TS. NGUYỄN HỮU CÔNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
1
LỜI GIỚI THIỆU
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để
có kết quả bằng số so với đơn vị.
Vi nh ngha trên thì o lng là quá trình thc hin ba thao tác
chính: Bin i tín hiu và tin tc.
- So sánh vi n v o hoc so sánh vi mu trong quá trình o
lng.
- Chuy
n n v, mã hoá có kt qu bng s so vi n v.
Cn c vào vic thc hin các thao tác này ta có các phng pháp và
h thng o khác nhau.
Thiết bị đo và thiết bị mẫu
Thit b o là mt h thng mà i lng o gi là lng vào, lng
ra là i lng ch trên thit b (là thit b o tác ng liên tc) ho
c là
con s kèm theo n v o (thit b o hin s). ôi khi lng ra không
hin th trên thit b mà a ti trung tâm tính toán thc hin các
Algorithm k thut nht nh.
- Thit b mu dùng kim tra và hiu chnh thit b o và n v
o.
Theo quy nh hin hành thit b mu phi có chính xác ln hn ít
nh
t hai cp so vi thit b kim tra.
Ví dụ: Mun kim nh công t cp chính xác 2 thì bàn kim nh
công t phi có cp chính xác ít nht là 0,5.
1.1.2. Phân loại
1.1.2.1. Thiết bị đo lường
Có nhiu cách phân loi song có th chia thit b o lng thành hai
loi chính là thit b o chuyn i thng và thit b o kiu so sánh.
3
- Chuyn i chun hoá: Có nhim v bin i mt tín hiu in phi
tiêu chun thành tín hiu in tiêu chun (thông thng U = 0 ÷ 10V;
I = 4 ÷ 20mA).
Vi loi chuyn i này ch yu là các b phân áp, phân dòng, bi
n
in áp, bin dòng in, các mch khuch i... ã c nghiên cu k
các giáo trình khác nên ta không xét.
4
- Chuyn i s cp (S: Sensor): Có nhim v bin mt tín hiu
không in sang tín hiu in, ghi nhn thông tin giá tr cn o. Có rt
nhiu loi chuyn i s cp khác nhau nh: chuyn i in tr, in
cm, in dung, nhit in, quang in...
1.1.2.3. Tổ hợp thiết bị đo
Vi m
t thit b c th (mt kênh):
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống đo một kênh
+ Chuyn i o lng: bin tín hin cn o thành tín hiu in.
+ Mch o: thu nhn, x lý, khuch i thông tin.... bao gm: ngun,
các mch khuch i, các b bin thiên A/D, D/A, các mch ph...
+ Ch th: thông báo kt qu cho ngi quan sát, thng gm ch th
s và ch th c in, ch th t ghi, v.v...
1.1.2.4. Vớ
i hệ thống đo lường nhiều kênh
Trng hp cn o nhiu i lng, mi i lng o mt kênh,
nh vy tín hiu o c ly t các sensor qua b chuyn i chun hoá
ti mch iu ch tín hiu mi kênh, sau ó s a qua phân kênh
(multiplexer) c sp xp tun t truyn i trên cùng m
i
là nhy ca khâu th i trong thit b.
1.2.2. Hệ thống đo kiểu so sánh
Trong thit b o kiu so sánh i lng vào x thng c bin i
thành i lng trung gian y
X
qua mt phép bin i T:
y
X
= T.x.
Hình 1.3. Hệ thống đo kiểu so sánh
Sau ó y
X
c so sánh vi i lng bù y
k
Ta có: y = y
X
- y
k
Có th cn c vào thao tác so sánh phân loi các phng pháp o
khác nhau.
1.2.2.1. Phân loại phương pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng
a) Phương pháp so sánh kiểu cân bằng (Hình 1.4)
Trong phng pháp này, i lng vào so sánh: y
X
= const; i
lng bù y
k
= y
0
.t
Xi lng cn o y
X
c bin thành khong thi gian t
X
ây phép
so sánh phi thc hin mt b ngng
8
b) Phương pháp mã hoá tần số xung
Trong phng pháp này i lng vào y
X
cho tng t l vi i lng
cn o x và khong thi gian t: y
X
= t.x, còn i lng bù y
k
c gi
không i.
Hình 1.7. Phương pháp mã hoá tần số xung
Ti im cân bng có:
0
(1-6)
xác nh c im cân bng, phép so sánh cng phi thc hin
mt b ngng:
Ngoài ra còn phng pháp mã hoá s xung ngc, phng pháp m
xung, phng pháp trùng phùng.
1.3. Các đặc tính của thiết bị đo
1.3.1. Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của thiết bị đo
1.3.1.1. Độ nhạy và ngưỡng độ nhạy
Ta bit phng trình c bn ca thit b o là z = f(x). có mt s
ánh giá v quan h gia lng vào và lng ra ca thit b o, ta dùng
khái nim v
nhy ca thit b:
trong ó: ∆z là bin thiên ca lng ra và ∆x là bin thiên ca lng
vào.
Nói chung S là mt hàm ph thuc x nhng trong phm vi ∆x nh
thì S là mt hng s. Vi thit b có quan h gia lng vào và lng ra
là tuyn tính, ta có th vit: z = S.x, lúc ó S gi là nhy tnh ca thit
10
b o.
Trong trng hp thit b o gm nhiu khâu bin i ni tip thì
nhy c tính
∏
=
=
n
1i
trong ó x
i
là kt qu ca ln o th
x
là giá tr úng ca i lng o
11
δ
i
là sai lch ca ln o th i
- Sai s tuyt i ca mt thit b o c nh ngha là giá tr ln
nht ca các sai lch gây nên bi thit b trong khi o:
- Sai s tuyt i chùn ánh giá c tính chính xác và yêu cu công
ngh ca thit b o. Thông thng chính xác ca mt phép o hoc
mt thit b o c ánh giá bng sai s tng i:
+ Vi mt phép o, sai s tng i c tính
+ Vi mt thit b o, sai s tng i c tính
Giá tr,
γ
% gi là sai s tng i quy i dùng sp xp các thit
b o thành các cp chính xác.
Theo quy nh hin hành ca nhà nc, các dng c o c in có
cp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4.
Thit b o s có cp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;
0,5; 1.
Khi bit cp chính xác ca mt thit b o ta có th xác nh c sai
V
là in tr ca volmet hoc phn t phn ng vi áp;
R
t
là in tr ti.
Ví dụ 1.2: Phân tích sai s ph khi o áp trên Hình 1.9.
+ Gi s cn kim tra in áp U
A0
.
Theo lý lch [ U
A0
] = 50 ± 2 (V).
+ Xét khi cha o (k m), ta có ngay:
U
A0
= 50 V.
+ Xét khi o (k óng).
13
Gi s R
V
= 100 kΩ. Vy in áp o c: U
v
= U
A0
= 33,3 V.
Sai s t 33 V tr lên 50 V chính là sai s ph v phng pháp do
nh hng in tr ca V sinh ra.
1.3.3. Các đặc tính động của thiết bị đo
Trong dng c o các sai s này phi nh hn mt giá tr cho phép
14
quy nh bi nhà nc. Gii tn ca dng c o là khong tn s ca i
lng vào cho sai s không vt quá giá tr cho phép.
Thi gian n nh hay thi gian o ca thit b là thi gian k t khi
t tín hiu vào ca thit b cho ti khi thit b n nh có th bit c
kt qu.
Chính da vào thi gian o c
a thit b này cho phép ta t ng ri
rc hoá i lng cn o o giá tr tc thi, sau ó dùng các phép gia
công toán hc hoc dùng phng tin phc hi li hoàn toàn hin
tng xy ra.
1.4. Gia công kết quả đo lường
Gia công kt qu o lng là da vào kt qu ca nhng phép o c
th ta xác nh giá tr úng c
a phép o ó và sai s ca phép o y.
Dng c o nào cng có sai s và nguyên nhân sai s rt khác nhau,
vì vy cách xác nh sai s phi tùy theo tng trng hp mà xác nh.
Hin nay ã dùng nhiu phng pháp khác nhau phép o m bo yêu
cu k thut ra.
1.4.1. Tính toán sai số ngẫu nhiên
- xác nh sai s ngu nhiên ta da vào phng pháp thng kê
nhiu kt qu o lng. Sai s ngu nhiên ca ln o th
i c tính
trong ó: x
i
là kt qu ln o th i;
Quá trình gia công c tin hành nh sau:
16
+ K vng toán hc c ly là trung bình cng ca n ln o
+ Phng sai ca sai s ngu nhiên c tính theo công thc BessE1
Nu ta ly kt qu là giá tr trung bình ca n ln o thì phng sai s
gim i
n
ln
+ Sai s ngu nhiên c tính:
trong ó k
st
là h s Student, nó ph thuc vào s ln thu thp n và xác
xut yêu cu p. H s k
st
c tra trong các s tay k thut: k
st
= f(n,p).
+ Kt qu o c tính:
()
1nn
x
n
1
x
k
nào có |δ
i
| ≥ 3σ thì phi loi b ln o ó và tính li t u vi (n - 1)
phép o còn li. Có th chng minh rng vic loi b ó ã m bo
tin cy 99,7%.
Ví dụ 1.3: Tính kt qu o và sai s ngu nhiên vi mt xác sut
17
áng tin p = 0,98 ca mt phép o in tr bng cu kép vi kt qu nh
sau (n v tính = mΩ):
140,25; 140,5; 141,75; 139,25; 139,5; 140,25; 140; 126,75; 141,15;
142,25; 140,75; 144,15; 140,15; 142,75. Bit sai s ngu nhiên có phân
b chun.
Bài làm:
So sánh các δ
i
= R
i
-
R
vi 3σ. Ta thy ln o th 8 phm phi sai
lm ln (δ
8
= R
8
-
R
≥ 3σ) nên ta b qua ln o này và tính li t u vi
13 ln o còn li. Ta lp bng sau:
Gi s có mt phép o gián tip i lng y thông qua các phép o
trc tip x
1
, x
2
,… x
n
: y =f(x
1
, x
2
,… x
n
)
Ta có:
Sai s tuyt i ca phép o gián tip c ánh giá
∆x
1
,∆x
2
,…∆x
n
: sai s tuyt i ca phép o các i lng trc tip
x
1
, x
2
,… x
Bài làm:
20
+ Sai s tuyt i ca ampemet là:
+ Sai s tuyt i ca volmet là:
+ Giá tr in tr theo phép o là:
+ Sai s tuyt i ca phép o in tr là:
+ Sai s tng i ca phép o in tr 21
Chương 2
CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ
2.1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện
2.1.1. Cơ sở chung
2.1.1.1. Khái niệm
C cu ch th là dng c o mà s ch ca nó là i lng t l vi
i lng o liên tc. Ch th c in là c cu ch th có tín hiu vào là
dòng in và tín hiu ra là góc quay ca kim ch th. i lng c
n o s
trc tip bin i thành góc quay ca kim ch th, tc là thc hin vic
chuyn i nng lng in t thành nng lng c hc làm quay kin
ch th i mt góc α: α = f(x), x là i lng vào.
C cu ch th c in bao gm hai phn: phn tnh và phn quay.
Tùy theo phng pháp bin
23
2.1.2.1. Các mômen tác đọng lên phần cơ cấu
a) Mômen quay
Khi có dòng in chy trong c cu ch th, thì trong nó s tích lu
mt nng lng in t, nng lng này c bin thành c nng làm
quay phn ng i mt góc nào ó, có ngha là thc hin mt công c
hc:
dA = M
q
dα
trong ó: dA là lng vi phân ca công c hc;
Mq là mômen quay;
dα là lng vi phân ca góc quay.
Theo nh lut bo toàn nng lng:
dW
e
= dA
dW
e
là lng vi phân ca nng lng in t
Vy
d
dW
M
e
q
=
b) Mômen phản
kim hay b phn cn du.
Mômen cn du c ch t
o sao cho có tr s t l vi tc quay
ca phn ng
vi p là h s t l ph thuc vào c im
cu to ca b phn cn du. T biu thc
trên ta thy khi phn ng v trí cân bng
thì
0
dt
d
=
, nh vy mômen cn du không
làm nh hng n kt qu o.
2.1.2.2. Phương trình cân bằng phần động của cơ cấu đo
Theo nh lut c hc i vi mt chuyn ng quay, o hàm bc
nht ca mômen ng lng theo thi gian bng tng các mômen tác
ng lên vt quay y.
trong ó: J là mômen quán tính phn ng;
ΣM
i
là tng các mômen tác ng lên phn ng ca c cu,
bao gm:
Thay các i lng trên vào phng trình, ta có:
Copyright: Tài liệu đại học ©