Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường

mở đầu Công nghệ đo lường là một trong những yếu tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại và phát triển kinh tế xã hội, làm cơ sở thống nhất hoá các chuẩn mực và tiêu chuẩn trong hệ thống quản lý chất lượng tiến tới ký kết các hiệp ước thừa nhận lẫn nhau đang là xu thế phát triển tất yếu của thời đại. Phát triển kỹ thuật và công nghệ đo lường là nhiệm vụ bức thiết đối với mỗi quốc gia trong bối cảnh hiện nay, góp phần tăng cường giao lưu sản phẩm hàng hoá và thúc đẩy quá trình phát triển khoa học kỹ th

doc76 trang | Chia sẻ: huyen82 | Lượt xem: 1230 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt tài liệu Xây dựng và đánh giá một số dụng cụ kỹ thuật đo lường, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
uật công nghệ. Cùng với sự phát triển củacác ngành khoa học điện tử, tin học v.v… kỹ thuật đo lường không ngừng được phát triển và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đào tạo và nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao chất lượng và mở rộng qui mô đào tạo. Việt Nam là một trong những nước đang phát triển có nền kinh tế lạc hậu, do vậy việc đầu tư phát triển khoa học kỹ thuật đo lường và các ngành khoa học công nghệ mũi nhọn là việc làm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, cấp bách mang tính chiến lược trong việc thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá nước nhà góp phần tăng cường sự quản lý của nhà nước về tiêu chuẩn chất lượng trong toàn bộ nền kinh tế–xã hội, theo hệ thống tiêu chuẩn đo lường chất lượng thống nhất trên toàn lãnh thổ. Trong hệ thống các Trường Đại học của cả nước, Trường Đại Học Nông Nghiệp I Hà Nội có nhiệm vụ đào tạo cán bộ kỹ thuật và triển khai nghiên cứu khoa học kỹ thuật công nghệ góp phần đáp ứng nhu cấu phát triển nông nghiệp và hiện đại hoá nông thôn Việt Nam, tiến tới hoà nhập khu vực và quốc tế. Trước vận hội mới và thách thức mới của thời đại đòi hỏi trường phải có những bước nhảy vọt trong khoa học kỹ thuật công nghệ giáo dục và đào tạo, trong đó cần bổ xung và nâng cấp chiều sâu hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệp. Kết hợp giữa lý thuyết và thực hành không ngừng nâng cao chất lượng là mục tiêu đào tạo của nhà trường. Công tác đo lường thí nghiệm là nhu cầu tất yếu để tồn tại và phát triển của trường trong thời gian hiện nay và trong tương lai. Chuơng I Cơ sở lý luận về kỹ thuật đo lường 1.1. Khái quát chung ở các nước tiên tiến khoa học kỹ thuật công nghệ đo lường phát triển đạt trình độ cao đã hỗ trợ cho các ngành kinh tế phát triển làm tăng hiệu quả sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Làm cơ sở phát khoa học công nghệ đo lường điều khiển, công nghệ tự động hoá và phát triển các ngành khoa học kỹ thuật công nghệ có hiệu quả. Một trong những yếu tố chiến lược phát triển khoa học công nghệ giáo dục là phát triển ứng dụng kỹ thuật và công nghệ đo lường hiện đại theo các mô hình đo lường có ứng dụng kỹ thuật vi sử lý và máy tính phục vụ cho đào tạo và nghiên cứu trong hệ thống các trường Đại học. Kỹ thuật số đã cải thiện một bước đáng kể chất lượng đo lường. Các phương tiện đo được gọn nhẹ hơn, khả năng làm việc nhiều hơn, độ chính xác và độ tin cậy các phép đo cao hơn, có tốc độ nhanh và ổn định hơn v.v…có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy in v.v…. ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và các thiết bị ngoại vi ngày nay đã mở ra sự phát triển vượt bậc trong kỹ thuật và công nghệ đo lường chiếm một tỷ lệ khá lớn so với các lĩnh vực khác, hiện nay là phần tử quan trọng trong các hệ thống thông tin đo lường và điều khiển. Hệ thống thông tin đo lường có ứng dụng kỹ thuật vi xử lý có tốc độ đo và xử lý nhanh, cho phép thực hiện các phép đo tự động đồng thời nhiều kênh, độ tin cậy và độ chính xác cao v. v…được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động phân loại sản phẩm. Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật và trong quá trình điều khiển tự động v.v… Nhờ có hệ thống đo lường ứng dụng kỹ thuật vi xử lý người ta đã tạo ra các thiết bị đo thông minh nhờ cài đặt vào chúng các bộ vi xử lý hay vi tính đơn phiếm chúng có những tính năng hơn hẳn các thiết bị đo thông thường, có thể tự xử lý và lưu giữ kết quả đo, làm việc theo chương trình, tự động thu thập số liệu đo v.v… 1.2. Vai trò vị trí đo lường Công tác đo lường là một trong những yếu tố quyết định sự tồn tại, phát triển của đất nước nói chung và của trường ĐHNN I nói riêng trong tương lai. Góp phần nâng cao chất lượng đào taọ, phục vụ nghiên cứu khoa học, nghiên cứu triển khai, nâng cao tiềm lực khoa học kỹ thuật công nghệ tiến kịp trình độ trong khu vực và trên thế giới. Trường ĐHNN I coi công tác đo lường thực nghiệm và nghiên cứu khoa học là nhiệm vụ quan trọng góp phần thực hiện mục tiêu chất lượng đào tạo của trường. Thực hành thí nghiệm là nội dung bắt buộc đối với mỗi sinh viên rất được trú trọng trong công tác nghiên cứu triển khai và nghiên cứu khoa học của cán bộ và nghiên cứu sinh trong trường. Đo lường thực nghiệm phục vụ đào tạo, nghiên cứu triển khai bao hàm nhiều lĩnh vực Cơ Điện, môi trường đo như xác định: cơ, lý tính của đất, các chỉ tiêu sinh học của thực, động vật, các chỉ tiêu môi trường, các chỉ tiêu máy móc thiết bị v.v…được thực hiện thường xuyên ở càc bộ môn của các khoa, các trung tâm chuyên ngành, các cơ sở thực hành của trường. Trong thời gian học tập sinh viên của khoa Cơ Điện phải hoàn thành một khối lượng đo lường thực nghiệm trong thí nghiệm, thực hành khá lớn như ngành cơ khí chiiếm 41%, ngành điện chiếm 40%, ngành công nghiệp và công trình nông thôn 37%, đào tạo sau đại học và nghiên cứu sinh 12%, phục vụ đề tài nghiên cứu 25%. Để đáp ứng những nhu cầu trên trang thiết bị đo lưòng, đo lường Cơ Điện Nông Nghiệp phải thoả mãn các nhu cầu sau: - Phục vụ mục tiêu đào tạo của khoa Cơ Điện. - Phục vụ nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao kỹ thuật công nghệ tiến tới hoà nhập trong khu vực. - Phục vụ công tác nghiên cứu triển khai trong thiết kế chế tạo và thử nghiệm các mẫu máy, thiết bị Cơ Điện sử dụng trong sản suất nông nghiệp và chế biến nông sản. - Tham gia xác định các thông số của hệ thống điện phục vụ cho quy hoạch tổng thể, các chỉ tiêu kinh tế của lưới điện nông nghiệp hiện tại và trong tưong lai. - Phục vụ công tác nghiên cứu tiết kiệm và sử dụng các dạng năng lượng trong nông nghiệp và chế biến nông sản. - Kiểm tra tình trang kỹ thuật của ôtô, máy kéo. - Kiểm tra thử nghiệm các trang thiết bị điện trên ôtô, máy kéo. - Đo lường các đại lượng vật lý phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học của nhà trường. Têu chuẩn hoá công tác đo lường thực nghiệm theo pháp luận của nhà nước, tham gia quản lý chất lượng, kiểm định và đánh giá sản phẩm Nông nghiệp. Hệ thống trang thiết bị đo lường thử nghiệm của khoa Cơ Điện phải mang tính đồng đều, thuận lợi có tính năng kỹ thuật phù hợp không những cho đào tạo mà cả cho công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường có khả năng nối ghép với các thiết bị ngoại vi v.v… Đào tạo và bổ sung đội ngũ cán bộ kỹ thuật đủ mạnh và công tác quản lý sử dụng có hiệu quả. 1.3. Hiện trạng trang thiết bị đo lường cơ điện. Hệ thống trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện đang được sử dụng chủ yếu dựa trên mô hình đo lường tương tự (hình 1.1) để đo các đại lượng cơ học như kéo, nén, xoắn v.v… các đại lượng điện như: I, U, P v.v… các đại lượng môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất v. v… Đo lường thử nghiệm trang thiết bị điện trên ôtô, máy kéo. Được trang bị từ năm 1960 hầu hết các thiết bị đều của Liên Xô cũ và được bổ xung vào những năm 1980 và năm 1985. Mặc dù các thiết bị đã được nhiệt đới hoá xong, cho đến nay hầu hết đều đã bị hư hỏng hoặc qua sửa chữa. Tổ chức quản lý và sử dụng các trang thiết bị trên chủ yếu ở các bộ môn chuyên ngành và bảo quản theo các phòng thí nghiệm. 1.3.1. Phòng thí nghiệm kim loại – sửa chữa – Trực thuộc bộ môn kim loại sửa chữa. Phòng có các thiết bị máy móc như sau: Thiết bị đo độ bóng, độ cứng bề mặt của các chi tiết. Thiết bị tôi cao tần. Lò nung nhiệt độ cao. Kính hiển vi quang học. Một số dụng cụ đo phục vụ cho công tác sửa chữa. Các thiết bị trên một số bị hư hỏng, một số còn lại chất lượng không đảm bảo không thể đáp ứng được công tác đào tạo của khoa. 1.3..2 Phòng thí nghiệm sức bền vật liệu –Trực thuộc bộ môn Cơ học kỹ thuật được trang bị: Máy đo lực kéo, nén. Máy đo mômen quay. Một số dụng cụ đo chuyên dùng phục vụ cho các bài thí nghiệm đo ứng suất, biến dạng của vật liệu khi tiến hành thí nghiệm. Phòng thí nghiệm kỹ thuật điện –Trực thuộc bộ môn Cơ sở Kỹ thuật điện, phục vụ chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện, máy móc thiết bị rất đa dạng, nhiều chủng loại. Có thể phân thành các nhóm: Máy biến áp đo lường các loại. Các dụng cụ đo: A, V, P, Hz v.v… Các dụng cụ mẫu. Các thiết bị và dụng cụ trên có độ chính xác thấp, không còn đồng bộ và rất lạc hậu. Hiện nay phòng thí nghiệm chỉ phục vụ công tác thực tập và thí nghiệm của sinh viên mang tính chất cơ bản không thể thiếu trong đào tạo. 1.3.3. Phòng thí nghiệm cung cấp và sử dụng điện–Trực thuộc Bộ môn cung cấp điện, phòng phục vụ thực tập chủ yếu cho sinh viên chuyên ngành điện. Máy biến áp đo lường. Các dụng cụ đo:A, V, P, Hz v.v… Các dụng cụ mẫu. Máy hiện sóng. Thiết bị tự ghi. Thiết bị đo, đếm các thông số đường dây cao và hạ áp. Thiết bị đo chuyên dùng trong mạch đo lường bảo vệ. Hiện nay hầu hết các thiết bị trên đều bị hư hỏng hoặc quá lạc hậu gặp rất nhiều khó khăn trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học . 1.3.4. Phòng thí nghiệm Ôtô, máy kéo-Trực thuộc bộ môn ôtô, máy kéo, được trang bị: Hệ thống kiểm tra và chuẩn đoán kỹ thuật động cơ ôtô, máu kéo . Hệ thống kiểm tra các trang thiết bị điện trên ôtô và máy kéo. Thiết bị kiểm tra cung cấp nhiên liệu . Thiết bị kiểm tra hệ thống đốt cháy. Các dụng cụ đo chuyên dùng: V, A, N, v.v… Hiện nay hầu hết trang thiết bị trên đều hư hỏng hoặc đã qua sửa chữa, chỉ đáp ứng được một phần nhỏ công tác thực tập của sinh viên. 1.3.5. Phòng thực tập Thuỷ lực- Trực thuộc Bộ môn Máy nông nghiệp, phòng được trang bị: Thiết bị đo áp suất. Thiết bị đo lưu lượng. Thiết bị đo vận tốc. Một số thiết bị phục vụ cho công tác khảo nghiệm Máy nông nghiệp. Có thể mô tả hiện trạng trang thiết bị đo lường của khoa Cơ Điện theo sơ đồ hình1.1. Hầu hết các trang thiết bị đều thuộc mô hình đo lường tương tự, các thiết bị đo chủ yếu là loại cơ điện trong vùng thông số ổn định (tần số, biên độ v.v…) không thích ứng với công tác nghiên cứu khoa học, phần lớn đến nay đã lỗi thời hoặc qua sửa chữa nhiều lần không đáp ứng được nhu cầu hiện nay. Việc trang bị và nâng cấp hệ thống trang thiết bị đo lường cơ điện nông nghiệp của Khoa Cơ Điện sẽ đáp ứng đầy đủ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và nghiên cứu triển khai của khoa. Đáp ứng được công tác đo lường kiểm tra chất lượng tiến tới tham gia vào hệ thống tiêu chuẩn đo lường chất lượng nhà nước, tham gia quản lý chất lợng, kiểm định và đánh giá sản phẩm nông nghiệp. Tăng cường giao lưu kỹ thuật công nghệ với các nước trong khu vực và trên thế giới. Sử dụng điện Truyền điện Trạm điện Mạng điện BM cơ học KT BM kim loại sửa chữa BM ô tô máy kéo BM máy nông nghiệp Xưởng cơ khí Thiết bị dụng cụ đo và thử nghiệm các đại lượng: lực kéo, mômen...Các thiết bị phần lớn đã hư hỏng không đáp ứng được nhu cầu thực tập thí nghiệm Thiết bị đo vận tốc, lưu tốc, nhiệt độ...thiết bị kiểm tra các trang thiết bị điện trên ô tô, máy kéo. Thiết bị chuẩn đoán kiểm tra động cơ phần lớn đều do Liên Xô cũ chế tạo độ chính xác thấp, cồng kềnh...không đáp ứng nhu cầu hiện nay. Phòng thí nghiệm thực hành Điện tử Kỹ thuật điện TĐ hoá Máy điện Các thiết bị và dụng cụ đo điện kiểu cơ điện đo các đại lượng I, U, W, Wh, cos, f,...Thiết bị quan sát: Dao động ký điện từ ...Vùng làm việc ổn định (biên độ, tần số...) độ chính xác: từ 0.5 đến 2.5 điều kiện làm việc ổn định. Trang thiết bị đo lường Hệ thống trang thiết bị đo lường khoa Cơ Điện Hiện trạng hệ thống đo lường cơ điện Hình 1.1. Thiết bị đo khoa cơ điện 1.4. Kết luận: Qua những phân tích đánh giá về hiện trạng, xu thế phát triển, tầm quan trọng và nhiệm vụ của công tác đo lường trong việc nghiên cứu khoa học cho thấy “xây dựng và đánh giá dụng cụ đo lường trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật đo lường” là hoàn toàn đúng đắn và kịp thời phù hợp mục tiêu hiện đại hoá và công nghiệp hoá nền sản xuất nông nghiệp nói riêng và xu thế hội nhập kinh tế toàn cầu. 1.5. Hệ thống đơn vị đo lường và dẫn xuất chuẩn. Việc thành lập các đơn vị, thống nhất đơn vị đo lường là một quá trình lâu dài, biến động. Việc xác định đơn vị, tổ chức đảm bảo đơn vị tổ chức kiểm tra, xác nhận mang tính khoa học, kỹ thuật, tổ chức và pháp lệnh. Việc thống nhất quốc tế về đơn vị, hệ đơn vị v.v… mang tính chất hiệp thương và qui ước. Tổ chức quốc tế về đo lường học đã họp nhiều lần để thống nhất quốc tế về các đơn vị, hệ đơn vị và mẫu quốc gia và quốc tế về những đại lượng cơ bản, cho đến nay vấn đề đơn vị cơ bản, hệ thống đơn vị, các mẫu cơ bản và yêu cầu về các mẫu cơ bản cũng đã thống nhất với trình độ hiện nay. Hệ thống đơn vị đựơc thống nhất hiện nay là hệ thống thống nhất quốc tế SI. Hệ thống này chấp nhận những đơn vị cơ bản làm cơ sở để suy ra các đơn vị dẫn xuất khác, có bảy đại lượng được coi là đơn vị cơ bản: Bảng 1.1 Đại lượng Đơn vị Kí hiệu Chiều dài Mét M Khối lượng Kilôgam Kg Thời gian Giây S Dòng điện Ampe A Nhiệt độ độ kenlvin ok ánh sáng Candela Cd Đượng lượng Phần tử Môn Mol 4 đơn vị đầu tiên là cơ bản nhất vì vậy hệ SI còn gọi là hệ MKSA hợp lý hoá. Nước ta, theo nghị định 186/CP ký ngày 26 tháng 12 năm 1964, nhà nước Việt Nam công nhận và quy đinh hệ SI là hệ đơn vị hợp pháp của nước Việt Nam. Nghị định còn quy đinh các đơn vị dẫn suất dùng thống nhất trong nước. Gồm 102 đơn vị cho 72 đại lượng vật lý. Hệ thống đơn vị đo lường quốc tế SI ra đời vào năm 1954 và được bổ xung hoàn chỉnh năm 1960 đã hơn hẳn các hệ thống cũ như : Hệ mét, hệ CGS, hệ MTS v.v…[8], [9]. Để đảm bảo tính thông nhất trong đo lường trên toàn quốc pháp lệnh về đo lường của Nhà nước Việt Nam đã quyết định các đơn vị tiêu chuẩn Việt Nam phù hợp với hệ đơn vị đo lường quốc tế SI theo Bộ tiêu chuẩn quốc tế của Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO-31 với các đơn vị cơ bản (bảng1.1) Các đơn vị đo lường được lượng hoá thông qua các đơn vị chuẩn có độ chính xác cao mà khoa học có thể thực hiện được [8]. Dựa trên các đơn vị cơ bản này người ta đã đưa ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đon vị vật lý [8], [2], [5], sự liên quan giữa đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn suất dưạ trên những quy luật thể hiện bằng những công thức. ở Việt Nam chuẩn chuẩn Quốc gia do tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng quy định chế độ quản lý, đồng thời là cơ quan quản lý nhà nước về công tác đo lường [8]. Định kỳ các chuẩn quốc gia được đem so sánh với chuẩn quốc tế để luôn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của đơn vị đo. Chuẩn quốc tế: là chuẩn được hiệp định quốc tế công nhận làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên pham vi toàn thế giới [9] do Viện cân đo Quốc tế (BTPM) quản lý. Chuẩn Quốc gia : là chuẩn có chất lương cao nhất được một Quốc gia công nhận để làm cơ sở ấn định cho các chuẩn khác có liên quan trong một nước [8]. ở Việt nam các chuẩn quốc gia được lưu giữ tại Trung tâm đo lường và tiêu chuẩn Quốc gia. Chuẩn chính: là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể ở một địa phương hoặc một tổ chức nào đó mà phép đo ở đó đều được dẫn xuất từ chuẩn này [ 8 ],[ 9 ]. Chuẩn công tác: là chuẩn được dùng thường xuyên để kiểm tra hoặc hiệu chỉnh vật đo, các phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn, có thể phân loại chuẩn theo sơ đồ (phụ lục). Chuẩn Quốc tế và chuẩn Quốc gia được truyền tới các chuẩn thấp hơn thường được thực hiện một cách hệ thống theo kiểu mắt xích liên tục không gián đoạn đến các chuẩn công tác, các sản phẩm, đến các thiết bị đo lường v v…(phụ lục) Các chuẩn đo lường được định kỳ kiểm tra và hiệu chuẩn theo sơ đồ hiệu chuẩn (phụ lục) [8 ], [9 ]. 1.6. Mô hình quá trình đo lường Thông qua nguyên lý đo và phương tiện đo các đại lượng vật lý cần đo được xác định chính xác về mặt định lượng và được thể hiện kết quả bằng số so với đơn vị chuẩn của đại lượng cần đo kết quả đo được thể hiện bằng con số so với đại lượng đo của nó. Sau đây là một số các mô hình đo lường cơ bản. 1.6.1 . Mô hình đo lường tương tự. CĐSC MĐ HS TBPH TG CT X(t) 1 2 5 6 3 4 Y1 Y2 Mô hình tương tự với tín hiệu đo là những đại lượng liên tục (analog), phép đo chỉ thực hiện với tốc độ đo thấp, mắc sai số lớn v v… Hình 1.2 Mô hình đo lường Analog 1. Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC); 2. Mạch đo ( MĐ). 3. Cơ cấu chỉ thị tương tự. 4. Cơ cấu tự ghi cơ điện. 5. Máy hiện sóng 6. Thiết bị phối hợp phía sau (TBPH). Tín hiệu cần đo sau khi qua khâu chuyển đổi sơ cấp 1 (có thể là điện hoặc cơ điện) được biến đổi thành tín hiệu điện tương tự Y1 tới mạch đo 2 thành tín hiệu tương tự thống nhất hoá Y2, tín hiệu Y2 được đưa tới cơ cấu chỉ thị 3, cơ cấu tự ghi 4 và máy hiện sóng 5 hoặc các thiết bị phối hợp 6 ở phía sau. Với phương pháp chia cũ các vạch độ được chia đánh dấu trên mặt dụng cụ, đó là qui ước của con người được thực hiện một cách tự nhiên mang yếu tố chủ quan, quá trình đo chậm, tốc độ thấp. Thuận lợi trong đo lường trong thực hành, kiểm tra và trong công nghiệp. 1.6.2. Mô hình đo lường A/ D CĐSC TNH PC BN A/D 1 Y1 Y2 3 2 5 4 6 Y3 Quá trình đo lường thực hiện theo phương pháp biến đổi thẳng. Đại lượng cần đo X được đưa qua khâu biến đổi biến thành các số N trên cơ sở so sánh với đơn vị của đại lượng đo X0 , cũng được biến đổi thành số N0 và được nhớ lại. Kết quả được đọ c trực tiếp bằng các số chỉ trên bảng chỉ thị, sơ đồ khối nguyên cho ở hình1.3. Hình 1.3. Mô hình đo lường A/ D 1. Chuyển đổi sơ cấp; 2. Mạch biến đổi thống nhất hoá (BĐTNH) 3. Bộ biến đổi tương tự số (Analog-Digital) 4. Chỉ thịu kiểu số 5. Bộ nhớ (BN) 6. Máy tính (PC) Quá trình đo thực hiện ở khâu 1 và 2 diễn ra giống mô hình đo tương tự, tín hiệu thống nhất hoá I2 được đưa tới bộ biến đổi tương tự số (A/ D), tín hiệu Y3 đưa tới các bộ chỉ thị số 4, bộ nhớ số 5 và thiết bị thể hiện 6. Quá trình đã thực hiện phép ánh xạ đại lượng cần đo X (hay đại mẫu X0) là một hàm liên tục sang một tập hợp các số N (N0) mang tính rời rạc. Sơ đồ phối hợp các thao tác đo lường A/ D cơ bản trên hình 1.4. Thao cơ bản của quá trình đo bao gồm 4 bước chính sau: Đưa ra kết quả Nhớ No Đưa Xo vào thiết bị đo (có No) So sánh N/No Đưa X vào thiết bị đo (có N) Hình 1.4. Sơ đồ phối hợp thao tác mô hình đo lường A/D Bước 1: Đưa đại lượng mẫu vào thiết bị đo mã hoá thành tập hợp số N0 Bước 2: Bộ nhớ N0 Bước 3: Đưa đại lượng cần đo X vào thiết bị đo và mã hoá thành tập hợp số N Bước 4: So sánh tập số N/ N0, đưa kết quả ra bằng số ứng dụng kỹ trhuật số trong phép đo cho phép rút ngắn thời gian đo, tăng độ chính xác và độ tin cậy của kết quả, mở rộng vùng tham số đo (biên độ,tần số...) 1.6.3. Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý Mô hình đo lường có sử dụng vi xử lý giới thiệu ở hình 1.5 đánh dấu một bước phát triển của kỹ thuật và công nghệ đo lường, ngoài các tính năng đo nhanh, độ chính xác cao vv... có thể thực hiện dễ dàng việc biến đổi, xử lý tín hiệu và tự động hoá quá trình đo. Là cơ sở để xây dựng hệ thông tin đo lường. Y2 6 ĐK mP KĐTNH TBGN Sensor CTS A/D X(t) 3 2 1 7 4 5 Y3 Y1 Hình 1.5. Mô hình có sử dụng vi sử lý 1. Chuyển đổi sơ cấp; 2. Mạch khuếch đại thống nhất hoá (TNH); 3. Bộ biến đổi A/D; 4. Bộ vi xử lý; 5. Chỉ thị số (CTS); 6. Hệ thống điều khiển (HĐK); 7. Thiết bị ghép nối (TBGN). Tín hiệu đo sau khi chuyển đổi sơ cấp 1 là tín hiệu tương tự Y1, qua bộ khuếch đại thống nhất hoá 2 được Y2, tín hiệu tương tự chuẩn hoá Y2 (dòng từ o đến 24mA hoặc từ o đến 10 V) sau đó qua bộ biến đổi tương tự số 3 (A/ D) thành tín hiệu số đưa vào bộ vi xử lý 4 (mp). Để điều khiển bộ (mp) dùng bộ phát xung nhịp lấy từ bộ điều khiển 6. Thiết bị ghép nối vào ra 7 cho phép đưa thông tin ra màn hình hay máy in, hoặc lấy tín hiệu điều khiển từ bàn phím, kết quả đo được đưa tới cơ cấu chỉ thị số 5. 1.7. Mô hình hệ thống thông tin đo lường Hệ thống thông tin đo lường được định nghĩa là một tập hợp đầy đủ các phương tiện đo và các thiết bị khác liên kết lại để thực hiện những phép đo nhất định. Trong hệ thống đo vi xử lý làm nhiệm vụ thu thập số liệu và thực hiện hàng loạt các vấn đề như: phân lớp, xác định các chế độ đo, các đại lượng cần đo, phạm vi đo, trình tự đo, tìm ra các hệ số hiệu chỉnh và tự động xử lý kết quả đo trên máy vi tính mà các phép đo trước kia không thể thực hiện được. Sơ đồ chung một hệ thống thông tin đo lường hình 1.6 S2 Sn KĐTNH1 KĐTNH1 MUX Bus chung (Bus dữ liệu, Bus địa chỉ, Bus điều khiển) S1 KĐTNH1 KĐ S/H A/D RAM Đến các thiết bị ngoại vi Bàn phím Ghép nối thông tin ROM mP Hình 1.6. Hệ thống thông tin đo lường. Tín hiệu từ các bộ cảm biến (S) được đưa qua các chuyển đổi chuẩn hoá (C.Đ.C.H) đến các bộ kênh (MUX) tới bộ tích giữ mẫu (S/H), sau đó tín hiệu chuyển tới bộ khuyếch đại (KĐ) tới bộ chuyển đổi tương tự số (A/D). Trong hệ thống sử dụng vi sử lý (mP) để thực hiện các nhiệm vụ như: Xử lý thống kê, nén thông tin, thực hiện các phép biến đổi...vi xử lý kết hợp với các bộ nhớ cố định ROM và bộ nhớ thay đổi RAM các thông tin sau ADC được trao đổi với mP thông qua kênh BUS, đồng thời qua BUS điều khiển mP có thể điều khiển tất cả các khâu trong hệ thống. ở đầu ra tín hiệu có thể nối với các đối tượng khác như: Máy phát tín hiệu, máy điều khiển ... [1]. Hệ thống thông tin đo lường thể hiện bước phát triển nhảy vọt trong kỹ thuật và công nghệ đo lường không những khắc phục các nhược điểm và phát triển các ưu điểm của các mô hình đo lường trước mà còn cho phép đo được nhiều kênh trong cùng một thời gian, truyền đi xa... được ứng dụng rộng rãi trong đo lường-điều khiển tự động, trong nghiên cứu khoa học. 1.7.1.Hệ thống đo lường độc lập. CĐSC TNH PC BN A/D CT số 1 Y1 Y2 3 2 5 4 6 Y3 Đến các thiết bị phối hợp Được sử dụng để đo một đại lượng vật lý nào đó cho ra chỉ thị kết quả hoặc báo hiệu, có thể mô tả sơ đồ khối như hình 1.7. Hình 1.7. Mô tả hệ thống thông tin đo lường đập lập. Hệ thống thông tin đo lường độc lập về cơ bản quá trình đo cũng giống như mô hình đo lường A/D (1.6.2), chỉ khác hệ thống có thêm đầu ra Analog để phục vụ cho mục đích sử dụng ở phía sau: Điều khiển nhờ trên băng từ hoặc trên đĩa vv... 1.7.2. Hệ thống đo lường nối tiếp. Là hệ thống mà các đại lượng cần đo được truyền lần lượt trên một kênh duy nhất tới thiết bị thể hiện và bộ nhớ hoặc các thiết bị phía sau. Sơ đồ khối hình 1.8. s1 s2 sn KĐTNH1 KĐTNH2 KĐTNH3 PK TT và XL tbn cts đk N gười quan sát Hình 1.8. Hệ thống thông tin đo lường nối tiếp Trong sơ đồ tín hiệu tương tự của cảm biến (S) qua khuếch đại thống nhất hoá (KĐTNH) tới bộ phân kênh (PK), tại đây các đại lượng đo lần lượt được truyền tới bộ thu thập và xử lý thông tin (TTXL) trên một kênh duy nhất sau đó được đưa tới thiết bị thể hiện (CT) hoặc thiết bị nhớ (TBN). Tín hiệu sau bộ nhớ có thể được gửi đi xử lý tiếp. Nếu sử dụng bộ chỉ thị kiểu hiện số thì trước nó cần có bộ chuyển đổi tương tự số. Để điều khiển hệ thống làm việc có sử dụng hệ điều khiển, hệ điều khiển có thể được cài đặt theo một trương trình Angorit đã định trước hoặc trực tiếp do người sử dụng. Trong trường hợp các chuyển đổi chuẩn hoá cùng loại và có cùng một thang đo thì có thể dùng chung một chuyển đổi chuẩn hoá khi có bộ phân kênh được đưa về phía trước của chuyển đổi chuẩn hoá. Hệ thống đo nối tiếp có cấu tạo đơn giản, giá thành hợp lý đòi hỏi tốc độ đo và phân kênh cao, phù hợp cho các quá trình đo chậm, ở vùng có tần số thấp, độ tin cậy không cao, mắc sai số lớn. 1.7.3. .Hệ thống đo lường song song. Hệ thống đo lường song song cho phép đo đồng thời các đại lượng cần đo trong thời điểm bất kỳ tới các cảm biến (S) khác nhau, các tín hiệu được truyền trên kênh thông tin không ảnh hưởng lẫn nhau. S1 S2 Sn KĐTNH1 KĐTNH2 KĐTNH3 T.B.N c T số N gười quan sát t.t.d.l xltt (cpu) B ộ ghép nối thông tin Các thiết bị ngoài Sơ đồ nguyên lý hình 1.9. Hình 1.9. Hệ thống thông tin đo lường song song Các tín hiệu đo sau khi qua chuyển đổi chuẩn hoá đều được đưa tới bộ thu thập thông tin (TTDL), từ đây tín hiệu được dẫn tới bộ xử lý thông tin trung tâm (XLTT) bằng các tiến hiệu (khoảng cách thích hợp nhỏ hơn 2km). Bộ xử lý trung tâm thực hiện các chức năng đưa ra những tín hiệu cần thiết cho các thiết bị phía sau phối hợp. Điều khiển hệ thống có thể theo một trương trình sẵn hoặc trực tiếp. Hệ thống đo lường song song đảm bảo phép đo có độ tin cậy cao, các tín hiệu được truyền đi song song với nhau nên không phụ thuộc lẫn nhau, nhưng đòi hỏi cần có biện pháp chống nhiễu giữa các kênh tốt. Nhưng có nhược điểm là số lượng dây quá lớn, cồng kềnh và giá thành cao. 1.7.4. Hệ thống đo lường hỗn hợp. Hệ thống đo lường hỗn hợp là tổng hợp của hai hệ thống đo nối tiếp và song song. Hệ thống đo lường này cho phép tác động nhanh với các tín hiệu đo, đo được nhiều đại lượng cùng một lúc và hạn chế được nhược điểm riêng rẽ của các loại trên. Hiện nay các tổ hợp đo lường đã ra đời và dần dần thay thế các phương tiện đo lường cũ, hệ thống đo lường càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như tự động điều khiển quá trình sản xuất, tự động kiểm tra chất lượng sản phẩm, tự động hiệu chuẩn các phương tiện đo... Hệ thống đo lường là tập hợp các phương tiện được liên kết với nhau để thực hiện một phép đo nhất định. Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật, hệ thống tự động kiểm tra sản phẩm, hệ thống tự động hiệu chỉnh phương tiện đo... Với ứng dụng của kỹ thuật vi tính, kỹ thuật điện tử và tự động hoá các hệ thống thông tin đo lường dần dần được hoàn thiện, càng ngày càng chiếm ưu thế và được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân, chất lượng của phép đo không ngừng được cải thiện. Trong tương lai các nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật công nghệ mới không ngừng được nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thông đo, các phương tiện đo gọn và nhẹ hơn. 1.8. Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo. Để chọn đúng phương tiện đo cho ứng dụng cụ thể hãy xây dựng hệ thống trang thiết bị đo cần có sự hiểu biết tốt về cấu trúc và các đặc tính của chúng cũng như những căn cứ về kỹ thuật và công nghệ để đáp ứng yêu cầu và mục đích sử dụng. Ngày nay các phương tiện đo lường có ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số và vi xử lý đang chiếm ưu thế trong các phép đo và đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, trong sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật công nghệ. Công nghệ đo lường hiện nay gồm các thiết bị chính: Chuyển đổi sơ cấp, chuyển đổi chuẩn hoá, hệ thống thu thập dữ liệu đa năng (loại kênh dẫn hoặc không dây), bộ vi xử lý với máy tính và phần mềm ứng dụng (thu thập số liệu, phân tích và tự động xử lý số liệu) thực hiện theo các mô hình đo lường đã nghiên cứu ở mục 1.6. Nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả phương tiện đo trong các phép đo có ý nghĩa quyết định trong công tác đo lường và là yếu tố cơ bản nhất để có được kết quả đo theo mong muốn. 1.8.1. Độ tin cậy của thiết bị đo. Độ tin cậy của phương tiện đo lường giữ một vai trò quan trọng trong việc cấu thành phương tiện đo đó. Độ tin cậy của phương tiện đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố và luôn được thể hiện trong quá trình đo các đại lượng khác nhau. Thông thường độ tin cậy của thiết bị đo được xác định bởi khả năng làm việc tin cậy của phương tiện trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian qui định và phụ thuộc tính chất nội tại của phương tiện đo: -Trình độ kỹ thuật công nghệ của nhà sản xuất. -Độ tin cậy của các linh kiện, các phần tử trong phương tiện đo. -Các dụng cụ đo được chế tạo có kết cấu đơn giản hay phức tạp. -Điều kiện làm việc của phương tiện đo có phù các tiêu chuẩn hay điều kiện cho phép hay không của nhà chế tạo. -Trình độ hiểu biết và kỹ năng thực hành của người sử dụng. Do vậy để nâng cao độ tin cậy của phương tiện đo cần có những biện pháp tích cực trong thiết kế chế tạo, trong quản lý sử dụng và trong vận hành phải quan tâm tới các yếu tố như điều kiện môi trường, đào tạo cán bộ và nhân viên lành nghề. Duy trì đều đặn chế độ bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ. 1.8.2. Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo. 1.Sai số của phương tiện đo. Các đại lượng cần đo đều có một giá trị thực của nó, đó là giá trị phản ánh thuộc tính của đối tượng đã cho phù hợp với đối tượng đã cho về số lượng và chất lượng. Giá trị thực không phụ thuộc vào phương pháp đo, phương tiện nhận biết chúng, đó là giá trị mà phép đo cố gắng đạt được. Kết quả đo là sản phẩm của trình độ nhận thức, nó không những phụ thộc vào bản thân đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Phương pháp đo, phương tiện đo, người đo, điều kiện môi trường thực hiện phép đo.... Một trong những đặc trưng kỹ thuật cơ bản của các phương tiện đo là sai số của thiết bị phải đảm bảo duy trì trong thời gian xây dựng, sai số của phương tiện đo thể hiện dưới các dạng sau: a. Sai số hệ thống. Là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn không đổi hay thay đổi có 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 biến động của môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm..) sai số này còn gọi là sai số phụ. Tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác. Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo đó (1-1) Trong đó: XN- là giá trị cực đại của thang đo. Dm- là sai số tuyệt đối cực đại. gn- là sai số ngẫu nhiên tính theo %. 2. Độ nhạy của phương tiện đo. Độ nhạy cho biết khả năng làm việc của phương tiện đo đối với đại lượng cần đo. Phương tiện đo có độ nhạy càng cao càng tốt. Đặc trưng cho độ nhậy của phương tiện đo là ngưỡng nhậy của phương tiện cho biết khả năng mà thiết bị có thể phân biệt được giá trị nhỏ nhất của đại lượng đo. (1-2) Trong đó: S – là độ nhạy DX – là sự thay đổi của đại lượng vào DY – là sự thay đổi của đại lượng ra Ngưỡng nhạy được xác định: Khi DY= 0 thì DX tiến tới một giá trị a (DX = a). Nếu S không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính. Lúc đó thang đo sẽ được khắc độ đều. 3. Công suất tiêu thụ của phương tiện đo. Trong các thiết bị đo hạn chế công suất tiêu hao trên phương tiện là điều kiện hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn: Tăng khả năng làm việc của thiết bị, kéo dài tuổi thọ, tăng độ chính xác của kết quả đo... Hiện nay trong công nghệ đo nhờ áp dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công nghệ chế tạo các phương tiện đo có tổn hao cực kỳ nhỏ. 4. Độ tác động nhanh. Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đo trên chỉ thị. Đối với dụng cụ tương tự thời g._.ian này khoảng 4s. Đối với dụng cụ số có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong một giây. Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh hơn nhiều. Mở ra khả năng thực hiện các phép đo lường thống kê. 5. Thời gian đo của thiết bị đo. Thời gian đo của thiết bị đo cho biết độ tác động nhanh của phương tiện đo, được xác định bằng thời gian để xác lập kết quả trên cơ cấu chỉ thị. Thời gian đo (Tđo) được tính từ lúc đặt tín hiệu cần đo (To) vào phương tiện đo đến khi ổn định đưa kết quả trên cơ cấu chỉ thị (Tođ). Trong phép đo người ta quan tâm tới tốc độ, được xác định: Tđo=Tođ-To (1-3). Tốc độ đo nhanh cũng rất cần trong các phương tiện đo phân kênh hay nối tiếp. Nay do ứng dụng kỹ thuật điện tử, vi xử lý và máy tính có thể đáp ứng được tốc độ đo nhanh đến micrô giây và nhanh hơn. 1.8.3. Cấu trúc cơ bản của phương tiện và hệ thống đo lường. 1..Mô tả cấu trúc. cđsc MD Ct x(t) Y1 y2 Về cơ bản cấu trúc của phương tiện đo lường có thể mô tả theo hình 1.10 và 1.11. Hình 1.10. Mô tả cấu trúc phương tiện đo lường Đại lượng cần đo được đưa trực tiếp tới đầu vào chuyển đổi sơ cấp (CĐSC) của thiết bị đo, ở đầu ra của chuyển đổi Y1 có thể là dòng điện hay điện áp tới mạch đo (MĐ) để xử lý, gia công... được Y2 chuyển tới cơ cấu chỉ thị kết quả (CCCT). Để đo được nhiều thông số trong cùng một thời gian và thực hiện đồng thời nhiều thao tác như đo với tốc độ nhanh, có thể lưu giữ, quan sát...người ta thường sử dụng hệ thống đo lường có cấu trúc nhiều đầu vào (hình 1.11). Các đại lượng cần đo qua các cảm biến (S) được biến đổi thành đại lượng điện tương ứng và được gửi tới đầu vào của bộ thu thập giữ liệu 2. Tại đây tín hiệu được xử lý, gia công...hoặc có thể lưu giữ, đầu ra của 2 tín hiệu đưa tới bộ biến đổi A/D 3 và tới máy tính 4 để quan sát, lưu giữ và gia công kết quả. S1 PC A/D Sn S2 TTDL 4 3 2 1 Hình 1.11. Mô tả cấu trúc hệ thống đo lường 1.các sensor(S); 2. Bộ thu thập dữ liệu(TTDL) 3. Bộ biến đổi tương tự-số; 4. Máy tính (PC). Điều khiển quá trình có thể trực tiếp hoặc bằng bàn phím thông qua giao điện (interface). 2. Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC). Chuyển đổi sơ cấp có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo là điện hoặc không điện ở đầu vào thành các đại lượng điện tương thích (dòng hoặc áp) ở đầu ra, phương trình mô tả chuyển đổi có dạng: Y=f(x) Trong đó: x – là đại lượng không điện cần đo Y – là đại lượng điện sau chuyển đổi Phương trình mô tả trên có thể là tuyến tính hay phi tuyến tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi có quan hệ tuyến tính với mục đích nâng cao độ chính xác của phép đo. Thực tế tiến hiệu Y ở đầu ra của chuyển đổi không những chỉ phụ thuộc vào đại lượng x mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài z, khi đó phương trình mô tả có dạng: Y=f(x,z) Các chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bọc bảo vệ có hình dáng rất khác nhau phù hợp với chỗ đặt để đo các đại lượng vật lý x cần đo được gọi là Sensor (hay đầu đo, cảm biến). Các Sensor được chế tạo riêng rẽ đơn chiếc hoặc được chế tạo hợp bộ với các thiết bị đo hay hệ thống đo lường. Khi chế tạo các chuyển đổi người ta thường quan tâm các đặc tíh cơ bản sau: -Khả năng thay thế và lắp lẫn của các chuyển đổi. -Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị. -Đường cong của chuyển đổi phải ổn định không thay đổi theo thời gian. -Tín hiệu ra chuyển đổi thường đặt thống nhất (chuẩn) hoá đảm bảo thuận tiện cho việc ghép nối vào các máy đo điện tử, hệ thống đo hay máy tính. -Sai số của các chuyển đổi đảm bảo nhỏ nhất để nâng cao độ chính xác của các chuyển đổi sơ cấp, đồng thời nâng cao độ chính xác của các phép đo hay dụng cụ đo. -Độ nhạy của các chuyển đổi thích hợp cho các ứng dụng phản ánh được với các biến động đủ nhỏ của tín hiệu đầu vào trong dãi đo. -Đặc tính động của chuyển đổi sơ cấp cho biết khả năng cho tín hiệu ra khi có tín hiệu ở đầu vào, trong thời gian ngắn nhất phải được chọn phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm. 1.8.4. Tuyến tính hoá đặc tính cảm biến. Trong quá trình đo cảm biến cần phản ánh đúng đặc tính của các đại lượng cần đo X theo quan hệ đơn trị X=f(Y). Điều này khó có thể thoả mãn, phần lớn do các chuyển đổi cấu tạo nên cảm biến có đặc tính phi tuyến hoặc chịu tác động của nhiều yếu tố ảnh hưởng với các nguồn gốc khác nhau. Có thể khắc phục các nhược điểm trên dựa vào các thành tựu khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử và tin học hiện đại. Một số các hướng phổ biến là: * Sử dụng các chuyển đổi thống nhất hoá. Chuyển đổi thống nhất hoá gồm phần tử nhạy (Sensor hay cảm biến) và khâu phối hợp được kết nối trong thiết bị đo, tại đó tín hiệu điện được xử lý và đưa ra với đặc tính phù hợp cho các khâu biến đổi tiếp theo của quá trình đo (hình1.12) KĐTNH1 x (t) Bộ ghép nối thông tin Nguồn nuôi ổn định u (t) , i (t) Tín hiệu T.N hoá (U,I) Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi thống nhất hoá Đại lượng cần đo X sau khi qua chuyển đổi thành đại lượng điện tương ứng u(t), i(t) được đưa qua khâu phối hợp để tạo ra tín hiệu thống nhất hoá ví dụ như: Dòng điện 0-20; 4-20; -5 - +5; -20 - +20 mA Điện áp 0-1; 0-10; -100 - +100 mV -1 - +1V; 0-10V. Phổ biến hiện nay là: 4-24mA và 0-10V hay ±10V. ở các phương tiện đo hiện đại khâu phối hợp thường chứa mạch khuếch đại tỉ lệ và tuyến tính hoá * ứng dụng vi xử lý và máy tính. Đưa vào khả năng tính toán của vi xử lý và máy tính bằng cách bù, ổn định nhiệt, tuyến tính hoá và ổn định đặc tuyến của chuyển đổi sơ cấp bằng hàm ngược với hàm biểu thị đặc tính của cảm biếnv.v... * Trong công nghệ chế tạo Nâng cao các tính năng của cảm biến bằng ứng dụng linh kiện điện tử, vật liệu mới và các giải pháp mạch tiên tiến có đặc tính kỹ thuật tốt: chính xác, ổn định và nhiệt đới hoá. Sau đây là một số các chuyển đổi có ứng dụng trong đo lường các đại lượng cơ điện. 1. Chuyển đổi kiểu điện trở. Là những chuyển đổi kiểu thông số thường được sử dụng để đo các dịch chuyển thẳng hoặc di chuyển góc của đại lượng càan đo. Chuyển đổi kiểu điện trở dựa trên sự thay đổi điện trở của chuyển đổi khi có sự tác động cdủa đaị lượng cần đo, những loại thường sử dụng; a. Chuyển đổi kiểu biến trở Dây điện trở chế tạo bằng Manganin, Ni ken, Crom, Contantan, Vonfram được phủ lớp cách điện, đường kính dây khoảng từ 0,02 đến 0,1 mm, điện trở của dây thay đổi từ vài chục ôm đến vài nghìn ôm và được quấn trên vật liệu cách điện như gốm, sứ, hay điện trở màng mỏng có con chạy v.v... Phương trình mô tả quan hệ giữa đại lượng vào, ra của chuyển đổi như sau: R=f(Xv) Trong đó: R- Giá trị điện trở của chuyển đổi. Xv- Đại lượng cần đo. Trong kỹ thuật đo lường ở các dạng: mạch biến đổi; mạch phân áp; mạch cầu; mạch Lôgômét U v l R x x R v I x l R x U a, b, Hình 1.13. Chuyển đổi biến trở a. Mạch biến trở b. Mạch phân áp b. Chuyển đổi kiểu điện trở ứng suất (điện trở Tenzô). Chuyển đổi dựa trên hiệu ứng Tenzô, nghĩa là khi chuyển đổi chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó thay đổi và thường được chế taọ dưới ba dạng: - Chuyển đổi dây điện trở ứng suất có d=20mm. - Chuyển đổi màng điện trở ứng suất có chiều dày từ 25 đến 60 mm. - Chuyển đổi lá điện trở ứng suất mỏng 0,02mm và dày 0,2mm. Vật liệu chế tạo chuyển đổi thường là Constantan, Nỉcrôm, hợp kim Platin-Iriddi. Khi đo biến dạng điện trở Tenzô dược dán lên đối tượng đo, khi đối tượng biến dạng chuyển đổi biến dạng theo kéo theo sự thay đổi điện trở của chuyển đổi hình1.14. Đặc trưng cơ bản của chuyển đổi điện trở ứng suất là độ nhạy: e = (1-4) Trong đó: R và DR – Là điện trở và suất gia điện trở khi chịu biến dạng. L và DL - Là chiều dài và suất giản dài của điện trở ứng suất tương ứng. Khi đó: = f () (1-5) lo y x a, b, Hay eR = f(eL) Hình 1.14.Điện trở lực căng dây mảnh Thông thường chuyển đổi điện trở ứng suất thường được sử dụng với mạch cầu một chiều hay xoay chiều hình 1.15. P Rt R4=RTO Ura R2 R3 U R3 R2 Ura P Rt’ Rt Hình 1.15. Mạch cầu a, Mạch cầu một chiều; b, Mạch cầu xoay chiều Khi sử dụng chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh trong mạch cầu để đo các đại lượng cần chú ý: -Nguồn nuôi chọn sao cho dòng điện đi qua chuyển đổi không vượt quá giá trị cho phép I < Iđm, nếu cần sử dụng cả bốn vai của cầu thì U < Iđm*R. -Độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Do vậy trong mạch đo người ta thường sử dụng các phương pháp bù nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác của phép đo. -Khi dán chuyển đổi lên đối tượng đo cần chú ý vị trí dán cho thích hợp để có độ nhạy cao tránh sai số do nhiễu và nhiệt độ gây ra. 2. Chuyển đổi kiểu điện từ. Đại lượng không điện cần đo tác dụng tới chuyển đổi làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm hay từ thông của phần tử chuyển đổi. a, Chuyển đổi điện cảm, hỗ cảm. Chuyển đổi hỗ cảm có cấu tạo tương tự như nhau đều có cấu tạo là cuộn dây 2 được quấn trên lõi thép 1 có khe hở không khí. Với loại điện cảm thì chỉ cần một cuộn (hình 1.16a) còn với loại hỗ cảm có thêm cuộn dây ra (hình 1.16b). Dưới tác dụng của đại lượng vào Xv làm dịch chuyển phần ứng 3, khe hở tương đối giữa phần động và phần tĩnh thay đổi dẫn đến điện cảm hay hỗ cảm trong mạch của chuyển đổi thay đổi theo. Để tăng độ nhạy và chống nhiễu sử dụng kiểu vi sai (hình 1.16c). Phương trình chuyển đổi vối loại điện cảm Z = f(Dd) Phưong trình chuyển đổi với loại hỗ cảm H = f(Dd) 1 2 3 1 2 3 Hình 1.16. Chuyển đổi kiểu điện từ a, Loại điện cảm; b, Loại hỗ cảm; c, Kiểu vi sai 1. Lõi sắt từ; 2. Cuộn dây; 3. Phần động; d. Khe hở không khí Các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm đựơc dùng để đo các đại lượng không điện khác nhau như : - Đo dịch chuyển từ vài chục Mỉcrômet đến hàng chục centimet. - Đo chiều dày của lớp phủ - Đo độ bóng của chi tiết gía công . - Đo lực tác động từ 0,1N đến hàng trăm Niutơn. - Đo áp suất từ 0,001N/m2 đến hàng nghìn N/m2. Nhựơc điểm cơ bản của các chuyển đổi trên là trong mạch đo cần sử dụng nguồn cung cấp điện áp xoay chiều cố tần số thật ổn định. b. Chuyển đổi kiểu áp từ. Là một dạng đặc biệt của chuyển đổi kiểu điện cảm, hỗ cảm chỉ khác nhau với hai loại trên là mạch từ của chuyển đổi áp từ là loại mạch từ kín. Ura Fx Dưới tác dụng của biến dạng đàn hồi cơ học độ từ thẩm và các tính chất của vật liệu sắt từ thay đổi nghĩa là độ từ thẩm và từ trở của mạch thay đổi theo dẫn đến điện cảm (hình 1.17a) hoặc hỗ cảm (hình 1.17b) của chuyển đổi thay đổi theo, mạch đo thường sử dụng là mạch cầu vi sai. Độ chính xác của chuyển đổi phụ thuộc vào điện áp và tần số của nguồn nuôi, khi nguồn cung cấp thay đổi 1% thì kết quả mắc sai số khoảng 1%, tần số của nguồn thay đổi 1% thì gây ra sai số 0,2%. Chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường . Hình 1.17. Chuyển đổi áp từ a, Kiểu điện cảm; b, Kiểu hỗ cảm; 1, Lõi thép; 2, Cuộn dây; 3, Đối tượng nghiên cứu Chuyển đổi áp từ có độ chính xác thấp (từ 3% đến 5%) nhưng có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao thưòng được sử dụng ở ngoài hiện trường để đo áp suất, mômen xoắn trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim loại v.v... Nhược điểm của chuyển đổi có sai số phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và dòng điện từ hoá. c. Chuyển đổi kiểu cảm ứng. khi có tác động của đại lượng cần đo Xv vào phần động 3 thì trong cuộn đay 2 xuất hiện một sức diện động, kết quả ở cửa ra cho một điện áp tương ứng. Độ lớn của điện áp đầu ra của chuyển đỏi phụ thuộc vào sự biến thiên của từ thông do nam châm điện hay man châm vĩnh cửu 1 của chuyển đổi gây ra. Phương trình tổng quát: Ur = f(Xv) Đại lượng Xv có thể là các tác động thẳng (lực kéo, nén v.v...) hoặc mô men quay hay chuyển dịch góc. Nguyên tắc cấu tạo có loại chuyển đổi cuộn dây dịch chuyển có loại phần sắt dịch chuyển. Các chuyển đổi cảm ứng được dử dụng để đo tốc độ quay, mômen quay. Loại có lõi thép di chuyển được dùng để đo các di chuyển thẳng, di chuyển góc, đo biên độ rung từ vài phần trăm mm đến vài mm. Chuyển đổi cảm ứng có ưu điểm: Tín hiệu ra của các chuyển đổi có giá trị tương đối lớn từ vài phần vôn đến vài chục vôn nên mạch đo không cần khuếch đại. Độ nhạy của chuyển đổi cho phép đo được các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc và các đại lượng khác có tần số từ 15 đến 30 KHz. Sai số của chuyển đổi đạt từ 0,2% đến 0,5%. 3. Chuyển đổi tĩnh điện Gồm hai dạng chính: a. Chuyển đổi kiểu áp điện. Dựa trên hiệu ứng áp điện người ta đã chế tạo các chuyển đổi áp điện làm việc theo nguyên tắc: dưới tác dụng của đại lượng cơ học cần đo biến thiên tác dụng vào bề mặt của vật liệu thì trên bề mặt của chuyển đổi sẽ xuất hiện các điện tích gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngược lại nếu đặt các vật liệu trên vào trong một điện trường biến thiên, dưới tác dụng của điện trường biến thiên làm biến dạng chuyển đổi gọi là hiệu ứng áp điện ngược, nghĩa là điện tích q biến thiên với đại lượng vào. q = f(xv) Các vật liệu dùng làm chuyển đổi áp điện là tinh thể thạch anh (SiO2), Titanabari (BaTiO3), muối Xenhet v.v... Ưu điểm của chuyển đổi áp điện: có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao và có khả năng đo được các biến thiên nhanh. Trong kỹ thuật đo chuyển đổi áp điện dùng để đo lực biến thiên đến 10.000N, đo áp suất tới 100N/m2 và gia tốc tới 100g trong dải tần từ 0.5 đến 100KHz. Nhược điểm của chuyển đổi áp điện là không đo được lực tĩnh và rất khó khắc độ. b. Chuyển đổi kiểu điện dung. Chuyển đổi điện dung là những chuyển đổi có điện dung thay đổi dưới tác dụng của đại lượng cần đo khi đại lượng vào là sự dịch chuyển thẳng, di chuyển góc tác động vào phần động của chuyển đổi thì tín hiệu ra của chuyển đổi dưới dạng điện áp. Các chuyển đổi làm việc theo nguyên tắc như vậy gọi là chuyển đổi máy phát. Nếu đại lượng vào của chuyển đổi là sự di chuyển còn đại lượng ra là sự thay đổi điện dung thì gọi là chuyển đổi thông số. Dưới đây là một số loại chuyển đổi thường được sử dụng trong kỹ thuật đo lường bảng 1.2. Lĩnh vực ứng dụng: Chuyển đổi điện dung có khe hở không khí thay đổi dùng để đo những di chuyển nhỏ từ vài micromet đến vài milimet. Loại có điện tích bản cực thay đổi được dùng để đo các di chuyển lớn hơn 1cm và di chuyển góc tơí 2700. Chuyển đổi có điện môi thay đổi để đo độ ẩm, đo mức nước, chiều dày của vật liệu cách điện và đo lực. 4. Chuyển đổi nhiệt điện Là những chuyển đổi dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của các quá trình như đốt nóng, làm lạnh hay trao đổi nhiệt v.v... thì đầu ra của chuyển đổi sẽ có tín hiệu có thể là điện áp (như chuyển đổi cặp nhiệt điện ) hay tín hiệu ra là sự thay đổi về điện trở ( như chuyển đổi kiểu nhiệt điện trở ). Chuyển đổi cặp nhiệt điện ( cặp nhiệt ngẫu ). Là những chuyển đổi được cấu tạo từ hai dây dẫn, được làm từ hai vật liệu khác nhau được nối lại với nhau. Khi hai đầu của chuyển đổi có sự chênh lệch về nhiệt độ thì trong mạch sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt điện ( hình 1-19). 1 6 a a i 5 a-a i 1 2 3 4 Hình 1-19.Sơ đồ cấu tạo của một cặp nhiệt điện 1,2- Hai đầu dây của cặp nhiệt điện; 3- Đầu hàn; 4,5- ống cách điện; 6- Vỏ ngoài; 7- Đầu nối ra. Vật liệu dùng chế tạo chuyển đổi cặp nhiệt ngẫu phải đảm bảo: quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện với nhiệt độ là hàm đơn trị, tính chất bền điện không thay đổi, độ bền hoá và cơ với nhiệt độ phải cao, dẫn điện tốt, có trị số sức điện động nhiệt điện lớn. Cặp nhiệt điện nối với nhau theo phương pháp hàn và được đặt trong thiết bị bảo vệ để tránh tác động của môi trường. Thiết bị bảo vệ được chế tạo từ loại thép tốt, đối với loại cặp nhiệt điện quý, thiết bị bảo vệ thường được làm bằng thạch anh hoặc gốm ( hình 1-19). Để tăng độ chính xác của phép đo và có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ của đầu đo trong sơ đồ mạch người ta có đưa thêm một mạch cầu vào mạch đo, trong đó ba nhánh của cầu đo là ba diện trở không thay đổi theo nhiệt độ ( Đồng hoặc Niken). Cầu được tính toán ở nhiệt độ 00C mắc nối tiếp với đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu để ổn định nhiệt trong quá trình đo sử dụnh mạch bù nhiệt theo sơ đồ hình 1.20. c B mV r2 r3 r4 r1 a b r g r b e b b c Hình 1-20. Sơ đồ nguyên lý mạch bù nhiệt độ đầu đo R1- Điện trở bù nhiệt; EB- Nguồn nuôi Cặp nhiệt điện được ứng dụng chủ yếu để đo nhiệt độ, ngoài ra còn để đo các đại lượng không điện như đo dòng điện ở tần đố cao, đo hướng chuyển động. Chuyển đổi nhiệt điện trở. Chuyển đổi nhiệt điện trở là những chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ. Vật liệu chế tạo bằng dây đẫn hoặc là chất bán dẫn có hệ số nhiệt độ lớn, điện trở suất lớn, khó chảy và có độ bền hoá học cao đối với môi trtường. Loại nhiệt điện trở dây. Vật liệu chế tạo thường là từ Đồng, Platin và Niken có dường kính từ 0,02 đến 0.06mm và chiều dài từ 5 đến 20mm. Một số loại nhiệt điện trở thường gặp (hình 1.21). 1 2 3 4 3 2 1 Hình 1-21- Một số nhiệt điện trở thường gặp 1- Dây đặt trong ống sứ; 2- Vỏ bảo vệ; 3- ổ đỡ; 4- Hộp đầu ra. Nhiệt điện trở bán dẫn . Được chế tạo từ một số ôxit kim loại khác nhau như CuO, CoO, MnO v.v...Cấu tạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và hình cầu.Bảng dưới đây cho đặc tính của một số nhiệt điện trở bán dẫn ( bảng 1.3 ). Mạch đo đối với chuyển đổi nhiệt điện trở có thể dùng mạch bất kỳ để đo điện trở của nó. Thông thường người ta hay dùng mạch cầu không cân bằng ( hình 1.22b) có chỉ thị là Lôgomet hoặc mạch cầu cho thiết bị tự ghi ( hình 1.22c ). ứng dụng của chuyển đổi nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích các thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí. e b r 1 r 4 r 2 r b r d3 r d2 r d1 r t r 3 r b e b r d3 r d2 r 2 r 1 r d1 r t r d1 r d2 r d3 r t r 2 r 4 r 3 r b r g e b u ra Hình 1.22-Mạch đo dùng với chuyển đổi nhiệt điện trở a, Mạch Lôgômet; b, Mạch cầu 3 dây dùng chỉ thị lôgômet; c, Mạch cầu 3 dây dùng với thiết bị ngoài. Ngoài các chuyển đổi đã trình bày ở trên trong kỹ thuật đo lường còn sử dụng sơ cấp dựa trên nguyên tắc hoá học (các chuyển đổi hoá điện), theo nguyên tắc xuất hiện các điện tử hay Ion (các chuyển đổi điện từ và Ion),v.v... [1]. 1.9. Phương pháp đo. Phương pháp đo là trình tự Lôgic các thao tác được mô tả một cách tổng quát để thực phép đo, phương pháp đo là sự thể hiện của nguyên lý đo và phương tiện đo. khoa học công nghệ càng phát triển sẽ có nhiều phương pháp được áp dụng và có khả năng loại trừ ót các sai số đảm bao kêt quả đo có độ chính xác cao.Trong thực tiễn ứng dụng nhiều phương pháp có thể phân thành một số dạng cơ bản hình 1.23. Phương pháp đó sánh với vật đọ được sử dụng nhiều trong các phép đo hiện nay, phương pháp có ưu điểm: - Cho kết quả có độ chính xác cao. - Có khả năng loại trừ sai số hệ thống. - Trong quá trình tiêu thụ ít năng lượng của đối tượng đo. - Có ý nghĩa cao trong thực tiễn bởi vì chế tạo một vật đọ có độ chính xác cao sẽ dễ dàng hơn chế tạo một phương tiện đo có cung cấp chính xác. Trong kiểm định, hiệu thường sử dụng phương pháp so sánh vi sai và phương pháp chỉ zêzô. Với phương pháp biến đổi thẳng độ chính xác thấp nhưng có ưu điểm là đơn giản do đó thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp được ứng dụng để đo và kiểm tra các quá trình sản xuất. Phương pháp đo Phương pháp thế Phương pháp trùng Phương pháp chỉ zêzô Phương pháp hiệu Phương pháp đo so sánh với vật đọ Phương pháp đo trực tiếp Hình 1. 23. Sơ đồ mô tả các phương pháp đo 1.9.1 Phương pháp đo trực tiếp (phương pháp biến đổi thẳng). Là phương pháp đo trình tự lôgic các thao tác được thực hiện nối tiếp nhau thông qua mạch đo lường(M.Đ), gồm các khâu chuyển đổi được nối tiếp với nhau. Sơ đồ nguyên lý quá trinh đo hình 1.24. B.Đ C.T số M.Đ Nx/No No Nx Xo X X Xo Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý quá trình đo biến đổi thẳng. Đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi sau đó được biến đổi thành số Nx, mặt khác các đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành số No và được ghi nhớ lại. Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng, quá trình được thực hiện bằng phép chia Nx/No. Kết quả đo trên cơ cấu chỉ thị: X = ( Nx/No )*Xo ( 1.6 ) Phương pháp đo trực tiếp thường được áp dụng cho các dụng cụ đo biến đổi thẳng có sai số lớn. Phương pháp thường được áp dụng cho các nhà máy, xói nghiệp công nghiệp công nghiệp, kiểm tra quá trìng sản xuất có độ chính xác không cao. 1.9.2. Phương pháp đo so sánh với vật đọ Là phương pháp thực hiện trình tự lôgic các thao tác theo một mạch vòng khép kín (có khâu phản hồi), quá trình so sánh có thể cân bằng hoặc không cân bằng, mô tả quá trình : hình 1.25 giới thiệu phương pháp đo với các lôgic so sánh kiểu cân bằng. Trong quá trình đo đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xo đều được biến đổi thành các đại lượng điện tương ứng (dòng hặc áp) gửi tới bộ so sánh (SS). Quá trình so sánh được diễn ra trong suốt quá trình đo, đại lượng cần đo được so sánh với đại lượng Xk tỉ lệ với đại lượng mẫu Xo, khi hai đại lượng bằng nhau thì quá trình so sánh kết thúc. S.S C.T C.Đn M.Đ X(t) D´ C0 Xk Hình 1.25 Mô hình phương pháp đo kiểu so sánh Phương pháp vi sai: Là phương pháp so sánh giữa đại lượng đo với đại lượng được chọn làm vật đọ, kết quả so sánh là hiệu của hai đại lượng được thể hiện trên cơ cấu chỉ thị của dụng cụ. Trong phương pháp vật đọ cần có độ chính xác cao còn phương tiệ đo là những phương tiên thông thường, phương pháp rất có ý nghĩa trong thực tiễn bởi vì chế tạo vật đọ có độ chính xác cao dễ dàng hơn chế tạo một phương tiện đo có cùng một độ chính xác. Phương phapớ thường đươc dùng để kiểm định, hiệu chuẩn các biến dòng, biến áp đo lường. Phương pháp chỉ Zero. Là trường hợp đặc biệt của phưong pháp hiệu, nếu trong phương pháp hiệu chúng ta thay đổi vật đọ để kết quả so sánh hiển thị trên cơ cấu chỉ thị là Zero thì ta có phương pháp chỉ Zero. Khi sử dụng phưong pháp đại lượng đo và vật đọ có cùng bản chất tác dụng đồng thời lên phương tiện đo , độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của vật đọ và của cơ cáu chỉ thị. Phưong pháp chỉ Zero được áp dụng rộng rãi trong đo lường các đại lượng điện, đo khối lượng, quang học v..v... Trong quá trình đo phép đo phép đo không tiêu thụ năng lượng của đối tượng đo nên kết quả có độ chính xác cao. Phương pháp thế: Là phương pháp trong quá trình đo đại lượng cần đo được thay thế bằng việc đo vật đọ, quá trình đo được tiến hành: - Đo đại lượng cần đo. - Thay thế đại lượng đo bằng vật đọ, điều chỉnh vật đọ để kết quả đo trở lại như cũ. Như vậy, đại lượng đo có độ lớn chính bằng vật đọ. Sử dụng phương pháp thế trong phép đo sẽ loại trừ được sai số hệ thống của phương tiện đo, sử dụng đẻ đo khối lượng cho kết quả với độ chính xác cao hơn so với các phương pháp khác. Phương pháp trùng Là phương pháp so sánh cùng một lúc nhiều điểm của đại lượng cần đo X với đại lượng mẫu Xo, căn cứ vào các điểm trùng nhau để tìm ra kết quả của đại lượng cần đo. 1.10. Sai số của phép đo và gia công kết quả.. 1.10.1 Sai số của phép đo. Ước lượng sai số của phép đo là việc làm cần thiết sau khi thực hiện phép đo,khi thực hiện phép đo ta sẽ nhận được kết quả của phép đo (kết quả đo).Kết đo phản ánh trình độ nhận thức của con người, kết quả đo không những phụ thuộc vào đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp đo, phương tiện đo, người đo, điều kiện đo... Như vậy kết quả đo (Xđ) và giá trị thực (Xt) của đại lượng cần đo có sự sai khác gọi là sai số của phép đo, nghĩa là: DX = Xđ - Xt (1.7) Giá trị thực được lấy bằng giá trị thực quy ước, là giá trị được tìm trong thực nghiệm rất gần với giá trị thực có thể chấp nhận được, trong phép đo là giá trị trung bình của n lần đo. Kết quả đo thường được làm tròn theo sai số của phép đo. Khi làm tròn kết quả đo người ta căn cứ vào bậc có nghĩa của sai số, tuân thủ theo quy định làm tròn số của TCVN 1517 – 74. Theo quy luật xuất hiện sai số được phân thành một số loại chính sau: Sai số hệ thống. Là sai số không đổi hoặc thay đổi theo một quy luật xác định khi đo lặp lại cùng một đại lượng, quy luật này không phụ thuộc vào số lần đo nhiều hay ít. Nghiên cứu sai số ngẫu nhiên cho ta cơ sở để quyết định có thể bỏ qua hoặc loại trừ. nguyên sai số hệ thống có nhiều song có thể phân thành một số nhóm sau: Do phương tiện đo gây nên là một trong những thành phần sai quan trọng của phép đo. Nguyên nhân gây ra sai số này trước hết là do cấu trúc của phương tiện đo. Vì vậy trong thiết kế người ta cố gắng thuyết phục, tuy nhiên cũng không htể loại trừ được. Sai số do phương tiện còn do quá trình công nghệ chế tạo ra phương tiện đó. Trong quá trình sử dụng các bộ phận chi tiết của phương tiện, già hoá, hư hỏng... Sau một thời gian các phương tiện không còn giữ được những đặc trưng đo lương như ban đầu, cũng gây nên sai số. - Do lắp đặt phương tiện đo, sai số này ít gây nguy hiểm song nếu kgông chú ý thì có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo. - Do phương pháp đo, sai số này thường trong những trường hợp ít hiểu biết về lĩnh vực đo lường hoặc trong lĩnh vực nghiên cứu không tìm được giải pháp tối ưu của phương pháp đo. Sai số này còn gọi là sai số lý thuyết. - Sai số do chủ quan của người đo. Nhìn chung việc phát hiện và loại trừ sai số hệ thống rất phức tạp và khó khăn, song khi đã phát hiện được thì việc loại trừ không mấy khó khăn. Để loại trừ sai số hệ thống quá trình đo người ta thường sử dụng một số biện pháp sau: - Phân tích lý thuyết để xác định sai số hệ thống. - Kiểm tra dụng cụ trước khi đưa vào sử dụng. - Chuẩn trước khi đo. - Chỉnh không trước khi tiến hành đo. - Tiến hành phép đo bằng các phương pháp đo khác nhau. - Sử dụng phương pháp thế trong khi đo. - Sử dụng phương pháp bù có giá trị ngược dấu. - Sử dụng phương pháp hoán vị. - Sử dụng phương pháp đối xứng. Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống, mà ta chỉ có thể làm giảm trong một phạm vi cho phép. Sai số ngẫu nhiên. Là sai số xuất hiện một cách ngẫu nhiên không theo một quy luật nào khi ta tiến hành phép đo nhiều lần với một đại lượng . Chúng ta không thể xác định được giá trị và dấu của chúng, bởi vì sự suất hiện của các tác đọng ngẫu nhiên trong mỗi lần đo không giống nhau cũng như không thể xác định được chúng. Trong quá trình đo chúng ta không thể biết trước sai số ngẫu nhiên xảy ra ở những lần đo nào nhưng nếu tiến hành phép đo lặp lại nhiều lần ta sẽ thấy chung xuất hiện theo một quy luật nào đó. Do vậy việc nghiên cưu ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên đến kết qua đo là nghiên cứu tính chất tập hợp các giá trị nhận được từ một dãy lần đo lặp lại. Nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có nhiều và cũng không thể xác định được chúng. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên có nhiều phương pháp, trong đo lường học thường sử dụng toán học thống kê và lý thuyết xác xuất và được dựa trên các gỉa thuyết sau: - Các sai số ngẫu nhiên có cùng một giá trị (độ lớn) có cùng một xác xuất. - Các sai số ngẫu nhiên có gia trị xác suất lớn, và ngược lại. - Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá giá trị nào đó thì xác xuất coi như bằng không. 3. Sai số thô Là sai số vượt quá sai số mong đợi trong điều kiện nhất định một cách rõ rệt. Thương là những hư hỏng trầm trọng của phương tiện, dothao tác nhầm của người đo ... Sai số thô thường ít xảy ra song rất dễ bị nhầm với sai số của hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Loại trừ sai số thô đơn giản bằng sự thận trọng, bằng sử dụng các phương tiện hoàn hảo v.v... nhưng đôi khi cũng khó thực hiện. 1.10.2. Gia công kết quả đo Kết quả đo lường thử nghiệm phải được công bố theo sai số và độ tin cậy, kết quả một phép đo được xác định theo biểu thức sau: Xđ =`C ± D ( 1.8 ) Trong đó: Xđ- Giá trị đúng của phép đo `C - Là giá trị trung bình của n lần được lặp trong phép đo D - Là sai số của phép đo. Như vậy độ chính xác của kết quả đo sẽ phụ thuộc vào sai số của phép đo với một độ tin cậy nhất định. Nếu qui định mỗi lần đo riêng rẽ trong phép đo lặp là một quan trắc thì giá trị nhận được là kết quả quan trắc. Kết quả quan trắc của lần đo thứ i là đại lượng Xi của đại lượng đo không đổi Xđ sẽ nằm trong khoảng X1 < Xi < X2, với các sai số của nó Di. Để nghiên cứu kết quả đo ta xem kết quả quan trắc là đại lượng ngẫu nhiên liên tục. Điều này có thể thực hiện được khi ta thực hiện phân lớp với một khoảng khá nhỏ nhờ kỹ thuật và công nghệ đo lường hiện nay. Với quan niệm như vậy sai số của kết quả quan trắc cũng được xem là đại lượng ngẫu nhiên nhận những giá trị Di khác nhau ở những lần quan trắc khác nhau và chúng tuân theo qui luật phân bố chuẩn, được đặc trưng bằng kỳ vọng toán M(x) và phương sai D(x) [1] ; [8]. Trong đó: M(x) = Xđ = m D(x) = d Để ước lượng được giá trị kỳ vọng toán m và trung bình phương d của hàm phân bố quan trắc, dựa vào kết quả của n lần đo lặp lại ta có: `C = (1.9) Nếu kết quả đo không có sai số thì: Xđ = `X Vì vậy kết quả quan trắc của mỗi lần đo sẽ phân tán quanh giá trị đo trung bình. Gọi độ lệch của mỗi lần đo Xi so với giá trị trung bình`X là ni là sai số dư, ta có: ni = Xi -`X (1.10) Sai số dư có tính chất: -Tổng tất cả các số dư bằng không ni = 0 -Tổng các bình phương của chúng có giá trị nhỏ nhất n2= Min. Sai số dư được dùng để kiểm tra kết quả đo. Khi đó độ lệch thực nghiệm S, đặc trưng cho sự phân tán của kết quả quan trắc so với `X được xác định: S = (1-11) Lý thuyết đã chứng minh khi số lần đo tăng lên vô hạn thì giá giá trị trung bình của n lần đo `X tiến dần tới kỳ vọng toán m và độ lệch chuẩn thực nghiệm S tiến dần tới d. Theo sai số dư () người ta xác định tổng bình phương của tất cả các số dư, từ đó xác định ước lượng trung bình bình phương s*. Theo công thức Bessel được xác định. s* = (1-12) Ước lượng này không chệch có căn cứ và có hiệu quả [1] Vì có sự tham gia của sai số ngẫu nhiên nào đó người ta đưa ra khái niệm ước lượng độ chệch trung bình bình phương `s*được xác định: `s*== = (1-12) Dựa vào kết quả tính toán giá trị xác suất đáng tin P với đại lưọng ngẫu nhiên Xi theo phân bố chuẩn, dựa vào (phụ lục 2) sẽ xác định được hệ số k, căn cứ vào hệ số k xác định khoảng đáng tin cậy của sai số ngẫu nhiên bằng: D1,2 = k*`s* (1-13) Khoảng đáng tin cậyD1,2 cho biết trong giới hạn khoảng đo với một xác suất đáng tin._.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docDA0343.DOC
Tài liệu liên quan