BÀI GIẢNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO, HẦ NỘI 7, 2008

GV.TS. Nguyễn thị Lan Hương
Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học Công nghiệp
Hà nội 8/2007
1







Chương 1: Lý thuyết chung về phương pháp và thiết bị đo
Phần 1: Thiết kế các thiết bị đo các đại lượng điện
◦ Chương 2: thiết bị đo dòng điện, điện áp và điện lượng.
◦ Chương 3: thiết bị đo thông số mạch điện.
◦ Chương 4: thiết bị đo công suất và năng lượng
◦ Chương 5: thiết bị đo thông số thời gian và góc pha
Phần 2: Thiết kế thiết bị đo các đại lượng không điện
◦ Chương 6: Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ
◦ Chương 7: Thiết kế thiết bị đo lực, biến dạng, áp suất, hiệu áp
suất và lưu lượng.
◦ Chương 8: Thiết kế thiết bị đo mức
◦ Chương 9: Thiết kế thiết bị đo các thông số chuyển động và kích
thước hình học.

2


1.

Phương pháp đo các đại lượng điện và không điện, Nguyễn

Trọng Quế, 1996

2.

Kỹ thuật đo các đại lượng vật lý, chủ biên Phạm Thượng Hàn,
tập 1,2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1995

3.

Instrumentation Reference Book, BE Noltingk, Butter Worth
Heinemann , 1994

4.

Electronique des systemmes de mesures, Tran Tien Lang, 1991

5.

Systemmes des mesures, Tran Tien Lang,

6.

Computerized Instrumentation, Tran Tien Lang,

7.

Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, chủ biên
Lê Văn Doanh, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2001

3

8.

9.

Process/Industrial instruments and controls
handbook (1999), Gregory K.mcMillan,
McGraw-Hill ( NL507/03)
Data Acquistion and signal Processing for
smart sensors (2002), Nikolay V.kirianaki
…, Jonh Wiley &Sons

4


5


6


X=

NX
X
N0 0

Bắt đầu
X0->N0 (Khắc độ)

X -> Nx ( Mã hoá)

Tập các đại lượng vật lý

Quá trình đo
biến đổi thẳng
kết quả


X

N0

Nx

Nn

Tập các con số tự nhiên

Tính Nx/N0
Đưa ra kết quả
X =

Nx
N0

X0

Kết thúc
7



Quá trình đo kiểu so sánh
CT

Bắt đầu
N=0

Nk

Nk

D/A

Xk

SS
X

(0/1)

Nk+1=NK+1
Nk =(0÷Nn)
Biến đổi Nk -> Xk
X-Xk> 0
Đúng

Sai

Đưa ra kết quả
X=Nk.X0

Kết thúc
8






Phương pháp đo: là thủ tục thực hiện thao
tác đo lường để đo được kết quả bằng số
Thiết bị đo: là thực hiện kỹ thuật của phương
pháp đo với một họ đại lượng cụ thể.

Phương pháp đo
(Mô tả quá trình đo-Nguyên công)

Phối hợp các nguyên công khác
nhau
Các thủ tục phối hợp

Thiết bị đo
(Giải pháp kỹ thuật -Khối chức năng)

Thể hiện bằng sơ đồ khối chức
năng
Thực hiện bằng phần mềm xử lý

9


Kí hiệu :




-C1 : Không gian so sánh.
-C2 : Vào ra khâu so sánh.
-C3 : Tín hiệu đo.
-C4 : Mẫu.

C1 C2
C3 C4

C

C2
Đồng thời

Không đồng thời

Cân bằng

I

III

Không cân bằng

II

IV

C3,C4 -bảng so sánh các dạng tín hiệu
10


11




So sánh trong không gian số
◦ Phép so sánh đồng thời
◦ Phép so sánh không đồng thời
 Đồng thời hóa số liệu đo và số liệu mẫu
 Cách sử dụng chung các chuỗi biến đổi



Phép so sánh thực hiện trong không gian vật lý cụ thể
◦ Các mạch và các phần tử so sánh
◦ So sánh mạch vòng hở
◦ Phép so sánh mạch vòng kín
◦ Bộ so sánh không đồng thời

12




So s¸nh ®ång thêi c©n b»ng
Mẫu M qua bộ biến đổi KM và A/D
biến thành NM

X

Kx

A/D

C

NX = KxX
N M = K MM


KM, KX là các hệ số biến đổi tổng
của chuỗi đo lường:
(KX = KCB. KBD. KAD)



KCB: hệ số biến đổi của cảm biến ;
KBĐ : hệ số biến đổi của bộ biến
đổi, KAD là hệ số biến đổi của A/D

tính bằng số/đơn vị

Nx

M

A

NM
KM

A/D

So
Sosánh
sánhtrong
trongkhông
không
gian
giansố
sốđược
đượcthực
thực
hiện
hiệnbằng
bằngphép
phéptrừ
trừ
hay
hayphép

phépchia
chia

13






Trong so sánh cân bằng: kết quả so sánh là zero.
NX - NM = 0 hay KX X - KMM = 0
Và

KM
X=
M
KX

 KM, KX là hệ số biến đổi của giá trị đo X và giá trị
mẫu M. Các hệ số này được xác định bằng tính toán
hoặc bằng thực nghiệm



Phép so sánh này có sai số

 dK M dK X 
∆X
γX =

= γM +
−
÷
X
K
K
 M
X 
14




dK X
Do dấu của K
X

định



và

dK M
K M là không xác

γ X = γ M + γ KM + γ KX

Để phép đo này đạt độ chính xác tương
đương với mẫu, phải có các điều kiện

sau:

 KX, KM phải có độ ổn định cao
 KX, KM phải được xác định chính xác (bằng
khắc độ)
Tại sao??phépK
M
= 1 một bộ biến đổ(idK M − dK X ) = 0
 Sử dụng chung

KX

KM

KX


Trong so sánh không cân bằng: Kết qu ả so sánh là



∆N
NX - NM = N∆ = KX. X – KMM


Tương tự trường hợp trên ta có sai số của phép đo

 dK M dK X
∆X
γX =

= γM +
−
X
KX
 KM



ε∆
ε∆
= γ M + γ Km + γ KX +
÷+
NX
 KX X

ε∆- là ngưỡng nhạy của N∆ là giá trị một bậc lượng
tử (LSB) của bộ biến đổi A/D và là sai số lượng tử
của bộ A/D dùng trong mạch biến đổi.
16


NX KXX
=
NM KM M




NX
= 1 → Kx X = KM M

So sánh cân bằng: N M

X=

KM
M
KX

Sai số cũng tương tự cách thực hiện bằng phép
trừ

 dK M dK X 
γX = γM +
−
÷
K
KX 
 M

γ X = γ M + γ KM + γ KX

17




So sánh không cân bằng

NX
= N'

NM



Sai số

γX =

K X .X
K
= N ' ; X k = M M .N '
K M .M
KX

εN '
+ γ KM + γ KX + γ M
N'

 εN' – là con số lẻ nhỏ nhất của N‘



Ví dụ: N'=1,5672 thì εN' =0.0001 và khi đó

ε N'
N'

=

0, 0001

≈ 0, 0006 = 0, 06%
1,5672

Giá trị nhỏ nhất của NX và NM là 1 LSB của A/D hay số có nghĩa của
A/D là 1 LSB. Trong phép chia k ết qu ả đư ợc l ấy v ới s ố l ẻ là 1/100
khả năng phân ly của A/D.
Tất cả các phép xử lý trên đều
được thực hiện bằng phần mềm
trong các bộ vi xử lý.
18




Hai con số muốn so sánh được với nhau
phải được xem như đồng thời gian, vì vậy
so sánh không đồng thời trong không gian
số có các vấn đề cần phải xét:
◦ Cách đồng thời hóa số đo và số của mẫu
◦ Cách sử dụng chuỗi các biến đổi tín hiệu đo
◦ Cách tính toán kết quả đo.

19




Để đơn giản hóa phép so sánh, mẫu được xem là
không đổi
NM= KM.M = const



NX= KX.X biến đổi theo giá trị của X và theo thời gian
để đồng thời hóa số đo NX và số của mẫu NM có 3
cách:
◦ Kênh biến đổi riêng rẽ
◦ Dùng chung ADC

◦ Các kênh biến đổi dùng chung


Số liệu đo được lấy vào và ghim lại tại các thời điểm
khác nhau bằng phương pháp rời rạc hóa.
20




Số liệu lưu giữ lại là giá trị trung bình của các số
liệu có được
1 n
NX =

N
∑
N

i

1

NX



Phép so sánh được thực hiện giữa

với NM :

Số liệu lưu giữ lại là giá trị căn của trung bình
n
bình phương của Ncác s=ố li1ệu
2 đư ợc
Ncó
rms ( X )

Cuối cùng

n

∑
1

NX
X=
M
NM

i







NX= KX.K1.X
NM= KM.K2.M
Tương tự trên ta vẫn có công thức so sánh
cân bằng và không cân bằng
Ví dụ trong câu thức so sánh cân bằng ta có
K X K1
Sai số
X=
M
K M .K 2
 dK
dK   dK
dK   dM
γ X =  X + 1 ÷−  M + 2 ÷ +
K1   K M
K2  M
 K X

22






Lúc này ta có K1= K2 =KA/D , K1/K2=1 và
dK dK
Trường hợp so sánh cân bằng K − K
1

1

X=


KM
M
KX

 dK
dK 
γ X =  M − X ÷+ γ M
KX 
 KM
γ X = γ M + γ Kx + γ M

2

=0

2

Trường hợp so sánh không cân bằng

K
N
X= M M+ ∆
KX
KX

Hoặc

X=

KM
M .N '
KX

γ X = γ KM + γ Kx + γ M +

ε∆
N∆

γ X = γ KM + γ Kx + γ M +

εN'
N'
23


KX
dK1 dK 2
= 1;
−

=0
KM
K1
K2


Khi so sánh cân bằng K X = 1; dK1 − dK 2 = 0
KM





K1

K2

Khi so sánh không cân bằng
Sai số

N
X =M + ∆
KX

γ X = γM +

εN '

ε∆
γX = γM +

N∆

N'
24






Phân loại phương tiện đo lường
Mô hình thiết kế thiết bị đo
Các đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo

25