnh của thiết bị đ o.
K
KẾẾTTLLUUẬẬNN
Sau quỏ trỡnh nghiờn cứu đề tài “Nghiờn cứu ỏp dụng thiết b o vào ị ả việc tổng hợp thiết b o” ị đ với mục đớch ứng dụng cỏc thành tựu của cụng nghệ thụng tin để tổng hợp thiết bị đ o theo mụ hỡnh qua trỡnh đo, xõy dựng hệ trợ giỳp chuyờn gia tổng hợp thiết bị đ o trờn cơ sở lý thuy t thụng tin o ế đ lường, tỏc giả đó đạt được một số kết quả:
Nghiờn cứu lý thuyết và Kỹ thuật đo lường và phương hướng tổng hợp phương phỏp đo của Ornaski
Nghiờn cứu tinh thần của VI và những u ư đ ểi m của việc ứng dụng VI trong việc tổng hợp thiết bị đ ả o o.
Xõy dựng được lý lu n để chuy n t viậ ể ừ ệc tổ hợp cỏc nguyờn cụng c ơ bản của phương phỏp đo thành những khối chức năng cụ thể thực hiện cỏc nguyờn cụng ấy và xõy dựng t ng hổ ợp TBĐ trờn cơ ở s cỏ khối chức năng ấy.
Xõy dựng được lưu trỡnh tiến hành tổng hợp (hay thiết kế) TB và Đ ứng dụng cỏc cụng cụ VI trong lưu trỡnh ấy.
Xõy dựng sơ bộ được h chuyờn gia tr giỳp t ng h p (hay thi t k ) ệ ợ ổ ợ ế ế TBĐ kết qu ó đượ đăả đ c ng trờn T p chớ khoa h c K thu t Cỏc trường Đại ạ ọ ỹ ậ học Kỹ thuật thỏng 1-2005, Chương trỡnh chuuyờn gia trợ giỳp tổng hợp thiết b ịđo.
Nghiờn cứu thiết bị đ ả o o kết quả được phản ỏnh trong đề tài cấp bộ B2001-28-24 "Nghiờn cứu thiết kế thiết bị ả o chế tạo modul tớch h p dựng ợ