Tài liệu Bài giảng KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG - ĐỖ CÔNG THÀN doc

Bài giảng
KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
ĐỖ CÔNG THÀNH
09-2009
8/24/2009 Thành DC 2
Đánh giá
Điểm thứ nhất: 0.2 Kiểm tra giữa học phần.
Điểm thứ hai: 0.8 Thi kết thúc học phần.
Hình thức thi: Thi viết, thời lượng: 90 phút.
Mục tiêu của học phần
Sinh viên nắm được cơ sở lý thuyết về kỹ thuật đo lường; các
mạch gia công tính toán, một số loại sensor cơ bản, nắm được
phương pháp đo một số đại lượng không điện cơ bản.
8/24/2009 Thành DC 3
Mô tả tóm tắt học phần
Môn học cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về Kỹ thuật đo lường,
đánh giá sai số của phép đo và gia công kết quả đo. thiết bị đo, các phương
pháp nâng cao độ chính xác của phép đo, các cơ cấu chỉ thị, các sensor đo
lường; mạch đo lường và gia công thông tin: mạch tỉ lệ, mạch gia công tính
toán, khái niệm cơ bản về AD; DA…; đo dòng điện, điện áp, đo các đại lượng
không điện: lực, áp suất, nhiệt độ, độ bóng, bề dày, kích thước sản phẩm…
Tài liệu học tập:
[1]: Nguyễn Hữu Công – Giáo trình “Kỹ thuật đo lường” ; NXB Đại học
Quốc gia; 2008
Tài liệu tham khảo:
[2]: Phan Quốc Phó; Giáo trình cảm biến ; NXB Khoa học và kỹ thuật; 2006.
[3]: Phạm Thượng Hàn; Đo lường các đại lượng vật lý; NXB Khoa học và kỹ
thuật; 1999.
[4]: Nguyễn Trọng Quế; Giáo trình đo các đại lượng điện và không điện;
NXB ĐHBK Hà Nội, 1996
8/24/2009 Thành DC 4

Bố cục: 5 chương
Chương 1
CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG,THÔNG TIN VÀ THIẾT BỊ ĐO
Chương 2
CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ
Chương 3
MACH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG THÔNG TIN
Chương 4
CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
Chương 5
ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN
8/24/2009 Thành DC 5
Chương 1
1.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị đo
1.1.1.Định nghĩa
1.1.2.Phân loại
a. Dụng cụ đo lường
b.Chuyển đổi đo lường
c. Tổ hợp thiết bị đo (với một thiết bị cụ thể và
một hệ thống thông tin đo lường)
1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường tương tự và số
1.2.1. Thiết bị đo chuyển đổi thẳng
1.2.2. Thiết bị đo kiểu so sánh
1.3 Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo
1.3.1 Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của TBĐ
a. Độ nhạy
b. Độ chính xác và các sai số của TBĐ
1.3.2 Tổng trở vào và tiêu thụ công suất của TBĐ
1.4 Gia công kết quả đo lường
1.4.1. Tính toán sai số ngẫu nhiên

1.4.2. Tính toán sai số gián tiếp
8/24/2009 Thnh DC 6
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o
1.1.1 Định nghĩa
Đo lờng l một quá trình đánh giá định lợng đối tợng cần đo để có
kết quả bằng số so với đơn vị.
Với định nghĩa trên thì đo lờng là quá trình thực hiện 3 thao tác chính:
- Biến đổi tín hiệu và tin tức.
- So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lờng.
- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị.
8/24/2009 Thnh DC 7
- Thiết bị đo là một hệ thống mà đại lợng đo gọi là lợng vào, lợng ra
là đại lợng chỉ trên thiết bị (là thiết bị đo tác động liên tục) hoặc là con
số kèm theo đơn vị đo (thiết bị đo hiện số). Đôi khi lợng ra không hiển
thị trên thiết bị mà đa tới trung tâm tính toán để thực hiện các
Algorithm kỹ thuật nhất định.
TB o
i lng
o
Kt qu
- Thiết bị mẫu dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị đo và đơn vị đo.
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o
Thiết bị đo và thiết bị mẫu
8/24/2009 Thnh DC 8
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o
1.1.2 Phân loại
a Thiết bị đo lờng
Đại lợng cần đo đa vào thiết bị dới bất kỳ dạng nào cũng đợc
biến thành góc quay của kim chỉ thị. Ngời đo đọc kết quả nhờ thang
chia độ và những quy ớc trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết

bị đo cơ điện. Ngoài ra lợng ra còn có thể biến đổi thành số, ngời
đo đọc kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt máy hoặc máy tự động
làm việc đó, ta có thiết bị đo hiện số.
Cũng có thể l
chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số. Tuỳ theo cách so
sánh và cách lập đại lợng bù (bộ mã hoá số tơng tự) ta có các thiết
bị so sánh khác nhau nh: thiết bị so sánh kiểu tuỳ động ( đại lợng
đo x và đại lợng bù x
k
luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu
quét ( đại lợng bù x
k
biến thiên theo một quy luật thời gian nhất định
và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm trong chu kỳ).
Thiết bị đo chuyển đổi thẳng:
Thiết bị đo kiểu so sánh :
8/24/2009 Thành DC 9
8/24/2009 Thnh DC 10
Có hai khái niệm:
-Chuyển đổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi
tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn
Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến
điện áp, biến dòng điện, các mạch khuyếch đại
- Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến một tín hiệu
không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo. Có rất
nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau nh: chuyển đổi điện trở,
điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o
b. Chuyển đổi đo lờng
8/24/2009 Thnh DC 11

c. Tổ hợp thiết bị đo
Với một thiết bị cụ thể (1 kênh )
Lợng vào
Mạch đo
Chỉ thị
Lợng ra
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đo 1 kênh
Chuyển
đổi sơ cấp
+ Chuyển đổi đo lờng : biến tín hiện cần đo thành tín hiệu điện.
+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuyếch đại thông tin bao gồm:
nguồn, các mạch khuyếch đại, các bộ biến i A/D, D/A, các mạch
phụ
+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho ngời quan sát, thờng gồm chỉ thị
số và chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o
8/24/2009 Thnh DC 12
Với hệ thống đo lờng nhiều kênh
Trờng hợp cần đo nhiều đại lợng, mỗi đại lợng đo ở một kênh, nh
vậy tín hiệu đo đợc lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hoá
tới mạch điều chế tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đa qua phân kênh
(multiplexer) để đợc sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ
thống dẫn truyền. Để có sự phân biệt, các đại lợng đo trớc khi đa
vào mạch phân kênh cần phải mã hoá hoặc điều chế (Modulation -
MOD) theo tần số khác nhau (thí dụ nh f10, f20 ) cho mỗi tín hiệu
của đại lợng đo.
Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế
(Demodulation DEMOD) để lấy lại từng tín hiệu đo. Đây chính là
hình thức đo lờng từ xa (Telemety) cho nhiều đại lợng đo.
1.1 nh ngha v phõn loi thit b o

8/24/2009 Thành DC 13
H×nh1.2 HÖ thèng ®o l−êng nhiÒu kªnh
f
1m
f
10
TÝn hiÖu ®o 1 MOD
f
i0
f
im
TÝn hiÖu ®o i
MOD
f
nm
f
n0
TÝn hiÖu ®o n MOD
f
20
f
2m
TÝn hiÖu ®o 2
MOD
V
2
V
1
V
i

V
N
M
Bé chuÈn ho¸ tÝn hiÖu
Bé chuÈn ho¸ tÝn hiÖu
X
2
X
1
X
I
X
N
Ph©n kªnh theo tÇn sè
DEMOD
DEMOD
DEMOD
DEMOD
f
nm
f
im
f
2m
f
1m
X
2
X
1

X
N
X
I
f
nm
f
im
f
2m
f
1m
ph¸tthu
Bé thu nhËn chÕ biÕn tÝn hiÖu
gi¶i ®iÒu chÕ
S
S
S
S
1.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị đo
8/24/2009 Thnh DC 14
1.2 S cu trỳc thit b o lng tng t v s
1.2.1 Hệ thống đo biến đổi thẳng
Trong hệ thống đo biến đổi thẳng đại lợng vào x qua nhiều khâu biến
đổi trung gian đợc biến thành đại lợng ra z.
Quan hệ giữa z và x có thể viết: Z = f(x)
Trong đó f(x) là một toán tử thể hiện cấu trúc của thiết bị đo
Trong trờng hợp quan hệ lợng vào và lợng ra là tuyến tính ta có
thể viết :
Z = S.x (1-1)

Lúc đó : S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị.
- Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lợng vào
và lợng ra có thể viết:
1
.
n
i
i
Z
Sx
=
=

(1.2)
S
i
: là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.
8/24/2009 Thành DC 15
1.2.2 HÖ thèng ®o kiÓu so s¸nh
Trong thiÕt bÞ ®o kiÓu so s¸nh ®¹i l−îng vµo x th−êng ®−îc biÕn ®æi
thµnh ®¹i l−îng trung gian y
x
qua mét phÐp biÕn ®æi T:
y
x
= T.x
Sau ®ã y
x
®−îc so s¸nh víi ®¹i l−îng bï y
k

.
Ta cã: Δy = y
x
–y
k
T
Δ
y
y
k
H×nh 1.3 HÖ thèng ®o kiÓu so s¸nh
x
y
X
1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường tương tự và số
8/24/2009 Thành DC 16
a. Ph−¬ng ph¸p so s¸nh kiÓu c©n b»ng (h×nh 1.4)
Trong ph−¬ng ph¸p nµy, ®¹i l−îng vµo so s¸nh: y
x
= const ; ®¹i l−îng
bï y
k
= const
T¹i ®iÓm c©n b»ng :
0
xk
yy y
Δ
=−→
b. Ph−¬ng ph¸p so s¸nh kh«ng c©n b»ng (h×nh 1.5)

Còng gièng nh− tr−êng hîp trªn song
0
y
≠
ε
→
Δ
H×nh 1.4 Ph−¬ng ph¸p so s¸nh c©n b»ng
L−îng ra
C
–C
Δy
O
Δy
L−îng ra
ε
–ε
H×nh 1.5 Ph−¬ng ph¸p so s¸nh kh«ng c©n b»ng
1.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường tương tự và số
8/24/2009 Thnh DC 17
c. Phơng pháp m hoá thời gian
Trong phơng pháp này đại lợng vào y
x
= const còn đại lợng bù y
k
cho tăng tỉ lệ với thời gian t:
y
k
= y
0

.t (y
0
= const)
Tại thời điểm cân bằng y
x
= y
k
= y
0
.t
x
0
x
x
y
y
t =
(1-3)
Đại lợng cần đo y
x
đợc biến thành
khoảng thời gian t
x
ở đây phép so sánh phải thực hiện
một bộ ngỡng
y
y
x
x
t

x
y
k
Hình 1.6 Phơng pháp mã hoa thời gian
1
()
0
x
k
xk
x
k
yy
ysigny y
yy


= =

<

1.2 S cu trỳc thit b o lng tng t v s
8/24/2009 Thnh DC 18
d. Phơng pháp m hoá tần số xung
Trong phơng pháp này đại lợng vào y
x
cho tăng tỉ lệ với lợng cần đo x và khoảng thời gian t: y
x
= t.x
y

y
k
t
0
Hình 1.7 Phơng pháp mã hoá tần số xung
y
x
Còn đại lợng bù yk đợc giữ không đổi
Tại điểm cân bằng có:
y
x
= x.t
x
= y
k
= const
ẻ: f
x
= 1/t
x
= x / y
k
(1-4).
Đại lợng cần đo x đã đợc biến thành tần
số f
x
. ở đây phép so sánh cũng phải thực
hiện 1 bộ ngỡng
1
()

0
kx
kx
kx
y
ysigny y
y


= =

<

nếu y
nếu y
1.2 S cu trỳc thit b o lng tng t v s
8/24/2009 Thnh DC 19
e. Phơng pháp m hoá số xung
Trong phơng pháp này đại lợng vào y
x
đợc giữ bng const, còn đại
lợng bù y
k
cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang với những
bớc nhảy không đổi y
0
gọi là bớc lợng tử .
T = const còn gọi là xung nhịp
Ta có:
()

0
1
1
n
k
i
yy
tiT
=
=

(1.5)
Tại điểm cân bằng đại lợng vào y
x
đợc biến
thành con số N
x
.
y
x
N
x
. y
0
(1-6)
Để xác định đợc điểm cân bằng, phép so
sánh cũng phải thực hiện một bộ ngỡng
1
()
0

nếu y
nếu y
x
k
xk
x
k
y
ysigny y
y


= =

<

y
Y
x
t
N
x
y
0
y
k
T
Hình 1.8 Phơng pháp mã hoá số xung
1.2 S cu trỳc thit b o lng tng t v s
8/24/2009 Thnh DC 20

1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o
1.3.1 Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của thiết bị đo
a. Độ nhạy và ngỡng độ nhạy
Để có một sự đánh giá về quan hệ giữa lợng vào và lợng ra của
thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độ nhạy của thiết bị:
x
z
S


=
(1-7)
S: nhy tnh ca thit b o.
1
n
i
i
SS
=
=
Nu thit b o gm nhiu khõu ni tip:

Với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.
Xét quan hệ giữa ngỡng độ nhạy và thang đo của thiết bị:
D = x
max
x
min
{ x
min

thờng = 0}
Từ đó đa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo:


=

minmax
XX
D
và so sánh các R với nhau
8/24/2009 Thnh DC 21
b. Độ chính xác và các sai số của thiết bị đo
-Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kỳ 1
phép đo nào đều có sai lệch so với đại lợng đúng
dii
xx

=

x
i
: kết quả của lần đo thứ i
x
đ
: giá trị đúng của đại lợng đo

I
: Sai lệch của lần đo thứ i
- Sai số tuyệt đối của 1 thiết bị đo đợc định nghĩa là giá trị lớn nhất
của các sai lệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo:

x = max[
i
]
- Sai số tuyệt đối cha đánh giá đợc tính chính xác và yêu cầu công
nghệ của thiết bị đo. Thông thờng độ chính xác của 1 phép đo hoặc 1
thiết bị đo đợc đánh giá bằng sai số tơng đối:
1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o
8/24/2009 Thnh DC 22
+ Với 1 phép đo, sai số tơng đối đợc tính
x
x
=
Với x là giá trị đại lợng đo
Giá trị % gọi là sai số tơng đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị
đo thành các cấp chính xác.
Theo quy định hiện hành của nhà nớc, các dụng cụ đo cơ điện có
cấp chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;;
0,5; 1.
D
x
=
+ Với 1 thiết bị đo, sai số tơng đối đợc tính
1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o
8/24/2009 Thnh DC 23
Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định đợc sai
số tơng đối quy đổi và suy ra sai số tơng đối của thiết bị trong các
phép đo cụ thể.
Trong đó : là sai số tơng đối của thiết bị đo, phụ thuộc cấp chính
xác và không đổi nên sai số tơng đối của phép đo càng nhỏ nếu

D/x dần đến 1.
Vì vậy khi đo một đại lợng nào đó cố gắng chọn D sao cho: D x
x
D
.=
Ta có:
(1-8)
1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o
8/24/2009 Thnh DC 24
1.3.2 Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo
Thiết bị đo phải thu năng lợng từ đối tợng đo dới bất kì hình thức nào để biến
thành đại lợng đầu ra của thiết bị. Tiêu thụ năng lợng này thể hiện ở phản tác
dụng của thiết bị đo nên đối tợng đo gây ra những sai số mà ta thờng biết
đợc nguyên nhân gọi là sai số phụ về phơng pháp. Trong khi đo ta cố gắng
phấn đấu sao cho sai số này không lớn hơn sai số cơ bản của thiết bị.
- Với các thiết bị đo cơ học sai số chủ yếu là phản tác dụng của chuyển đổi. Với
các thiết bị đo dòng áp, sai số này chủ yếu là do ảnh hởng của tổng trở vào và
tiêu thu công suất của thiết bị.
Tổn hao năng lợng với mạch đo dòng áp là:
P
A
= R
A
. I
2
; P
U
= U
2
/ R

V
.
Vậy ta tạm tính sai số phụ do ảnh hởng của tổng trở vào là:

I
= R
A
/ R
t
;
U
= R
t
/ R
V
.
R
A
: Điện trở của ampemet hoặc phần tử phản ứng với dòng
R
V
: Điện trở của vônmét hoặc phần tử phản ứng với áp
1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o
8/24/2009 Thnh DC 25
Ví dụ : phân tích sai số phụ khi đo áp trên
hình 1.9.
+ Giả sử cần kiểm tra điện áp U
AO
.
Theo lý lịch [ U

AO
] = 50 2(v).
+ Xét khi cha đo( k mở), ta có ngay:
U
AO
= 50 (v).
+ Xét khi đo (k đóng).
GiảsửR
V
=100 k. Vậy điện áp đo đợc:
U
v
= U
AO
= 33,3 V
Sai số từ 33V trở lên 50V chính là sai số
phụ về phơng pháp do ảnh hởng điện
trở của V sinh ra.
V
U=100v
100k
100k
k
A
0
Hình 1.9 Ví dụ về sai số phụ
1.3 Cỏc c tớnh tnh ca thit b o