Sổ tay Đo lường nhiệt (Dành cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh)

Chia sẻ: Trinh Van Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

187
lượt xem 51
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Đo lường nhiệt (Dành cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh) trình bày các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo các đại lượng vật lý sử dụng trong kỹ thuật lạnh và nhiệt như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ ẩm, mức chất lỏng,... Mời các bạn tham khảo tài liệu để bổ sung thêm kiến thức về lĩnh vực này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Sổ tay Đo lường nhiệt (Dành cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh)

Trịnh Văn Quang Đo lường nhiệt Dành cho sinh viên ngành Nhiệt Lạnh Trường Đại học Giao thông Vận tải Khoa Cơ Khí - Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Hà nội - 2004
Lời nói đầu Đo lường nói chung là một lĩnh vực quan trong trong công nghệ, nhất là ngày nay khi khoa học kỹ thuật và các ngành công nghệ đã có những bước tiến vượt bậc, đo lường càng trở nên cần thiết. Có thể nói đo lường là khâu đầu tiên để nhận được các số liệu trong kỹ thuật và trong tính toán đo lường là khâu quyết định sự chính xác của các kết quả các phép tính. Trong kỹ thuật lạnh và kỹ thuật nhiệt, đo lường là khâu hết sức quan trọng. Trong tất cả các hệ thống lạnh và hệ thống nhiệt , luôn cần đến các con số chính xác của các đại lượng để có thể có những tác động cần thiết nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động trong điều kiện an toàn. Hệ thống lạnh và nhiệt nói chung thường có các động cơ nhiệt, động cơ điện, máy nén, các dàn ống dẫn môi chất, các bộ trao đổi nhiệt…Các đại lượng cần xác định giá trị trong hệ thống lạnh và nhiệt gồm các thông số trạng thái của chất công tác là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức lỏng trong bình chứa; các thông số của chất tải lạnh hay tải nhiệt trung gian là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng; các thông số của môi trường không khí như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất; các thông số của thiết bị như nhiệt độ máy, nhiệt độ và áp suất dàu bôi trơn, mức dầu trong máy, tốc độ máy hay động cơ, nhiệt độ vào và ra của nước hoặc không khí làm mát thiết bị … Hầu hết các đại lượng trên không phải các đại lượng điện, bởi vậy để điều khiển hệ thống hoạt động được bình thường và tự động hoá các quá trình hoạt động trong hệ thống, cần phải biến đổi các đại lượng là các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện. Ngày nay các hệ thống nhiệt và lạnh có quy mô lớn việc kiểm soát tình trạng hoạt động của hệ thống và điều khiển chúng hầu như được chương trình hoá bằng các máy tính chuyên dụng, bởi vậy các thông số làm việc của hệ thống được xác định tự động và đòi hỏi các bộ phận cảm biến hết sức đa dạng . Do thời lượng môn học có hạn nên trong tài liệu cũng chỉ có thể đề cập những thiết bị đo tương đối phổ biến. Mặt khác mục đích của môn học là giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của các thiết bị đo, nên không đi sâu vào lý thuyết tính toán và kỹ thuật xử lý kết quả đo. Lần đầu tiên biên soạn một tài liệu giảng dạy mới, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về Bộ môn Kỹ thuật nhiệt trường đại học Giao thông Vận tải Hà nội, chúng tôi xin chân thành cám ơn. Người biên soạn Trịnh Văn Quang 1
Mục lục Chương 1. Trang KHÁI NIỆM 1.1. Đinh nghĩa , phân loại 6 1.1.1. Định nghĩa 1.1.2. Phân loại 1.1.3. Lịch sử xây dựng đơn vị đo và các chuẩn quốc tế 7 1.2 . Các yếu tố đặc trưng của đo lường 11 1.2.l. Đại lượng đo 11 1.2.2. Điều kiện đo 12 1.2.3. Thiết bị đo và phương pháp đo 13 1.2.4. Người quan sát 13 1.2.5. Kết quả đo 13 1.3. Thiết bị đo 14 1.3.1. Phân loại thiết bị đo 14 1.3.2. Các tham số đặc trưng cho phẩm chất của đồng hồ 15 1.4. Đánh giá sai số đo lường 17 1.4.1. Sai số của phép đo 17 1.4.2. Tính toán sai số ngẫu nhiên 19 1.4. Xây dựng biểu thức thực nghiệm 21 1.4.1. Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính 21 1.4.2. Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến 23 1.4.3. Phương pháp tìm hệ số tương quan 25 1.4.4. Phương pháp bình phương cực tiểu 31 Chương 2. ĐO NHIỆT ĐỘ 2.1. Khái niệm 35 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 35 2.1.2. Phân loại nhiệt kế 36 2.2. Nhiệt kế giãn nở 37 2.2.1. Nhiệt kế giãn nở chất rắn. 37 2.2.2. Nhiệt kế giãn nở chất nước 37 2.3. Nhiệt kế kiểu áp kế 39 2.3.1. Nhiệt kế chất nước 39 2.3.2. Nhiệt kế chất khí 40 2.3.3. Nhiệt kế hơi bão hòa 40 2.4. Nhiệt kế nhiệt điện 41 2.4.1. Khái niệm 41 2.4.2. Hiệu ứng nhiệt điện 41 2.4.3. Các phương pháp nối cặp nhiệt 43 2.4.4. Một số yêu cầu đối với vật liệu làm cặp nhiệt 43 2.4.5. Một số loại cặp nhiệt thường dùng 44 2.4.6. Nhiệt kế cặp nhiệt trong công nghiệp 45 2.4.7. Đo nhiệt độ cao bằng cặp nhiệt 46 2.5. Nhiệt kế điện trở 46 2.5.1. Khái niệm 46 2.5.2. Yêu cầu đối với các vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở 46 2
2.5.3. Các loại nhiệt kế điện trở 47 2.5.4. Các phương pháp đo điện trở của nhiệt kế điện trở 49 2.6. Hỏa kế bức xạ 51 2.6.1. Khái niệm 51 2.6.2. Hoả quang kế phát xạ 52 2.6.3. Hỏa quang kế cường độ sáng 54 2.6.4. Hoả quang kế màu sắc 56 Chương 3. ĐO ÁP SUẤT 3.1. Khái niệm 59 3.1.1. Định nghĩa áp suất, đơn vị 59 3.1.2. Phân loại dụng cụ đo 60 3.2. Áp kế kiểu chất lỏng 60 3.3. Áp kế kiểu cơ 61 3.4. Lực kế áp điện 62 3.5. Áp kế áp điện 64 3.6. Hiệu ứng điện trở áp điện trong bán dẫn 64 3.7. Cầu điện trở đo áp suất 66 3.8. Đo áp suất bằng áp điện trong công nghiệp 68 3.9. Áp kế điện trở lực căng 68 3.10. Áp kế màng với điện trở lực căng trong công nghiệp 69 3.11. Đo áp suất bằng chuyển đổi điện dung 69 3.12. Đo áp suất bằng thiết bị số 71 3.13. Đo áp suất dùng biến áp vi sai 72 3.14. Áp kế kiểu điện trở lực căng kiểu môđun 73 3.15. Đo áp suất bằng màng kim loại co giãn 74 3.16. Sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện 79 Chương 4. ĐO LƯU LƯỢNG - TỐC ĐỘ 4.1. Khái niệm 81 4.2. Đo lưu lượng theo độ giảm áp suất 81 4.3. Lưu tốc kế cánh quạt 83 4.4. Lưu tốc kế kiểu cảm ứng 84 4.5. Lưu tốc kế khí 85 4.6. Tốc kế nhiệt 86 4.6.1. Tốc kế nhiệt kiểu sợi đốt 86 4.6.2. Tốc kế nhiệt kiểu màng mỏng 87 4.7. Đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy. 88 4.8. Đo lưu khối thông qua lực Coriolis. 90 4.9. Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm 92 4.9.1. Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện. 92 4.9.2. Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng. 93 4.9.3. Phương pháp hiệu số tần số. 94 4.9.4. Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha). 94 4.10. Đo lưu lượng của dòng khí thông qua nhiệt độ dây nung 95 4.10.1. Phương pháp đo với dòng điện nung không đổi. 96 4.10.2. Phương pháp đo với nhiệt độ của dây nung không đổi. 96 4.10.3. Sự bù trừ nhiệt độ của khí. 97 3
Chương 5. ĐO ĐỘ ẨM 5.1. Các khái niệm 98 5.1.1.Không khí ẩm và các đại lượng đặc trưng 98 5.1.2. Độ ẩm của vật liệu và sản phẩm trong các qui trình sản xuất 99 5.1.3. Sự liên hệ giữa các thông số của độ ẩm. 101 5.1.4. Tính chất điện môi của nước. 102 5.2. Đo độ ẩm không khí bằng phương pháp điểm ngưng tụ. 103 5.3. Đo độ ẩm bằng phương pháp hấp thụ 104 5.3.1. Ẩm kế LiCl 104 5.3.2. Ẩm kế anhydrit phôtphoric P2O5 105 5.4. Đo độ ẩm bằng trở kháng biến đổi 106 5.4.1. Ẩm kế điện trở 106 5.4.2. Ẩm kế điện dung điện cực kim loại 107 5.4.3. Ẩm kế điện dung điện cực bằng vàng 108 5.5. Mạch điện với phương pháp xung hiệu số. 108 5.6. Cảm biến độ ẩm với điện trở thay đổi. 109 5.6.1. Cảm biến độ ẩm SHS3 của hăng Hyrotec GmtlH / Đức. 109 5.6.2. Cảm biến độ ấm NH-3 Figaro/Nhật. 110 5.7. Ẩm kế Assmann 110 5.8. Đo độ ẩm theo tổng trở của màng mỏng Al2O3 111 5.9. Đo độ ẩm bằng cảm biến vi ba 111 5.10. Đo độ ẩm bằng cảm biến hồng ngoại 112 5.11. Đo độ ẩm bằng cảm biến âm thanh 113 5.12. Phương pháp đo độ ẩm các vật liệu rắn. 113 Chương 6. ĐO MỨC CHẤT LỎNG - CHẤT RẮN DẠNG HẠT 6.1. Khái niệm 114 6.2. Đo mức nước 114 6.3. Đo mức chất lỏng theo áp suất thuỷ tĩnh 115 6.4. Đo mức bằng điện dung 116 6.5. Nhiệt điện trở PTC . 117 6.6. Quang điện tử. 117 6.7. Đo mức chất lỏng bằng sóng vi ba 117 6.8. Đo mức chất lỏng bằng dẫn nhiệt 118 6.9. Đo mức chất lỏng, chất rắn bằng dao động cơ 119 Chương 7. ĐO TỐC ĐỘ QUAY 7.1. Đo tốc độ quay kiểu cảm ứng từ 122 7.2. Tốc độ kế kiểu máy phát 122 7.3. Máy đo tốc độ quay kiểu máy phát tần số 123 7.4. Máy đo tốc độ quay bằng phương pháp quang học 124 7.5. Máy đo tốc độ quay bằng sợi dẫn quang 124 4
Chương 8. CÁC BỘ CHỈ THỊ 8.1. Chỉ thị cơ điện 126 8.1.1. Cấu tạo chung 126 8.1.2. Cơ cấu chỉ thị từ điện 127 8.1.3. Cơ cấu chỉ thị điện từ 128 8.1.4. Cơ cấu chỉ thị điện động 129 8.1.5. Tỷ số kế điện động 131 8.2. Bộ chỉ thị kiểu Hiện số 132 8.2.1. Khái niệm 133 8.2.2. Mã số 133 8.2.3. Mạch đếm 133 8.2.4. Bộ hiện số 135 8.2.5. Bộ giải mã. 136 8.3. Dao động ký điện tử 137 8.3.1. Sơ đồ khối 137 8.3.2. ống phóng tia điện tử 138 8.3.3. Bộ khuếch đại làm lệch 139 8.3.4. Tín hiệu quét. 140 8.3.5. Bộ tạo sóng quét ngang 140 8.3.6. Dao động ký điện tử hai tia 142 Tài liệu tham khảo 144 5
Chương 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1. Định nghĩa Đo lường là một quá trình đánh giá đinh lượng đại lượng cần do để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Đó là sự đánh giá định lượng một hay nhiều thông số của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lí đặc trưng cho các thông số đó. Kết quả phép đo là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, đó là tỉ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo Xo. Nghĩa là Ax chỉ rõ đại lượng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn) bao nhiêu lần đơn vị của nó. X Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng: Ax = X0 Từ đó ta có: X = Ax. X0 (1.1) Phương trình (1.1) gọi là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Từ đó ta cũng thấy rằng không phải bất kì đại lư- ợng nào cũng đo được bởi vì không phải bất kỳ đại lượng nào cũng cho phép so sánh các giá trị của nó. Vì thế để đo chúng ta thường phải biến đổi chúng thành đại lượng khác có thể so sánh được. Ví dụ: để đo ứng suất cơ học ta phải biến đổi chúng thành sự thay đổi điện trở của bộ cảm biến lực căng. Sau đó mắc các bộ cảm biến này vào mạch cầu và đo điện áp lệch cầu khi có tác động của ứng suất cần đo. Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học. Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kĩ thuật đo lường. Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tư- ợng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo. 1.1.2. Phân loại Để thực hiện một phép đo người ta có thể sử dụng nhiều cách khác nhau, ta có thể phân biệt các cách sau đây: a. Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận đợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo được sử dụng thường tương ứng với đại lượng đo. Ví dụ: đo điện áp đùng vôn mét chẳng hạn trên mặt vôn mét đã khắc độ sẵn bằng vôn. Thực tế đa số các phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp !à cách đo mà kết quả suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. 6
Ví dụ: Để đo điện trở ta có thể sử dụng định luật ôm R = U/I (điều này hay được sử dụng khi phải đo điện trở của một phụ tải đang làm việc). Ta cần đo điện áp và dòng điện bằng cách đo trực tiếp sau đó tính ra điện trở. Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn hơn cách đo gián tiếp. Sai số đó là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp c. Đo hỗn hợp là cách đo gần giống đo gián tiếp nhưng số lượng phép đo theo cách trực tiếp nhiều hơn và kết quả đo nhận đợc thường phải thông qua giải một phương trình (hay hệ phương trình) mà các thông số đã biết chính là các số liệu đo được. Ví dụ: Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ có thể tính từ phương trình sau: rt = r20[1+ (t - 20) + (t - 20)2] Trong đó các hệ số ,  chưa biết. Để xác định ta cần phải đo điện trở ở ba điểm nhiệt độ khác nhau là r20 , rt1, rt2 . Sau đó thay vào ta có hệ phương trình: rt1 = r20[1+ (t1 - 20) + (t1 - 20)2] rt2 = r20[1+ (t2 - 20) + (t2 - 20)2] Giải ra ta tìm được , . 4. Đo thống kê. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta phải sử dụng cách đo thống kê. Tức là ta phải đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một đụng cụ đo. 1.1.3. Lịch sử xây dựng đơn vị đo và các chuẩn quốc tế a. Lịch sử xây dựng đơn vị đo Để đánh giá độ lớn của các đại lượng đo cần có đơn vị đo. Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn của từng đại lượng đo được thống nhất quốc tế mà các quốc gia đều phải tuân thủ. Để thống nhất trên toàn thế giới, người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn. Các chuẩn quốc tế có lịch sử bắt đầu từ năm 1881 tại Hội nghị quốc tế ở Pari, sau này càng phát triển và hoàn thiện. Uỷ ban quốc tế đầu tiên quản lí việc thiết lập các đơn vị chuẩn được thành lập. Trải qua một số năm các chuẩn quốc tế được ấn định. Đến năm 1908 tại Luân Đôn, Uỷ ban đặc biệt về việc chế tạo các chuẩn đã thành lập. Một số chuẩn đã được ấn định tại đây, ví dụ: chuẩn “Ôm” quốc tế của điện trở được coi là điện trở của một cột thuỷ ngân thiết diện 1 mm2 dài l06,300 cm ở 0 0C có khối lượng 14,4521 am. Còn chuẩn ”Ampe” quốc tế là dòng điện có thể giải phóng 0,0011800 gam bạc khỏi dung dịch nitrat bạc trong thời gian 1 s. Cấp chính xác cuả các chuẩn này cỡ 0,001%. Chuẩn điện áp là pin mẫu Vestôn có điện áp là 1,0185 V ở 200C. Sau này công nghiệp phát triển, kĩ thuật đo lường ngày càng hoàn thiện và nâng cao độ chính xác của phép đo, nên các chuẩn ở các quốc gia có những giá trị khác nhau mặc dù ph- ương pháp chế tạo như nhau. Sai số nhiều khi vượt quá sai số cho phép. Vì thế từ 1-1-1948 bắt đầu công nhận một chuẩn mới gọi là “chuẩn tuyệt đối“. “Chuẩn tuyệt đối“ so với chuẩn quốc tế trước đó có sự sai lệch chút ít. Ví dụ : 1 ampe quốc tế = 0,99985 ampe tuyệt đối; 1 Culông quốc tế = 0,99985 Culông tuyệt đối; 1 Vôn quốc tế = 1,00035 Vôn tuyệt đối; 1 Ôm quốc tế = 1 ,00050 ôm tuyệt đối; 1 Fara quốc tế = 0,99950 Fara tuyệt đối; 7
1 Henri quốc tế : 1 ,00050 Henri tuyệt đối. Các chuẩn ngày nay là chuẩn được quy định theo hệ thống đơn vị SI (năm 1960), là “Hệ thống đơn vị quốc tế thống nhất “ b. Hệ thống đơn vị quốc tế SI Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm đơn vị: 1 . Đơn vị cơ bản được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học và kĩ thuật hiện đại có thể thực hiện được. 2. Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những quy luật thể hiện bằng các biểu thức. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn xuất cho tất cả các đại lợng vật lí. Để các nước có chung một hệ thống đơn vị thống nhất người ta thành lập hệ thống đơn vị quốc tế SI và đã được thông qua tại Hội nghị quốc tế về mẫu và cân (1960). Trong hệ thống đó có bảy đơn vị cơ bản gồm đơn vị chiều dài là mét : m, đơn vị khối lượng là kilôgram : kg, đơn vị thời gian là giây: s , đơn vị cường độ dòng điện là Ampe : A, đơn vị nhiệt độ là Kenvil : K, đơn vị số lượng vật chất là mol : mol , đơn vị cường độ ánh sáng là Candela : Cd. Từ đó tính ra các đơn vị dẫn xuất sử dụng trong các lĩnh vực. Bảng 1.1. trình bày các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong các lĩnh vực cơ, điện, từ và quang học. Bảng 1.1 Các đại lượng Tên đơn vị Kí hiệu 1. Các đại lượng cơ bản Độ dài mét m Khối lượng kilôgam kg Thời gian giây s Dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kelvin K Số lượng vật chất môn mol Cường độ ánh sáng Candela Cd 2. Các đại lượng cơ học Tốc độ mét trên giây m/s Gia tốc mét trên giây bình phương m/s2 Năng lượng và công Jun J Lực Niutơn N Công suất Watt W Năng lượng Watt giây Ws 3.Các đại lượng điện Lượng điện Culông C Điện áp: thế điện động Vôn V Cường độ điện trường Vôn trên mét V/m Điện dung Fara F Điện trở . Ôm  Điện trở riêng ôm trên mét /m Hệ số điện môi tuyệt đối Fara trên mét F/m 4. Các đại lượng từ Từ thông Vebe Wb 8
Cảm ứng từ Tesla T Cường độ từ trường Ampe trên mét A/m Điện cảm Henri H Hệ số từ thẩm Henri trên mét H/m 5. Các đại lượng quang Luồng ánh sáng Lumen lm Cường độ sáng riêng Candela trên mét vuông Cd/m2 Độ chiếu sáng lux lx Ngoài các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế Sl, người ta còn sử dụng các bội số và ước số của chúng. Các bội số và ước số thường dùng của các đơn vị đo thể hiện trong bảng 1.2. Bảng 1.2 Tên của Giá trị Kí hiệu Tên của Giá trị Kí hiệu ước số ước số bội số bội số picô 10-12 . p đề ca 101 da nanô 10-9 n hectô 102 h micrô 10-6  kilô 103 k mili 10-3 m Mêga 106 M centi 10-2 c Giga 109 G đêci 10-1 d Têra 1012 T Các ký hiệu bội số ước số được viết liền với kí hiệu đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất Ví đụ : Điện trở có giá trị là 2M = 2.106  Tụ diện có điện dung 3F = 3.10-6 F. c. Các chuẩn cấp 1 quốc gia Chuẩn cấp một được gọi là chuẩn bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn vị chính xác nhất của một quốc gia. Các chuẩn cấp một của các đơn vị cơ bản của các đại lượng vật lí cần phải có độ chính xác cao nhất, ổn định nhất, lại thuận tiện cho việc giữ và truyền chuẩn. Ngày nay người la có xu hướng sử dụng các hằng số vật lí để tạo ra các chuẩn. Các chuẩn này đợc gọi là “chuẩn lượng tử”. Các chuẩn Việt Nam hiện nay được đặt tại Trung tâm đo lường và tiêu chuẩn Quốc gia Nghĩa Đô - Hà Nội, định kì phải được so với các chuẩn quốc tế với mục đích bảo đảm độ chính xác của đơn vị đo ở nước ta. Có thể xem xét một số chuẩn cấp một quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ thống Sl. 1. Chuẩn đơn vị độ dài Nam 1960 ở hội nghị quốc tế thứ XI về mẫu và cân đã quyết định là: đơn vị đo độ dài là mét (viết tắt là m), độ dài của nó được thể hiện bởi độ dài của bước sóng ánh sáng. Mét là độ dài bằng 1650763,73 độ dài sóng phát ra trong chân không của nguyên tử Kripton 86, tương ứng với việc chuyển giữa các mức 2p10 và 5d5 . Theo định luật phát xạ của Plank, thì việc chuyển của nguyên tử từ mức năng lượng này đến mức năng lượng khác tương ứng với độ dài bước sóng và tần số nhất định mà tổ hợp của chúng xác định phổ của nguyên tử đó. Độ ổn định của độ dài sóng của một đường của phổ ấy rất cao. Vì vậy chuẩn cấp một quốc gia phải là một nguồn phát xạ Kriptôn 86. Tiếp đến là máy đo interferômét chuẩn số đo độ dài, đó là chuẩn thứ cấp. Một máy quang phổ kế để nghiên cứu nguồn phát xạ của các chuẩn. Sai số của chuẩn độ dài theo phương pháp này không vượt quá 1.10 -8. Ngoài ra sử 9
dụng kĩ thuật laze có thể chế tạo được những máy đo độ dài với sai số đạt tới 10-7 và nhỏ hơn nữa. 2. Chuẩn đơn vị khối lượng Kilôgram (viết tắt là kg) - là đơn vị khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilôgram quốc tế đặt tại trung tâm mẫu và cân quốc tế ở Pari. Các nước muốn có chuẩn cấp 1 đều phải chế tạo một mẫu y hệt như vậy. Ví dụ : Chuẩn của Cộng hoà liên bang Nga chế tạo năm 1883 là mẫu số 12. Là một khối hình trụ có chiều cao đúng bằng đường kính chế tạo từ hợp chất platin-iriđi (giống như chuẩn quốc tế). Chuẩn này được giữ ở nhiệt độ 20  3 0C và độ ẩm không khí 65 %. Năm 1954 khi kiểm tra lại chuẩn này có khối lượng là 1 + 8,5.10 -8 kg. Chuẩn kilôgram có độ ổn định rất cao. Sau 60 năm khối lượng của nó thay đổi chỉ 1,7.10-8 kg. Nhược điểm của chuẩn loại này là chỉ có một cái duy nhất nên việc truyền chuẩn sẽ gặp khó khăn. Vì vậy mà ngày nay người ta tìm cách khác tạo ra chuẩn bằng cách đếm số lượng phân tử của vật chất (ví dụ nước) trong điều kiện chân không cao, của một số thể tích nhất định sau đó nén và hoá lỏng nó. Qua số lượng các phân tử ta có thể xác định được khối lư- ợng. Tất nhiên ta phải tạo được một loại nước siêu sạch. Cũng có thể dùng cách khác : điện áp và dòng điện có thể xác định qua các hằng số vật lí. Theo hai đại lượng này có thể xác định năng lượng mà có thể biểu diễn thông qua khối lượng. Như thế khối lượng có thể tạo ra dựa trên các phương trình vật lí cơ bản theo các hằng số vật lí. Sai số của chuẩn cấp một về khối lượng phải đạt 2.10-9 kg. 3. Chuẩn đơn vị thời gian Đơn vị thời gian - giây (viết tắt là s) là đơn vị đã được xác định từ xa xưa ở Babilon người ta đã chia ngày ra giờ, giờ ra phút, và phút ra giây. 1 Năm 1960 đã xác định lại định nghĩa về giây là đại lượng bằng của 31556925,9747 năm 1900. Đến năm 1967 ở hội nghị quốc tế thứ XIII về mẫu và cân quy định: Đơn vị thời gian - giây là khoảng thời gian của 9192631770 chu kì phát xạ tương ứng với thời gian chuyển giữa hai mức gần nhất ở trạng thái cơ bản của nguyên tử Xêzi 133. Sự ổn định của tần số chuẩn Xêzi được bảo đảm bởi sự không đổi của năng lượng chuyển của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng này đến trạng thái năng lượng khác khi không có từ tr- ường ngoài. Sai số của chuẩn cấp một phải nhỏ hơn 3.l0 -12s. 4. Chuẩn đơn vị dòng điện. Bắt đầu từ hội nghị thứ IX về chuẩn và cân đưa ra quyết định về: ampe chuẩn đơn vị dòng điện như sau : Ampe - viết tắt là A, là lực sinh ra của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng có thiết diện tròn không đáng kể đặt song song với nhau, cách nhau 1 m. trong chân không. Lực này bằng 2.10-7 N trên mỗi mét chiều dài. Thiết bị để tạo ra dòng điện chuẩn là cân dòng điện (xem ~2-4) Sai số của chuẩn dòng điện có thề đạt tới 4.10-6 A. 5. Chuẩn đơn vị nhiệt độ Đớn vị của nhiệt độ là Kelvin viết tắt là K đã được thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân lần thứ XII - đó là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần của nhiệt độ đông của điểm thứ ba của nước . Điểm thứ ba của nước là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng và hơi. 10
Cùng với nhiệt độ tuyệt đối K còn dùng khái niệm nhiệt độ Xensin 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ K và nhiệt độ 0C như sau : t0C = T K - 273,15 K t - nhiệt độ Xensin 0C T - nhiệt độ Kelvin K 273,15 K - là nhiệt độ của điểm tan của băng theo Kelvin. 6. Chuẩn đơn vị cường độ ánh sáng Đơn vị cường độ ánh sáng là Candela viết tắt là Cd - đó là cường độ ánh sáng toả ra từ bề mật của một diện tích bằng l/600000 m2 theo phương vuông góc với bề mặt ấy khi nhiệt độ nguồn phát sáng bằng nhiệt độ đông đặc của platin và áp suất bằng 101325 Pa , ( 1 atm = 1,01.105 Pa) . Nguồn phát sáng trong chuẩn ánh sáng là ống bằng tôri ôxit đựng platin nóng chảy Sai số của chuẩn phải không quá 2.10-3 Cd. 7. Chuẩn đơn vị số lượng vật chất Đơn vị số lượng vật chất là mol trước đây được coi là khối lượng và được tính bằng gam bằng trọng lượng phân tử. Ngày nay người ta quan niệm rằng mol dựa trên cơ sở cấu trúc rời rạc của vật chất (vật chất bao gồm các phân tử, nguyên tử v.v.) bao gồm một số nhất định các phân tử cơ bản ấy tạo thành. Ví dụ mol có thể được quy định như là số các phân tử hay nguyên tử chẳng hạn. Cho nên cần thiết phải đưa ra khái niệm đơn vị số lượng vật chất trong thực tế đo lường và tính toán. Năm 1971 ở hội nghị quốc tế lần thứ XIV về mẫu và cân quy định là Mol là số lượng vật chất có chứa bao nhiêu phân tử (hay nguyên tử, các hạt) thì bấy nhiêu nguyên lử chứa ở trong 12C với khối lượng là 0,012kg. Ta có thể tạo ra đơn vị số lượng vật chất bằng cách đốt các bon (than). Khi đốt 0,012kg 12C trong ôxi sạch ta nhận được đúng bằng 1 mol phân tử khí ôxít các bon. Như vậy mol có liên quan đến đơn vị khối lượng là gram (g) và có thể thay thế cho gram khi cần thiết. Tương tự như vậy kilomol có thể thay thế cho kg. 1.2 . CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐO LƯỜNG Trong kĩ thuật đo lường có chứa đựng các đặc trưng sau đây: đại lượng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận, kết quả đo Các đặc trưng này là những yếu tố cần thiết không thể thiếu được của kĩ thuật đo lường sau đây chúng ta sẽ xét từng đặc trưng một 1.2.l. Đại lượng đo a. Định nghĩa: Đai lượng đo là một thông số đặc trưng (đại lượng vật lí cần đo). b. Phân loại : + Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành hai loại là đại lượng đo định trước và đại lượng đo ngẫu nhiên - Đại lượng đo định trước là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng nhưng một (hoặc nhiều) thông số của chúng chưa biết cần phải đo. Ví dụ: Cần phải đo độ lớn (biên độ) của tín hiệu hình sin . Đại lượng đo định trước thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số cần đo thường là biên độ, tần số, góc pha v.v. của tín hiệu đo. - Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. 14 11
Nếu ta lấy bất kì giá trị nào của tín hiệu thì ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế đa số các đại lượng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết (tức là đại lượng đo định trước), hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm. Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo được bằng các phép đo thông thường. Trong trường hợp này phải sử dụng một Phương pháp đo đặc biệt, là đo thống kê + Theo cách biến đổi đại lượng đo, có thể chia thành đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tương tự, đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số hoá . - Đại lượng đo tương tự là đại lượng có thể biến đổi thành đại lượng khác biến đổi tương ứng - Đại lượng đo số hoá là đại lượng biến đổi từ đại tương tự thành đại lượng số, dùng đụng cụ đo số để xác định. + Theo bản chất của đại lượng đo có thể chia thành : - Đại lượng đo động : Các đại lượng này được đo khi mạch hoạt động như sức điện động, điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng , từ thông, cường độ từ trường - Đại lượng đo tĩnh : là các đại lượng chỉ các thông số của mạch điện không có điện, như đo điện trở. - Đại lượng không điện : để đo bằng phương pháp điện phải biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện thông qua các bộ biến đổi đo lường sơ cấp. Từ đó nhận sự thay đổi của các đại lượng không điện. 1.2.2. Điều kiện đo Các thông tin đo lường bao giờ cũng có liên hệ với môi trường xung quanh . Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo. Ta lấy một ví dụ sau : U Để đo cường độ dòng điện ta dùng ampemét, (hình 1.1). Dòng điện cần đo là I = . R Hình 1.1. Đo dòng điện Nhưng khi mắc ampemét vào để đo vì điện trở của ampemét là RA cho nên dòng điện thực tế đo được sẽ là: U Iđo = R  RA Vậy sai số của phép đo sẽ là: 12
U U  I  I R  RA R R  = do   A I do U R R  RA Như vậy muốn cho phép đo dòng điện được chính xác thì RA phải có giá trị rất nhỏ. Vậy điều kiện để đo dòng điện là RA phải càng nhỏ càng tốt. Ngoài ra ta phải chú ý đến môi tr- ường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trường ngoài là: nhiệt độ, độ ẩm của không khí, từ trường bên ngoài, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn v.v. Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn bảo đảm độ chính xác quy định. Đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các đặc tính kĩ thuật của nó. Trong thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đó đi xa, tự động ghi lại và gia công tín hiệu đo. Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau. Để chọn thiết bị đo và tiến hành các phép đo cho tốt nhất. 1.2.3. Thiết bị đo và phương pháp đo Thiết bị đo là bộ phận dùng để thu nhận tín hiệu mang thông tin đo lường và biến đổi chúng thành dạng thuận tiện cho người quan sát. Thiết bị đo lường gồm nhiều loại đó là: thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường, các tổ hợp thiết bị đo lường và các hệ thống thông tin đo lường. Mỗi loại thiết bị đều có chức năng riêng . Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các ph- ương pháp thu nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nhau đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu v.v...Phương pháp đo có thể có nhiều, nhưng người ta đã phân loại thành hai loại đó là phương pháp đo biến đổi thẳng, và phương pháp đo so sánh. 1.2.4. Người quan sát Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo là phải nắm đ- ược phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng; kiểm tra điều kiện đo; phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp; chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn sau cùng là nắm được các phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công (có thể bằng tay hay dùng máy tính) số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê. 1.2.5. Kết quả đo Kết quả đo là các số liệu thu được sau phép đo. Đó là tập hợp các số liệu gần với giá trị thực nên được gọi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Nghĩa là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo. Đó là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng. Sai số của phép đo có một vai trò rất quan trọng trong kĩ thuật đo lường. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không . 13
Có nhiều nguyên nhân gây nên sai số. Trước hết là do phương pháp đo không hoàn thiện. Sau đó là do sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài những điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo đã chọn. Ngoài ra còn những yếu tố khác nữa như do dụng cụ đo không còn đảm bảo chính xác nữa, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách sắp đặt dụng cụ do không đúng quy định v.v. Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi, ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Việc gia công kết quả đo, theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng máy tính hay bằng tay, để dạt được kết quả mong muốn. 1.3. THIẾT BỊ ĐO. 1.3.1. Phân loại thiết bị đo a. Căn cứ vào dạng tín hiệu của bộ chỉ thị : Bộ chỉ thị thông dụng nhất là đồng hồ. Có thể chia đồng hồ thành hai loại : Đồng hồ đo liên tục (tương tự): Là loại đồng hồ mà số chỉ của nó là hàm số liên tục của sự biến đổi đại lượng cần đo, đặc tính của nó được thể hiện trong, hình1.1.a Đồng hồ đo gián đoạn (số): Là loại đồng hồ mà số chỉ của nó chỉ trùng với số chỉ của đối tượng tại những thời điểm nhất định (thời điểm chích mẫu) và có số chỉ thường được biểu diễn dạng chữ số, đặc tính của nó được thể hiện trong , hình1.1.b t(0C) t(0C) Trị thực Trị thực Trị đo Trị đo  1 2  Hình 1.1a Hình 1.1b b. Căn cứ vào cách phản ánh trị số cần đo của bộ chỉ thị: + Đồng hồ chỉ thị: Là loại đồng hồ mà có thể xác định bằng mắt các chỉ số, tham số cần đo (vệt sáng, kim chỉ….) bao gồm hai loại: - Loại cố định: là loại đồng hồ được gắn cố định trong bảng, tủ điều khiển - Loại di động: là loại đồng hồ có thể xách tay(loại lưu động) + Đồng hồ tự ghi: Là đồng hồ có bộ phận tự ghi lại các trị số tức thời của tham số cần đo, ghi lại bằng đồ thị hàm số của thời gian trên băng giấy hoặc đĩa từ. 14
+ Đồng hồ tích phân: Là loại đồng hồ cho giá trị tổng cộng của tham số cần đo trong một khoảng thời gian nào đó, thường được dùng để đo lưu lượng vật chất (dầu, nước, hơi…). + Đồng hồ tín hiệu : Là loại đồng hồ cho ta tín hiệu ánh sáng hoặc âm thanh khi tham số cần đo đi vượt ra ngoài 1 giá trị nào đó. Tuỳ theo điều kiện cụ thể khi sử dụng mà có thể kết hợp nhiều loại đồng hồ với nhau. c. Căn cứ vào công dụng: + Đồng hồ chuẩn: Là những đồng hồ dùng cho mục đích giữ chuẩn quốc gia và được chia thành các cấp khác nhau như đồng hồ chuẩn cấp I, cấp II, cấp III. + Đồng hồ mẫu: Là những loại đồng hồ có cấp chính xác kém hơn đồng hồ chuẩn , dùng làm mẫu cho các đồng hồ làm việc. + Đồng hồ làm việc: Là các loại đồng hồ kỹ thuật dùng trên cơ sở sản xuất hay trong thí nghiệm, kiểm tra… Ngoài ra người ta còn căn cứ vào kích thước hay tham số cần đo để phân loại đồng hồ. 1.3.2. Các tham số đặc trưng cho phẩm chất của đồng hồ. a. Sai số và cấp chính xác. + Sai số tuyệt đối:  = Ac -Ađ (1.2) trong đó :  - là sai số tuyệt đối ứng với số đo đó của đồng hồ. Ac - là chỉ số chỉ của đồng hồ. Ađ - là chỉ số đúng của đồng hồ. + Sai số tương đối:  AC  Ad 0   (1.3) d Ad do Ađ thường không xác định được vì phải dùng đồng hồ có cấp chính xác cao hơn vài lần nên người ta đưa ra 0’   '0  .100% (1.4) C + Sai số qui dẫn (tính đổi)    .100% (1.5) A max  A min trong đó: Amax : hạn đo trên của đồng hồ Amin : hạn đo dưới của đồng hồ Amax-Amin: khoảng đo của đồng hồ 15
+ Cấp chính xác: Để đánh giá mức độ chính xác người ta đưa ra khái niệm cấp chính xác “ k ” của đồng hồ. Người ta gọi theo số chỉ sai số qui dẫn lớn nhất của đồng hồ. Ví dụ : % = 1,5%  cấp chính xác k = 1,5 Theo TCVN: (1 ; 2 ; 2,5 ; 4 ; 5 ; 6).10n ; cấp chính xác: k = 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 2,5 + Sai số cho phép: Là sai số lớn nhất của đồng hồ mà ở điều kiện bình thường sai số của bất kỳ vạch chia độ nào không được phép vượt quá theo tiêu chuẩn cho phép để giữ được cấp chính xác của đồng hồ. + Sai số cơ bản: Là sai số của đồng hồ khi làm việc trong điều kiện bình thường(điều kiện này thường được qui định trong lý lịch của đồng hồ). + Sai số phụ: Là sai số do điều kiện đo lường biến đổi khác với điều kiện bình thường gây nên. Chú ý: Giá trị đúng của đồng hồ thường không được lấy chính xác nên phải cộng thêm số bổ chính của đồng hồ vào trị số chỉ của đồng hồ và nó có giá trị bằng trái dấu của sai số tuyệt đối. Ac + b = A đ (với b = -) b .Biến sai (Hồi sai). Biến sai là độ sai lệch lớn nhất giữa các lần đo khi đo nhiều lần cùng một tham số cần đo trong cùng một điều kiện đo lường như nhau (thông thường biến sai được tính theo % so với khoảng đo của đồng hồ). Ví dụ : t1 = 100,22 ; t2 = 99,62 ; t3 = 99,82 ta có biến sai trong trường hợp này là: 100,22 - 99,62 = 0,6 % Tất nhiên biến sai không được vượt quá sai số cho phép của đồng hồ. Đây là tính chất đặc trưng cho độ ổn định số chỉ của đồng hồ, nguyên nhân làm xuất hiện là do các khe hở trong các đồng hồ bộ phận làm việc trong đồng hồ, do ma sát, do ảnh hưởng của độ không cân bằng các phần tử và ở các đồng hồ điện tử thì do sự trôi các “điểm không ” . c. Độ nhạy Đặc tính tĩnh: Biểu thị quan hệ giữa chế độ ra và vào của đồng hồ. Đặc tính động: Biểu thị sự thay đổi tín hiệu vào và ra theo thời gian. Độ nhạy (ký hiệu S) : y S  lim (1.6) x 0 x Nếu gọi C là gía trị của 1 độ chia trên thước chia độ thì: 16
1 (1.7) C S Khi thiết kế chú ý sao cho đường đặc tính tĩnh càng dốc càng tốt. Độ nhạy không phụ thuộc vào cấp chính xác của đồng hồ vì nếu cấp chính xác càng cao thì độ nhạy càng kém. d. Hạn không nhạy - Là mức độ biến đổi nhỏ nhất của tham số cần đo để cho bộ phận chỉ thị bắt đầu làm việc. - Nguyên nhân: Do những vấn đề liên quan đến quán tính, ma sát, hệ số khuếch đại của hệ thống. e. Kiểm định tính năng làm việc của đồng hồ. Các đồng hồ sau một thời gian làm việc và sử dụng thì phải được kiểm tra lại xem có đủ chất lượng làm việc không. Thực chất là so sánh số chỉ của đồng hồ mẫu với đồng hồ có cấp chính xác cao hơn để kiểm tra chất lượng của nó. Qui trình phải được tuân theo TCVN và kết quả cũng phải được ghi theo mẫu của TCVN. 1.3. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 1.3.1. Sai số của phép đo Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây nhiều sai số. Những sai số này gây ra bởi những yếu tố sau: - 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 lợng đo mà có sai số. Đó là sai số của phép đo. Nhưng giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, cho nên khi đánh giá sai số của phép đo thường ta sử dụng giá trị thực Xth là giá trị đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó. Tức là ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo. Xác định sai số của phép đo tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo - là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học. Ta có thể phân loại sai số của phép đo như sau: a. Theo cách thể hiện bằng số có thể chia thành: 1. Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth X = X – Xth (1.9) 2. Sai số tương đối x được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực  X  X  x =  100   .100 (1.10)  X th   X  17
Vì Xth và X gần bằng nhau. Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo. Sai số tính được có dấu dương (+) nghĩa là kết quả đo được vượt quá giá trị thực. 3. Độ chính xác của phép đo được định nghĩa như là một đại lượng nghịch đảo của môđun sai số tương đối: X th 1 =  (1.11) X  Sai số của phép đo bằng 10-5 thì độ chính xác bằng 105. b. Theo nguồn gây ra sai số có thể chia thành : 1. Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác của biểu thức lý thuyết dẫn tới kết quả đo bị sai. Sai số phương pháp bao gồm sai số do sự tác động của dụng cụ đo lên đối tượng đo, sai số liên liên quan đến sự không chính xác của các thông số của các đối tượng đo vv… 2. Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó có liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo 3. Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng . Ví dụ do mắt kém , đọc lệch , do lơ đãng , do cẩu thả vv… Khi dùng dụng cụ đo hiện số, sai số này giảm bớt ít mắc phải 4. Sai số bên ngoài ( hay sai số khách quan):là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo . Ví dụ sự biến động của nhiệt độ , áp suất, độ ẩm của môi trường bên ngoài vượt quá điều kiện tiêu chuẩn c. Theo quy luật xuất hiện của sai số có thể chia thành các loại : 1. Sai số hệ thống Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng . Quy luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kì hay theo một quy luật phức tạp nào đó Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh "0" không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm đo v.v… Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác . Việc phân tich các nguyên nhân có thể xuất hiện sai số hệ thống tức là tìm phương pháp phát hiện và loại trừ chúng là một trong những nhiệm vụ cơ bản của mỗi phép đo. Việc phát hiện sai số hệ thống là phức tạp, nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không khó khăn. Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách phân tích lí thuyết ; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; kiểm chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau , sử dụng Phương pháp thế ; sử dụng 18
cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một 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 qủa đo nhằm loại bỏ s ai số hệ thống Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống Trong thực tế không thể loại bỏ hoàn toàn sai số hệ thống. Việc gỉam ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện được bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên 2. Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất . Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lí thuyết xác suất. Sai số ngẫu nhiên còn chứa cả sai số thô là loại sai số vượt quá kì vọng toán học của sai số trong điều kiện đã cho. Nó thường xuất hiện khi có sự thay đổi rất lớn các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Còn các sai số quá lớn làm thay đổi hẳn kết quả đo thường do đụng cụ đo bị hỏng, do sai lầm của người thao tác thường được loại trừ ngay khi xử lí kết quả đo. Như vậy sai số của phép đo gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên , thay đổi một cách ngẫu nhiên khi đo nhiều lần cùng một giá trị đại lượng đo và sai số hệ thống  là thành phần sai số không đổi hay thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần. Trong quá trình đo các sai số hệ thống và ngẫu nhiên xuất hiện đồng thời và sai số phép đo được biểu diễn dưới dạng tổng của hai thành phần đó: X =  +  (1.12) Để nhận được các kết quả sai lệch ít nhất so với giá trị thực của đại lượng đo người ta tiến hành đo đại lượng đo nhiều lần và thực hiện gia công toán học các số liệu nhận được sau khi đo. 1.3.2. Tính toán sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên xuất hiện khi đo nhiều lần một điểm đo, nghĩa là khi thực hiện phép đo theo cùng một phương pháp bằng những thiết bị có độ chính xác như nhau với điều kiện bên ngoài không đổi. Dựa vào số lớn các giá trị đo được ta có thể xác định quy luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên nhờ sử đụng các phương pháp toán học thống kê và lí thuyết xác suất. Nhiệm vụ của việc tính toán sai số ngẫu nhiên là phát hiện sự biến động của kết quả nhận được tức là chỉ rõ giới hạn thay đổi của sai số của kết quả đo khi nhắc lại phép đo nhiều lần. Đặc tính chung nhất cho sai số ngẫu nhiên và đại lượng ngẫu nhiên bất kì nào là luật phân bố xác suâí của chúng, nó được xác định bởi các giá trị có thể của sai số ngẫu nhiên và xác suất xuất hiện của chúng. Phần lớn các phép đo các đại lượng vật lí có sai số ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối chuẩn luật Gauxơ (Gauss). Nó dựa trên giả thiết: các sai số ngẫu nhiên có cùng giá trị (độ lớn) thì có cùng xác suất ; có giá trị nhỏ thì xác suất xuất hiện lớn và giá trị lớn thì xác suất nhỏ. Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó thì xác suất xuất hiện sẽ hầu như bằng không và giá trị trung bình của tất cả sai số ngẫu 19