Chương VII: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO

Chia sẻ: Ha Tuananh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

473
lượt xem 151
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

- Chất lượng sản phẩm là một yếu tố mang tính chất quyết định trong sự phát triển của nền Cơ khí chế tạo máy. Đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất là đảm bảo hiệu quả kinh tế cho nền sản xuất. - Trong quá trình chế tạo các chi tiết máy, để kiểm tra chất lượng sản phẩm cần phải đo để đảm bảo chi tiết làm ra đạt yêu cầu kỹ thuật. Vì vậy, kỹ thuật đo là khâu không thể thiếu được trong quá trình sản xuất....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương VII: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO

Chương VII CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO - Chất lượng sản phẩm là một yếu tố mang tính chất quyết định trong sự phát triển của nền Cơ khí chế tạo máy. Đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất là đảm bảo hiệu quả kinh tế cho nền sản xuất. - Trong quá trình chế tạo các chi tiết máy, để kiểm tra chất lượng sản phẩm cần phải đo để đảm bảo chi tiết làm ra đạt yêu cầu kỹ thuật. Vì vậy, kỹ thuật đo là khâu không thể thiếu được trong quá trình sản xuất. - Việc đảm bảo chất lượng sản phẩm không đơn thuần là việc kiểm tra sản phẩm sau khi chế tạo mà cái chính là vạch ra nguyên nhân sai hỏng ngay trong khi gia công, để có được quy trình công nghệ hợp lí, có thể điều chỉnh quá trình gia công nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng . Mức độ đưa thiết bị và kỹ thuật đo vào công nghệ chế tạo thể hiện mức độ tiên tiến của nền sản xuất . 7.1 Các khái niệm cơ bản trong đo lường: 7.1.1 - Khái niệm chung - Đo lường là việc định lượng độ lớn của đối tượng đo, dựa trên việc thiết lập quan hệ giữa đại lượng cần đo và một đại lượng có cùng tính chất vật lý được quy định dùng làm đơn vị đo. - Thực chất của việc đo lường là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo để tìm ra tỉ lệ giữa chúng. Độ lớn của đối tượng cần đo được biểu diễn bằng trị số của tỉ lệ nhận được kèm theo đơn vị đo dùng khi so sánh . Ví dụ: +) Đại lượng cần đo là Xđ , đơn vị dùng để so sánh là W. Khi đó tỉ lệ giữa chúng là: Xd =q W Kết quả đo sẽ biểu diễn là : Xđ = q.W - Việc chọn độ lớn của đơn vị đo khác nhau khi so sánh sẽ có trị số q khác nhau. Chọn độ lớn của đơn vị đo sao cho việc biểu diễn kết quả đo gọn, đơn giản tránh nhầm lẫn trong ghi chép và tính toán. Kết quả đo cuối cùng cần biểu diễn theo đơn vị đo hợp pháp 7.1.2 - Đơn vị đo - Hệ thống đo - Đơn vị đo là yếu tố chuẩn dùng để so sánh. Vì vậy, độ chính xác của đơn vị đo sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác khi đo. - Độ lớn của đơn vị đo cần được quy định theo chuẩn mới đảm bảo được việc thống nhất trong giao dịch, mua bán, chế tạo sản phẩm để dễ thay thế và lắp lẫn 77
- Để đảm bảo tính thống nhất trong đo lường, các đơn vị đo cơ bản và các đơn vị đo dẫn xuất hợp thành hệ thống đơn vị đo : “ Đơn vị của các đại lượng vật lí ” ( SI : Standard International ) . Hệ thống SI tránh được sự cần thiết phải nghiên cứu tỉ mỉ nhiều hệ thống đơn vị - Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm: +) Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được. Ở nước ta hiện đang sử dụng các đơn vị đo lường của hệ thống SI gồm 7 đơn vị cơ bản là: a) Đơn vị chiều dài : “Mét (m) – là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/29979258 giây (CGMP lần thứ 17 năm 1983) +) Chuẩn chiều dài mét hiện nay có sai số = 0,002 mm ( = 2.10-9m) b) Đơn vị đo nhiệt độ : Kelvin ( K) +) 0K là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần nhiệt độ đông của điểm thứ 3 của nước (là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng, hơi) +) Sử dụng thang Kelvin là thang chuẩn và được sử dụng ưu tiên trong tính toán bởi vì thang này không có nhiệt độ âm mà chỉ có nhiệt độ dương. Ngoài ra, sử dụng thang Kelvin, sai số của phép đo chuẩn được giảm đi 50 lần. c) Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A) +) Ampe là cường độ dòng điện một chiều chạy qua 2 dây dẫn song song dài vô hạn, có diện tích mặt cắt nhỏ không đáng kể, được đặt trong chân không cách nhau 1m và trên mỗi đoạn chiều dài 1m của dây dẫn xuất hiện lực tương tác bằng 2.10-7N. d) Đơn vị đo thời gian: giây (s) +) Giây bằng 9192631770 chu kì bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa 2 mức siêu tĩnh của trạng thái cơ bản Xe-133. +) Giây gắn liền với sự giao dộng của nguyên tử Xe. Sai số tương đối là 5.10-11 e) Đơn vị đo cường độ ánh sáng ( Candela ). - Candela - là cường độ ánh sáng theo một phương xác định của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 Hz và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 Oat trên Steradian(CGPM - lần thứ 16,1979) f) Đơn vị đo khối lượng: (Kg) - Kilogram - là đơn vị đo khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilogram quốc tế đặt tại trung tâm mẫu và cân quốc tế tại Paris g) Đơn vị đo số lượng vật chất: (Mol) - Mol - là lượng vật chất có số phân tử (hay nguyên tử, các hạt ) bằng số nguyên tử chứa trong 12C với khối lượng là 0,012(kg). 78
- Các đơn vị này có thể dùng để đo tất cả các loại thông số : cơ học, nhiệt, điện, từ ánh sáng, âm, bức xạ ion và trong lĩnh vực hoá học +) Đơn vị kéo theo: là các đơn vị có liên quan tới các đơn vị cơ bản thể hiện qua các biểu thức. - Ngoài bảng 7 đơn vị cơ bản trên còn các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực cơ, điện, từ, quang. 7.1.3 – Phương pháp đo Phương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó là tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể để thực hiện phép đo, trong đó nguyên tắc để xác định thông số đo. Các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toán học hay mối quan hệ vật lý có liên quan tới đại lượng đo. Ví dụ : 1. Để đo bán kính cung tròn, có thể dựa vào mối quan hệ giữa các yếu tố trong cung. h s2 R= + 2 8h h : chiều cao cung s : độ dài cung 2. Khi đo tỉ trọng của vật liệu , dựa trên quan hệ vật lý : G D= V trong đó : D - Tỷ trọng mẫu đo G - Trọng lượng mẫu đo V - Thể tích mẫu đo Giả sử mẫu là hình trụ : Πd 2 V= .h 4 h: chiều dài mẫu d: đường kính mẫu 4G ⇒D= Πd 2 h Việc chọn mối quan hệ nào đó trong các mối quan hệ có thể với thông số đo phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu đối với đại lượng đo, trang thiết bị hiện có, có khả năng tìm được hoặc tự chế tạo được. Mối quan hệ cần được chọn sao cho đơn giản, các phép đo dễ thực hiện với yêu cầu về trang thiết bị đo ít và có khả năng thực hiện được. 79
* Cơ sở để phân loại phương pháp đo. a. Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo chia ra: đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc - Đo tiếp xúc: là phương pháp đo giữa đầu đo và chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo. Khi đo tiếp xúc, đầu đo sẽ tiếp xúc với mặt chi tiết theo đường, điểm hoặc mặt. +) Ví dụ : khi đo bằng dụng cụ đo cơ khí quang, cơ, điện, tiếp xúc... áp lực này làm cho vị trí đo ổn định, vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn định. +) Tuy nhiên do tồn tại áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số đo do các biến dạng có liên quan tới áp lực đo gây ra. Đặc biệt khi đo các chi tiết là vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc hệ đo kém cứng vững. - Đo không tiếp xúc: là phương pháp đo không có áp lực đo giữa yếu tố đo và bề mặt đo Ví dụ : máy đo biên dạng Project Profile, kính hiển vi, ốp ti mét ... +) Do không tồn tại áp lực đo nên khi đo bề mặt chi tiết không bị biến dạng hoặc bị cào xước. Phương pháp này thích hợp với các chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, dễ biến dạng hoặc các sản phẩm không cho phép có vết xước. b. Dựa trên quan hệ về giá trị đo chia ra: đo tuyệt đối và đo so sánh. - Trong phương pháp đo tuyệt đối giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo là giá trị đo được. Phương pháp này đơn giản, ít nhầm lẫn nhưng vì hành trình đo dài nên độ chính xác kém. - Trong phương pháp đo so sánh giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo chỉ cho ta sai lệch của giá trị đo so với giá trị của chuẩn ( mẫu). Khi đó, kết quả đo phải là tổng của giá trị chuẩn và giá trị chỉ thị: Q = Q0 + ∆x Trong đó : Q : kích thước mẫu ∆x: giá trị chỉ thị của dụng cụ Ví dụ : kiểm tra góc vuông bằng ke, kiểm tra góc bằng góc mẫu, kiểm tra kiểm tra kích thước bằng Calip, kiểm tra chi tiết trên máy bằng Optimet ... +) Độ chính xác của phép đo so sánh cao hơn phép đo tuyệt đối và phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh “0”. Các máy đo thường dùng phương pháp này vì nó đơn giản và thuận tiện . c. Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo chia ra: đo trực tiếp và đo gián tiếp Từ phương trình biểu diễn phép đo : Q=X Trong đó : Q – Giá trị cần tìm X – Giá trị chỉ thị 80
- Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo mà kết quả của phép đo (giá trị chỉ thị X của cơ cấu đo) chính là giá trị của đại lượng cần tìm Q. Ví dụ: Đo đường kính chi tiết bằng Panme, thước cặp ... +) Phương pháp đo trực tiếp cho độ chính xác cao nhưng hiệu quả thấp. - Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp mà giá trị của đại lượng cần đo không xác định được trực tiếp từ chỉ số của dụng cụ đo mà nó có quan hệ với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp theo hàm có dạng: y = f(x1,x2...,xn) Trong đó: y là đại lượng cần tìm x1,x2,...,xn: các đại lượng đo trực tiếp. Ví dụ: đo 2 cạnh của một tam giác vuông rồi sử dụng định lý Pitago để tính ra cạnh huyền, xác định góc ... +) Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ toán học hoặc vật lý giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo là phương pháp đo phong phú, đa dạng và hiệu quả. Tuy nhiên, nếu hàm quan hệ càng phức tạp thì độ chính xác đo càng thấp vì việc tính toán, xử lý kết quả đo và độ chính xác đo phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn mối quan hệ này d. Ngoài ra trong đánh giá và kiểm tra sản phẩm chia ra: đo từng phần và đo tổng hợp. - Phương pháp đo từng phần: là phương pháp tiến hành đo riêng rẽ từng yếu tố, sau đó phối hợp các yếu tố đó lại mới xác định được chi tiết đó có đạt được yêu cầu hay không Ví dụ : đo đường kính trung bình, bước răng, góc của răng ... rồi kết hợp kết quả đó lại mới xác định được đường kính trung bình của răng có nằm trong phạm vi giới hạn điều chỉnh hay không . +) Phương pháp đo từng phần sử dụng khi kiểm nghiệm sản phẩm và tìm nguyên nhân gây ra phế phẩm. - Phương pháp đo tổng hợp: chọn một thông số nào đó mà qua đó đánh giá được chất lượng sản phẩm. Ví dụ: kiểm tra ren bằng Calip, đo ren bằng dưỡng ( khi đó không cần kiểm tra các yếu tố riêng rẽ như đường kính, bước ren, góc xoắn ...). +) Phương pháp đo tổng hợp chủ yếu dùng để kiểm nghiệm sản phẩm, nghiệm thu hàng hoá 7.1.3 - Cấu trúc cơ bản của hệ thống đo 1/ Giá trị chia độ (độ phân giải) - Hiệu số giữa các trị số tương ứng với 2 vạch lân cận nhau của thang đo (chia độ) gọi là độ phân giải (hay còn gọi là giá trị chia độ). Ví dụ : khi thước động của Panme dịch chuyển 1 vạch thì đầu đo dịch chuyển 1 khoảng là 0,001mm.Như vậy, độ phân giải của Panme này là 0,001mm. 81
- Độ phân giải càng nhỏ thì độ chính xác càng cao - Tuy nhiên, với độ phân giải và độ chính xác của dụng cụ đo là khác nhau. Độ chính xác của dụng cụ đo được xác định bằng sai số ∆x và có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn độ phân giải. 2/Khoảng chia độ - Khoảng chia độ là khoảng cách tâm giữa 2 vạch lân cận của thang đo. - Trong phần lớn các dụng cụ đo , khoảng chia độ 1 ÷ 2,5mm. Khoảng chia độ trên thang đo càng lớn thì việc đọc theo thang đo càng thuận tiện. Tuy nhiên khi đó sẽ làm tăng kích thước của dụng cụ đo . 3/ Tỷ số truyền và độ nhạy K . - Là tỷ số giữa sự thay đổi ở đầu ra tương ứng với sự thay đổi ở đầu vào của dụng cụ đo. Khi K càng lớn, độ chính xác đo càng cao. Khi sự thay đổi ở đầu vào và đầu ra cùng tính chất vật lý thì K là đại lượng không thứ nguyên và gọi là tỷ số truyền. Khi sự thay đổi này không cùng tính chất vật lý thì K sẽ có thứ nguyên của đại lượng ra trên đại lượng vào và gọi là độ nhạy. - Nếu dụng cụ đo có nhiều khâu biến đổi, mỗi khâu có một độ nhạy riêng thì độ nhạy của toàn dụng cụ là n K = K1 × K 2 × ... × K n = ∏ K i i =1 4/ Độ nhạy giới hạn ε . - Là chuyển vị nhỏ nhất ở đầu vào còn gây ra được chuyển vị ở đầu ra ổn định và quan sát được. Khi ε càng bé thì độ chính xác đo được càng cao. 5/ Độ biến động chỉ thị . - Là phạm vi dao động của chỉ thị khi đo lặp lại cùng 1 giá trị đo trong cùng 1 điều kiện đo ∆ bd = xmax - xmin xmax , xmin : giá trị chỉ thị lớn nhất và nhỏ nhất trong n lần đo lặp lại. 6/ Phạm vi đo: - Là phạm vi thay đổi của giá trị đo mà phương tiện đo có thể thực hiện được 7.1.4 - Kiểm tra - Kiểm tra một đại lượng là việc đánh giá giá trị thực của đại lượng đó có nằm trong giới hạn cho phép đã được quy định hay không. - Giới hạn cho phép là các sai lệch cho phép trong dung sai sản phẩm mà người thiết kế yêu cầu, phụ thuộc vào độ chính xác cần thiết khi làm việc của sản phẩm. Sản phẩm cần thiết là chính phẩm khi giá trị thực nằm trong khoảng sai lệch cho phép, ngược lại được xem là phế phẩm. 82
- Sự khác nhau căn bản giữa kiểm tra và đo lường là kiểm tra không cần định lượng là bao nhiêu mà chỉ so sánh các đại lượng cần kiểm tra có nằm trong giới hạn cho phép đã được quy định hay không, để khẳng định về chất lượng của sản phẩm là thành phẩm hay phế phẩm. - Phân loại phương pháp kiểm tra: a) Dựa vào tính chất sử dụng của kết quả kiểm tra, phân ra: - Kiểm tra bị động: là hình thức kiểm tra sản phẩm sau chế tạo nhằm phân loại sản phẩm là thành phẩm hay phế phẩm. Hình thức này thường dùng khi kiểm tra thu nhận sản phẩm nên gọi là kiểm thu nhận. - Kiểm tra chủ động: là hình thức kiểm tra mà kết quả phản ánh thông qua thông số đo trong quá trình gia công. Nếu thông số đo vượt quá giới hạn giá trị cho phép, thông qua hệ thống điều chỉnh tự động (hay còn gọi là hệ thống đo lại tích cực) sẽ tự động điều chỉnh lại quá trình gia công để không tiếp tục tạo ra phế phẩm. Trong các quá trình công nghệ hiện đại, đặc biệt là khi chế tạo các chi tiết phức tạp, kiểm tra tích cực không những hạn chế việc tạo ra phế phẩm mà còn thực hiện được những thao tác kiểm tra mà sau khi chế tạo sẽ khó mà kiểm tra được. b) Dựa vào nội dung kiểm tra. - Kiểm tra yếu tố: việc kiểm tra thực hiện riêng đối với một thông số, thường là thông số quan trọng ảnh hưởng chính tới chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, trong nghiên cứu độ chính xác khi gia công để hợp lí hóa quy trình công nghệ, vạch ra nguyên nhân sai hỏng thì cần kiểm tra yếu tố mà thông số kiểm tra chính là yếu tố của nguyên công đang thực hiện. - Kiểm tra tổng hợp: là phương pháp kiểm tra đồng thời sự ảnh hưởng của các yếu tố tới chất lượng chung của sản phẩm. Phương pháp này thường được áp dụng khi thu nhận sản phẩm. Ví dụ: với chi tiết ren, khi gia công có thể kiểm tra đường kính trung bình, đó là kiểm tra yếu tố. Khi chi tiết đã gia công có thể kiểm tra ăn khớp bằng cách cho ăn khớp với đai ốc, đó là kiểm tra tổng hợp. 7.2 - Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường: 1/ Nguyên tắc ABBE - Khi thiết kế phương án sơ đồ nguyên tắc đo kích thước mẫu và kích thước đo có thể đặt song song hoặc nối tiếp nhau. 83
- Nguyên tắc ABBE phát biểu rằng: “ Khi kích thước đo và kích thước mẫu nằm trên một đường thẳng thì kết quả đo đạt độ chính xác cao nhất”. - Khi đo khe hở khâu dẫn đầu đo di động dưới tác dụng của áp lực đo và các biến dạng tế vi dưới tác dụng của áp lực đo chính là nguyên nhân gây ra sai số đo. KÝ t ¦ íc Éu ch h m δ ∆1 S S L ∆α KÝ t ¦ íc ch h ®o KÝ t ¦ íc ch h ®o KÝ t ¦ íc Éu ch h m L ∆α ∆2 δ +) Với khe hở δ và chiều dài khâu dẫn là L, góc lệch lớn nhất sẽ là ∆ α = Arctg . L +) Khi đo không theo nguyên tắc ABBE, sai số đo là: ∆ 1 = δ tg∆ α ≈ δ ∆ α. ∆2 +) Khi đo theo nguyên tắc ABBE, sai số đo là: ∆ 2 = l ( 1- cos ∆ α ) ≈ l α . 2 Với l là chiều dài đo. Nhận thấy ∆ 2
D1 + D2 PA I: L = L1 + . 2 D1 + D2 PA II: L = L2 - . 2 L1 + L2 PA III: L = . 2 D2 D1 L1 L L2 Nhận xét: phương án 3 là hợp lí nhất. 3/ Nguyên tắc chuẩn thống nhất - Mỗi chi tiết qua thiết kế, gia công và kiểm tra ở từng bước đều có chuẩn để thiết kế, chế tạo, lắp ráp và kiểm tra. - Nguyên tắc chuẩn thống nhất chỉ ra rằng khi các chuẩn đó được dùng thống nhất thì kết quả kiểm tra sẽ phù hợp với chất lượng chi tiết khi làm việc. 4/ Nguyên tắc kinh tế. - Nguyên tắc kinh tế bảo đảm độ chính xác đo lường trong điều kiện kinh tế nhất định, cụ thể: +) Độ chính xác phương tiện đo hợp lí. +) Dễ điều chỉnh, gá đặt, thao tác, về cơ khí hóa, tự động hóa, đo hàng loạt với năng xuất cao. +) Yêu cầu bậc thợ điều chỉnh và thao tác trung bình. +) Chu kỳ điều chỉnh đo, sửa chữa dài. +) Thiết bị đo đơn giản, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ chế tạo. * Trong thực tế, không phải bao giờ cũng thỏa mãn đồng thời cả 4 nguyên tắc trên. Cần căn cứ vào các điều kiện, các yêu cầu kỹ thuật riêng và chức năng cụ thể mà có thể đặc biệt coi trọng nguyên tắc nào đó. 85
7.3 -Xử lý tín hiệu đo: 7.3.1 - Mục đích, yêu cầu 7.3.2 - Các đặc trưng cơ bản của mạch đo và các loại mạch đo 1/ Khái niệm: - Mạch đo lường là thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, xử lý thông tin, tính toán phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất. - Có thể coi mạch đo như một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị đo. 2/ Các đặc trưng cơ bản của mạch đo: * Chức năng và phạm vi làm việc: - Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như: lực, áp suất, vận tốc, nhiệt độ ... Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Chức năng của các mạch đo là tiếp nhận thông tin, tính toán, xử lý sự biến thiên các biến trạng thái của các quá trình. X(t) Y(t) W(t) - Sơ đồ trên thể hiện quan hệ giữa đầu vào với đầu ra và khả năng thực hiện của chúng. Ứng với trường hợp đơn giản nhất đó là tỉ số W=Y/X với X - thông số đầu vào, Y - thông số ra. Trong các trường hợp phức tạp hơn thì W(t) là một hàm của thời gian t gọi là hàm truyền đạt tương hỗ. - Hàm truyền đạt W được xác định trong một phạm vi nào đó của đại lượng vào và ra, gọi là phạm vi làm việc của của mạch đo. Nếu vượt ra ngoài phạm vi đó thì W không còn đảm bảo được sai số cho phép nữa. * Sai số của mạch đo: - Trong một hệ thống đo lường, cũng như các khâu khác thiết bị của mạch đo cũng gây ra sai số. Sai số của mạch đo có thể chia ra làm hai loại: a/ Sai số bản thân mạch đo: Gây ra bởi các biến động bởi quan hệ tương hỗ (hàm truyền đạt). Hàm truyền đạt của Y mạch đo W = X - Giả sử trong trường hợp ở đầu vào không mắc sai số nhưng ở đầu ra Y mắc phải sai số ∆Y. Nguyên nhân là do sai số của hàm truyền đạt ∆W gây ra do sự biến động của các yếu tố bên ngoài hay nội tại ảnh hưởng tới mạch đo ∆ θ i. Sai số này được đánh giá: ∆W / W γ W K= = ∆θ / θ γθ trong đó: - γ W: sai số tương đối của hàm truyền đạt 86
- γ θ : độ biến động của các yếu tố tác động tới mạch đo. Khi đó sai số ở đầu ra là: ∆Y = γ W . W . X b/ Sai số do sự kết hợp các đại lượng vào: - Nếu một mạch đo có nhiều đại lượng vào thì có sự kết hợp với nhau do vậy sai số là tổng của các sai số: ∆( x1 ± x2 ) = ∆x1 ± ∆x2 - Sai số tương đối của tích hai đại lượng bằng tổng sai số tương đối của chúng: ∆x1 ∆x 2 γ x1x2 = + = γ x1 + γ x2 x1 x2 * Đặc tính động của mạch đo: - Thông số đo là các đại lượng biến thiên theo thời gian do đó mạch đo cũng cần phải đáp ứng được các đặc tính động yêu cầu. - Đặc tính động của mạch đo phải đảm bảo cho sai số của mạch đo không vượt quá sai số cho phép của thiết bị. Do đó khi xét các đặc tính động ta cần phải xét đến hàm truyền đạt của mạch đo phụ thuộc vào tần số W(p). * Công suất tiêu thụ của mạch đo: - Ngoài chức năng thực hiện xử lý tính toán, mạch đo còn có nhiệm vụ nối các khâu với nhau trong hệ thống đo lường hay chính là làm phù hợp điện trở và điện kháng đầu vào và đầu ra của các khâu. - Trong đa số các trường hợp người ta cố gắng làm cho điện trở đầu vào của mạch đo rất lớn so với điện trở ra của khâu trước ( công suất của mạch đo tiêu thụ nhỏ hơn công suất ra của khâu trước) - Sai số do công suất tiêu thụ của mạch đo gây nên khi mắc vào khâu trước là: P γP = Pmax trong đó - P: công suất tiêu thụ ở đầu vào của mạch đo - Pmax: công suất cực đại của khâu trước. - Khi tính toán sai số này được cộng thêm sai số của khâu trước nó. - Ngược lại, ở đầu ra của mạch đo cần phải để cho công suất ra là lớn nhất: Pra = Pt ( Pt - công suất của tải). Khi đó sai số xác định theo công thức: Pra − Pt γ ra = Pra - Ứng với trường hợp tải biến thiên thì Pt được thay bởi công suất tải định mức PtN 87
3/ Các loại mạch đo: - Theo chức năng của mạch đo mà ta có thể phân thành: * Mạch tỉ lệ: là mạch thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với hệ số tỉ lệ k. Khi đó ứng với đầu vào là x ta có đại lượng đầu ra: y = kx. Đại diện cho loại mạch này là: Sun, phân áp, biến áp, biến dòng... * Mạch khuyếch đại: cũng tương tự như mạch tỉ lệ, mạch khuyếch đại làm nhiệm vụ nhân thêm một hệ số k gọi là hệ số khuyếch đại. Tuy nhiên ứng với mạch khuyếch đại thì công suất ở đầu ra lớn hơn công suất ở đầu vào (ngược với mạch tỉ lệ) có nghĩa là đại lượng vào điều khiển đại lượng ra. Sử dụng mạch khuyếch đại ta có thể tăng độ nhạy của các thiết bị đo lên rất nhiều cho phép đo được những tín hiệu đầu vào rất nhỏ. Ngoài ra nó còn mở rộng được đặc tính tần của thiết bị đo và đặc biệt là giảm rất nhiều công suất tiêu thụ của thiết bị lấy từ đối tượng đo. Mạch khuyếch đại được thực hiện bằng đèn điện tử, bán dẫn và ngày nay sử dụng chủ yếu là các vi điện tử. * Mạch gia công và tính toán: bao gồm các mạch thực hiện các phép tính đại số như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân ... * Mạch so sánh (Comparator): là mạch thực hiện việc so sánh giữa hai điện áp. Mạch này thường được sử dụng trong các thiết bị đo dùng phương pháp so sánh để phát hiện độ lệch khỏi điểm 0 của điện kế. Các mạch so sánh phổ biến: mạch so sánh sử dụng bộ khuyếch đại thuật toán, mạch so sánh 2 mức, mạch so sánh khuyếch đại, mạch cầu đo ... * Mạch tạo hàm: là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép đo nhằm mục đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ phận cảm biến. Để tuyến tính hóa bằng cách tạo ra các hàm ngược dùng kĩ thuật mạch. Những mạch tạo hàm thông dụng: mạch tạo hàm bằng biến trở, điôt bán dẫn, mạch tạo hàm logarit...` * Mạch biến đổi A/D, D/A: là mạch biến đổi từ tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu số và ngược lại, sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính * Mạch vi xử lí (Microprocessor): là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lí để tạo ra các cảm biến thông minh, thực hiện chức năng tính toán, ghi nhớ, trao đổi thông tin vào ra... Thiết bị đo càng hiện đại và chính xác thì mạch đo càng phức tạp. Thường sử dụng các mạch đo để tăng độ nhạy, độ chính xác của thiết bị đo và hệ thống đo. 7.3.3 - Các bộ biến đổi tương tự - số A/D, biến đổi số - tương tự D/A 7.3.2.1 - Các bộ chuyển đổi tương tự - số A/D(Analog - Digital Convertor) 1/ Nguyên lý của các bộ biến đổi A/D: 88
- Trong kỹ thuật đo lường khi sử dụng các dụng cụ đo chỉ thị số hay đưa tín hiệu đo vào máy tính, phải có sự biến đổi của tín hiệu cần đo Analog thành các số tỉ lệ với nó. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ đó là mạch chuyển đổi tương tự - số (A/D). Có 3 phương pháp thực hiện khác nhau về nguyên tắc: a) Phương pháp song song: điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác định chính xác xem nó đang nằm ở giữa hai mức nào. Kết quả cho ra có một bậc của tín hiệu xấp xỉ. Với phương pháp này có giá thành cao vì bởi vì mỗi một số cần phải có một bộ so sánh. Ưu điểm chính của phương pháp là cho kết quả nhanh. b) Phương pháp trọng số: việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân. Cách so sánh thực hiện như sau: đầu tiên xác định điện áp vào có vượt điện áp chuẩn của bit già hay không. Nếu vượt thì kết quả cho giá trị "1" và lấy điện áp vào trừ đi điện áp chuẩn. Phần dư đem so sánh với các bit trẻ lân cận... Vì vậy có bao nhiêu bit trong một số nhị phân thì cần bấy nhiêu bước so sánh và bấy nhiêu điện áp chuẩn. c) Phương pháp số: trong trường hợp này người ta kể đến số lượng các tổng số điện áp chuẩn của các bit trẻ để diễn đạt điện áp vào. Nếu số lượng cực đại dùng để mô tả bằng n thì do đó cũng cần tối đa là n bước để nhận được kết quả. Đây là phương pháp đơn giản, kinh tế nhưng cho kết quả chậm. 2/ Các bộ chuyển đổi A/D: a/ Các bộ chuyển đổi A/D trong công nghiệp 1 Bộ biến đổi A/D 3 digit MC 14433 sản xuất theo công 2 nghệ CMOS có đầu vào là điện áp một chiều (DC) còn đầu ra là số dưới dạng mã BCD 1 với 3 digit. Bộ biến đổi này có đầu vào chống nhiễu tốt, đổi dấu tự động và tự động 2 chỉnh không. Chức năng của bộ chuyển đổi A/D MC 14433 là thực hiện việc rời rạc hóa và mã hóa tín hiệu điện áp một chiều (DC) trước khi đưa ra chỉ thị số hay đưa vào máy tính. 89
Ví dụ: Vônmét là một dụng cụ đo sử dụng MC 14433. Ω Ω Ω Ω µ µ µ Ω Ω µ * Bộ chuyển đổi A/D 7106 hay 7107: đây là bộ chuyển đổi A/D có đặc điểm đầu ra có thể điều chỉnh từ ± 199,9mV ÷ ± 199,9V bằng cách điều chỉnh điện trở R1, điện trở tích phân R2, và điện dung C2. Sơ đồ mạch như hình vẽ. - Với bộ chuyển đổi A/D này người ta không cần phải mắc bộ giải mã bên ngoài. Với bộ chuyển đổi A/D 7106 được sử dụng với chỉ thị số bằng điôt laze LCD còn 7101 sử dụng LED. b/ Chuyển đổi A/D sử dụng bộ vi xử lí. - Sử dụng bộ vi xử lí (µP) để chế tạo các bộ biến đổi A/D tạo cho ta thực hiện được những chức năng mới. Khảo sát chuyển đổi A/D có sử dụng bộ vi xử lí 8 bit 8080. φ φ C ©n b»ng 3 4 5 - Thiết bị chương trình hóa 8255 điều khiển sự làm việc của µP trung tâm 8080. Từ bộ vi xử lí này qua bộ vào ra IC 8228 (bộ khuyếch đại 2 chiều) thông tin dưới dạng mã 90
được đưa đến bộ chuyển đổi ngược D/A loại AD 7520. Điện áp ra của bộ chuyển đổi D/A sẽ đưa đến bộ so sánh IC LM 119. - Ở đầu vào thứ 2 của bộ so sánh, tín hiệu Analog cần biến đổi UV được đưa vào. Ở đầu ra của bộ so sánh có tín hiệu 1 (hay là 0) được đưa đến bộ chương trình hóa để tích lũy cho đến khi đạt đến tập hợp mã 8 bit tương đương với điện áp vào UV. - Sau khi tạo ra được mã, µ P sẽ đưa nó vào thanh nhớ. Một chu kỳ chiếm khoảng thời gian 833 µ s/từ. Hệ thống đồng bộ được thực hiện từ IC 8224 (clock) là máy phát xung ổn định tần số bằng thạch anh. - Những chức năng mới mà bộ chuyển đổi A/D này có thể thực hiện: tìm các giá trị cực đại hoặc cực tiểu của tín hiệu vào, rời rạc hóa theo thời gian, cộng các tín hiệu, so sánh các tín hiệu với các mã chuẩn ... Các chức năng này được thực hiện do µ P đảm nhận. 7.3.2.2 - Các bộ chuyển đổi số - tương tự D/A (Digital - Analog Convertor) 1/ Nguyên lý chung: - Trong kỹ thuật đo lường, với kỹ thuật số khi cần phải chỉ thị dụng cụ đo bằng Analog (các chỉ thị cơ điện) hoặc khi cần có các chuyển đổi ngược (trong phương pháp so sánh) thì cần phải biến đổi từ số thành tín hiệu tương tự. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi bộ biến đổi số - tương tự. Có nhiều phương pháp tạo ra các bộ chuyển đổi D/ A như: U chuÈn- Phương pháp lấy tổng các dòng trọng số: a - Để biến đổi số nhị phân thành điện áp tỉ lệ với nó người ta sử dụng sơ đồ đơn giản như hình vẽ. Trị số của các điện trở được chọn sao cho khi các khóa kín mạch khi có dòng điện chạy qua chúng phù hợp với trọng số các bit. Khóa phải kín mạch khi có các mức "1" logic đặt vào. Nhờ bộ KĐ thuật toán với điện trở phản hồi RN thực hiện một mạch cộng. Khi các khóa z0, z1, z2, z3 đóng (mở) tùy thuộc trạng thái của số ở đầu vào ta có: U ra U chuan .R N Ura = − (8 z 3 + 4 z 2 + 2 z1 + z 0 ) R0 Nếu khóa nào mở (tương ứng với mức "0") thì zi tương ứng sẽ bằng 0. - Để tăng số bit của số nhị phân người ta sẽ đấu song song 1 1 một số lượng tương ứng các điện trở R0 , R0 ... 16 32 - Các điện trở tương ứng với các bit già sẽ yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt hơn cả bởi vì sự sai lệch dòng điện trong chúng không cho phép vượt quá dòng tương ứng với các bit trẻ. Vì vậy sai số của điện trở tương ứng với bit 2n ∆R 1 là: γ R = < n +1 R 2 b - Phương pháp dùng khóa đổi chiều: 91
- Với bộ chuyển đổi D/A ở trên có nhược điểm lớn nhất là có điện áp biên độ lớn đặt vào các khóa. Vì vậy việc sử dụng các khóa điện tử ở trường hợp này sẽ rất khó khăn. Ngoài ra do ảnh hưởng của của điện dung kí sinh mà tần số chuyển mạch đạt được sẽ thấp. Để khắc phục nhược điểm này, sử dụng các khóa 3 vị trí như trên hình vẽ. Các khóa này hoặc được đấu đến bộ cộng hặc được đấu đến điểm "0" chung. Khi đó dòng qua mỗi điện trở là không đổi. Do đó tải của nguồn điện áp chuẩn là cố định. Điện trở trong của nguồn này phải nhỏ. U chuÈn U ra - Điện trở vào của bộ cộng (hay là điện trở tải của nguồn chuẩn) bằng: Ro Ro Ro 1 Re = Ro // // // = Ro 2 4 8 15 - Thực tế có thể kết hợp giữa ma trận điện trở và khóa đảo chiều để thực hiện các bộ biến đổi D/A 2/ Các bộ chuyển đổi D/A: - Trong công nghiệp đã sản xuất các bộ chuyển đổi D/A dùng các khóa điện tử theo công nghệ CMOS có độ tác động nhanh trung bình đến 2 MHz có công suất tiêu thụ thấp và không cần phải có thiên áp. - Khi số bit nhỏ có thể sử dụng theo phương pháp lấy tổng các dòng trọng số. Các khóa zi là các khóa điện tử. Điện áp nguồn nuôi là điện áp chuẩn. - Trong thực tế với các số bit lớn hơn người ta thường sử dụng các ma trận điện trở kết hợp với các khóa CMOS đảo chiều. 92
U chuÈn T2 T1 U ra - Với sơ đồ trên sử dụng đặc biệt tiện lợi vì trong trường hợp này sụt áp trên các khóa thực tế là bằng "0". Có thể đấu bộ cộng đến cực "0" nhờ có 2 tranzito trường kênh n thường khóa. - Một trong chúng được điều khiển qua bộ đảo. Khi xuất hiện điện áp mức cao ở đầu và điều khiển z0, tranzito T1 mở còn T2 đóng. Điện thế cực máng bằng 0. Vì vậy, để nhận được kết quả chính xác thì chỉ cần tín hiệu logic điện áp thấp độc lập với điện áp chuẩn. - Ngược lại, nếu ở đầu vào điều khiển z0 có điện áp bằng 0 thì T1 khóa, điện thế cực máng lúc đó vẫn bằng 0 và vì vậy T2 mở. - Các bộ chuyển đổi D/A trong công nghiệp hiện nay sửe dụng công nghệ CMOS gồm có: * Loại 8 bit AD 7520, AD 7527 Analog Devices * Loại 10 bit AD 7533 * Loại 12 bit AD 7541 Thời gian tích lũy đối với các vi mạch này là 0,5 µ s. Điện áp chuẩn có thể thay đổi trong khoảng từ (-10V ÷ +10V) 7.3.4 - Ghép nối hệ thống đo lường với máy tính - Trong các hệ thống đo và thu thập dữ liệu, các tín hiệu sau cảm biến được chuẩn hóa và biến đổi thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi A/D sau đó được đưa vào máy tính để xử lý và thể hiện kết quả đo hoặc điều khiển. Khi ghép nối với máy tính ta có thể thực hiện theo các cách sau: * Ghép nối trực tiếp qua cổng song song hoặc nối tiếp * Dùng Card ghép nối qua rãnh cắm ISC, PIC 1/ Ghép nối qua cổng song song: - Đây là ổ cắm 25 chân ở phía sau máy tính dùng để nối máy in với máy tính và sử dụng máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển. - Qua cổng này, dữ liệu được truyền đi song song với tốc độ truyền đạt đến mức khá cao 93
- Tất cả đường dẫn của cổng này đều tương thích TTL tức là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0 và 5V nên mức điện áp đưa vào không được quá lớn. Sơ đồ và cách sắp xếp các chân của ổ cắm như hình vẽ. - Trong ổ cắm song song gồm có 17 đường dẫn trong đó có 5 đường dẫn vào và 12 đường dẫn ra vì vậy khi sử dụng với mục đích đo lường điều khiển người ta lắp thêm một mạch phụ. 2/ Cổng nối tiếp RS232: - Cổng nối tiếp RS232 là giao diện phổ biến và còn được gọi là cổng COM. Cổng nối tiếp RS232 sử dụng rất thuận tiện để đo lường và điều khiển. - Các dữ liệu được truyền qua cổng RS232 theo dạng nối tiếp nghĩa là các bit dữ liệu gửi đi nối tiếp nhau theo một đường dẫn. Ưu điểm của loại này là có thể truyền số liệu với khoảng cách lớn do ít bị nhiễu. Nó cho phép tạo ra giao tiếp điểm giữa hai máy tính khi trao đổi thông tin với nhau và thành viên thứ ba không tham gia vào được. - Sơ đồ bố trí chân của RS232 ở máy tính PC như hình vẽ. 1 13 1 5 14 25 6 9 S¬ bè r ®å tÝch©n S232 R Lo¹i22 ch©n Lo¹i9 ch©n - RS232 có đường dẫn không kể đường nối đất và có 2 loại: loại 9 chân và loại 22 chân. Nó khác với cổng song song là ổ cắm ở đây sử dụng phích cắm nhiều chân. Việc truyền dữ liệu được tiến hành trên đường dẫn. - Từ chân TxD (Transmit Data) máy tính gửi các dữ kiệu đến máy khác. Các dữ liệu mà máy tính nhận được qua chân RxD(Receive Data). Các tín hiệu khác đóng vai trò hỗ trợ khi trao đổi thông tin. RS232 sử dụng phương thức truyền số liệu không đối xứng. Điện áp dao động trong khoảng -25 ÷ 25V. Với thiết bị quy định nhận mức logic 1 ứng với điện áp từ -25V ÷ -3V và mức "0" ứng với điện áp từ 3 ÷ 25V. Trong khoảng -3 ÷ 3V không được định nghĩa, đây là khoảng chuyển tiếp giữa các mức logic. - Đặc điểm của RS232: * Khoảng cách truyền cho phép ≤ 20m 94
* RS232 làm việc ở chế độ song cổng (full - duplex) * Tốc độ dữ liệu lớn nhất khoảng 20Kb/s * Chế độ truyền không đồng bộ * Hầu hết các dữ liệu trong RS232 là mã ASCII mặc dù không phải là mã chuẩn - Các yêu cầu của chuẩn RS232 với phần tạo dạng phát * Đầu ra phải chịu đựng được trạng thái ngắn mạch hoặc không tải * Điện trở khi ngắn mạch nguồn lớn hơn 300Ω * Điện áp cực đại khi ngắn mạch là 500mA - Thời gian chuyển tín hiệu giữa hai mức tín hiệu phải nhỏ hơn 1 ms * Tốc độ tăng hay giảm tín hiệu không nhỏ hơn 30V/ms * Tải của bộ kích thích lớn hơn 3 kΩ * Điện trở vào từ 3000Ω ÷ 7000Ω * Điện dung ký sinh nhỏ hơn 2500µF 3/ Ghép nối với máy tính qua rãnh cắm PC - Thông thường khi ghép nối với máy tính qua rãnh cắm người ta sử dụng vi mạch ghép nối 8255 gắn trên tấm Card cắm thêm vào máy tính PC để thu thập số liệu đo lường, xuất và nhập dữ liệu số và điều khiển quá trình biến đổi A/D PA3 1 40 PA4 PA2 2 39 PA5 PA1 3 38 PA6 PA0 4 37 PA7 /PD 5 36 / WR /CS 6 35 Reset GND 7 34 D0 A1 8 33 D1 A0 9 32 D2 PC7 10 31 D3 PC6 11 30 D4 PC5 12 29 D5 PC4 13 28 D6 PC0 14 27 D7 PC1 15 26 +5V PC2 16 25 PB7 PC3 17 24 PB6 PB0 18 23 PB5 PB1 19 22 PB4 PB2 20 21 PB3 - Vi mạch 8255 có 40 chân như hình vẽ trong đó có 24 đường dẫn vào/ra được xếp thành 3 cổng song song A,B và C. Qua một thanh ghi điều khiển, người sử dụng sẽ xác định loại hoạt động và cổng nào cần được sử dụng vào hoặc ra. 7.4 - Các cảm biến trong đo lường: 7.4.1 - Khái niệm chung 95
- Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, di chuyển ... - Để thực hiện quá trình đo lường - điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến. Bao gồm: * Phần tử nhạy: là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại lượng đo. Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia. * Chuyển đổi đo lường: là một khâu của thiết bị đo, thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lý với độ chính xác nhất định. - Chuyển đổi đo lường có nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác. Mối quan hệ hàm có thể là tuyến tính hay phi tuyến. X(t) Y(t) W(t) * Cảm biến đo lường: là phương tiện (thiết bị) đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho quá trình biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ số liệu (nhưng không quan sát được). Cảm biến có đặc tính đo lường học, thực hiện ở dạng độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện. Cảm biến có thể coi là một mạng 2 cửa, cửa vào là biến trạng thái cần đo x, cửa ra là đáp ứng y. X(t) - đại lượng vào Y(t) - đại lượng ra W(t) - hàm truyền đạt - Phương trình được mô tả dưới dạng hàm số y = f(x). Quan hệ thường rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến. Mối quan hệ này thường được tìm ra bằng thực nghiệm. Mối quan hệ thường là phi tuyến, nhưng để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo người ta tìm cách tuyến tính hóa nó bằng các mạch điện tử hay dùng các thuật toán thực hiện khi gia công bằng máy tính. - Trong thực tế tín hiệu ra Y(t) của chuyển đổi không chỉ phụ thuộc vào X mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài ( Y = f(X,Z) ) do đó để đảm bảo độ chính xác của chuyển đổi, khi khắc độ cần phải cố định Z. - Khi đánh giá một chuyển đổi hay phải so sánh chúng với nhau, cần phải chú ý những đặc tính cơ bản sau: 96