Giáo án kỹ thuật đo lường - Trường Bách khoa Đà Nẵng

Chia sẻ: Hoàng Văn Nhật | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:229

Thêm vào BST

Báo xấu

139
lượt xem 46
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Định nghĩa phép đo: 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. Kết quả đo lường của đại lượng cần đo Ax là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo án kỹ thuật đo lường - Trường Bách khoa Đà Nẵng

PHẦN I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG Chương 1. Các khái niệm cơ bản 1.1 Quá trình đo, định nghĩa phép đo. • Định nghĩa phép đo: Đo lường là một quá trình đánh giá đ ịnh l ượng đại l ượng c ần đo đ ể có k ết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo lường của đại lượng cần đo Ax là giá trị bằng số, được định nghĩa bằng t ỉ s ố gi ữa đ ại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (Xo). • Quá trình đo: là quá trình xác định tỉ số: X AX = (1.1) X0 Từ đó, phương trình cơ bản của phép đo: X = AX .X 0 , nó chỉ rõ sự so sánh giữa đại lượng cần đo và đơn vị đo, hay mẫu, và cho ra kết quả đo bằng số. Như vậy, mu ốn đo đ ược thì các giá tr ị c ủa đ ại lượng cần đo phải có tính chất so sánh được. Với các đ ại l ượng không có tính ch ất đó, chúng c ần được chuyển thành đại lượng có thể so sánh được trước khi đo. Ví dụ 1: kết quả phép đo dòng điện I = 5A, có nghĩa là đ ại l ượng c ần đo là dòng đi ện I, đ ơn v ị đo là A(ampe), kết quả bằng số là 5. Ví dụ 2: để đo ứng suất cơ học ta phải biến đổi chúng thành sự thay đổi đi ện trở c ủa bộ c ảm biến l ực căng. Sau đó, mắc các bộ cảm biến này vào m ạch cầu và đo đi ện áp l ệch c ầu khi có tác đ ộng c ủa ứng suất cần đo. Ví dụ 3: để đo độ ẩm, ta cần biến đổi chúng thành sự thay đổi đi ện trở dựa trên sự ph ụ thu ộc c ủa điện trở vào độ ẩm của ẩm kế điện trở. • Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên c ứu về các ph ương pháp để đo các đ ại l ượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo. • Kĩ thuật đo lường: ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành qu ả đo l ường h ọc vào phục vụ sản xuất và đời sống. Như vậy trong quá trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X (các tính ch ất c ủa nó), đơn vị đo X0, độ chính xác yêu cầu của phép đo và phép tính toán đ ể xác đ ịnh t ỉ s ố (1.1) đ ể có các phương pháp xác định kết quả đo lường AX thỏa mãn yêu cầu. 1.2 Các đặc trưng của kĩ thuật đo. Mục đích của quá trình đo lường là xác định giá tr ị A X của đại lượng cần đo X. Để thực hiện quá trình đo lường cần nắm xững các đặc trưng của kĩ thuật đo lường: - Đại lượng cần đo - Điều kiện đo - Đơn vị đo - Phương pháp đo - Thiết bị đo - Kết quả đo - Người quan sát và hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo 1.3.1 Đại lượng đo • Định nghĩa: Đại lượng đo là thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Một đại lượng vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong m ỗi tr ường h ợp c ụ th ể ch ỉ quan tâm đ ến một thông số nhất định. 1
Ví dụ: nếu đại lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có th ể là giá tr ị biên đ ộ, giá tr ị hiệu dụng, tần số … • Phân loại đại lượng đo: có thể phân loại theo bản chất của đại lượng đo, theo tính ch ất thay đổi của đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo. a) Phân loại theo bản chất của đại lượng đo - Đại lượng đo điện: là các đại lượng đo có những đặc trưng điện như: đi ện tích, đi ện áp, dòng điện… - Đại lượng đo không điện: đại lượng đo không có tính chất đi ện, ví d ụ: nhi ệt đ ộ, đ ộ dài, kh ối lượng - Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mang năng lượng, ví d ụ: s ức đi ện đ ộng, đi ện áp, dòng điện, từ thông, cường độ từ trường … - Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm, điện dung … - Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số … b) Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo - Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo đã biết trước qui luật thay đổi theo thời gian. Ví dụ: Cần đo tần số và trị hiệu dụng của một tín hiệu hình sin - Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có sự thay đổi theo thời gian không theo qui luật. Trong thực tế đa số các đại lượng đo là đại lượng ngẫu nhiên, tuy nhiên tùy yêu c ầu v ề k ết qu ả đo và tùy tần số thay đổi của đại lượng đo có thể xem gần đúng đại lượng đo ngẫu nhiên là ti ền đ ịnh trong suốt thời gian đo hoặc phải sử dụng phương pháp đo lường thống kê. c) Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo - Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) : đại lượng đo đ ược biến đ ổi thành m ột đại lượng đo khác tương tự nó. Tương ứng sẽ có dụng c ụ đo t ương t ự, ví d ụ: ampe mét có kim ch ỉ thị, vônmét có kim chỉ thị … - Đại lượng đo số (digital) : đại lượng đo được bi ến đổi từ đại l ượng đo t ương t ự thành đ ại lượng đo số. Tương ứng sẽ có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét chỉ thị số, vônmét chỉ thị số… • Tín hiệu đo: Tín hiệu đo là loại tín hi ệu mang đặc tính thông tin v ề đ ại l ượng đo, t ức mang thông tin về các giá trị của đại lượng đo. Trong nhi ều tr ường h ợp có th ể xem tín hi ệu đo là đại lượng đo. 1.3.2 Điều kiện đo Các thông tin đo lường chịu ảnh hưởng quyết định của môi tr ường sinh ra nó. Do v ậy, khi ti ến hành phép đo, phải tính đến ảnh hưởng của môi trường lên k ết qu ả đo, và c ả ảnh h ưởng c ủa thi ết b ị đo lên kết quả đo. Ngoài ra, những yếu tô môi trường bên ngoài như: nhi ệt đ ộ, đ ộ ẩm không khí, t ừ tr ường bên ngoài, độ rung,… cũng ảnh hưởng đến kết quả đo. Để kết quả đo đạt yêu cầu, phép đo phải được thực hi ện trong đi ều ki ện chuẩn, là đi ều ki ện đo đ ược qui định theo tiêu chuẩn quốc gia, hoặc theo nhà sản xuất thi ết bị đo. Khi th ực hi ện phép đo luôn c ần phải xác định điều kiện đo để có phương pháp đo phù hợp. 1.3.3 Đơn vị đo - Định nghĩa: Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn v ề một đại l ượng đo nào đó đ ược qu ốc t ế qui đ ịnh mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ. Đại lượng đo Tên đơn vị Kí hiệu Chiều dài Mét m Khối lượng Kilogram kg 2
Thời gian Giây s Cường độ dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kelvin/oC K Cường độ sáng Candela Cd Số lượng vật chất Mol Mol 1.3.4 Thiết bị đo và phương pháp đo • Thiết bị đo: - Định nghĩa : thiết bị đo là thiết bị kĩ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành d ạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có những tính chất đo l ường h ọc, là nh ững tính ch ất có ảnh hưởng đến kết quả và sai số của phép đo. - Phân loại : gồm thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường, các tổ hợp thi ết b ị đo lường và hệ thống thông tin đo lường..., mỗi loại thiết bị thực hi ện những ch ức năng riêng trong quá trình đo lường. • Phương pháp đo: - Định nghĩa : phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao g ồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị. - Phân loại : trong thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo:  Phương pháp đo biến đổi thẳng.  Phương pháp đo so sánh. 1.3.5 Kết quả đo • Định nghĩa: kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay nh ững đ ường cong ghi l ại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Kết quả đo không phải là giá trị thực của đại lượng cần đo mà chỉ có thể coi là giá tr ị ước l ượng c ủa đại lượng cần đo, nghĩa là nó được xác định bởi thực nghiệm nh ờ các thi ết b ị đo. Giá tr ị này g ần v ới giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là giá trị thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử d ụng khái ni ệm sai s ố c ủa phép đo, là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng. Từ sai số đo, có thể đánh giá phép đo có đạt yêu c ầu hay không. Kết quả đo sẽ được gia công theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng tay ho ặc bằng máy tính đ ể có được kết quả mong muốn. 1.3.6 Người quan sát • Định nghĩa: là người thực hiện phép đo và gia công kết quả đo. • Nhiệm vụ của người quan sát - Trước khi đo: phải nắm được phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo được sử dụng, ki ểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng c ụ đo phù h ợp v ới sai số yêu cầu và phù hợp với môi trường xung quanh. - Trong khi đo: phải biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn. - Sau khi đo: nắm chắc các phương pháp gia công kết qu ả đo đ ể gia công k ết qu ả đo. Xem xét kết quả đo đạt yêu cầu hay chưa, có cần phải đo lại hay ph ải đo nhi ều l ần theo ph ương pháp đo lường thống kê. 1.3 Phân loại phương pháp đo. Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá trình đo lường. 3
1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng. • Định nghĩa : là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo ki ểu bi ến đổi th ẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi. • Quá trình thực hiện : - Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số N X, đồng thời đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành con số N0. - Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia NX /N0), - Thu được kết quả đo: AX = X/X0 = NX/N0 Hình 1.1 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hi ện quá trình này gọi là thi ết b ị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị X 0 sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp), được qua bộ biến đổi tương tự-số A/D để có NX và N0 , qua khâu so sánh có NX/N0. Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hi ệu qua các khâu bi ến đ ổi s ẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo lo ại này thường đ ược sử d ụng khi đ ộ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm. 1.3.2 Phương pháp đo so sánh. • Đinh nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi. • Quá trình thực hiện : - Đại lượng đo X và đại lượng mẫu X 0 được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh. - Quá trình so sánh X và tín hiệu X K (tỉ lệ với X0) diễn ra trong suốt quá trình đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo. Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thi ết bị đo th ực hi ện quá trình này g ọi là thi ết b ị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù). Hình 1.2 Lưu đồ quá trình đo kiểu so sánh Tín hiệu đo X được so sánh với tín hiệu X K tỉ lệ với tín hiệu mẫu X0. Qua bộ so sánh ta có: ∆X = X − X K . Tùy thuộc vào cách so sánh có các phương pháp sau 4
• Các phương pháp đo kiểu so sánh:  So sánh cân bằng - Nguyên tắc: Đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với đại lượng m ẫu X K được so sánh sao cho ∆X = 0 , tức là X – XK = 0. Từ đó suy ra : X = XK = NK.X0  Kết quả đo trở thành : AX = X/X0 = NK - Độ chính xác : Ta nhận thấy, kết quả đo đạt được khi phép so sánh ở tr ạng thái cân b ằng ( ∆X = 0 ). Do vậy, độ chính xác của phép đo phụ thuộc độ chính xác của X K và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng. - Ví dụ : Cầu đo, điện thế kế cân bằng …  So sánh không cân bằng - Nguyên tắc: Đại lượng tỉ lệ với mẫu X K không đổi và đã biết, qua bộ so sánh có được ∆X = X − X K Đo ∆X sẽ xác định được đại lượng cần đo X = X K + ∆X . Từ đó suy ra kết quả đo: X X + ∆X AX = = K X0 X0 - Độ chính xác : độ chính xác của phép đo này chủ yếu do độ chính xác c ủa X K quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ∆X, giá trị ∆X càng nh ỏ so v ới X thì đ ộ chính xác c ủa phép đo càng cao. - Ví dụ: phương pháp này thường dung đo các đại lượng không điện như ứng suất, nhiệt độ…  So sánh không đồng thời - Nguyên tắc : Dưới tác động của đại lượng đo X gây ra một tr ạng thái nào đó trên thi ết b ị đo. Sau đó, thay X bằng đại lượng mẫu XK sao cho thiết bị cũng gây ra đúng trạng thái như khi X tác đ ộng. Trong điệu kiện đó, ta có X = XK. - Độ chính xác : phụ thuộc vào độ chính xác X K. Phương pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên.  So sánh đồng thời - Nguyên tắc : So sánh cùng lúc nhiều giá trị c ủa đại lượng đo X và đ ại l ượng m ẫu X K, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị c ủa đại lượng đo. Trong th ực t ế th ường s ử d ụng ph ương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng. - Ví dụ : xác định 1 inch bằng bao nhiêu mm: lấy thước có chia độ mm (m ẫu), th ước kia theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm 0 trùng nhau, đọc được các đi ểm trùng nhau là: 127mm và 5 inch, 254mm và 10 inch, từ đó có được : 1 inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm 1.4 Phân loại thiết bị đo. Thiết bị đo là phương tiện kĩ thuật để thực hiện quá trình đo. Thiết bị đo là sự thể hi ện ph ương pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể. Thiết bị đo được chia thành nhiều loại tùy theo chức năng, thường gồm có: m ẫu, d ụng c ụ đo, chuyển đổi đo lường, hệ thống thông tin đo lường. 1.4.1 Mẫu Mẫu là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lí nhất đ ịnh. Các d ụng c ụ m ẫu ph ải đ ạt đ ộ chính xác cao, tùy theo từng cấp, từng loại. 1.4.2 Dụng cụ đo lường điện 5
Dụng cụ đo lường điện là dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng cần đo. Tùy theo cách biển đổi chỉ thị và tín hiệu ta phân thành 2 loại dụng cụ đo: - Dụng cụ đo tương tự : giá trị của kết quả đo thu được là hàm liên tục c ủa quá trình thay đ ổi đ ại lượng đo. - Dụng cụ đo chỉ thị số : giá trị kết quả đo được thể hiện bằng số 1.4.3 Chuyển đổi đo lường Là thiết bị gia công tín hiệu thông tin đo lường để tiện cho vi ệc truyền bi ến đ ổi, gia công ở các giai đoạn tiếp theo, hoặc cất giữ không cho ra kết quả trực tiếp. Có 2 loại chuyển đổi - Chuyển đổi các đại lượng điện thành các đại lượng điện khác : các bộ phân dòng, phân áp, bi ến áp, biến dòng … - Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng đi ện : đó là các lo ại chuyển đ ổi sơ cấp, là bộ phận chính của đầu đo hay cảm biến. Ví dụ : bộ chuyển đ ổi l ực căng, chuy ển đ ổi nhiệt điện trở 1.4.4 Hệ thông thông tin đo lường ́ • Định nghĩa: là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bi phụ để tự động thu thập s ố li ệu t ừ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên l ạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển. • Phân loại : có thể phân hệ thống thông tin đo lường thành nhiều nhóm  Hệ thống đo lường : là hệ thống để đo và ghi lại các đại lượng đo.  Hệ thống kiểm tra tự động : là hệ thống thực hiện nhiệm vụ kiểm tra các đ ại l ượng đo, cho ra kết quả lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng chuẩn.  Hệ thống chẩn đoán kĩ thuật : là hệ thống kiểm tra sự làm vi ệc c ủa đ ối t ượng đ ể ch ỉ ra ch ỗ hỏng hóc cần sữa chữa.  Hệ thống nhận dạng : là hệ thống kết hợp vi ệc đo lường, ki ểm tra đ ể phân lo ại đ ối t ượng tương ứng với mẫu đã cho.  Tổ hợp đo lường tính toán : có chức năng có thể bao quát toàn b ộ các thi ết b ị ở trên, là s ự ghép nối hệ thống thông tin đo lường với máy tính; có thể tiến hành đo, ki ểm ra nh ận d ạng, ch ẩn đoán và cả điều khiển đối tượng. Hệ thống thông tin đo lường có thể phục vụ cho đối tượng ở gần (khoảng cách d ưới 2km) nh ưng cũng có thể phục vụ cho đối tượng ở xa, khi đó càn phải ghép n ối vào các kênh liên l ạc. M ột h ệ th ống như vậy gọi là hệ thống thông tin đo lường từ xa. 1.5 Thiết bị chuẩn và mẫu 1.5.1 Thiết bị chuẩn : • Chuẩn : là các đơn vị đo tiêu chuẩn như : chuẩn chiều dài, chuẩn kh ối l ượng, chu ẩn dòng đi ện, chuẩn điện áp • Thiết bị chuẩn : là các thiết bị đo tạo ra chuẩn.  Chuẩn dòng điện (cân dòng điện) : được tạo ra bởi thiết bị cân dòng điện. Nó làm việc theo nguyên lí tác động tương hỗ giữa 2 dòng đi ện chạy qua 2 cu ộn dây đ ấu n ối ti ếp nhau. M ột cuộn là động nối với đòn cân, còn cuộn kia bất đ ộng. Do s ự tác đ ộng t ương h ỗ gi ữa các dòng điện mà trong các cuộn dây xuất hiện lực kéo cân bằng với lực trọng trường của quả cân. 1.5.2 Thiết bị mẫu : • Định nghĩa: thiết bị mẫu là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. • Đặc điểm: 6
 Thiết bị mẫu phải có độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo từng cấp, từng loại.  Mẫu chính là dụng cụ đo dùng để kiểm tra và chuẩn hoá các dụng cụ đo khác.  Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền và yêu cầu bảo quản, vận hành r ất nghiêm ngặt nên ch ỉ s ử dụng khi cần thiết.  Các dụng cụ mẫu có cấp chính xác thấp hơn dụng c ụ chuẩn và thường dùng đ ể ki ểm đ ịnh các dụng cụ đo sản xuất. • Các loại dung cụ mẫu  Pin mẫu: là thiết bị tạo điện áp chuẩn. Nó có sức điện động ổn định theo th ời gian và có đ ộ chính xác cao. Để đảm bảo các đặc tính của pin mẫu, cẩn bảo vệ pin tránh quá tải. Dòng phóng của pin không được quá 1μA. Nhiệt độ làm việc trong kho ảng 5 oC – 30oC. Nhược điểm: điện áp ra nhỏ, hoạt động ở điều kiện chuẩn.  Nguồn ổn áp mẫu : để khắc phục nhược điểm của pin mẫu. Nguyên tắc của ổn áp này là sử dụng một pin khô qua hệ giao động nâng điện áp, sau đó qua ch ỉnh l ưu và ổn áp m ột chi ều bằng thiết bị điện tử. Nguyên lí của ổn áp này là sử d ụng c ảm bi ến bán d ẫn đ ể so sánh đi ện áp một chiều và điện áp xoay chiều thông qua hiệu ứng nhi ệt, nhờ vậy mà nâng cao đ ộ ổn đ ịnh của nguồn điện áp xoay chiều.  Điện trở mẫu : thường được chế tạo bằng vật liệu manganin. Ưu điểm : điện trở suất lớn, ít phụ thuộc nhiệt độ, sức điện động nhiệt nhỏ.  Điện cảm và hỗ cảm mẫu :  Điện dung mẫu : có thể sử dụng cả điện dung không khí và điện dung có chất đi ện môi, có góc tổn hao nhỏ (tức là sự mất mát trong chất điện môi ít). Đi ện tr ở cách đi ện l ớn, ph ụ thu ộc nhiệt độ không đáng kể và điện dung phải không phụ thu ộc tần s ố và d ạng đ ường cong tín hiệu. 7
Chương 2Sai số đo và xử lí kết quả đo 2.1 Các loại sai số. Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số. Nguyên nhân của những sai số này gồm: - Phương pháp đo được chọn. - Mức độ cẩn thận khi đo. Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại l ượng đo mà có sai s ố, g ọi là sai s ố của phép đo. Xác định sai số của phép đo tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo. Giá trị thực Xth : là giá trị của đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó. Giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết tr ước, vì v ậy khi đánh giá sai s ố của phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth của đại lượng đo. Như vậy ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo. Phân loại sai số của phép đo như sau: • Theo cách thể hiện bằng số - Sai số tuyệt đối : là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth ∆X = X – Xth - Sai số tương đối : γX được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực  ∆X   ∆X  γX = X .100 ≈  X .100 %   th    Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng phép đo. Nếu sai số có dấu (+), kết quả đo vượt quá giá trị thực. Từ đó suy ra độ chính xác của phép đo : X 1 ε = th = ∆X γ X - Sai số phương pháp : là sai số sinh ra do sự không hoàn thi ện c ủa ph ương pháp đo và s ự không chính xác của biểu thức lí thuyết, bao gồm sai số do sự tác động c ủa d ụng c ụ đo lên đ ối t ượng đo, sai số liên quan đến sự không chính xác của các thông số. - Sai số thiết bị : là sai số của thiết bị đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ đo - Sai số chủ quan : là sai số gây ra do người sử dụng. - Sai số bên ngoài : gây ra do ảnh hưởng của đi ều ki ện bên ngoài lên đ ối t ượng đo cũng nh ư dụng cụ đo. Ví dụ : sự biến động của nhiệt độ, độ ẩm bên ngoài vượt quá điều kiện tiêu chuẩn. • Theo nguồn gây ra sai số - Sai số hệ thống : là thành phần sai số của phép đo, luôn không đ ổi hay thay đ ổi có quy lu ật khi đo nhiều lần một đại lượng đo. Ví dụ: sai số hệ thống không đổi có thể là: sai số do khắc đ ộ thang đo (v ạch kh ắc đ ộ b ị l ệch…), sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh đường tâm ngang sai trong dao đ ộng ký) … Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự dao động của nguồn cung c ấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), do ảnh hưởng của trường điện từ… 8
- Sai số ngẫu nhiên : là thành phần sai số c ủa phép đo thay đ ổi không theo quy lu ật nào c ả. Do vậy dấu và giá trị của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được. Như vậy, ∆X = sai số hệ thống + sai số ngẫu nhiên. 2.2 Phương phap loai trừ sai số ́ ̣ 2.2.1 Phương pháp loại trừ sai số hệ thống - Chuẩn bị tốt trước khi đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng; chuẩn bị trước khi đo; chỉnh "0" trước khi đo… - Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế… - Xử lý kết quả đo sau khi đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dâu ́ ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đ ổi thì có th ể lo ại đ ược b ằng cách đ ưa vào m ột lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh: + Lượng hiệu chỉnh: là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. + Hệ số hiệu chỉnh: là số được nhân với kết quả đo nhàm loại trừ sai số hệ thống. Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống. Vi ệc gi ảm ảnh h ưởng sai s ố h ệ th ống có thể thực hiện bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên. 2.2.2 Phương phap loai trừ sai số ngâu nhiên ́ ̣ ̃ Dựa vào số lớn các giá trị đo được có thể xác định qui luật thay đổi c ủa sai s ố ngẫu nhiên nh ờ s ử dụng các phương pháp toán học thống kê và lý thuyết xác suất. Nhi ệm vụ của vi ệc tính toán sai s ố ngẫu nhiên là chỉ rõ giới hạn thay đổi của sai số c ủa kết quả đo khi th ực hi ện phép đo nhi ều l ần, nh ư vậy phép đo nào có kết quả với sai số ngẫu nhiên vượt quá giới hạn sẽ bị loại bỏ. - Cơ sở toán học: việc tính toán sai số ngẫu nhiên dựa trên giả thiết là sai số ngẫu nhiên c ủa các phép đo các đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bố chuẩn (luật phân b ố Gauss). N ếu sai s ố ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó thì xác suất xuất hiện sẽ hầu như bằng không và vì th ế k ết qu ả đo nào có sai số ngẫu nhiên như vậy sẽ bị loại bỏ. Các bước tính sai số ngẫu nhiên: Xét n phép đo với các kết quả đo thu được là x1, x2, ..., xn. * Tính ước lượng kì vọng toán học mX của đại lượng đo: − X 1 + X 2 + ..... + X n n x mX = X = =∑ i , n i =1 n chính là giá trị trung bình đại số của n kết quả đo. * Tính độ lệch của kết quả mỗi lần đo so với giá trị trung bình : 9
− vi = xi − X ( vi còn gọi là sai số dư ) * Tính khoảng giới hạn của sai số ngẫu nhiên: được tính trên cơ sở đường phân bố chuẩn: ∆ = [ ∆1 , ∆ 2 ] , thường chọn: ∆ = [ ∆1 , ∆ 2 ] với: n ∑v 2 i ∆1 = ∆ 2 = i −1 n.( n − 1) với xác suất xuất hiện sai số ngẫu nhiên ngoài khoảng này là 34%. * Xử lý kết quả đo: những kết quả đo nào có sai số dư vi nằm ngoài khoảng [ ∆1 , ∆ 2 ] sẽ bị loại. Hinh 2-1: Lưu đồ thuât toan gia công kêt quả đo ̀ ̣ ́ ́ 10
2.3 Phương pháp xử lí kết quả. 2.3.1 Phương pháp lấy số liệu trung bình.  Đặt vấn đề : xét hai đại lượng X và Y với các giá trị tương ứng bi ết tr ước là x i và yi được xếp thành các cặp tương ứng (xi, yi). Kẻ áng chừng 1 đường thẳng nằm giữa miền phân bố của các điểm đo được (xi,yi). Về lý thuyết có thể xem gần đúng tồn tại mối quan hệ tuyến tính gi ữa 2 đại lượng X và Y. Nhưng thực tế, mỗi phép đo đều mắc phải sai số, nên yi ≠ a.xi + b. Trong trường hợp này ta có sai số : ∆xi = yi – a.xi – b (i = 1, 2, …, n).  Phương pháp : Để xác định mối quan hệ hàm giữa các đại lượng, ta chọn các giá trị a, b sao cho n đối với tất cả n phép đo tổng sai số bằng 0, tức là : ∑∆ i =1 i =0 Để xác định các giá trị a, b, chúng ta cần 2 phương trình t ương ứng 2 ẩn s ố. Do đó, ta chia l ượng phép đo n thành 2 nhóm : (1 ÷ m) và (m+1 ÷ n) bằng nhau hay gần bằng nhau. Từ đó, ta có hệ 2 phương trình :  m  ∑ ( yi − a.xi − b) = 0  i =1  n  ∑ ( yi − a.xi − b) = 0  j =m+1  m – số phép đo bất kì trong nhóm 1 (ta có thể cho m = n/2) Giải hệ phương trình trên, ta tính được a, b. Từ đó xác định quan hệ tuyến tính gi ữa 2 đại l ượng X & Y. 2.3.2 Phương pháp bình phương cực tiểu xây dựng đồ thị.  Vấn đề đặt ra : xét hai đại lượng X và Y với các giá tr ị t ương ứng bi ết tr ước là x i và yi được xếp thành các cặp tương ứng (x i, yi). Cần xác định hàm y = f(x) biểu diễn mối quan hệ gi ữa đại lượng X và Y.  Phương pháp : để xác định hàm y = f(x) biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng X và Y ta sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để tìm đa thức P(x) thỏa mãn là đường cong gần đúng của f(x) và phản ánh được quá trình vật lí được nghiên cứu.  Các bước thực hiện : 1) Chọn đa thức gần đúng P(x) của f(x) (dựa trên dạng đường cong th ực nghi ệm quan h ệ X và Y, dựa trên hệ số tương quan giữa X và Y): P(x) = ao + a1x + a2x2 + … + amxm 11
2) Xác định các hệ số ao, a1, a2, …, am từ điều kiện thỏa mãn P(x) gần đúng với f(x) theo tiêu chuẩn về độ chính xác như sau : tổng các bình phương c ủa hiệu gi ữa các hàm y=f(x) và P(x) nhỏ nhất, tức là : [ ] n n S = ∑ [ f ( xk ) − P ( xk )] = ∑ f ( xk ) − (ao + a1 xk + a 2 xk + ... + a m xk ) = min 2 2 m 2 k =1 k =1  ∂S  ∂a = 0  o  ∂S = 0  ∂a1 : là hệ phương trình đại số tuyến tính với (m+1) ẩn (ao đến am) và (m+1)  ⇔  ∂S phương trình, giải ra ta có giá trị của ao, a1, …, am.  ∂a = 0 Từ đó suy ra P(x).  2  ...  ∂S = 0  ∂a m  2.3.3 Phương pháp dùng máy tính Việc gia công kết quả có thể được thực hiện bằng máy tính để gi ải các phương trình ho ặc xác đ ịnh các đường cong hàm giữa các đại lượng đo, hoặc bằng các phần mềm chuyên d ụng nh ư : Matlab, Mathematica, Excel, Mapple … Ví dụ : Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến và khác v ới các đa th ức, ví d ụ : d ạng hàm mũ, logarit,…, ta có thể dùng phương pháp tuyến tính hóa để đưa chúng v ề d ạng tuyến tính b ằng cách biến đổi, thay các đối số, hoặc dùng các phần m ềm đ ể tìm dạng đ ường cong g ần nh ất v ới đường cong thực nghiệm. 12
Chương 3 : Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo 3.1 Khái niệm chung Dụng cụ đo lường điện ngày nay rất đa dạng tùy mục đích, phạm vi sử dụng và nh ững yêu c ầu c ụ thể, nhưng chúng có những đặc tính cơ bản và cấu trúc chung thống nhất. 3.1.1. Phân loại dụng cụ đo Dụng cụ đo lường có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau: • Theo cách biến đổi ta có thể chia dụng cụ đo thành 2 lo ại: dụng c ụ đo bi ến đ ổi th ẳng và d ụng cụ đo kiểu biến đổi bù. Dụng cụ đo biến đổi thẳng là dụng cụ mà đại lượng c ần đo X đ ược bi ến đ ổi thành đại lượng ra Y theo một đường thẳng không có khâu phản h ồi. Dụng c ụ đo ki ểu bi ến đ ổi bù là loại dụng cụ đo sử dụng khâu phản hồi với các chuyển đổi ngược đại lượng ra Y thành đại l ượng bù Xk bù với tín hiệu cần đo X. Mạch đo tạo thành vòng khép kín. • Theo phương pháp so sánh đại lượng đo: dụng cụ đo đánh giá trực ti ếp và d ụng c ụ đo ki ểu so sánh. Dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp là loại dụng c ụ đã được khắc độ theo đ ơn v ị c ủa đ ại l ượng đo từ trước, khi đo đại lượng đo được so sánh với nó để cho ra kết quả. Nó được thực hi ện theo s ơ đ ồ biến đổi thẳng. Dụng cụ đo kiểu so sánh là loại dụng cụ đo mà việc so sánh đ ược th ực hi ện qua m ỗi lần đo. Nó được thực hiện theo sơ đồ biến đổi bù. • Theo phương pháp cho ra thông tin đo: dụng cụ đo tương tự và d ụng c ụ đo s ố. D ụng c ụ đo tương tự có số chỉ là hàm liên tục của đại lượng đo. Lo ại này bao gồm: d ụng c ụ đo kim có k ết qu ả đo được đọc ở số chỉ của kim lên mặt đã khắc độ sẵn; dụng cụ đo tự ghi có kết quả đo được ghi lại dưới dạng đường cong phụ thuộc thời gian. Dụng cụ đo chỉ thị số là dụng cụ mà trong đó đ ại l ượng liên t ục được biến đổi thành rời rạc và kết quả đo cho ra dưới dạng số (thập phân hay nhị phân) • Theo loại đại lượng đo: dụng cụ mang tên đại lượng đo, như: vôn mét, ampe mét, ôm mét ... • Theo mục đích sử dụng: dụng cụ đo để bàn, dụng cụ đo xách tay ... • Theo mức bảo vệ: dụng cụ đo kín nước, dụng cụ kín bụi, dụng cụ chống va đập ... 3.1.2. Đặc tính cơ bản của dụng cụ đo 3.1.2.1 Độ chinh xac và sai số cua dung cụ đo ́ ́ ̉ ̣ Có nhiều nguyên nhân gây sai số, có thể là do các yếu tố bi ến đ ộng ngẫu nhiên, ho ặc có th ể là nguyên nhân do chính phương pháp đo không phù hợp, ho ặc m ột nguyên nhân nào đ ấy có tính quy lu ật. Trên cơ sở đó, ta phân biệt 2 loại sai số. a. Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá tr ị c ủa nó luôn không đ ổi ho ặc thay đổi có tính quy luật. Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được. b. Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các bi ến đ ộng c ủa môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm v.v.). Sai số này còn gọi là sai s ố ph ụ, và không th ể loại trừ. Ngoài các sai số của dụng cụ đo cần quan tâm, còn có một tiêu chuẩn để đánh giá đ ộ chính xác c ủa dụng cụ đo là cấp chính xác. Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kỳ m ột phép đo nào đ ều có sai l ệch so với đại lượng đúng δ i = xi − x d trong đó xi là kết quả của lần đo thứ xd là giá trị đúng của đại lượng đo Sai số tuyệt đối của một thiết bị đo được định nghĩa là giá tr ị lớn nhất c ủa các sai l ệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo: ∆x = max[δ i ] Sai số tuyệt đối chùn đánh giá được tính chính xác và yêu c ầu công ngh ệ c ủa thi ết b ị đo. Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đo được đánh giá bằng sai số tương đối: 13
+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính ∆x β= , với x là giá trị đai lượng đo ̣ x + Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính ∆x γ= D Trong đó D = Xmax – Xmin : thang đo cua dung cụ đo. ̉ ̣ Giá trị, γ % gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị đo thành các cấp chính xác. Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ đi ện có cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4. Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1. Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai số tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể. Ta có: D β =γ x trong đó γ là sai số tương đối của thiết bị đo, phụ thuộc cấp chính xác và không đ ổi nên sai s ố tương đối của phép đo càng nhỏ nếu D/x dần đến 1. Vì vậy khi đo m ột đại l ượng nào đó c ố g ắng chọn D sao cho: D ≈ x. Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số c ực đại mà d ụng c ụ đo m ắc ph ải. Ng ười ta quy đ ịnh cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo dó. 3.1.2.2 Độ nhạy Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x). Để có một sự đánh giá v ề quan h ệ gi ữa lượng vào và lượng ra của thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độ nhạy của thiết bị: Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng: ∆z S= = F (x) ∆x Trong đo: ∆z: biên thiên lượng ra và ∆x: biên thiên lượng vao ́ ́ ́ ̀ Nếu F(x)=const, thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính. Lúc đo thang đo đ ược khắc đ ộ đều C=1/S gọi là hằng số dụng cụ đo. Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi ∆x đ ủ nh ỏ thì S là m ột h ằng s ố. V ới thiết bị có quan hệ giữa lượng vào và lượng ra là tuyến tính, ta có thể vi ết: z = S.x, lúc đó S g ọi là đ ộ nhạy tĩnh của thiết bi. ̣ Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp, m ỗi khâu có đ ộ nhạy riêng, thì đ ộ nhạy của dụng cụ đó là tích các độ nhạy thành phần. n S = ∏ S i , với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị. i =1 Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có th ể nh ỏ bao nhiêu cũng đ ược, song trên th ực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z không thể thấy được. Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10A nhỏ hơn 10W (chẳng h ạn) thì công t ơ không quay nữa. Nguyên nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hi ện t ượng tr ễ... ε đ ược g ọi là ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo. Có thể quan niệm ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất mà thi ết b ị đo có th ể phân biệt được. 14
Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác nhau nó chưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị. Vì vậy để so sánh chúng với nhau người ta ph ải xét t ới quan h ệ gi ữa ng ưỡng đ ộ nhạy và thang đo cua thiêt bi. ̉ ́ ̣ Thang đo (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân theo ph ương pháp đo l ường c ủa thiết bị D = xmax – xmin Từ đó đưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo: D x − x min R = = max ε ε Và so sanh cac R với nhau ́ ́ 3.1.2.3 Điện trở của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ a. Điện trở vào: mỗi dụng cụ đo đều có điện trở vào, có thể nhỏ hay lớn tùy thu ộc tính chất đ ối tượng đo. Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu khâu trước đó d ưới d ạng áp, t ức là yêu c ầu dòng ph ải nhỏ và công suất tiêu thụ phải nhỏ, ví dụ vonmet có điện trở vào càng lớn càng tốt. b. Điện trở ra: điện trở ra của dụng cụ đo xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đ ổi tiếp theo. Điện trở ra càng nhỏ thì công suất đó càng lớn. Thường để mạch đo có hi ệu quả người ta cố gắng làm phù hợp trở kháng ra của chuyển đổi trước với trở kháng vào của chuyển đổi tiếp sau đó. 3.1.2.4 Độ tác động nhanh Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập k ết qu ả đo trên ch ỉ th ị. Đ ối v ới dụng cụ tương tự, thời gian này khoảng 4s. Còn dụng c ụ số có thể đo được hàng ngàn đi ểm đo trong 1s. Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh h ơn nhi ều, nó giúp m ở ra kh ả năng th ực hiện nhiều phép đo lường thống kê. 3.1.2.5 Độ tin cậy Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố - Độ tin cậy của các linh kiện của dụng cụ đo - Kết cấu của dụng cụ đo không quá phức tạp - Điều kiện làm việc của dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay không Độ tin cậy của dụng cụ đo được xác định bởi thời gian làm vi ệc tin cậy của d ụng c ụ đo trong đi ều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định hay không. 3.2 Cấu trúc chung 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo Mỗi dụng cụ đo cơ bản có 3 bộ phận chính: • Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC). • Mạch đo (MĐ). • Cơ cấu chỉ thị (CCCT). Đại lượng đo CĐSC MĐ CCCT (Primary Sensing Element) (Manipulate Circuit) (Indicator & Recoder) Measurement Hình 3-1 : Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo Sơ đồ cấu trúc chung của cảm biến thông minh (Smart Sensor) : 15
Hình 3-2 : Cấu trúc của cảm biến thông minh 3.2.2. Các khâu chức năng của thiết bị đo : • Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC): thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện. Là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo, quyết định độ chính xác cũng như độ nhạy của dụng cụ đo. Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau tùy thu ộc đ ại lượng đo và đại lượng đầu ra của chuyển đổi. • Mạch đo (MĐ): thực hiện chức năng thu thập, gia công thông tin đo sau các chuyển đ ổi sơ cấp; thực hiện các thao tác tính toán trên sơ đồ mạch. Tùy thuộc dụng c ụ đo là ki ểu biến đổi thẳng hay kiểu so sánh mà mạch đo có cấu trúc khác nhau. Các đặc tính cơ bản của mạch đo gồm: độ nhạy, độ chính xác, đặc tính đ ộng, công su ất tiêu th ụ, phạm vi làm việc… được xét cụ thể cho mỗi loại mạch đo để có thiết kế phù hợp cũng như sử d ụng có hiệu quả. Mạch đo thường sử dụng kĩ thuật vi điện tử và vi xử lý để nâng cao các đặc tính k ỹ thuật của dụng cụ đo. • Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thực hi ện chức năng th ể hiện kết quả đo lường dưới dạng con số so với đơn vị sau khi qua mạch đo. Các kiểu chỉ thị thường gặp gồm: chỉ thị bằng kim chỉ, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (ghi lại các tín hi ệu thay đổi theo thời gian), chỉ thị dưới dạng con số (đọc trực tiếp hoặc tự động ghi lại)… Việc phân chia các bộ phận như trên là theo chức năng, không nhất thi ết ph ải theo c ấu trúc v ật lý, trong th ực t ế các khâu có thể gắn với nhau (một phần tử vật lý thực hiện nhiều chức năng), có sự liên h ệ chặt chẽ v ới nhau bằng các mạch phản hồi… 3.3 Thiết bị đo biến đổi thẳng • Sơ đồ cấu trúc Đối với dụng cụ đo biến đổi thẳng, việc biến đổi thông tin chỉ xảy ra theo m ột h ướng thẳng duy nh ất, không có khâu phản hồi. Hình 3-3 : Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng Đại lượng đo X nối tiếp qua các khâu chuyển đổi sơ cấp CĐ 1, CĐ2, …, CĐn biến thành đại lượng Y tiện cho việc quan sát, ghi lại hay nhớ để truyền cho cơ cấu chỉ thị th ực hi ện ch ức năng ch ỉ th ị ho ặc truyền đi xa. 16
Các khâu CĐ1, CĐ2, …, CĐn làm nhiệm vụ xử lý thông tin đo để đưa về dạng dễ chỉ thị, thường là các khâu: phân áp đầu vào, mạch khuếch đại, biến đổi tương tự-số AD… Ví dụ :  Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo tương tự theo kiểu biến đổi thẳng Hình 3-4 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo tương tự biến đổi thẳng  Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo số theo kiểu biến đổi thẳng Hình 3-5 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo số • Đặc điểm chung của dụng cụ đo biến đổi thẳng a. Cấu trúc đơn giản, tin cậy. b. Giá thành rẻ. c. Vận hành, bảo trì, bảo dưỡng đơn giản và chí phí thấp. d. Không đòi hỏi tay nghề cao. e. Độ chính xác thấp (thường có cấp chính xác cỡ 1 ÷ 2,5). 3.4 Thiết bị đo so sánh • Sơ đồ cấu trúc Đó là loại dụng cụ đo sử dụng khâu phản hồi với các chuyển đổi ngược (CĐN) đ ể tạo ra tín hi ệu X k so sánh với tín hiệu cần đo X. Mạch đo do đó là một vòng khép kín. Hình 3-6 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh 17
Sau bộ so sánh: ∆X = X – X k , đo ∆X hoặc đo các tín hiệu sau các chuyển đổi thuận Y có th ể xác đ ịnh được X. Theo phương pháp so sánh có thể có 4 loại tương ứng : so sánh cân b ằng, không cân b ằng, so sánh đồng thời, so sánh không đồng thời. Ví dụ :  Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh không cân bằng Hình 3-7 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh không cân bằng  Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh cân bằng Hình 3-8 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh cân bằng  Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh các đại lượng không điện Hình 3-9 : Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo đại lượng không điện 18
• Đặc điểm chung  Có cấu trúc phức tạp hơn so với dụng cụ đo biến đổi thẳng.  Hiện nay thường dùng vi xử lí bên trong.  Độ chính xác cao và giá thành đắt. 3.5 Thiết bị đo kiểu cơ điện Là loại dụng cụ đo tương tự, mà trong đó dùng cơ cấu chỉ thị cơ điện. Tín hiệu vào là dòng đi ện, và tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ thị hoặc của bút ghi trên giấy. • Cấu tạo chung : - Trục và trụ: đảm bảo cho phần động quay trên trục có gắn các bộ phận của phần đ ộng nh ư kim chỉ, lò xo phản, khung quay,… - Lò xo phản kháng hoặc dây căng và dây treo : để tạo momen c ản và d ẫn dòng đi ện vào khung dây. Dây căng và dây treo được sử dụng khi cần gi ảm momen c ản đ ể tăng đ ộ nh ạy c ủa c ơ c ấu chỉ thị. - Kim chỉ : được gắn với trục quay, độ di chuyển của kim trên thang chia độ (thang đo) t ỉ l ệ v ới góc quay α. Hình dạng kim phụ thuộc vào cấp chính xác c ủa d ụng c ụ đo và kho ảng cách đ ứng để đọc kết quả đo. Độ dài của kim ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chính xác c ủa d ụng c ụ đo. Kim càng dài thì dụng cụ càng chính xác, càng nhạy vì lúc đó độ phân li c ủa vạch chia nh ỏ h ơn. Nhưng kim dài sẽ làm phần động càng n ặng dẫn đến gi ảm đ ộ nhạy và đ ộ chính xác, và c ồng kềnh. Vì vậy, trong những dụng cụ đo cần độ chính xác cao, kim chỉ thị được thay thế bằng chỉ thị ánh sáng. - Thang đo: là mặt khắc độ, khắc giá trị của đại lượng đo. - Bộ phận cản dịu : có tác dụng rút ngắn quá trình dao động c ủa phần đ ộng, xác l ập v ị trí cân bằng nhanh chóng. Hình 3-10 : Các bộ phận và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện 19
• Nguyên lí làm việc chung : khi cho dòng điện vào cơ cấu chỉ thị c ơ đi ện, do tác đ ộng c ủa t ừ tr ường (gây bởi nam châm vĩnh cửu hoặc do dòng điện đưa vào sinh ra) lên ph ần đ ộng c ủa c ơ c ấu đo, s ẽ sinh ra momen quay, tỉ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu : dWe Mq = dα Trong đó: We : năng lượng điện từ trường ( We = φI = Bswα .I trong cơ cấu chỉ thị điện từ) α : góc lệch phần động Nếu đặt vào trục của phần động một lò xo cản, khi phần động quay lò xo b ị xo ắn l ại sinh ra mômen cản Mc tỷ lệ thuận với góc lệch α và được tính: Mc = D.α Trong đó, D là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước lò xo. Khi mômen cản bằng mômen quay, phần động của cơ cấu dừng lại ở vị trí cân bằng: dWe Mq = Mc ⇔ = D.α dα 1 dWe ⇔α = D dα Phương trình trên là phương trình đặc tính thang đo, cho bi ết đặc tính thang đo và tính ch ất c ủa c ơ cấu chỉ thị. Hình 3-11: Xác định vị trí cân bằng αc bằng đồ thị Vị trí cân bằng αc có thể xác định bằng đồ thị như trên hình 3-11. Ứng với các dòng khác nhau, ta có các góc α khác nhau tương ứng với các giá trị đo được. Ngoài 2 momen cơ bản trên, trong thực tế phần động c ủa c ơ c ấu ch ỉ th ị còn ch ịu tác đ ộng c ủa nhiều momen khác: momen ổn định, momen ma sát, momen cản dịu, momen động lượng … 3.6 Thiết bị đo kiểu điện tử • Cơ sở chung : Là loại dụng cụ đo chỉ thị số, sử dụng các kĩ thuật đi ện tử và máy tính đ ể bi ến đ ổi và chỉ thị đại lượng đo. Sơ đồ khối của dụng cụ đo chỉ thị số 20