›
›

Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 1: Cơ sở lý thuyết kĩ thuật đo lường - Nguyễn Thị Huế

pdf 136 trang haiha333 07/01/2022 5550
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 1: Cơ sở lý thuyết kĩ thuật đo lường - Nguyễn Thị Huế", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ki_thuat_do_luong_phan_1_co_so_ly_thuyet_ki_thuat.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 1: Cơ sở lý thuyết kĩ thuật đo lường - Nguyễn Thị Huế

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VI ỆN ĐIỆN KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG Nguy ễn Th ị Hu ế BM: Kĩ thu ật đo và Tin học công nghi ệp
  2. Mở đầ u Cơ sở kỹ thu ật đo lườ ng trình bày nh ững cơ sơ ly lu ận cơ bản vê ky thu ật đo lườ ng. Cung cấp nh ững ki ến th ức cơ bản đê ph ục vụ cho các môn học " Ph ươ ng pháp và thi ết bị đo các đạ i lượ ng điện va không điện ", " Hê th ống thông tin đo lườ ng " va nh ững môn học chuyên môn khác của ky thuât thông tin đo lườ ng nh ư môn " Thi ết bị đo sinh y ", " Xư ly tín hi ệu " v.v Cùng với các môn học trên, giáo trình này xây dựng một hê th ống ki ến th ức cho vi ệc thu th ập sô li ệu đo, xư ly gia công va điều khi ển hi ện đạ i. 8/18/2015 2
  3. Nội dung môn học Ph ần 1: Cơ sở lý thuy ết kĩ thu ật đo lườ ng Ch ươ ng 1: Khái ni ệm cơ bản về kĩ thu ật đo lường Ch ươ ng 2: Ph ươ ng ti ện đo và phân lo ại Ch ươ ng 3: Các thông số kỹ thu ật của thi ết bị đo Ph ần 2: Các ph ần tử ch ức năng của thi ết bị đo Ch ươ ng 4: Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo Ch ươ ng 5: Cơ cấu ch ỉ th ị cơ điện, tự ghi và ch ỉ th ị số Ch ươ ng 6: Mạch đo lường và gia công thông tin đo Ch ươ ng 7: Các chuy ển đố i đo lườ ng sơ cấp Ph ần 3: Đo lườ ng các đạ i lượ ng điện Ch ươ ng 8: Ðo dòng điện Ch ươ ng 9: Đo điện áp Ch ươ ng 10: Ðo công su ất và năng lượng Ch ươ ng 11: Ðo góc lệch pha, kho ảng th ời gian và tần số Ch ươ ng 12: Ðo thông số mạch điện Ch ươ ng 13: Dao độ ng kí Ph ần 4: Đo lườ ng các đạ i lượ ng không điện Ch ươ ng 14: Đo nhi ệt độ Ch ươ ng 15: Đo lực 8/18/2015 Ch ươ ng 16: Đo các đạ i lượ ng không điện khác 3
  4. Tài li ệu tham khảo Sách: Kĩ thu ật đo lườ ng các đại lượ ng điện tập 1,2- Ph ạm Th ượ ng Hàn, Nguy ễn Tr ọng Qu ế . Ðo lườ ng điện và các bộ cảm bi ến: Ng.V.Hoà và Hoàng Si Hồng Bài gi ảng và website: Bài gi ảng kĩ thu ật đo lườ ng và cảm bi ến-Hoàng Sĩ Hồng. Bài gi ảng Cảm bi ến và kỹ thu ật đo: P.T.N.Yến, Ng.T.L.Huong, Lê Q. Huy Bài gi ảng MEMs ITIMS - BKHN Website: sciendirect.com/sensors and actuators A and B 8/18/2015 4
  5. Ch ương 1: Khái ni ệm cơ bản về kĩ thu ật đo lường 1. Lịch sử phát tri ển và ứng dụng 2. Khái ni ệm và phân lo ại phép đo 3. Các đặ c tr ưng của kĩ thu ật đo lườ ng 4. Mô hình quá trình đo 5. Các nguyên công đo lườ ng cơ bản 6. Tín hi ệu đo lườ ng 8/18/2015 5
  6. 1.1. Lịch sử phát tri ển - Ứng dụng 8/18/2015 6
  7. 1.1. Lịch sử phát tri ển - Ứng dụng Cùng với sự phát tri ển nh ư vũ bão của công ngh ệ vi điện tử, vi ch ế tạo và công ngh ệ thông tin, kỹ thu ật đo lườ ng đã bướ c sang một giai đoạn mới là xây dựng thi ết bị đo dựa trên cơ sở vi hệ th ống Vi hệ th ống là một hệ tích hợp (IC) các cơ cấu ti ểu hình (kích th ướ c µm hay nm) sử dụng các công ngh ệ hi ện đạ i (vi điện tử, vi gia công, công ngh ệ nano) để th ực hi ện các ch ức năng đo lườ ng và điều khi ển (bi ến đổ i, xử lý tín hi ệu, xử lý số li ệu, điều khi ển, truy ền tin.) 8/18/2015 7
  8. 1.1. Lịch sử phát tri ển - Ứng dụng 8/18/2015 8
  9. 1.1. Lịch sử phát tri ển - Ứng dụng Trong công nghi ệp Sp e(t) u(t) c(t) Bộ điều khi ển Đố i tượ ng ph Cảm bi ến Để th ực hi ện đượ c quá trình điều khi ển nh ư đị nh ngh ĩa ở trên, một hệ th ống điều khi ển bắt bu ộc có ba thành ph ần cơ bản là thi ết bị đo lườ ng (c ảm bi ến), bộ điều khi ển và đố i tượ ng điều khi ển. Thi ết bị đo lườ ng có ch ức năng thu th ập thông tin, bộ điều khi ển có ch ức năng xử lý thông tin, ra quy ết đị nh điều khi ển và đố i tượ ng điều khi ển ch ịu sự tác độ ng của tín hi ệu điều khi ển. 8/18/2015 9
  10. 1.2. Đị nh nghĩa đo lường Theo pháp lệnh “ ĐOLƯỜNG” của nhà nướ c CHXHCN Vi ệt nam Ch ươ ng 1- điều 1: Đo lườ ng là vi ệc xác đị nh giá tr ị của đạ i lượ ng cần đo Chính xác hơn: Đo lườ ng là một quá trình đánh giá đị nh lượng của một đạ i lượ ng cần đo để có kết qu ả bằng số so với đơn vị đo o Ví dụ: Đo điện áp: U = 135V ± 0,5V. o Tức là điện áp đo đượ c là 135 đơ n vị điện áp tính bằng volt, với sai số là 0,5V 8/18/2015 10
  11. Phương trình cơ bản của phép đo Ph ươ ng trình cơ bản của phép đo: = X = × Ax ⇒ X Ax X 0 X 0 X: Đạ i l ượ ng c ần đo. X0: Đơ n v ị đo. Ax: Giá tr ị b ằng s ố c ủa đạ i l ượ ng c ần đo. Quá trình so sánh đạ i l ượ ng c ần đo với mẫu để cho ra k ết qu ả b ằng s ố Không, vì không Có th ể đo một đạ i ph ải đạ i lượ ng nào lượ ng vật lý bất kỳ cũng có th ể so sánh đượ c không??? giá tr ị của nó với mẫu đượ c. 8/18/2015 11
  12. Đị nh nghĩa đo lường Đo lường họ c: là ngà nh khoa họ c chuyên nghiên cứ u vê cá c ph ươ ng phá p đê đo cá c đạ i lượ ng khá c nhau, nghiên cứ u vê mẫ u va đơ n vị đo. Ky thuậ t đo lường : ngà nh ky thuậ t chuyên nghiên cứ u áp dụ ng cá c thà nh tự u củ a đo lườ ng họ c và o phụ c vụ sả n xuấ t va đờ i số ng 8/18/2015 12
  13. Đị nh nghĩa và phân loại phép đo Phép đo là quá trình th ực hi ện vi ệc đo lườ ng. Phân lo ại Đo tr c ti p: Là cách đo mà kết qu ả nh ận đượ c tr ực ti ếp tư một phép đo duy nh ất Đo gián ti p: Là cách đo mà kết qu ả đượ c suy ra tư sư ph ối hợp kết qu ả của nhi ều phép đo dùng cách đo tr ực ti ếp. Đo hp bô : Là cách đo gần gi ống nh ư phép đo gián ti ếp nh ưng sô lượ ng phép đo theo phép đo tr ực ti ếp nhi ều hơn va kết qu ả đo nh ận đượ c th ườ ng ph ải thông qua gi ải một ph ươ ng trình hay một hê ph ươ ng trình mà các thông sô đa bi ết chính là các sô li ệu đo đượ c. Đo th ng kê: đê đả m bảo đô chính xác của phép đo nhi ều khi ng ườ i ta ph ải sư dụng phép đo th ống kê. Tức là ph ải đo nhi ều lần sau đo lấy gia tr ị trung bình. 8/18/2015 13
  14. Ví d v phép đo hp b Xác đị nh đặ c tính của dây dẫn điện α β 2 α β rt = r 20 [ 1+ (t - 20) + (t-20) ] , ch ưa bi ết. 0 Đo điện tr ở ở nhi ệt độ 20 C, t 1 và t 2 Các phép ⇒ Hệ 2 ph ươ ng trình 2 ẩn α và β. đo tr ực ti ếp??? r = r [1+α(t − 20 ) + β(t − 20 )2 ]  t1 20 1 1  r = r [1+α()()t − 20 + β t − 20 2 ]  t2 20 2 2 α, β 8/18/2015 14
  15. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Đạ i lượ ng đo Điều ki ện đo Đơ n vị đo Chu ẩn và mẫu Thi ết bị đo và ph ươ ng pháp đo Ng ườ i quan sát Kết qu ả đo 8/18/2015 15
  16. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Đạ i lượng đo là một thông số đặ c tr ưng cho đạ i lượ ng vật lý cần đo. Mỗi quá trình vật lý có th ể có nhi ều thông số nh ưng trong mỗi tr ườ ng hợp cụ th ể ch ỉ quan tâm đế n một thông số là một đạ i lượ ng vật lý nh ất đị nh Ví dụ: nếu đạ i lượ ng vật lý cần đo là dòng điện thì đạ i lượ ng đo có th ể là giá tr ị biên độ , tần số, 8/18/2015 16
  17. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Phân lo ại đạ i lượng đo Theo bản ch ất của đố i tượ ng đo: Đạ i lượ ng đo điện: Đạ i lượ ng mang tính ch ất điện, ví dụ: điện tích, điện áp, dòng điện, o Tích cực: các đạ i lượ ng mang năng lượ ng điện, khi đo các đạ i lượ ng này, năng lượ ng của đạ i lượ ng cần đo sẽ cung cấp cho mạch điện, ví dụ: điện áp, dòng điên, o Th ụ độ ng: Đạ i lượ ng này bản thân chúng không mang năng lượ ng cho nên cần ph ải cung cấp dòng ho ặc áp khi đư a các đạ i lượ ng này vào mạch đo, ví dụ: R, L, C. Đạ i lượ ng đo không điện: Đạ i lượ ng đo không có tích ch ất điện, ví dụ: kh ối lượ ng, nhi ệt độ , 8/18/2015 17
  18. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Phân lo ại đạ i lượng đo Theo tính ch ất thay đổ i của đạ i lượ ng đo Đạ i lượ ng đo ti ền đị nh: Đạ i lượ ng đo đã bi ết tr ướ c quy lu ật thay đổ i theo th ời gian. o Ví dụ: U = 220 sin (314t) Đạ i lượ ng đo ng ẫu nhiên: Đạ i lượ ng đo có sự thay đổ i theo th ời gian, không có quy lu ật Theo cách bi ến đổ i đạ i lượ ng đo: Đạ i lượ ng đo tươ ng tự: đạ i lượ ng đo bi ến đổ i thành đạ i lượ ng đo liên tục -> có dụng cụ đo tươ ng tự Đạ i lượ ng đo số: đạ i lượ ng đo bi ến đổ i thành đạ i lượ ng đo số -> có dụng cụ đo số 8/18/2015 18
  19. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Điều ki ện đo Khi ti ến hành phép đo, ta ph ải tính đế n ảnh hưở ng của môi tr ườ ng đế n kết qu ả đo và ng ượ c lại Đạ i lượ ng đo ch ịu ảnh hưở ng của môi tr ườ ng sinh ra nó, ngoài ra kết qu ả do ph ụ th ộc ch ặt ch ẽ vào môi tr ườ ng th ực hi ện phéo đo nh ư: nhi ệt độ , độ ẩm, từ tr ườ ng, Đề kết qu ả đo đạ t yêu cầu thì ph ải th ực hi ện phép đo trong một điều ki ện xác đị nh, do tiêu chu ẩn qu ốc gia ho ặc theo quy đị nh của nhà sản xu ất -> Khi th ực hi ện phép đo luôn ph ải xác đị nh điều ki ện đo để có ph ươ ng pháp đo phù hợp 8/18/2015 19
  20. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Đơn vị đo Khái ni ệm Đơ n vị đo là giá tr ị đơ n vị tiêu chu ẩn về một đạ i lượ ng đo nào đó đượ c qu ốc tế quy đị nh mà mỗi qu ốc gia đề u ph ải tuân th ủ Trên th ế gi ới ng ườ i ta ch ế tạo nh ững đơ n vị tiêu chu ẩn gọi là chu ẩn, ngày nay các chu ẩn đượ c quy đị nh theo hệ th ống đơ n vị SI Đơ n vị cơ bản đượ c đượ c th ể hi ện bằng các đơ n vị chu ẩn với độ chính xác cao nh ất. Đơ n vị dẫn xu ất là đơ n vị có liên quan đế n các đơ n vị cơ bản bằng các bi ểu th ức 8/18/2015 20
  21. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Đơn vị đo Theo Pháp lệnh Đo lườ ng ngày 06 tháng 10 năm 1999, đơ n vị đo lườ ng hợp pháp là đơ n vị đo lườ ng đượ c Nhà nướ c công nh ận và cho phép sử dụng. Hệ đơ n vị qu ốc tế SI gồm 7 đạ i lượ ng chính Tên đơ n vị Đơ n vị Ky hiệ u Chiề u dà i mé t m Khố i lượ ng Kilogam Kg Thờ i gian giây s Dò ng điệ n Ampe A Nhiệ t độ đô Kelvin 0K Ánh sá ng Candela Cd 102 đơ n vị dẫn xu ất 72 đạ i lượ ng vật lý Đị nh lượ ng phân tử Mol Mol 8/18/2015 21
  22. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Bội số và ướ c số của đơ n vị Hê sô Tên Ký hi ệu Hệ s ố Tên Ký hi ệu 10 24 Yotta Y 10 -1 Deci d 10 21 Zetta Z 10 -2 Centi c 10 18 Exa E 10 -3 Mili m 10 15 Peta P 10 -6 Micro µ 10 12 Tera T 10 -9 Nano n 10 9 Giga G 10 -12 Pico p 10 6 Mega M 10 -15 Femto f 10 3 Kilo K 10 -18 Atte a 10 2 Hecto H 10 -21 Zepto z 10 1 Deca Da 10 -24 Yocto y 8/18/2015 22
  23. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Chi ều dài: đơ n vị chi ều dài là mét (m). Mét là kho ảng chi ều dài đi đượ c của ánh sáng truy ền trong chân không trong kho ảng th ời gian là: 1/299.792.458 giây Kh ối lượng: Đơ n vị kh ối lượ ng là kilogam (kg). Đó là kh ối lượ ng của một kh ối Bạch kim Iridi (Pt Ir) lưu gi ữ ở BIPM ở Pháp – Bureau International des Poids et Mesure). Th ời gian: Đó là th ời gian của 9.192.631.770 chu kỳ của máy phát sóng nguyên tử Sedi 133(Cs-133). Dòng điện: Ampe là cườ ng độ dòng điện tạo ra một lực đẩ y là 2x10 -7 N trên đơ n vị chi ều dài gi ữa hai dây dẫn dài vô cực đặ t cách nhau 1m. 8/18/2015 23
  24. Đị nh nghĩa 7 đơn v ị c ơ bản (2) Nhi ệt độ (nhi ệt độ ng): Đó là 1/273,16 nhi ệt độ nhi ệt độ ng của điểm ba của nưướ c nguyên ch ất. Lượng vật ch ất (mol): Đó là lượ ng vật ch ất của số nguyên tử của vật ch ất ấy, bằng số nguyên tử có trong 0,012 kg cacbon 12 (C12 ). Cường độ sáng hay quang độ : candela (Cd) là cườ ng độ của một ngu ồn sáng phát ra ánh sáng đơ n sắc ở tần số 540.10 12 Hz, với công su ất 1/683 Watt trong một Steradian (Sr). Hai đơn vị ph ụ là Radian (Rad) và Steradian . Radian là góc ph ẳng có cung bằng bán kính. Sterradian là góc kh ối nằm trong hỡnh cầu gới hạn bởi vòng tròn cầu có đườ ng kính bằng đườ ng kính của 8/18/2015 qua cầu. 24
  25. Bảng một số đơn vị dẫn xuất Đơ n v ị Th ứ Đạ i lượ ng KH Đơ n v ị KH nguyên Góc ph ẳng α,β,θ Radian Ra Góc kh ối ω Steradian Sr Di ện tích S Métvuông m2 L2 Th ể tích V Métkh ối m3 L3 Tốc độ v Mét/giây m/s LT -1 Gia t ốc γ Mét/giây2 m/s 2 LT -2 Tốc độ góc ω Radian/giây Ra/s T -1 Gia t ốc góc γω Radian/giây 2 Ra/s 2 T -2 Bướ c song λ Mét m L Tr ọng l ượ ng, L ực P,F N MLT -2 Tr ọng l ượ ng riêng γ Newton/m3 N/m3 ML -2T-2 8/18/2015 25
  26. Bảng một số đơn vị dẫn xuất Đạ i lượ ng KH Đơ n vị Th ứ nguyên Cườ ng độ tr ọng tr ườ ng g Newton/kg N/kg LT -2 Điện lượ ng q Coulomb Cb TI Momen điện tr ườ ng p Cm LTI Hằng s ố điện môi ε Faraday/mét F/m L -3M -1T 4I2 Cườ ng độ điện tr ườ ng E Vol/mét V/m LMT -3I-2 Điện th ế V Volt V L2MT -3I -1 Điện dung CFarad F L-2M-1T 4I2 Điện tr ở R Ohm Ω L-2M-1 T 4I 2 8/18/2015 26
  27. Bảng một số đơn vị dẫn xuất Th ứ Đạ i lượ ng KH Đơ n vị nguyên Điện tr ở su ất ρ Ohmmét Ωm L3MT -3 I2 Điện d ẫn G,g Siemen Si L-2M-1T3I2 Điện d ẫn xu ất γ Siemen Si/m L-3M-1T3I2 Mật độ dòng điện J Ampe/ met 2 A/m2 L-2I Cườ ng độ điện tr ườ ng H Ampe/m A/m L-1I Từ thông φ Weber Wb L2MT -2I-1 Từ c ảm ứng B B Tesla Tes MT 2I-1 Từ d ẫn su ất µ Henry/mét h/m LMT -2I-1 Điện cảm, hỗ cảm L,M Henry h L2MT -2I-2 8/18/2015 27
  28. Một số đơn vị ngoài hệ SI hợp pháp mà vẫn sử dụng Đơ n vị Quy đổ i ra SI Đơ n v ị Quy đổ i ra SI Inch 2,54. 10 -2m Fynt/foot 2 4,882kg/m 2 Foot (phút) 3,048. 10 -1m Fynt/foot 3 1,6018510 kg/m 3 Yard (Yat) 9,144 . 10 -1m Bari 1.10 6 N/m 2 Mille (d ặm) 1,609km0 Torr 1,332. 10 2 N/m 2 Mille (h ải lý) 1,852km Kilogam lực 9,8066N "Inch vuông 6,4516.10 -4m2 Calo 4,1868J Foot vuong 9,290.10 -2m-2 Mã lực 7,457.10 2 W Inch kh ối 1,6384. 10 -5m3 Kilowatt gi ờ 3,60 . 10 6J Foot kh ối 2,832 . 10 -2m3 Thermie 1,0551 . 10 3J Galon (M ỹ) 3,785. 10 -3m3 Electron volt (ev) 1,602 . 10 2J Galon (Anh) 4,5 10 -3m3 Gauss 1.10 -4 T Fynt 4,536 . 10 -1kg Maxwell 1.10 -8Wb Tonne 1,0161. 10 3kg 8/18/2015 28
  29. Sơ đồ quan hệ gi ữa các đơn v ị 8/18/2015 29
  30. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Chu n và mu Để th ống nh ất đượ c đơ n vị thì ng ườ i ta ph ải tạo đượ c mẫu của đơ n vị ấy, ph ải truy ền đượ c các mẫu ấy cho các thi ết bị đo Để th ống nh ất qu ản lý đo lườ ng, đả m bảo đo lườ ng cho công nghi ệp, th ươ ng mại và đờ i sống, mỗi qu ốc gia đề u tổ ch ức hệ th ống mẫu chu ẩn và truy ền chu ẩn của qu ốc gia đó. 8/18/2015 30
  31. Phân loại Phân lo ại trên ph ạm vi qu ốc tế Chu ẩn qu ốc tế (International standard): Là chu ẩn đượ c một hi ệp đị nh qu ốc tế công nh ận để làm cơ sở ấn đị nh giá tr ị cho các chu ẩn khác của đạ i lượ ng có liên quan trên ph ạm vi qu ốc tế. Chu ẩn qu ốc gia (National Standard): Là chu ẩn đượ c một quy ết đị nh có tính ch ất qu ốc gia công nh ận để làm cơ sở ấn đị nh giá tr ị cho các chu ẩn khác có liên quan trong một nướ c. Chu ẩn chính (Reference standard): Là chu ẩn th ườ ng có ch ất lượ ng cao nh ất về mặt đo lườ ng có th ể có ở một đị a ph ươ ng ho ặc một tổ ch ức xác đị nh mà các phép đo ở đó đề u đượ c dẫn xu ất từ chu ẩn này. Chu ẩn công tác (Working standard): Là chu ẩn đượ c dùng th ườ ng xuyên để hi ệu chu ẩn ho ặc ki ểm tra vật đo, ph ươ ng ti ện đo ho ặc mẫu chu ẩn. Chu ẩn so sánh (Transfer standard): Là chu ẩn đượ c sử dụng nh ư là một ph ươ ng ti ện để so sánh các chu ẩn. 8/18/2015 31
  32. Đị nh nghĩa Theo tiêu chu ẩn Vi ệt Nam (TCVN) 6165 -1996 chu ẩn đo lườ ng (measurement standard) hay vắn tắt là chu ẩn, đượ c đị nh ngh ĩa nh ư sau: “Chu n là Vật đo, ph ươ ng ti ện đo, mẫu chu ẩn ho ặc hệ th ống đo để đị nh ngh ĩa, th ể hi ện, duy trì ho ặc tái tạo đơ n vị ho ặc một hay nhi ều giá tr ị của đạ i lượ ng để dùng làm mốc so sánh ” Phân lo ại theo độ chính xác có th ể phân lo ại nh ư sau: Chu ẩn đầ u (Primary standard) Chu ẩn th ứ (Secondary standard): Chu ẩn bậc I: Theo cùng Chu ẩn bậc II: một đạ i lượ ng 8/18/2015 32
  33. Phân loại (2) Chu ẩn đầ u (Primary standard): Là chu ẩn đượ c ch ỉ đị nh hay th ừa nh ận rộng rãi là có ch ất lượ ng về mặt đo lườ ng cao nh ất và các giá tr ị của nó đượ c ch ấp nh ận không dựa vào các chu ẩn khác của cùng đạ i lượ ng. Chu ẩn th ứ (Secondary standard): Là chu ẩn mà giá tr ị của nó đượ c ấn đị nh bằng cách so sánh với chu ẩn đầ u của cùng đạ i lượ ng. Chu ẩn bậc I: là chu ẩn mà giá tr ị của nó đượ c ấn đị nh bằng cách so sánh với chu ẩn th ứ của cùng đạ i lượ ng. Chu ẩn bậc II: là chu ẩn mà giá tr ị của nó đượ c ấn đị nh bằng cách so sánh với chu ẩn bậc I của cùng đạ i lượ ng .v.v 8/18/2015 33
  34. Sơ đồ liên k ết chuẩn Bậc Chu ẩn qu ốc gia chính xác O Ph ươ ng pháp so sánh Chu ẩn chính I Ph ươ ng pháp Ph ươ ng pháp so sánh so sánh Chu ẩn chính Chu ẩn công tác II Ph ươ ng pháp Ph ươ ng pháp Ph ươ ng pháp so sánh so sánh so sánh Chu ẩn chính Ph ươ ng ti ện đo Ph ươ ng ti ện đo III Sơ đồ liên kết chu ẩn 8/18/2015 34
  35. Một số hằng số vật lý dùng làm chuẩn Đạ i lượ ng Ký Giá tr ị (với độ không ch ắc Ứng dụng hi ệu ch ắn 1σ) Tốc độ ánh sáng C 299.792.458 m/s Th ời gian, tần số trong chân không (chính xác) chi ều dài Điệntíchelectron e 1,60217733.10 - 19 (0.3ppm) Điện áp, dòng điện Hằng số Kj-90 483.587,96 Hz/v (0.4ppm) Điện áp "Josephson" Ω Hằng s ố Von RJ-90 25,812807 K (0.2ppm) Điện tr ở klitzing µ π -7 2 Hệ số dẫn từ 0 4 .10 N/A (chính xác) Điện dung trong chân không 8/18/2015 35
  36. Một số chuẩn mẫu về các đạ i lượng không điện Chu ẩn mẫu mét Th ời kỳ đầ u mét đượ c đị nh ngh ĩa là độ dài của một ph ần mườ i tri ệu của chi ều dài kinh tuy ến qua Paris Cho đế n tr ướ c năm 1960 mét chu ẩn đượ c xác đị nh nh ư sau: Mét là chi ều dài gi ữa 2 vạch một th ướ c mẫu làm bằng hợp kim PtIr đặ t ở trung tâm chu ẩn th ế gi ới trong lâu dài Sèvre, Paris (BIPM). Năm 1960, ở Hội ngh ị toàn th ế gi ới về chu ẩn, đã lấy chu ẩn mét là 1.650.763,73 bướ c sóng trong chân không của ánh sáng phát ra từ nguyên tử krypton 86, khi chuy ển mức năng lượ ng tử 2p10 sang 5d5 (mầu da cam). Sai số không quá 1.10 -8 8/18/2015 36
  37. Một số chuẩn mẫu về các đạ i lượng không điện Chu ẩn mẫu mét Từ năm 1983 ng ườ i ta bắt đầ u chu ẩn mét thông qua đơ n vị th ời gian đã đượ c xác đị nh chính xác nh ờ các máy phát tần số chu ẩn nguyên tử. Mét là kho ảng đườ ng chuy ền độ ng của ánh sáng trong chân không, trong kho ảng th ời gian là 1/290792458 giây. (Tốc độ ánh sáng là 299.972.458 m/s) Độ chính xác tần số chu ẩn là 10 -13 , vì th ế mẫu chu ẩn mét có th ể đạ t 10 -9. 8/18/2015 37
  38. Một số chuẩn mẫu về các đạ i lượng không điện Chu ẩn về kh ối lượng. Lúc đầ u tiên, đơ n vị kh ối lượ ng đượ c xác đị nh là kh ối lượ ng của 1dm3 nướ c nguyên ch ất ở 40C Từ 1882 Hội đồ ng qu ốc tế về đo lườ ng và chu ẩn CIPM ch ấp nh ận kg là kh ối lượ ng của qu ả cân chu ẩn làm bằng Pt - Ir (Phatin-Iridi) đặ t tại lâu đài Sêvre, Paris, với sai số 7.10 -9kg 8/18/2015 38
  39. Một số chuẩn mẫu về các đạ i lượng không điện Chu ẩn th ời gian và tần số Th ời gian và tần số, là 2 th ể hi ện khác nhau của 1 hi ện tượ ng phát sóng. Tháng 7 năm 1967, tại hội đồ ng chu ẩn qu ốc tế lần th ứ 13, đơ n vị th ời gian giây (s) đượ c xác đị nh là kho ảng th ời gian của 9.192.631.770 chu kỳ của ngu ồn phát sóng nguyên tử xêdi 133 (Cs 133) khi chuy ển mức năng lượ ng (F=4,mf=0)sang(F=3);mf=0). Nguyên lý của các máy phát th ời gian hay tần số chu ẩn đề u dựa trên công th ức: ν h = E 2 -E1. ν h: là hằng số Plank, là tần số,E1,E2 là 2 mức năng lượ ng trong khi chuy ển mức. 8/18/2015 39
  40. Một số chuẩn mẫu về các đạ i lượng điện Chu ẩn dòng điện Chu ẩn điện áp Chu ẩn điện tr ở Chu ẩn điện dung 8/18/2015 40
  41. a. Chuẩn dòng điện Ban đầ u chu ẩn bằng cân AgNO3 điện phân Năm 1960 chu ẩn đượ c th ực hi ện thông qua cân dòng điện tức là đo lực đẩ y điện từ gi ữa hai dây dẫn dài vô cực thông qua cân có độ chính xác cao (đạ t đế n 4.10 -6 A). Cuén d©y ®· Qu¶ c©n biÕt kÝch th−íc ®· biÕt Dßng ®iÖn mét chiÒu I Cuén C©n b»ng d©y hót träng l−îng Gần đây thì ng ườ i ta có đề xu ất vi ệc xác đị nh dòng điện thông qua từ tr ườ ng và đo bằng ph ươ ng pháp cộng hưở ng từ hạt nhân. Xác đị nh dòng điện chu ẩn rất ph ức tạp vì vậy trong th ực tế ng ườ i ta sử dụng chu ẩn về điện áp. 8/18/2015 41
  42. b. Phát điện áp một chi ều chuẩn Pin mẫu Weston Sực điện độ ng Pin mẫu ở 20 0C cho b ởi Công th ức: -4. -5 E20 = 1,018636 – 0,6.10 N – 5,0.10 N Với N=0.04-0.08 Sức điện độ ng c ủa Pin mẫu l ại thay đổ i theo nhi ệt độ theo Công th ức: -5 -4 2 -5 3 Et = E 20 – 4,610 (t-20) –9,510 (t-20) +1,0 10 (t-20) + Trôi sức t ự độ ng h ằng n ăm là 1 µV/n ăm (microVolt) Mẫu đị ên áp Qu ốc gia đượ c l ấy là giá tr ị trung bình của 20 (ho ặc 10) pin mẫu bão hoà này. 8/18/2015 42
  43. Chuẩn Jozepson Năm 1962, sau khi phát hi ện ra hi ệu ứng Josepson, hi ệu ứng này đượ c sử dụng vào vi ệc tạo ra điện áp chu ẩn theo công th ức: h n Unf= ⋅ = f 2e K j− 90 Trong đó: -n là số cấp chuy ển ti ếp siêu dẫn -h là hằng số Plank, -e di ện tích electron. -Hằng số Josepson Kj-90 = 485,5979 GHz/V - f: Tần số sóng điện từ cực ng ắn là 9 GHz 8/18/2015 43
  44. Phần tử Jozepson Tuy nhiên do kh ả năng xác đị nh chính xác các hằng số cơ bản (h, e) sai số của chu ẩn Josepson ch ỉ đạ t 1.10 -6 V. Chu ẩn điện áp từ ph ần tử Josepson đượ c chuy ển cho bộ pin mẫu mà hệ số không ổn đị nh hàng năm không vượ t quá 3.10 -7V. 8/18/2015 44
  45. c. Chuẩn điện tr ở Từ lâu, điện tr ở mẫu là một bộ gồm 10 cu ộn dây manganin có điện tr ở đị nh mức 1Ω để trong hộp kín 2 lớp đổ đầ y không khí nén, có giá tr ị 1,0000002 Ω với ph ươ ng sai σ = 1.10 -7. Truy ền điện tr ở mẫu cho các điện tr ở khác bằng cầu 1 chi ều. Từ tháng 1 năm 1990, điện tr ở mẫu đượ c xác đị nh thông qua hi ệu ứng “Hall lượ ng tử” từ (QHE), nh ờ hằng số vật lý von Klitzing. Ω Hằng số von Klitzing đượ c xác đị nh Rk-90 = 25,81280 với sai số 0,2.10 -6 8/18/2015 45
  46. c. Chuẩn điện tr ở Hi ệu ứng Hall Ph ần tử cơ bản của một QHE là một planar MOSFET mỏng để trong môi tr ườ ng nhi ệt độ th ấp. 1-2K ( 271 0C). U =h = Dòng điện Dẫn Rh R/i k− 90 điện tử I Từ cảm Uh: điện áp Hall Rh = Điện tr ở Hall l ượ ng t ử. I dòng điện ch ạy trong màng bán d ẫn MOSFET. i con s ố nguyê n ch ỉ s ố đả o Hall trong màng bán d ẫn lúc xác đị nh Rh. Ω Rk-90 : h ằng s ố von Klitzing= 25,81280 8/18/2015 46
  47. c. Chuẩn điện tr ở Điện tr ở Hall lượ ng tử Rh đượ c truy ền cho một điện tr ở cụ th ể (dùng để làm điện tr ở mẫu) thông qua một sơ đồ so sánh U = R RRh Uh Rh đượ c xác đị nh thông qua hằng số von Klitzing; UR và Uh đượ c so sánh bằng một volmét số với kh ả năng phân ly cao 8/18/2015 47
  48. Ví dụ 8/18/2015 48
  49. d. Chuẩn điện dung Chu ẩn điện dung đượ c th ực hi ện bằng tụ điện tính theo lý thuy ết Thompson - Lambard. Tụ gồm 4 thanh thép, đườ ng kính 50mm dài 500mm có tr ục song song và nằm trên đỉ nh hình vuông; gi ữa chúng có 1 thanh màn ch ẵn tĩnh điện đặ t ở ngay tâm của hình vuông: Sự thay đổ i điện dung của tụ điện (c ủa từng cặp điện cực) thay đổ i theo kho ảng di chuy ển của thanh màn ch ắn. 8/18/2015 49
  50. d. Chuẩn điện dung 1 1 ∆C = ln2 ∆ L = ln2 ∆ L π πµ 2 2 20 C µ 0: từ dẫn của không khí , C = tốc độ ánh sáng . ∆L đo bằng ph ươ ng pháp giao thoa với ∆L = 100mm sai số 10 -7. ∆C= 0,4002443 pF, sai số không quá 5.10 -7. Điện dung mẫu đưượ c truy ền sang các điện dung khác bằng cầu xoay chi ều. Từ các mẫu này ta có th ể suy ra các đạ i lượ ng điện khác thông qua các hộp điện tr ở và hộp điện dung chính xác cao. 8/18/2015 50
  51. 2.3. Tạo ra mẫu công tác và mẫu bi ến đổi Sau khi tạo mẫu qu ốc gia, ph ải tổ ch ức mạng lướ i qu ốc tế và qu ốc gia để truy ền chu ẩn đế n nh ững phòng thí nghi ệm tiêu chu ẩn khu vực. Nh ững chu ẩn này ph ải đạ t độ chính xác yêu cầu: cách bố trí, quy lu ật bi ến đổ i phù hợp với tín hi ệu ki ểm tra và thi ết bị so sánh. Gồm nh ững vấn đề sau: a) Lượ ng tử hoá mẫu chu ẩn. b) Tổ hợp các lượ ng tử của mẫu thành mẫu bi ến đổ i. c) Algorithm bi ến đổ i chu ẩn. 8/18/2015 51
  52. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Ph ng pháp đo và Thi t b đo Ph ươ ng pháp đo đượ c chia làm 2 lo ại ch ủ yếu là ph ươ ng pháp đo bi ến đổ i th ẳng và ph ươ ng pháp đo so sánh. Thi ết bị đo là thi ết bị kỹ thu ật dùng để gia công tín hi ệu mang thông tin đo thành dạng ti ện lợi cho ng ườ i quan sát. Thi ết bị đo gồm: thi ết bị mẫu, chuy ển đổ i đo lườ ng, dụng cụ đo lườ ng, tổ hợp thi ết bị đo lườ ng và hệ th ống thông tin đo lườ ng. 8/18/2015 52
  53. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Ng i quan sát Là ng ườ i ti ến hành đo ho ặc gia công kết qu ả đo. Yêu cầu nắm đượ c ph ươ ng pháp đo, hi ểu bi ết về thi ết bị đo và lựa ch ọn dụng cụ hợp lý, ki ểm tra điều ki ện đo (ph ải nằm trong chu ẩn cho phép để sai số ch ấp nh ận đượ c) và bi ết cách gia công số li ệu thu đượ c sau khi đo. 8/18/2015 53
  54. 1.3. Các đặ c tr ưng của kĩ thuật đo lường Kt qu đo Xác đị nh tiêu chu ẩn đánh gia một phép. Kết qu ả đo ở một mức đô nào đo có thê coi là chính xác. Một gia tr ị nh ư vậy đượ c gọi là gia tr ị ướ c lượ ng của đạ i lượ ng đo. Đo là gia tr ị đượ c xác đị nh bởi th ực nghi ệm nh ơ các ph ươ ng ti ện đo. Gia tr ị này gần với gia tr ị th ực mà ở một điều ki ện nào đo có thê coi là th ực. Đê đánh gia gi ữa gia tr ị ướ c lượ ng va gia tr ị th ực, ng ườ i ta sư dụng khái ni ệm sai sô của phép đo. Sai sô của phép đo là hi ệu gi ữa gia tr ị th ực va gia tr ị ướ c lượ ng ∆ X = Xth ực -Xướ c lượ ng Lý thuy ết sai số chúng ta sẽ học cụ th ể sau 8/18/2015 54
  55. 1.4. Mô hình của quá trình đo (1) Quá trình đo bi n đ i th ng Ánh xạ tập các đạ i lượ ng vật lý cần đo (liên tục) vào tập các con số tự nhiên (rời rạc) X Xn X Xo TËp c¸c ®¹i l−îng vËt l−îng ®¹i c¸c TËp lý(liªntôc) N0 NX m N TËp con sè tù nhiªn 0 -m (rêi r¹c) 8/18/2015 55
  56. 1.4. Mô hình của quá trình đo Quá trình đo bi ến đổ i th ẳng Bắt đầ u N X N X0->N0 0 (Kh ắc độ ) X -> Nx ( Mã hoá) Tính Nx/N0 Đư a ra kết qu ả = N x X X 0 N 0 Kết thúc 8/18/2015 56
  57. 1.4. Mô hình của quá trình đo Quá trình đo bi n đ i th ng Ví d: Có một vôn mét đượ c kh ắc độ nh ư sau: 150V tươ ng ứng 100 vạch. Đo một điện áp, Volmet ch ỉ 140 vạch, xác đị nh kết qu ả đo? Gi ải: X0 = 150V, N0 = 100 vạch Nx = 140 vạch Tính: Đư a ra kết qu ả: 8/18/2015 57
  58. 1.4. Mô hình của quá trình đo Quá trình đo ki u so sánh Ánh xạ tập các con số tự nhiên (rời rạc) thành dãy các đạ i lượ ng vật lý (rời rạc) X X N XK TËp c¸c ®¹i l−îng vËt lý X 0 N 1 2 NK N m TËp con sè tù nhiªn 8/18/2015 58
  59. 1.4. Mô hình của quá trình đo Quá trình đo ki u so sánh CT Xk D/A SS N N (0/1) Bắt đầ u k k X N=0 Nk+1 =Nk+1 ÷ Nk =(0 Nn) Bi ến đổ i Nk -> Xk Đư a ra kết qu ả X-X > 0 k X=N X Đúng Sai k. 0 Kết thúc 8/18/2015 59
  60. 1.5. Các nguyên công đo lường cơ bản(1) Quá trình đo là th ực hi ện các nguyên công đo lườ ng, các nguyên công có th ể th ực hịên tự độ ng trong thi ết bị ho ặc do ng ườ i th ực hi ện. Xác đ nh đ n v đo, thành lp mu, to mu và truy n mu: o Xác đị nh đơ n vị, tạo ra chu ẩn mẫu là nh ững đạ i lượ ng vật ly có tính bất bi ến cao va là hi ện thân của đơ n vị đo lườ ng. o Lượ ng tư hoa chu ẩn va tô hợp thành đạ i lượ ng chu ẩn có thê thay đổ i gia tr ị, tạo thu ận lợi cho vi ệc xác đị nh gia tr ị của đạ i lượ ng đo, ta gọi là truy ền chu ẩn. Nguyên công bi n đ i: Th ực hi ện phép bi ến đổ i trên các tín hi ệu đo lườ ng, tư đạ i lượ ng này sang đạ i lượ ng khác, tư dạng này sang dạng khác thê hi ện 8/18/2015 60
  61. 1.5. Các nguyên công đo lường cơ bản (2) Nguyên công so sánh : o So sánh có thê th ực hi ện trong không gian sô bằng một thu ật toán chia (ph ươ ng pháp đo bi ến đổ i tr ực ti ếp) o Trong không gian các đạ i lượ ng vật ly , th ực hi ện bằng một phép tr ư trong bô so sánh (comparator) ≤ε X-Xk (ph ươ ng pháp đo ki ểu so sánh) Nguyên công giao ti p. o Giao ti ếp ng ườ i va máy (HMI) trong ấy vi ệc hi ển thi , trao đổ i, theo dõi giám sát là một dịch vụ kha lớn trong hê th ống thông tin đo lườ ng điều khi ển. o Giao ti ếp với hê th ống (tức với mạng) thê hi ện chu yếu ở dịch vụ truy ền thông. 8/18/2015 61
  62. 1.6. Tín hi ệu Tín hi ệu đo lườ ng mang trong nó thông tin về đố i tượ ng đo, thông qua các thông số đặ c tr ưng của tín hi ệu Tín hi ệu có th ể không bi ến thiên (đạ i lượ ng hằng) nh ưng đa số là bi ến thiên theo th ời gian theo nh ững dạng có quy lu ật xác đị nh (xung hẹp, bậc thang, tam giác, hình sin) ho ặc theo quy lu ật th ống kê, ho ặc không theo quy lu ật nào cả gọi là tín hi ệu ng ẫu nhiên. Tín hi ệu đo gồm 2 thông số C : Đạ i lượ ng vật lý của tín hi ệu 1 C C :Dạng tín hi ệu 1 2 X C2 8/18/2015 62
  63. 1.6. Tín hi ệu – phân loại 8/18/2015 63
  64. 1.6. Tín hi ệu - Đạ i lượng vật lý của tín hi ệu Tín hi ệu đượ c tạo thành bằng đạ i lượ ng vật lý hằng ho ặc bi ến thiên theo th ời gian mà giá tr ị ho ặc thông số đặ c tr ưng của nó, mang thông tin của đố i tượ ng cần đo. Có rất nhi ều đạ i lượ ng vật lý dùng để mang thông tin của tín hi ệu, tuy nhiên để hợp pháp và hợp lý, ta có th ể quy đạ i lượ ng của tín hi ệu thành 7 nhóm đạ i lượ ng cơ bản theo cách phân chia của hệ th ống đơ n vị Tên đơ n vị Đơ n vị Ký hi ệu Chi ều dài mét m Kh ối lượ ng Kilogam Kg Th ời gian giây s Dòng điện Ampe A Nhi ệt độ đô Kelvin 0K ánh sáng Candela Cd Đị nh lượ ng phân tư Mol Mol 8/18/2015 64
  65. 1.6. Tín hi ệu – Dạng của tín hi ệu Dạng hằng Tín hi ệu hằng là tín hi ệu mà giá tr ị của đạ i lượ ng mang thông tin không đổ i theo th ời gian Dạng xung hẹp: = ⋅δ ( − ) x Xt t kT 1 t= kT δ ()t− kT =  0 t≠ kT 8/18/2015 65
  66. 1.6. Tín hi ệu – Dạng của tín hi ệu Dạng bậc thang Tín hi ệu xung bậc thang có th ể bi ểu di ễn = ⋅( − ) Xt X0 1 t kT 1 t≥ kT 1()t− kT =  0 t< kT Dạng xung vuông : = ⋅()() − − − −θ Xt X0 {1 t kT 1( t k T )} 8/18/2015 66
  67. 1.6. Tín hi ệu – Dạng của tín hi ệu Dạng tín hi ệu tỷ lệ th ời gian và xung răng cưa Tín hi ệu tỷ lệ th ời gian có dạng: Xt = X0t 8/18/2015 67
  68. 1.6. Tín hi ệu – Dạng của tín hi ệu Dạng tín hi ệu hình sin. Tín hi ệu tỷ lệ th ời gian có dạng: ω ϕ Xt=Xmsin ( t + ) -(ωt + ϕ) xt = Xme . Xm: là biên bộ của tín hi ệu. ω tần số góc của tín hi ệu. ϕ góc pha đầ u của tín hi ệu. 8/18/2015 68
  69. Dạng tín 0 1 2 3 4 hi ệu Đạ i l ượ ng Hằng Xung h ẹp Xung vuông Tỷ l ệ t Hình sin 0 Con số NX NT Nm, N T,N θ Nxo NAm , N f,N ϕ L(m) X(1,1) X(1,2) X(1,3) X(1,4) 1 Chi ều dài Encoder Mô t ơ b ướ c Mô t ơ Ch ấn độ ng Kh ối M(kg) X(2,1) X(2,2) X(2,3) X(2,4) 2 lượ ng Xung va đậ p xung lượ ng ra Lực nén Xung âm Lực thanh T(s) X(3,1) X(3,2) X(3,3) X(3,4) 3 Th ời gian Phát xung h ẹp Đị nh th ời gian Tgian t ăng d ần I(A) X(4,1) X(4,2) X(4,3) X(4,4) 4 Điện U(V) Phát xung h ẹp Phát xung vuông Phát xung tuy ến Phát hình sin tính t(0K) X(5,1) X(5,2) X(5,3) X(5,4) 5 Nhi ệt độ Xung nhi ệt Xung lượ ng nhi ệt Nung v ới ngu ồn hằng φ(cd) X(6,1) X(6,2) X(6,3) X(6,4) 6 Ánh sáng Ch ớp sáng Ch ớp chu kỳ Dimmer 7 Mol mol X(7,1) X(7,2) X(7,3) X(7,4) θ Dạng τ n n n n n T X0 Xác đị nh X T Xm, T, θ Xθ Am, f, ϕ 8/18/2015 69
  70. 1.6. Tín hi ệu – Dạng của tín hi ệu Ta có th ể lấy ký hi ệu chung cho tín hi ệu đo lườ ng là X với hai ch ữ số ở trong dấu ngo ặc: ch ữ số đầ u tượ ng tr ưng cho đạ i lượ ng vật lý, ch ữ số sau ch ỉ dạng tín hi ệu và sắp ở các ô tươ ng ứng trong bảng Ví d: X (4,1): 4 là đạ i lượ ng điện 1 là dạng tín hi ệu xung hẹp. 8/18/2015 70
  71. Chương 2. Phương pháp đo- phương ti ện đo Ph ươ ng pháp đo: là th ủ tục th ực hi ện thao tác đo lườ ng để đo đượ c kết qu ả bằng số Ph ươ ng ti ện đo: là th ực hi ện kỹ thu ật của ph ươ ng pháp đo với một họ đạ i lượ ng cụ th ể. Ph ươ ng pháp đo Ph ươ ng ti ện đo (Mô tả quá trình đo-Nguyên công) (Gi ải pháp kỹ thu ật -Kh ối ch ức năng) Ph ối hợp các nguyên công Th ể hi ện bằng sơ đồ kh ối khác nhau ch ức năng Các th ủ tục ph ối hợp Th ực hi ện bằng ph ần mềm xử lý 8/18/2015 71
  72. Chương 2. Phương pháp đo- phương ti ện đo Trong kỹ thu ật hi ện đạ i, các nguyên công đo lườ ng đượ c th ực hi ện bằng kh ối ch ức năng đượ c tổ ch ức thành modul (modul hoá) ho ặc đượ c tích hợp hoá (IC hoá). Các kh ối ch ức năng ấy, các thi ết bị đo, các hệ th ống đo đượ c mang tên chung là ph ươ ng ti ện đo lườ ng. Ph ươ ng ti ện đo lườ ng là tập hợp các ph ần tử, các modul, các dụng cụ, các hệ th ống ph ục vụ cho vi ệc thu th ập và xử lý số hi ệu đo lườ ng. Theo kỹ thu ật hi ện đạ i, các hệ th ống dẫu lớn và ph ức tạp bao nhiêu, cũng gồm nh ững ph ần tử nh ững modul ch ức năng cơ bản (modul hoá). 8/18/2015 72
  73. Chương 2. Phương pháp đo- phương ti ện đo Phương tiện đo lường Thiết bị phức Theo độ Phần tử cơ hợp ph ức tạp bản Mẫu phần Chỉ phần dụng thiết bị hệ chuẩn tử cơ thị tử biến cụ đo thống đo bản đổi thông tin đo lường Hình thức tương Số chỉ thị tự Sử dụng kết Chỉ thị Ghi giữ quả đo 73
  74. Ch ương 2. Ph ương pháp đo- ph ương ti ện đo Chuy ển đổ i sơ cấp, ví dụ: Ví dụ TE (ph ần tử nhi ệt độ ), PE (ph ần tử áp su ất) Bi ến đổ i tín hi ệu TT (bi ến đổ i nhi ệt độ ). TP (bi ến đổ i áp su ất – Theo ANSI ký hi ệu PT Ư TF (bi ến đổ i lưu lượ ng- Theo ANSI ký hi ệu FT). Mẫu Ph ần tử so sánh Các giao di ện: DAQ (thu th ập số li ệu). 74
  75. Chương 3: Đặ c tính của thi ết bị đo Độ nh ạy của thi ết bị đo (S) Kho ảng đo Dx = Xmax -Xmin Ng ưỡ ng nh ạy ε x Kh ả năng phân ly của thi ết bị đo , Rx Nx Mở rộng thang đo của thi ết bị đo Độ chính xác của thi ết bị đo (sai số) Th ời gian đo của thi ết bị Tổn hao công su ất của thi ết bị Sai số của thi ết bị đo. 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 75
  76. Mô hình thi ết bị đo Y=F(X,a,b,c ) là ph ươ ng trinh cơ bản của thi ết bị X- là đạ i lưượ ng vào Y- Là đạ i lưượ ng ra của thi ết bị đo Trong đó : X- là một đạ i lượ ng hằng thi ết bị đo là thi ết bị đo tĩnh. X(t)- Bi ến thiên theo th ời gian. Thi ết bị đo là thi ết bị đo độ ng X-là một đạ i lượ ng ng ẫu nhiên thi ết bị đo là thi ết bị đo đạ i lượ ng th ống kê. X- là một Vector nhi ều thành ph ần thi ết bị đo là một hệ đo gián ti ếp hay hợp bộ a, b,c Là các yếu tố anh hưở ng hay là nhi ễu tác dụng lên thi ết bị đo. 76
  77. Độ nhạy Ph ươ ng trinh cơ bản Y=F(X,a,b,c ) ∂F/aX – Độ nh ạy với x ∂F/ ∂a – Độ nh ạy của yếu tố anh hưở ng a hay nhi ễu ∆ ∆ F/ X = KXt - Độ nh ạy theo X ở Xt hay ng ườ i ta còn ký hi ệu là S o Khi K=const -> X,Y là tuy ến tính. o K= f(X) -> X, Y là không tuy ếntính ->saisố phi tuy ến. Vi ệc xác đị nh K bằng th ực nghi ệm gọi là kh ắc độ thi ết bị đo. Với một giá tr ị của X có th ể có các giá tr ị Y khác nhau, hay K khác nhau. dK Xt /K Xt - Th ể hi ện tính ổn đị nh của thi ết bị đo hay tính lặp lại của thi ết bị đo. γ dK Xt /K Xt = dS/S= s- Sai số độ nh ạy của thi ết bị đo -> nhân tính. 77
  78. Độ nhạy 78
  79. Tr ễ hay tr ơ của thi ết bị (Hysteresis) 79
  80. Tính l ặp l ại Ở các lần đo khác nhau, Kx có th ể khác nhau dKx Kx Cho phép đánh giá tính ổn đị nh của thi ết bị đo hay tính lặp lại của TB Đ, sai số lặp lại hay độ tin cậy của d K γΚ = thi ết bị đo. K Sai số về độ nh ạy của thi ết bị đo. Sai số này có tính ch ất nhân tính . 80
  81. Hệ số phi tuy ến của thi ết bị Để đánh giá tính phi tuy ến c ủa thi ết b ị đo ta xác đị nh hệ s ố phi tuy ến c ủa nó. Hệ s ố phi tuy ến xác đị nh theo công th ức sau: ∆ = X max Y K pt X n ∆X - là sai lệch lớn nh ất max ∆Y Ta th ườ ng dùng khâu bù phi tuy ến ∆X Scb .S b= K (Nonlinearity Error) X 81
  82. Hệ s ố phi tuy ến c ủa thi ết bị Nếu Kpt nh ỏ hơn sai số yêu cầu đố i với thi ết bị đo, thì thi ết bị đo đượ c coi là tuy ến tính. Nếu Kpt lớn hơn sai số yêu cầu , ta ph ải ti ến hành tuy ến tính hoá. ở các thi ết bị đo, tr ướ c kia, khí ch ưa có các vi xử lý, ng ườ i ta đã ph ải áp dụng nhi ều bi ện pháp ph ức tạp để tuy ến tính hoá các thi ết bị đo. Ngày nay, ph ươ ng pháp cơ bản hay dùng nh ất là ph ươ ng pháp tuy ến tính hoá từng đoạn. Cơ sở lý thuy ết của ph ươ ng pháp này là: một đườ ng cong bất kỳ, có th ể coi là sự kết nối của nhi ều đoạn tuy ến tính. 82
  83. Khoảng đo, ngưỡng nhạy và khả năng phân ly Kho ảng đo (Span/Full Scal/Range): Dx = Xmax –Xmin Ng ưỡng nh ạy, kh ả năng phân ly (Resolution): ∆ ≤ ε Khi gi ảm X mà Y cũng gi ảm theo, nh ưng với X X khi ∆ ε đó không th ể phân bi ệt đượ c Y, X đượ c gọi là ng ưỡ ng nh ạy của thi ết bị đo. Kh ả năng phân ly của thi ết bị -Thi ết bị tươ ng tự D R = x X ε X -Thi ết bị số: D R=X = N Xε n g 83
  84. Đặ c tính của thi ết bị đo Ng ưỡng nh ạy Ng ưỡ ng nh ạy của thi ết bị đo là giá tr ị đo th ấp nh ất mà dụng cụ có th ể phân bi ệt đượ c : εx, εy. Đố i với dụng cụ đo tươ ng tự,X đượ c xác đị nh bằng kim ch ỉ th ị thì εx là ph ần lẻ kho ảng chia có th ể đọ c đượ c (thông th ườ ng có th ể ch ọn là 1/5 thang chia độ ). Đố i với dụng cụ số εx=Xn/Nn là ng ưỡ ng của ADC hay là giá tr ị một LSB của bộ mã hoá (Lowest Significating Bit) tức giá tr ị một lượ ng tử đo. 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 84
  85. Ví dụ Một bộ bi ến đổ i tươ ng tự số ADC-700 (D, E, F, I, N ) của Burr Brown: Số bit là 16 tức R = 216 = 65.536 • Ch ữ D của ADC lo ại này có ngh ĩa là kho ảng đo đầ u vào là: 0 – 10V • Ch ữ I có ngh ĩa là kho ảng đo đầ u vào là: 0 – 0,5V Nh ư vậy một LSB của ADC 700-D là : LSB của ADC 700-I là: Ng ưỡ ng nh ạy của ADC700-I cao hơn rất nhi ều so với ADC- 700-D nh ưng cùng một kh ả năng phân ly. 85
  86. Đặ c tính của thi ết bị đo Kh ả năng phân ly của thi ết bị đo Đố i với thi ết bị đo tương tự: Kh ả năng phân ly của thi ết bị đượ c tính theo công th ức: DX RX = εx đượ c lấy 1/5 vạch kh ắc độ . εX Ví dụ: thang chia độ đượ c chia 100 vạch thì εx=1/5 kho ảng chia = DX /500 nh ư vậy kh ả năng phân ly R=500. Đố i với thi ết bị đo số: εx là 1 LSB thì kh ả năng phân ly của thi ết bị đo số: D X =N 1LSB X 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 86
  87. Đặ c tính của thi ết bị đo Kh ả năng phân ly của thi ết bị đo Ví dụ:Một bộ bi ến đổ i tươ ng tự số ADC-700 (D, E, F, I, N ) của Burr Brown số bit là 16 tức R= 216 = 65536. D ngh ĩa là kho ảng đo đầ u vào là 0- 10V Nh ư vậy một LSB của ADC 700-D là :10 V =0.1525 mV 65536 Để so sánh kh ả năng phân ly gi ữa thi ết bị đo tươ ng tự và số ta có th ể phân tích nh ư sau: Để có cùng kh ả năng phân ly 16 bit nh ư của ADC700 dụng cụ tươ ng tự ph ải có chi ều dài thang chia độ là bao nhiêu? gi ả sử kho ảng cách chia độ là 1mm 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 87
  88. Tæn hao c«ng suÊt, ®iÖn trë vµo cña thiÕt bÞ ®o Thi ết bị đo khi nối vào đố i tượ ng đo, mu ốn có đáp ứng ph ải thu một ít năng lượ ng từ phía đố i tượ ng đo ta gọi đó là tổn hao Công su ất. 2 Tr ườ ng hợp nối ti ếp với tải: pa= RA.I và RA càng nh ỏ thì sai số do tổn hao càng ít. R γ ≈ A < γ Yêu cầu : ff yc R t γ Trong đó : yc - Sai số yêu cầu; PA :Tổn hao γ ff : Sai số ph ươ ng pháp p R γ = a = A Pt: công su ất ở tải ff p t R t 2 = V Trong tr ườ ng hợp thi ết bị đo nối song song với tải. p v R V Tổn hao R γ ≈ t < γ ff yc Yêu cầu: R V RA,RV đề u đượ c gọi là điện tr ở vào của thi ết bị đo 88
  89. §Æc tÝnh ®éng cña thiÕt bÞ (1) Hµm truyÒn c¬ b¶n : Y(p)=K(p).X(p) α §Æc tÝnh ®éng: + §Æc tÝnh qu¸ ®é + §Æc tÝnh tÇn + §Æc tÝnh xung X X1 X2 X3 X4 Khi ®¹i lưîng X biÕn thiªn theo thêi gian ta sÏ cã quan hÖ α (t)=S t[X(t)] Quan hÖ ®îc biÓu diÔn b»ng mét ph ư¬ng tr×nh vi ph©n. Ph ư¬ng tr×nh vi ph©n Êy ®îc viÕt dưíi d¹ng to¸n tö. α(p)=S(p).X(p) S(p)- Gäi lµ ®é nh¹y cña thiÕt bÞ ®o trong qu¸ tr×nh ®o ®¹i lưîng ®éng 89
  90. §Æc tÝnh ®éng cña thiÕt bÞ (1) Hµm truyÒn c¬ b¶n : Y(p)=K(p).X(p) h(t) §Æc tÝnh ®éng: + §Æc tÝnh qu¸ ®é + §Æc tÝnh tÇn δ(t) + §Æc tÝnh xung a. Đặ c tính xung: t NÕu ®¹i lưîng vµo cã d¹ng xung hÑp: x(t)= δ(t-τ) Đạ i lượ ng ra y(t) = h(t-τ) gọi là đặ c tính xung của thi ết bị ☺☺ ý nghÜa cña ®Æc tÝnh xung??? PhÇn tö c¬ b¶n ∞ cho phÐp tÝnh ®¸p y )t( = ∫ x(τ )h t( −τ )dτ øng ra cña thiÕt bÞ −∞ 90
  91. §Æc tÝnh ®éng cña thiÕt bÞ (2) g(t) b. Đặ c tính quá độ Xt Nếu tín hi ệu vào có dạng xung đơ n vị: x(t) = u(t-τ) Đạ i lượ ng ra y(t) = g(t-τ) [= h(t-τ)] gọi là đặ c tính quá độ của thi ết bị τ t c. Đặ c tính tần số Nếu tín hi ệu vào có dạng sin: x(t) = ejωt Đạ i lượ ng ra y(t) = H( ω).x(t) với H( ω) gọi là đặ c tính tần số của thi ết bị Đặ c tính tần số đượ c phân tích thành hai thành ph ần: đặ c tính mô đun A( ω) và đặ c tính pha ϕ(ω). (Lý thuy ết mạch 1) Ưu điểm c ơ b ản khi s ử d ụng đặ c tính t ần s ố c ủa thi ết b ị??? 91
  92. §Æc tÝnh ®éng cña thiÕt bÞ (3) jωt Khi tÝn hiÖu vµo cã d¹ng h×nh sin: Xt=X me S(p) - thÓ hiÖn díi d¹ng S(j ω) ®ù¬c gäi lµ ®Æc tÝnh tÇn cña thiÕt bÞ S(j ω) lµ mét sè phøc ph©n tÝch thµnh hai thµnh phÇn ®Æc tÝnh A( ω) vµ θ(ω) ®Æc tÝnh pha A( ω) thay ®æi theo (ω), v× vËy g©y ra sai sè ®éng tÝnh theo c«ng thøc sau: A(ω )− A (0) A( ω) γ ω = ω A( ) A(0) A( )- ®Æc tÝnh tÇn cña thiÕt bÞ II A(0)- biªn ®é cña thiÕt bÞ kh«ng ¶nh hëng cña ®Æc tÝnh tÇn. I ω ω Quan hÖ gi÷a ®Æc tÝnh tÇn vµ ®Æc tÝnh qu¸ ®é θ 0 +∞ t 0 1 ω +90 ht()= dtKje ()ω j t 1 π ∫ ∫ n 2 −∞ ω ω 0 0 Sai sè tÇn sè (Gi¶i tÇn cña thiÕt bÞ) I II Thêi gian ®o cña thiÕt bÞ -90 0 Kh¶ n¨ng truyÒn tin cña thiÕt bÞ: C=I.f Trong ®ã: I- lîng th«ng tin mét lÇn ®o (TÝnh b»ng bit)f- TÇn sè ®o 92
  93. §Æc tÝnh ®éng cña thiÕt bÞ (3) d. Hàm truy ền đạ t c ủa thi ết b ị đo Ph ươ ng trình bi ểu di ễn quan h ệ gi ữa tín hi ệu ra/tín hi ệu vào c ủa một thi ết b ị đo: ∂x(t) ∂ N x(t) ∂α(t) ∂Mα(t) y()()t = b x t +b + ⋅⋅⋅ +b + a + ⋅⋅⋅ + a 0 1 ∂t N ∂t N 1 ∂t M ∂t M ()()()()()()ω = ω + ω ω + ⋅⋅⋅ + ω N ω + ω ω + ⋅⋅⋅ + ω M ω Y b0 X b1 j X bN ( j ) X a1 j Y aM ( j ) Y Y (ω ) b + b jω + ⋅⋅⋅ + b ( jω ) N H ()ω = = 0 1 N ()ω − ω − ⋅⋅⋅ − ω M X 1 a1 j a M ( j ) ω : gi¸ trÞ thùc. Thay j ω b»ng sè phøc p = σ + j ω Hàm truy ền đạ t c ủa thi ết b ị đo Cách xác đị nh điểm H(p) cực và điểm không c ủa b + b p + ⋅⋅⋅ + b p N hệ th ống?? H ()p = 0 1 N 1 − a p − ⋅⋅⋅ + a p M 1 M 93
  94. Đặ c tính động (4) N b ∏(p−z ) b (p−z )( p−z ) ( p−z ) N i H(p) = N 1 2 N1 = i=1 (2 -9) − − − − M aM (p p1)( p p2) ( p pN1) − − aM ∏(p pi ) i=1 Tõ c¸c vÞ trÝ cña ®iÓm cùc (p) vµ ®iÓm kh«ng (z) trªn mÆt ph¼ng p (hay s) cã thÓ nhËn biÕt ®îc tÝnh chÊt cña thi ết b ị đo/hÖ thèng đo 94
  95. Đặ c tính của thi ết bị đo Th ời gian đo của thi ết bị đo Là đo th ời gian tính từ lúc đặ t đạ i lượ ng đo vào thi ết bị cho đế n khi thi ết bị ổn đị nh để lấy kết qu ả đo. Đố i với các thi ết bị số thì th ời gian đo là th ời gian bi ến đổ i của bộ bi ến đổ i tươ ng tự - số (Tbđ). Trong các thi ết bị số, th ời gian lấy mẫu (Tlm ) ph ải lớn hơn th ời gian bi ến đổ i. 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 95
  96. Đặ c tính của thi ết bị đo Độ chính xác của thi ết bị đo Đo lườ ng đượ c th ực hi ện bằng cách so sánh một đạ i lượ ng cần đo với đạ i lượ ng đo tiêu chu ẩn. Kết qu ả đo có th ể bi ểu th ị bằng số hay bi ểu đồ . Tuy nhiên, kết qủa đo đượ c ch ỉ là một tr ị số gần đúng, ngh ĩa là phép đo có sai số.Vấn đề là cần đánh giá đượ c độ chính xác của phép đo. 8/18/2015 NTH - BM KT Đ & THCN 96
  97. Sai số của phép đo Tính chính xác của thi ết bị đo là đặ c tính quan tr ọng nh ất đố i với thi ết bị đo. Tính chính xác th ể hi ện ở sai số của thi ết bị đo. 8/18/2015 97
  98. Nguyên nhân gây sai số Khi tính toán sai số cần tính tới tr ườ ng hợp các sai số kết hợp với nhau theo hướ ng bất lợi nh ất với các nguyên nhân: Nguyên nhân ch ủ quan: do lựa ch ọn ph ươ ng pháp đo và dụng cụ đo không hợp lý, trình độ của ng ườ i sử dụng thi ết bị đo không tốt, thao tác không thành th ạo Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoàn hảo, đạ i lượ ng đo bị can nhi ễu do môi tr ườ ng bên ngoài nh ư nhi ệt độ , độ ẩm, bụi bẩn, áp su ất 8/18/2015 98
  99. Sai số tuy ệt đối Sự sai lệch của một dụng cụ đo hay một phép đo đượ c xác đị nh là: δi =X i -Xd δi: Sai lệch của phép đo th ứ I đạ i lượ ng X Xi:Kết qu ả phép đo th ứ I đạ i lượ ng X Xd: Giá tr ị đúng, là giá tr ị đo do một mẫu cung cấp hay là kết qu ả đo X bởi dụng cụ đo cấp chính xác cao hơn nhi ều lần thi ết bị đo đượ c sử dụng. Sai số tuy ệt đố i (một phép đo, hay một thi ết bị đo) đượ c đị nh ngh ĩa: ∆X = max |δi|; 8/18/2015 99
  100. Sai số tương đối Sai số tuy ệt đố i không cho phép đánh giá một phép đo. Để đánh giá tính chính xác của một phép đo ng ườ i ta dùng sai số tươ ng đố i: ∆XX ∆ γ =.100% = .100% XXth do Với Xđo là đạ i lượ ng đo đượ c Xth là giá tr ị th ực của đạ i đạ i lượ ng đo ∆X sai số tuy ệt đố i 8/18/2015 100
  101. Sai số tương đố i quy đổ i (quy đổ i về kho ảng đo) Sai số tươ ng đố i β không cho phép đánh giá một thi ết bị đo, vì vậy ng ườ i ta đư a ra sai số tươ ng đố i quy đổ i là sai số tươ ng đố i quy đổ i về kho ảng đo của thi ết bị: ∆ γ = X qd .100% DX ∆X là sai số tuy ệt đố i gây ra do thi ết bị đo khi đo một đạ i lượ ng xác đị nh; Dx là kho ảng đo của thi ết bị dùng để đo đạ i lượ ng X. Để đánh giá sai số thi ết bị ng ườ i ta dựa vào sai số tươ ng đố i của thi ết bị đo. Nh ư vậy ta có quan hệ các sai số : ∆X γ D D X β=γ= =qd X =γX =γ n qd qd XXdo do X do X do 8/18/2015 101
  102. Sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên Sai số tuy ệt đố i của dụng cụ đo ∆X đượ c chia làm 2 lo ại sai số dựa theo nguyên nhân gây sai số: ∆X= ∆ht + ∆ng Trong đó: ∆X: Sai số tuy ệt đố i của thi ết bị đo. ∆ht : Sai số hệ th ống của thi ết bị đo do nguyên nhân có th ể phân tích đượ c, có th ể dùng các bi ện pháp bù tr ừ đượ c. ∆ng : Sai số ng ẫu nhiên mà nguyên nhân không th ể xác đị nh đượ c và theo quy lu ật ng ẫu nhiên. 8/18/2015 102
  103. Sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên Sai số hệ th ống là do nh ững yếu tố th ườ ng xuyên hay các yếu tố có quy lu ật tác độ ng. Nó khi ến cho kết qu ả đo có sai số của lần đo nào cũng nh ư nhau, ngh ĩa là kết qu ả của các lần đo đề u lớn hơn ho ặc nh ỏ hơn giá tr ị th ực của đạ i lượ ng đo. Nhóm các sai số hệ th ống th ườ ng do các nguyên nhân sau: Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo Do ph ươ ng pháp đo, cách xử lý kết qu ả đo ho ặc bỏ qua các yếu tố ảnh hưở ng. Do khí hậu 8/18/2015 103
  104. Sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên Sai số ng ẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất th ườ ng, không có quy lu ật tác độ ng. Do vậy, sai số hệ th ống có th ể xử lý đượ c nh ờ lấy lại chu ẩn nh ưng sai số ng ẫu nhiên không th ể xử lý đượ c vì không bi ết quy lu ật tác độ ng. 8/18/2015 104
  105. Sai số ngẫu nhiên ∆X đượ c bi ểu di ễn bằng p một đườ ng cong phân bố ∆ xác su ất p( x). Xác su ất ∆X cực đạ i của ∆X tập trung a) ch ủ yếu xung quanh giá tr ị ∆X bằng kỳ vọng của sai X ht ∆ Xht ∆ số ∆X ng ∆ Xht ∆ ∆ ∆ b) X= ht + ng X 8/18/2015 105
  106. Sai số ngẫu nhiên Để đánh giá kết qu ả phép đo ta cần xét gi ới hạn và đị nh lượ ng đượ c sai số ng ẫu nhiên. Mu ốn đánh giá sai số ng ẫu nhiên ta ph ải tìm đượ c quy lu ật phân bố sai số ng ẫu nhiên thông qua lý thuy ết xác su ất th ống kê. p(x) Khi th ực hi ện phép đo nhi ều lần, n h1 > h2 > h3 ti ến tới vô cùng, theo quy lu ật tiêu chu ẩn của lý thuy ết xác su ất bi ểu h1 đồ trên sẽ ti ến đế n một đườ ng cong trung bình p(x) gọi là hàm h2 phân bố tiêu chu ẩn sai số. h3 h − 2 2 p() x= . e h x π x 8/18/2015 106
  107. Các bước tính sai số ngẫu nhiên Lưu đồ thu ật toán 8/18/2015 107
  108. Các bước tính sai số ngẫu nhiên Tính ướ c lượ ng kì vọng toán học mX của đạ i lượ ng đo: chính là giá tr ị trung bình đạ i số của n kết qu ả đo. 2. Tính độ lệch của kết qu ả mỗi lần đo so với giá tr ị trung bình vi : -> tinh δ Tính kho ảng gi ới hạn của sai số ng ẫu nhiên: đượ c tính trên cơ sở đườ ng phân bố chu ẩn: ∆ = [∆1 ,∆2] ; th ườ ng ch ọn: ∆ =[ ∆1,∆2] với : h: hệ số student 8/18/2015 108
  109. Ví dụ 8/18/2015 109
  110. Sai số ngẫu nhiên Bảng phân bố student 8/18/2015 110
  111. Sai số ngẫu nhiên 8/18/2015 111
  112. Sai số ngẫu nhiên Ps n 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999 2 1,000 1,376 1,963 3,08 6,31 12,71 31,8 63,7 636,6 3 0,816 1,061 1,336 1,886 2,92 4,30 6,96 6,92 31,6 4 0,765 0,978 1,250 1,638 2,35 3,18 4,54 5,84 12,9 5 0,741 0,941 1,190 1,533 2,13 2,77 3,75 4,60 8,61 6 0,727 0,920 1,156 1,476 2,02 2,57 3,36 4,03 6,86 7 0,718 0,906 1,134 1,440 1,943 2,45 3,14 3,71 5,96 8 0,711 0,896 1,119 1,415 1,895 2,36 3,00 3,50 5,40 9 0,706 0,889 1,108 1,397 1,860 2,31 2,90 3,36 5,04 10 0,703 0,883 1,110 1,383 1,833 2,26 2,82 3,25 4,78 11 0,700 0,879 1,093 1,372 1,812 2,23 2,76 3,17 4,59 12 0,697 0,976 1,088 1,363 1,796 2,20 2,72 3,11 4,49 13 0,665 0,873 1,083 1,356 1,782 2,18 2,68 3,05 4,32 14 0,694 0,870 1,079 1,350 1,771 2,16 2,65 3,01 4,22 15 0,692 0,868 1,076 1,345 1,761 2,14 2,62 2,98 4,14 16 0,691 0,866 1,074 1,341 1,753 2,13 2,60 2,95 4,07 17 0,690 0,865 1,071 1,337 1,746 2,12 2,58 2,92 4,02 18 0,689 0,863 1,069 1,333 1,740 2,11 2,57 2,90 3,96 19 0,688 0,862 1,067 1,330 1,734 2,10 2,55 2,88 3,92 20 0,688 0,861 1,066 1,328 1,729 2,09 2,54 2,86 3,88 8/18/2015 0,674 0,842 1,036 2,282 1,645 1,960 2,33 2,58 3,29 112
  113. Bài tập Đo 13 lần một giá tr ị điện áp U với độ chính xác nh ư nhau bằng điện th ế kế một chi ều. Xác đị nh kho ảng đáng tin, cho tr ướ c xác su ất đáng tin P = 0,98. Cho kst (13 điểm đo) = 2,72. n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 U(V) 100,05 100,04 100,06 100,02 99,99 100,05 100,02 100,04 99,99 100,01 100,04 100,04 100,01 8/18/2015 113
  114. Sai số công tính, sai số nhân tính Xét theo quan hệ ∆X và X, ta có th ể chia sai số tuy ệt đố i ∆X thành 2 thành ph ần: ∆X= ∆Xa+ ∆Xm Trong đó: ∆X: Sai số tuy ệt đố i. ∆Xa: Sai số cộng tính (additif) là sai số mà giá tr ị của nó không ph ụ thu ộc vào đạ i lượ ng đo X. ∆Xm: Sai số nhân tính (multiphicatif) là sai số mà giá tr ị của nó tỷ lệ với X. 8/18/2015 114
  115. Sai số công tính, sai số nhân tính ∆ Sai số cộng tính Xa là một đườ ng th ẳng nằm ngang. ∆ Sai số nhân tính Xm tỷ lệ với X là 1 đườ ng th ẳng có góc ∆X nghiêng là γ = m m X Sai số cộng tính và nhân tính 8/18/2015 a. Sai số tuy ệt đố i; b. Sai số tươ ng đố i 115
  116. Sai số công tính, sai số nhân tính Sai số cộng tính và nhân tính của thi ết bị đo trong hình vẽ: 8/18/2015 116
  117. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo Các thi ết bị đo lườ ng trên th ị tr ườ ng là các thi ết bị đã đượ c ki ểm nghi ệm ch ất lượ ng theo các cấp nh ư trên, kết qu ả ki ệm nghi ệm sẽ xác đị nh đượ c cấp chính xác. Chúng th ườ ng đượ c ghi trên vỏ máy, cataloge gi ới thi ệu sản ph ẩm, ho ặc tra trong sổ tay kỹ thu ật, thông th ườ ng ch ỉ nh ững tr ườ ng hợp đặ c bi ệt ta mới quan tâm tới thông số này. 8/18/2015 117
  118. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo Tu ỳ theo tính ch ất của thi ết bị đo, cấp chính xác của chúng đượ c quy đị nh theo nhi ều cách khác nhau. Sau đây là các cách th ể hi ện của cấp chính xác thi ết bị đo. a) Đố i với các thi ết bị đo mà tính chính xác đượ c th ể hi ện bằng sai số tuy ệt đố i của nó, ng ườ i ta phân các thi ết bị đo thành các cấp 0, cấp 1, cấp 2, cấp 3, Ví dụ: Pin mẫu cấp 0 là pin mẫu qu ốc gia đượ c xác đị nh theo trình độ qu ốc gia đó. Pin mẫu cấp 1 là pin mẫu dùng ở các phòng thí nghi ệm qu ốc gia, sai số tuy ệt đố i của nó không vượ t quá 50 µV trong 1 năm. Pin mẫu cấp 2 sai số tuy ệt đố i hay dao độ ng điện áp so với pin mẫu cấp 0 không vượ t quá 100 µV trong 1 năm. Pin mẫu cấp 3 là pin mẫu công tác, dao độ ng điện áp không quá 300 µV trong một năm 8/18/2015 118
  119. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo b) Đố i với thi ết bị đo mà sai số ch ủ yếu là sai số cộng tính. Cấp chính xác của thi ết bị đo đượ c sắp xếp theo sai số tươ ng đố i quy đổ i của chúng tính theo %. Ví dụ: Các dụng cụ cơ điện; sai số ch ủ yếu là do ma sát gi ữa tr ục và tr ụ của cơ cấu đo; sai số có tính cộng tính. Cấp chính xác của lo ại dụng cụ cơ điện đượ c sắp xếp theo sai số tươ ng đố i quy đổ i. Ở nướ c ta, các dụng cụ đo cơ điện đượ c chia làm 8 cấp chính xác: 0,05, 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 4. Ký hi ệu Kl . 2,5 hay class 2,5 hay đơ n gi ản hơn là 2,5 ghi bên trái của mặt dụng cụ sau ký hi ệu về nguyên lí làm vi ệc của dụng cụ 1: cấp chính xác là 1 mà ch ủ yếu là sai số cộng tính 8/18/2015 119
  120. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo c) Đố i với thi ết bị đo mà trong ấy sai số nhân tính tr ội hơn sai số cộng tính. Sai số tươ ng đố i khi dùng thi ết bị đo ∆ β=X =γ đượ c tính: m γ không ph ụ thu ộc vào X. Cấp X m chính xác của thi ết bị đo này đượ c đị nh ngh ĩa là giá tr ị % γ của m. Ký hi ệu cấp chính xác của lo ại này đượ c ghi là con số γ ph ần tr ăm của m ở trong vòng tròn nằm ở phía bên trái thang chia độ sau ký hi ệu về nguyên lý ho ạt độ ng của dụng cụ. Ví dụ 1 có ngh ĩa là thi ết bị đo có sai số nhân tính không vượ t quá 1%. Sai số ch ủ yếu là nhân tính 8/18/2015 120
  121. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo d. Đố i với thi ết bị đo mà sai số cộng tính và nhân tính cùng cỡ nh ư nhau; thì sai số cơ bản gồm 2 thành ph ần: Sai số tươ ng đố i cộng tính ph ụ thu ộc vào giá tr ị X và sai số nhân tính không ph ụ thu ộc vào giá tr ị đo. Sai số tươ ng đố i khi sử dụng thi ết bị đo ấy đượ c vi ết dướ i dạng. X   β=±C + dn − 1   X   γ γ C = aqd + m :Tổng sai số tươ ng đố i cộng tính và nhân tính quy đổ i về thang đo γ d= aqd : Sai số cộng tính quy đổ i Cấp chính xác của dụng cụ đo đượ c ghi tỷ số c/d 8/18/2015 121
  122. Cấp chính xác c ủa thi ết bị đo Ví dụ:Cấp 0,02/0,01 γ γ Có ngh ĩa là C = aqd + m = 0.02% γ • D= aqd = 0.01% γ Tức là m = 0.01% γ aqd = 0.01% Một volmet có thang đo là 200V, trên volmet ghi 0.02/0.01. Kết qu ả đo volmet ch ỉ 100V, sai số của phép đo là bao nhiêu 8/18/2015 122
  123. Bài tập Bài 1: Một thi ết bị đo có thang đo cực đạ i 100mA, có sai số tươ ng đố i quy đổ i ±1%. Tính các gi ới hạn trên và gi ới hạn dướ i của đố i tượ ng cần đo và sai số theo ph ần tr ăm trong phép đo đối với : a. Độ lệch cực đạ i. b. 0,5 độ lệch cực đạ i. c. 0,1 độ lệch cực đạ i. 8/18/2015 123
  124. Bài tập Bài 2: Một thi ết bị đo có thang đo cực đạ i 100mA, có sai số tươ ng đố i quy đổ i ±3%. Hăy tính sai số kh ả dĩ khi dụng cụ ch ỉ : a. 50mA. b. 10mA. Bài 3: Để 25mA đo đượ c ở dụng cụ có thang đo cực đạ i 38mA. Nếu ph ải đo 25mA chính xác trong kho ảng ±5%. Hăy tính độ chính xác cần thi ết của dụng cụ đo. 8/18/2015 124
  125. Bài tập Bài 4: Một Ampemet có ba kho ảng đo 5A, 2.5A, 1A. Chia thành 100 vạch, cấp chính xác 1. 1/ Đặ t vào thang đo 5A để đo dòng điện, kim ch ỉ 18 vạch a/ Xác đị nh giá tr ị của dòng điện b/ Tính sai số tươ ng đố i của phép đo 2/ Ch ọn thang đo thích hợp, xác đị nh số vạch mà kim ch ỉ th ị, tính sai số mới 8/18/2015 125
  126. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Ở nh ững phép đo có sử dụng nhi ều dụng cụ đo hay nhi ều phép đo thì các sai số hệ th ống có xu hướ ng tích tụ lại, khi đó sai số của toàn bộ hệ th ống th ườ ng lớn hơn bất kỳ sai số của phép đo đơ n lẻ nào. Khi tính toán cần gi ả đị nh rằng sai số kết hợp với nhau theo hướ ng bất lợi nh ất. Sai số của tổng các đạ i lượ ng Sai số của hi ệu các đạ i lượ ng Sai số của tích các đạ i lượ ng Sai số của thươ ng các đạ i lượ ng 8/18/2015 126
  127. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Sai số của tổng các đạ i lượ ng = ±∆ + ±∆ EV(1 V 1 )( V 2 V 2 ) = + ±∆ +∆ (V12 V)( V 1 V 2 ) Sai số của hi ệu các đạ i lượ ng = ±∆ − ±∆ EV(1 V 1 )( V 2 V 2 ) =(V − V)( ±∆ V +∆ V ) Ví dụ: 12 1 2 E1 =100V±2V=100V±2% E2 =80V± 4V =80V±5% E1 + E2 = 180V±6V = 180V ±3,3% E1–E2=20V±6V =20V±30% Từ đó ta th ấy sai số % trong hi ệu của các đạ i lượ ng rất lớn nên cần tránh các phép đo có bao hàm phép hi ệu của các đạ i lượ ng. 8/18/2015 127
  128. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Sai số của tích các đạ i lượ ng = ± ∆ ± ∆ E (V1 V1 )( V2 V2 ) = ± ∆ ± ∆ ± ∆ ∆ V1.V2 V1. V2 V2 . V1 V1. V2 ≈ ± ∆ + ∆ V1.V2 (V1. V2 V2 . V1 ) VVVVVV.∆ + . ∆ ∆ ∆ γ==± δ E (1221 ).100% =±± ( 12 ).100% VVVV12 12 Nh n xét: sai s t ng đ i ca tích hai đ i l ng bng tng sai s t ng đ i ca tng thành ph n. Tr ườ ng hợp riêng, khi nâng lên lu ỹ th ừa δ (E α ) = α.δE 8/18/2015 128
  129. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Sai số của thươ ng các đạ i lượ ng VVV± ∆ E =1 1 ≈ 1 ± ∆ VVV2 2 2 γ= δ = ± δ + δ EVV(1 2 ) 8/18/2015 129
  130. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố 1. Một điện tr ở có giá tr ị trong kho ảng 1,14k – 1,26k Tính sai số của điện tr ở này Bi ết R = 1,2k tại 25 0C, sai số 0.06 kOhm, tính giá tr ị lớn nh ất tại 75 0C, hệ số nhi ệt là 500ppm/ 0C Gi ải: Tại 25 0C ∆R = 0,06 kΩ → R = 1,2 ± 0,06 = 1,2kΩ ± 5% ,1 26 .10 3.500 Khi nhi ệt độ tăng 10C R tăng một lượ ng: = 0,63 Ω 10 6 Vậy giá tr ị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10 -3 = 1,2915k 8/18/2015 130
  131. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố 2. Một ngu ồn 12V đượ c mắc với một điện tr ở 470 ±10%. Điện áp của ngu ồn đượ c đo bằng một vôn kế có kho ảng đo 25V và độ chính xác là 3%. Tính công su ất của điện tr ở và sai số của phép đo 3. Một Vôn kế có thang đo 30V và độ chính xác 4%, ampe kế có thang đo 100mA và độ chính xác 1% đượ c sử dụng để đo điện áp và dòng điện qua điện tr ở R. Kết qu ả đo là 25V và 90mA. Hãy tính giá tr ị R và Pmin và Pmax 8/18/2015 131
  132. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Bài tập 3: Ta có: U 2 P = R Vì Vôn kế có độ chính xác là 3% với kho ảng đo 25V nên sai số tuy ệt đố i lớn nh ất gặp ph ải là đượ c tính bằng: ∆U = 25 V.3% = ±0,75 V → U =12 V ± 0,75 V =12 V ± 6,25 % → δ (U 2 ) = 2.6,25 % =12 ,5% U 2 → δ ( ) =12 ,5% +10 % = 22 ,5% R 12 2 Vậy: P = ± 22,5% 8/18/2015 470 132
  133. Sự k ết hợp c ủa các sai s ố Bài tập 4: ∆U = 30 V.4% =1,2V ⇒U = 25 V ±1,2V = 25 V ± 4,8% ∆I =100 mA.1% =1mA⇒ I = 90 mA±1mA= 90 mA±1,1% U 25 → R = = ±(4,8+1,1)%= 277 ,78 Ω±5,9% I 0,09 → P =U.I = 25 .0,09 ±(4,8+1,1)%= 2,25 W ±5,9% = 2,25 W ±0,13 W Vậy P min = 2,25 − 0,13 = 2,12 W = 2,25 .( 1− 0,059 ) P max = 2,25 + 0,13 = 2,38 W = 2,25 .( 1+ 0,059 ) 8/18/2015 133
  134. Mét sè biÖn ph¸p n©ng cao cÊp chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o Ph¬ng ph¸p n©ng cao tÝnh chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o Lo¹i trõ nguyªn Gi¶m bít møc ¶nh h- nh©n g©y sai sè ëng cña nguyªn nh©n g©y sai sè KÕt cÊu vµ B¶o vÖ chèng HiÖu chØnh. Tèi Tèi thiÓu ho¸ c«ng nghÖ ¶nh hëng thiÓu ho¸ ¶nh hëng sai sè b»ng biÖn sai sè ph¸p thèng kª 134
  135. Ph ư¬ng ph¸p hiÖu chØnh BiÖn ph¸p hiÖu chØnh sai sè Cã ngêi tham gia Tù ®éng (Kh«ng cã ngêi ) HiÖu chØnh HiÖu chØnh Dïng c¶m T¹o nªn ®¹i l- do ngêi ®o th«ng qua sè biÕn ®o yÕu îng tØ lÖ víi thùc hiÖn chØ cña dông tè liªn quan yÕu tè liªn cô quan Ph©n theo Ph©n theo Ph©n theo Ph©n theo kh«ng thêi gian kh«ng thêi gian gian gian Céng tÝnh Nh©n tÝnh Logomet (tØ sè) 135
  136. Ki ểm đị nh phương ti ện đo lường Ki ểm tra gi ấy phép sản xu ất và lưu hành Đây là ki ểm tra dùng để tư vấn cho cơ quan nhà nướ c cấp gi ấy phép sản xu ất, cấp gi ấy ch ứng nh ận th ươ ng hi ệu Nội dung ki ểm tra đúng theo ch ỉ dẫn của tiêu chu ẩn nhà nướ c Thi ết bị nh ập ngo ại cũng ph ải ki ểm đị nh tr ướ c khi đư a ra lưu hành. Ki ểm tra xu ất xưở ng Hội đồ ng ki ểm tra ch ất lượ ng sản ph ẩm đị nh tiêu chu ẩn cụ th ể cho từng đặ c tính kỹ thu ật của thi ết bị đo đượ c sản xu ất. Mẫu của biên bản th ử nghi ệm ph ải đượ c hội đồ ng duy ệt. Biên bản này coi nh ư một ph ần của công tác bảo hành. Cơ quan qu ản lý đo lườ ng, theo chu kỳ ho ặc độ t xu ất , ti ến hành ki ểm tra sản xu ất và xét tính trung th ực của băng th ử nghi ệm. Ki ểm tra đị nh kỳ Mỗi lần ki ểm tra đị nh kỳ, thi ết bị đượ c cấp một ch ứng ch ỉ và kết qu ả đo bởi dụng cụ ấy đượ c coi có giá tr ị pháp nhân. Hội đồ ng tiêu chu ẩn nhà nướ c tổ ch ức các trung tâm đo lườ ng đượ c uỷ quy ền th ực hi ện các phép ki ểm tra cấp gi ấy ch ứng ch ỉ lưu hành. 136