Cơ sở kỹ thuật đo lường

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5. Cơ sở kỹ thuật đo lường

Việc đánh giá và nắm bắt các thông số kỹ thuật của quá trình hoạt động của các hệ thống, thiết bị là vô cùng quan trọng và cần thiết. Chỉ khi nắm bắt được các thông số của chúng, nói cách khác là đánh giá định lượng được chúng, chúng ta mới có thể làm chủ được hoàn toàn các thiết bị và hệ thống đó trên phương diện điều chỉnh, điều khiển.

Các thông số này thường được thể hiện qua các đại lượng vật lý đặc trưng tương ứng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng... Vì vậy, không có cách nào khác là chúng ta phải có các phương pháp tương ứng để đo lường giá trị của các đại lượng vật lý này.

2.5.1. Khái niệm về kỹ thuật đo lường và đặc trưng.[2]

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.

Kỹ thuật đo lường là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. Trong kỹ thuật đo lường, cảm biến chính là một trong những sản phẩm quan trọng nhất, vì các đại lượng vật lý cần đo được cảm biến biến đổi thành một đại lượng điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện này phản ánh các thông tin cần thiết liên quan đến đại lượng cần đo.

3 5 7 9 11 13

360 420 480 540

CO2(%)

n=6000 n=4000 n=2000

( độ TK)

❖ Kỹ thuật đo lường gồm các đặc trưng sau:

Đại lượng đo (hay tín hiệu đo): Là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể mà ta chỉ quan tâm đến một hoặc vài thông số nhất định.

Điều kiện đo: Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn liền với môi trường chứa đại lượng đo. Môi trường ở đây có thể kiều kiện môi trường tự nhiên và cả môi trường do con người tạo ra. Do đó khi đo phải đảm bảo loại bỏ được các ảnh hưởng của môi trường đến thiết bị đo (những yếu tố khiến cho phép đo không thực hiện được trong điều kiện tiêu chuẩn đã định), đồng thời bản thân thiết bị đo cũng không được gây ảnh hưởng đến (làm biến đổi) đại lượng đo.

Đơn vị đo: Là các giá trị mẫu chuẩn về một đại lượng nào đó đã được quốc tế quy định chung cho mọi quốc gia phục vụ cho việc so sánh với giá trị đo được để phép đo đưa ra được thông số cụ thể.

❖ Thiết bị đo và phương pháp đo:

Thiết bị đo: Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có các tính chất đo lường học tức là các tính chất ảnh hưởng đến kết quả đo và sai số của phép đo.

Phương pháp đo: Là cách thức thực hiện quá trình đo, nó phụ thuộc vào phương pháp nhận thông tin và các yếu tố khác như độ lớn đại lượng đo, điều kiện đo, sai số yêu cầu...

- Người quan sát:

Là người tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo. Yêu cầu nắm được phương pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo và biết cách gia công số liệu thu được khi đo.

- Kết quả đo:

Giá trị xác định bằng thực nghiệm được gọi là ước lượng của đại lượng đo, giá trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực.

Vậy để đánh giá độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực, người ta đưa ra khái niệm sai số của phép đo (trị tuyệt đối hiệu của 2 giá trị này). Đây chính là thông số cho phép đánh giá phép đo hay thiết bị thực hiện phép đo có đạt yêu cầu không.

2.5.2. Cơ sở kĩ thuật đo lường

❖ Đại lượng đo

Với một đại lượng cần đo X ta có thể tìm được một đại lượng X để cho:

m.X > X và (m - 1)X = X (2.7) Hay nói cách khác, ánh xạ được X vào tập số tự nhiên {N} với độ đo X.

❖ Phương trình cơ bản của phép đo

0 x

A X

= X => X = A Xx. 0 (2.8) Trong đó: X – Đại lượng cần đo.

X0 – Đơn vị đo.

Ax – Giá trị bằng số của đại lượng cần đo.

Muốn đo giá trị của một đại lượng vật lý bất kỳ phải chuyển đổi đại lượng này sang một đại lượng vật lý khác có thể so sánh được giá trị của nó với mẫu.

Do đó, không phải đại lượng nào cũng có thể đo được một cách trực tiếp vì không có đơn vị mẫu của đại lượng đó để thực hiện so sánh, ví dụ: ứng suất cơ học… Khi đó người ta phải chuyển đổi đại lượng vật lý này sang dạng khác để thực hiện phép đo, ví dụ: chuyển sang dạng điện trong cảm biến lực căng (loadcell) và so sánh bằng tương quan điện.

❖ Phương pháp đo

Dựa theo cách thức thực hiện quá trình đo mà phương pháp đo có thể phân loại như sau: Phương pháp đo biến đổi thẳng.

Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng biến đổi thẳng, tức là không có phản hồi.

Hình 2.12 Sơ đồ biến đổi đo thẳng.

Trong đó: X – Tín hiệu cần đo.

X0 – Tín hiệu mẫu (Dùng để chia vạch đơn vị trong thang đo) Nx – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo.

N0 – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của đơn vị đo . BĐ – Bộ biến đổi.

A/D – Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số.

SSsố – Bộ so sánh số.

Giá trị đo được là: 0 0

.Nx X X

= N

Phương pháp đo kiểu so sánh: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng vòng kín có phản hồi.

Hình 2.13 Sơ đồ đo kiểu so sánh.

Trong đó: X – Tín hiệu cần đo.

Xk – Tín hiệu phản hồi (Tín hiệu so sánh tỷ lệ với đại lượng mẫu) Nx – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo.

BĐ – Bộ biến đổi.

D/A – Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự . A/D – Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số.

SS – Bộ so sánh.

Phép đo sẽ diễn ra cho đến khi tín hiệu phản hồi Xkcó giá trị bằng với giá trị của đại lượng cần đo X.

Thiết bị đo kiểu này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh hay thiết bị bù.

❖ Đánh giá kết quả đo.

Để đánh giá giữa giá trị ước lượng và giá trị thực, người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo. Sai số thực của phép đo là hiệu giữa giá trị thực (Xthuc) và giá trị ước lượng (Xuocluong):

X = Xthuc – Xuocluong (2.9)

Sai số tuyệt đối của giá trị ước lượng là mọi số dương X thỏa mãn bất đẳng thức:

|Xthuc – Xuocluong| ≤ X (2.10)

Sai số tương đối của giá trị ước lượng là tỷ số của sai số tuyệt đối với trị tuyệt đối của nó:

uocluong

uocluong

X X

 = X (2.11)

Sai số tương đối có giá trị càng nhỏ thì độ chính xác của phép đo càng cao, sai số tuyệt đối có cùng thứ nguyên với giá trị thực, sai số tuyệt đối không có thứ nguyên mà chúng được biểu thị bằng %.

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số:

+ Do phương pháp đo không hoàn thiện.

+ Sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài những điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn.

+ Do dụng cụ đo không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của người quan sát, do cách đặt dụng cụ đo không đúng quy định v.v...