phương pháp đặc tính tần số trong hệ thống đo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỂN

PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ
TRONG HỆ THỐNG ĐO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 3 6 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỂN

PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG
HỆ THỐNG ĐO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỂN

PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG
HỆ THỐNG ĐO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƢƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Ngọc Hiển

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1989

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Hải Dƣơng

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 166 Ấp Tân Bình, Xã Bình Minh,
Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: 083.9333533

Điện thoại nhà riêng: 0613.8951244

Fax: (08)39302790

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo: từ 10/2007 đến 03/2012
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Đồ án: “Mô hình Nhà máy điện”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 09/01/2012
Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Ngọc Âu
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ 06/2012

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo

Thử nghiệm viên

đến nay

lƣờng Chất lƣợng Tp.HCM

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

i

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của Tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014
Tác giả Luận Văn

Nguyễn Ngọc Hiển

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

ii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

CẢM TẠ

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật Tp.HCM, cùng với sự nhiệt tình hƣớng dẫn, giúp đỡ của quý Thầy
Cô, Tôi đã hoàn thành đƣợc Luận văn tốt nghiệp này.
Trƣớc hết, Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trƣờng, Ban
chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trƣờng Đại
học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi học
tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt Luận văn tốt nghiệp
trong thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Hồ Văn nhật Chƣơng
đã nhiệt tình hƣớng dẫn, giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian học tập cũng nhƣ

trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp này.
Ngoài ra, Tôi cũng xin đƣợc nói lời cảm ơn đến các Anh Chị học
viên trong lớp cao học 2012 – 2014B đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ Tôi
hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp này.
Việc thực hiện đề tài Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu sót về kiến thức chuyên môn. Kính mong nhận đƣợc sự quan
tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô và các bạn để
đề tài luận văn này hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014
Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Hiển

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

iii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

TÓM TẮT
Tên đề tài: „„Phương pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo”
Thời gian thực hiện: Từ ngày 24/02/2014 đến ngày 24/8/2014.
Địa điểm nghiên cứu: Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng
Tp. HCM.

Nội dung luận văn gồm có:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN


Giới thiệu chung về đo lƣờng, các khái niệm về đo lƣờng, phân loại các thiết

bị đo lƣờng và sai số trong đo lƣờng.


Giới thiệu sơ lƣợc về các đặc tính của thiết bị đo, gia công và xử lý kết quả đo.



Nêu mục đích của đề tài, giới hạn của đề tài và phƣơng pháp nghiên cứu.

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT


Trình bày khái niệm về phƣơng pháp đặc tính tần số, các phổ xung điện áp

tiêu biểu.


Giới thiệu về phép biến đổi Fourier và các ứng dụng của phƣơng pháp đặc tính

tần số.
CHƢƠNG 3: CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐO


Giới thiệu về cấu trúc của một Hệ thống đo, các bộ phân áp đo lƣờng, vai trò

của cáp đo trong Hệ thống đo và ảnh hƣởng của chúng lên kết quả đo.


Trình bày các yêu cầu của một dao động ký, các hệ số tính toán sai số của

dạng sóng đƣợc hiển thị.
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG ĐÁNH GIÁ SAI
SỐ HỆ THỐNG ĐO


Nghiên cứu, tính toán và vẽ đặc tính tần số của các Hệ thống đo theo

IEC 60990:1999 theo các hàm của Hệ thống đo này.


Thực nghiệm lấy số liệu của mô hình Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 và từ

số liệu thu đƣợc, vẽ đặc tính tần số của Hệ thống đo theo thực nghiệm.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

iv

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ



Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Nhận xét đánh giá kết quả thực hiện đƣợc, so sánh với các kết quả từ tính toán

lý thuyết và đƣa ra phƣơng pháp đo cho phòng thử nghiệm.
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN


Phƣơng pháp đặc tính tần số là một phƣơng pháp ƣu điểm, cho phép đánh giá

sai số Hệ thống đo một cách chính xác hơn.


Việc thực nghiệm Hệ thống đo này là cơ sở để nghiên cứu và đƣa ra một

phƣơng pháp tính toán để xác định sai số Hệ thống đo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

v

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

ABSTRACT
Topic name: ''The frequency characteristic method in measuring system"
Duration: From February 24th 2014 to August 24th 2014.
Research place: Ho Chi Minh city Technical center of Standards Metrology and
Quality.
This thesis consists of the parts following:
Chapter 1: OVERVIEW


Introducing measurement, the concept of measurement, sorting measuring

system, measuring system error.


Introducing about the characteristics of measuring system and process

measuring results.


Presenting the purpose of the thesis, limit of the thesis and research methods.

Chapter 2: THEORY BASIS


Presenting the concept of frequency characteristics method, the voltage pulse

spectrum. Introducing the Fourier transform and application of frequency
characteristics method.
Chapter 3 : STRUCTURE OF MEASURING SYSTEM


Introducing structure of measuring system, measuring divider, importance of

cable in measuring system and their effects on the measuring results.


Presenting requirements of oscilloscope, the factor calculation error of the

waveform is displayed.
Chapter

4:

FREQUENCY

CHARACTERISTICS

METHOD

IN

EVALUATING ERRORS OF MEASURING SYSTEM


Researching, calculating and drawing frequency characteristics of measuring

system according to IEC 60990:1999 and according to the function of this system.


Experiment recorded data of measuring system model according to

IEC 60990:1999 and from this data, we draw frequency characteristics of measuring
system according to experiment.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

vi

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ



Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Commenting, evaluating the results, comparing the results with theory and

then, providing method for laboratory.
Chapter 5: CONCLUSION

Frequency characteristics method is a good method. Through experiment
research, we can evaluate measuring system error more accurately.

The experimental measurement system helps us to evaluate measuring
system error in theory and in experiment.
REFERENCES

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

vii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Biên bản chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
Phiếu nhận xét Luận văn Thạc sĩ
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Cảm tạ ....................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Abstract ...................................................................................................................... vi
Mục lục .................................................................................................................... viii
Danh sách các hình...................................................................................................... x
Danh sách các bảng ................................................................................................. xiii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã
công bố ........................................................................................................................ 1
1.2 Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 12

1.3. Mục đích của đề tài ............................................................................................ 12
1.4. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ............................................................... 13
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................... 13
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 15
2.1. Phƣơng pháp đặc tính tần số .............................................................................. 15
2.2. Phép biến đổi Fourier ......................................................................................... 18
2.3. Phổ của một vài xung điện áp tiêu biểu ............................................................. 20
2.4. Ứng dụng phƣơng pháp đặc tính tần số ............................................................. 26
2.5. Phƣơng pháp đánh giá sai số Hệ thống đo ......................................................... 29
Chƣơng 3. CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐO............................................. 31
3.1. Bộ phân áp đo lƣờng .......................................................................................... 31

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

viii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

3.2. Cáp truyền tín hiệu ............................................................................................. 41
3.3. Dao động ký ....................................................................................................... 50
Chƣơng 4. PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG ĐÁNH GIÁ SAI
SỐ HỆ THỐNG ĐO ................................................................................................ 55
4.1. Giới thiệu Hệ thống đo theo IEC 60990:1999 ................................................... 55
4.2. Giới thiệu thiết bị đo và quy trình thực nghiệm ................................................. 56
4.3. Đặc tính tần số của Hệ thống đo ........................................................................ 59

4.4. Hệ số K của Hệ thống đo ................................................................................... 69
Chƣơng 5. KẾT LUẬN ........................................................................................... 78
5.1. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài.......................................................................... 78
5.2. Hƣớng phát triển của đề tài ................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 80

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

ix

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 1.1: Cấu trúc Hệ thống đo một kênh ................................................................. 3
Hình 1.2: Hệ thống đo kiểu so sánh ........................................................................... 5
Hình 1.3: Phƣơng pháp so sánh kiểu cân bằng .......................................................... 5
Hình 1.4: Phƣơng pháp so sánh không cân bằng ....................................................... 5
Hình 1.5: Phƣơng pháp mã hóa thời gian................................................................... 6
Hình 1.6: Phƣơng pháp mã hóa tần số xung .............................................................. 6
Hình 1.7: Phƣơng pháp mã hóa số xung .................................................................... 7

Hình 2.1: Xung dạng hàm mũ .................................................................................. 20
Hình 2.2: Đặc tính tần số của xung điện áp dạng hàm mũ....................................... 21
Hình 2.3: Đặc tính tần số của hàm điện áp bƣớc nhảy đơn vị ................................. 22
Hình 2.4: Đặc tính biên tần của xung tăng tuyến tính .............................................. 23
Hình 2.5: Phổ của xung sét chuẩn với các thời gian cắt Tc khác nhau .................... 24
Hình 2.6: Đặc tính tần số của xung vuông ............................................................... 25
Hình 2.7: Đặc tính biên tần của bộ phân áp điện trở ................................................ 28
Hình 2.8: Đặc tính biên tần của bộ phân áp điện dung đệm .................................... 28
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của một Hệ thống đo ..................................................... 31
Hình 3.2: Dạng chung của bộ phân áp điện trở ........................................................ 36
Hình 3.3: Phân bố điện áp ban đầu dọc theo ống cách điện của bộ phân áp ........... 37
Hình 3.4: Bộ phân áp điện dung ............................................................................... 39
Hình 3.5: Sơ đồ tƣơng đƣơng của bộ phân áp điện dung ......................................... 39
Hình 3.6: Sơ đồ của bộ phân áp dung – trở .............................................................. 40
Hình 3.7: Sự méo dạng của xung do qua bộ phân áp dung – trở ............................. 40
Hình 3.8a: Sơ đồ tƣơng đƣơng bộ phân áp điện dung ............................................. 41
Hình 3.8b: Các kết quả đo giá trị biên độ của dao động điện áp tần số cao sau khi
truyền qua đoạn cáp có chiều dài khác nhau ............................................................. 46

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

x

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Hình 3.9: Sự méo dạng của xung điện áp do phản xạ từ điện trở đầu cuối của cáp
đo ............................................................................................................................... 47
Hình 3.10: Hàm quá độ định mức của bộ phân áp có tính đến cáp đo .................... 49
Hình 3.11: Giản đồ của điện áp xung và điện áp theo vạch chia trên màn hình ...... 53
Hình 4.1: Sơ đồ Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời theo
IEC 60990:1999 ........................................................................................................ 55
Hình 4.2: Sơ đồ Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời theo
IEC 60990:1999 ........................................................................................................ 55
Hình 4.3: Máy phát xung LAG-120B ...................................................................... 56
Hình 4.4: Máy ghi nhận tín hiệu điện HIOKI 8870-20 ............................................ 57
Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn đặc tính biên tần (|F(jω)|) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời ..................................... 62
Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn đặc tính pha tần (θ(ω)) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời ..................................... 62
Hình 4.7: Biểu đồ biểu diễn sai số biên độ (δ|F(jω)|) của Hệ thống đo mô phỏng trở
kháng cơ thể ngƣời .................................................................................................... 63
Hình 4.8: Biểu đồ biểu diễn sai số góc pha (δθ(ω)) của Hệ thống đo mô phỏng trở
kháng cơ thể ngƣời .................................................................................................... 63
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn đặc tính biên tần (|F(jω)|) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ................. 67
Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn đặc tính pha tần (θ(ω)) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ................. 67
Hình 4.11: Biểu đồ biểu diễn sai số biên độ (δ|F(jω)|) của Hệ thống đo mô phỏng đáp
ứng và trở kháng cơ thể ngƣời .................................................................................. 68
Hình 4.12: Biểu đồ biểu diễn sai số góc pha (δθ(ω)) của Hệ thống đo mô phỏng đáp
ứng và trở kháng cơ thể ngƣời .................................................................................. 68
Hình 4.13: Biểu đồ thể hiện sai số độ lớn Hệ số K (δ|K|) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời ..................................... 72
Hình 4.14: Biểu đồ thể hiện sai số góc pha Hệ số K (δθ(K)) theo lý thuyết và theo
thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời............................. 72

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

xi

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện sai số độ lớn Hệ số K (δ|K|) theo lý thuyết và theo thực
nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ................. 76
Hình 4.16: Hình 4.10. Biểu đồ thể hiện sai số góc pha Hệ số K (δθ(K)) theo lý thuyết
và theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời77

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

xii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Một vài phổ tần số của một số xung điện áp tiêu biểu ............................ 26
Bảng 3.1: Các số liệu về sự suy giảm sóng (δ1) trong một vài loại cáp đo .............. 44
Bảng 3.2: Sự giảm biên độ xung ứng với chiều dài cáp........................................... 46
Bảng 3.3: Tốc độ ghi xung yêu cầu và khoảng thời gian làm lệch tia điện tử ......... 51
Bảng 4.1: Số liệu đặc tính biên tần của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể
ngƣời ......................................................................................................................... 60
Bảng 4.2: Số liệu đặc tính pha tần của Hệ thống đo mô phỏng trở kháng cơ thể
ngƣời ......................................................................................................................... 61
Bảng 4.3: Số liệu đặc tính biên tần của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở
kháng cơ thể ngƣời .................................................................................................... 65
Bảng 4.4: Số liệu đặc tính pha tần của Hệ thống đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng
cơ thể ngƣời ............................................................................................................... 66
Bảng 4.5: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo
mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời ............................................................................. 69
Bảng 4.6: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống đo
mô phỏng trở kháng cơ thể ngƣời ............................................................................. 70
Bảng 4.7: Sai số độ lớn Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở
kháng cơ thể ngƣời .................................................................................................... 70
Bảng 4.8: Sai số góc pha Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng trở
kháng cơ thể ngƣời .................................................................................................... 71
Bảng 4.9: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo
mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời .......................................................... 73
Bảng 4.10: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên độ lớn Hệ số K của Hệ thống đo
mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời .......................................................... 74
Bảng 4.11: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống
đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ..................................................... 74

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

xiii

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Bảng 4.12: Mức độ ảnh hƣởng của các phần tử lên góc pha Hệ số K của Hệ thống
đo mô phỏng đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ..................................................... 75
Bảng 4.13: Sai số độ lớn Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng đáp
ứng và trở kháng cơ thể ngƣời .................................................................................. 75
Bảng 4.14: Sai số góc pha Hệ số K theo thực nghiệm của Hệ thống đo mô phỏng
đáp ứng và trở kháng cơ thể ngƣời ........................................................................... 76

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

xiv

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc
đã công bố


Đo lƣờng là một lĩnh vực hoạt động Khoa học – Kỹ thuật hết sức gần gũi và

gắn bó mật thiết với đời sống con ngƣời. Nó gần gũi và quen thuộc đến mức nhƣ trở
thành tự nhiên. Cũng vì vậy, thƣờng ngƣời ta không để ý đến nó, không dễ dàng
cảm nhận đƣợc vai trò và tầm quan trọng của nó. Chúng ta hình nhƣ chỉ tình cờ phát
hiện ra và cảm thấy nó quan trọng khi gặp một trục trặc nào đó trong cuộc sống.
Hầu nhƣ những gì con ngƣời cần cho cuộc sống đều phải đo đạt bằng các dụng cụ
đo lƣờng: Cái thƣớc giúp ta biết tấm vải, khúc gỗ... dài bao nhiêu mét, cái cân giúp
ta biết con gà, con lợn, bao gạo, ... nặng bao nhiêu kilôgam,...


Đo lƣờng tạo ra cơ sở định lƣợng tin cậy để thuận mua vừa bán, để đảm bảo

công bằng và tin cậy lẫn nhau trong thƣơng mại, trong giao lƣu kinh tế giữa mọi
ngƣời và giữa các nƣớc với nhau. Đồng thời, Đo lƣờng tạo ra cơ sở định lƣợng để
chúng ta có đƣợc các quyết định đúng đắn liên quan đến an toàn và tính mạng của
mọi ngƣời. Nghiên cứu, cải thiện Hệ thống đo trong lĩnh vực Đo lƣờng, giúp chúng
ta có đƣợc những thiết bị có nhiều tính năng, phù hợp các yêu cầu của xã hội và các
qui định của thế giới.


Khi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm để phân tích và đánh giá sai số

trong các kết quả ghi nhận đƣợc thƣờng gặp khó khăn và phức tạp do các ảnh

hƣởng và sự tƣơng tác giữa các thông số của Hệ thống đo. Theo [8], [9], [10] nêu ra
các phƣơng pháp để đánh giá một Hệ thống đo. Để khắc phục những điều đã nói ở
trên, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp đặc tính tần số [1], [10]. Phƣơng pháp
đặc tính tần số là một công cụ hữu hiệu giúp chúng ta phân tích Hệ thống đo khoa
học hơn, qua đó đánh giá sai số, đƣa ra các kết quả chính xác hơn, làm cơ sở cho
các kết luận liên quan đến chất lƣợng sản phẩm cũng nhƣ an toàn và tính mạng con
ngƣời.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

1

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

1.1.1. Định nghĩa


Theo [2], [3], Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần

đo để có kết quả bằng số so với đơn vị.


Với định nghĩa trên thì Đo lƣờng là quá trình thực hiện ba 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 lƣờng.

+ Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị.



Căn cứ vào việc thực hiện các thao tác này ta có các phƣơng pháp và Hệ

thống đo khác nhau.


Thiết bị đo và thiết bị mẫu



Thiết bị đo là một hệ thống mà đại lƣợng đo gọi là lƣợng vào, lƣợng ra là đại

lƣợng 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 lƣợng ra không hiển thị trên thiết bị mà đƣa tới
trung tâm tính toán để thực hiện các phân tích kỹ thuật nhất định.


Thiết bị mẫu dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị đo và đơn vị đo.



Theo quy định hiện hành thiết bị mẫu phải có độ chính xác lớn hơn ít nhất

hai cấp so với thiết bị kiểm tra.


Ví dụ: Muốn kiểm định công tơ cấp chính xác 2 thì bàn kiểm định công tơ

phải có cấp chính xác ít nhất là 0,5.
1.1.2. Phân loại
1.1.2.1. Thiết bị đo lƣờng
Có nhiều cách phân loại song có thể chia thiết bị đo lƣờng thành hai loại
chính là thiết bị đo chuyển đổi thẳng và thiết bị đo kiểu so sánh.


Thiết bị đo chuyển đổi thẳng

−

Đại lƣợng cần đo đƣa vào thiết bị dƣới bất kỳ dạng nào cũng đƣợc biến thành

góc quay của kim chỉ thị. Ngƣời đo đọc kết quả nhờ thang chia độ và những quy
ƣớc trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị đo cơ điện. Ngoài ra, lƣợng ra
còn có thể biến đổi thành số, ngƣời 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.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

2

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo



Thiết bị đo kiểu so sánh



Thiết bị so sánh cũng có thể là chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số. Tuỳ theo

cách so sánh và cách lập đại lƣợng bù (bộ mã hoá số tƣơng tự) ta có các thiết bị so
sánh khác nhan nhƣ: thiết bị so sánh kiểu tuỳ động (đại lƣợng đo x và đại lƣợng bù
trừ luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (đại lƣợng bù trừ biến thiên
theo một quy luật thời gian nhất định và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm
trong chu kỳ).


Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập đại lƣợng bù ngƣời ta chia thành dụng cụ

mã hoá số xung, tần số xung, thời gian xung. Căn cứ vào điều kiện cân bằng ngƣời
ta chia thành dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng cụ bù có lệch (vi sai). Căn cứ
vào quan hệ giữa lƣợng ra và lƣợng vào, ngƣời ta chia thành: thiết bị đo trực tiếp
(đại lƣợng ra biểu thị trực tiếp đại lƣợng vào), thiết bị đo gián tiếp (đại lƣợng ra liên
quan tới nhiều đại lƣợng vào thông qua những biểu thức toán học xác định), thiết bị
đo kiểu hợp bộ (nhiều đại lƣợng ra liên quan tới nhiều đại lƣợng vào thông qua các
phƣơng trình tuyến tính).
1.1.2.2. Chuyển đổi đo lƣờng


Chuyển đổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu

chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thƣờng U = 0 ÷ 10 V; I = 4 ÷ 20 mA).

Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến
dòng điện, các mạch khuếch đại, ... đã đƣợc nghiên cứu kỹ ở các giáo trình khác nên
ta không xét.


Chuyển đổi sơ cấp: 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 nhƣ: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện, v.v…
1.1.2.3. Tổ hợp thiết bị đo


Với một thiết bị cụ thể (một kênh):
Lƣợng vào

Chuyển đổi sơ cấp

Mạch đo

Chỉ thị

Lƣợng ra

Hình 1.1. Cấu trúc Hệ thống đo một kênh

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

3

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng

Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

+ Chuyển đổi đo lƣờng: biến tín hiện cần đo thành tín hiệu điện.
+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin, ... bao gồm: nguồn, các
mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ, v.v…
+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho ngƣời quan sát, thƣờng gồm chỉ thị số và
chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v...
1.1.2.4. Với Hệ thống đo lƣờng nhiều kênh


Trƣờng hợp cần đo nhiều đại lƣợng, mỗi đại lƣợng đo ở một kênh, nhƣ vậy

tín hiệu đo đƣợc lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hoá tới mạch điều chế
tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đƣa qua phân kênh (multiplexer) để đƣợc sắp xếp
tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền. Để có sự phân biệt, các đại
lƣợng đo trƣớc khi đƣa vào mạch phân kênh cần phải mã hoá hoặc điều chế
(Modulation - MOD) theo tần số khác nhau (thí dụ nhƣ f10, f20, ...) cho mỗi tín hiệu
của đại lƣợng 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 lƣờng từ xa
(TE1emety) cho nhiều đại lƣợng đo.
1.1.3. Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lƣờng
1.1.3.1. Hệ thống đo hiến đổi thẳng



Trong Hệ thống đo biến đổi thẳng, đại lƣợng vào x qua nhiều khâu biến đổi

trung gian đƣợc biến thành đại lƣợng 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 trƣờng hợp quan hệ lƣợng vào và lƣợng ra là tuyến tính ta có thể viết:
z = S.x
Trong đó:



(1.1)

S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị.

Nếu một thiết bị gồm nhiều khâu nối tiếp thì quan hệ giữa lƣợng vực và

lƣợng ra có thể viết:
n

Z   Si X

(1.2)

i 1

Trong đó:

Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

4

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

1.1.3.2. Hệ thống đo kiểu so sánh

Trong thiết bị đo kiểu so sánh đại lƣợng vào x thƣờng đƣợc biến đổi thành
đại lƣợng trung gian Yx qua một phép biến đổi T:
Yx = T.x
x

T
yx
Δy

yk

Hình 1.2. Hệ thống đo kiểu so sánh


Sau đó Yx đƣợc so sánh với đại lƣợng bù Yk Ta có:
∆y = Yx - Yk


Có thể căn cứ vào thao tác so sánh để phân loại các phƣơng pháp đo khác
nhau.


Phân loại phƣơng pháp đo căn cứ vào điều kiện cân bằng



Phƣơng pháp so sánh kiểu cân bằng (Hình 1.3): Trong phƣơng pháp này, đại

lƣợng vào so sánh: Yx = const; đại lƣợng bù Yk = const.


Tại điểm cân bằng:
Δy = yx – yk → 0


Phƣơng pháp so sánh không cân bằng (Hình 1.4): Cũng giống nhƣ trƣờng
hợp trên song ∆y →ε ≠ 0.
Lƣợng ra

Lƣợng ra

C
Δy

-ε

ε

Δy

-C

Hình 1.3. Phƣơng pháp so sánh cân bằng

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

5

Hình 1.4. Phƣơng pháp so sánh không
cân bằng

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo



Phân loại phƣơng pháp đo căn cứ vào cách tạo điện áp bù



Phƣơng pháp mã hoá thời gian: Trong phƣơng pháp này đại lƣợng vào

yx = const còn đại lƣợng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t:
yk = y0.t (y0 = const)
y

yx

yk
tx

x

Hình 1.5. Phƣơng pháp mã hóa thời gian
−

Tại thời điểm cân bằng yx = yk = y0.tx

tx 

=>
−

yx
y0

(1.3)

Đại lƣợng cần đo yx đƣợc biến thành khoảng thời gian tx. Ở đây, phép so

sánh phải thực hiện một bộ ngƣỡng:
∆𝑦 = 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑦𝑥 − 𝑦𝑘 =


1 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑥 ≥ 𝑦𝑘
0 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑥 < 𝑦𝑘

Phƣơng pháp mã hoá tần số xung: Trong phƣơng pháp này đại lƣợng vào

yx cho tăng tỉ lệ với đại lƣợng cần đo x và khoảng thời gian t: yx = t.x, còn đại lƣợng
bù yk đƣợc giữ không đổi.
y

yx

yx
0

tx = 1/fx

t

Hình 1.6. Phƣơng pháp mã hóa tần số xung

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

6

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng


Luận văn Thạc sĩ

−

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

Tại điểm cân bằng có:
yx = x.tx = yk = const

1
x

t x yk

fx 
−

(1.4)

Đại lƣợng cần đo x đã đƣợc biến thành tần số fx. Ở đây phép so sánh cũng

phải thực hiện một bộ ngƣỡng.
∆𝑦 = 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑦𝑘 − 𝑦𝑥 =


1 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑘 ≥ 𝑦𝑥

0 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑘 < 𝑦𝑥

Phƣơng pháp mã hoá số xung: Trong phƣơng pháp này đại lƣợng vào

yx = const, còn đại lƣợng bù yk cho tăng tỉ lệ với thời gian t theo quy luật bậc thang
với những bƣớc nhảy không đổi vo gọi là bƣớc lƣợng tử. T = const còn gọi là xung
nhịp. Ta có:
n

y k  y 0 1(t  iT )

(1.5)

i 1

y

yx
yk

0

y0

Nx

t

T

Hình 1.7. Phƣơng pháp mã hóa số xung
−

Tại điểm cân bằng đại lƣợng vào yx đƣợc biến thành con số NX:
yx ≈ Nx.y0

−

(1.6)

Để xác định đƣợc điểm cân bằng, phép so sánh cũng phải thực hiện một bộ

ngƣỡng:
∆𝑦 = 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑦𝑥 − 𝑦𝑘 =


1 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑥 ≥ 𝑦𝑘
0 𝑘𝑕𝑖 𝑦𝑥 < 𝑦𝑘

Ngoài ra còn phƣơng pháp mã hoá số xung ngƣợc, phƣơng pháp đếm xung,

phƣơng pháp trùng phùng.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

7

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng

Luận văn Thạc sĩ

Phƣơng pháp đặc tính tần số trong Hệ thống đo

1.1.4. Các đặc tính của thiết bị đo
1.1.4.1. Độ nhạy, độ chính xác và các sai số của thiết bị đo


Độ nhạy và ngƣỡng độ nhạy



Ta biết phƣơng trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x). Để có một sự đánh giá

về quan hệ giữa lƣợng vào và lƣợng ra của thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độ nhạy
của thiết bị:

S
Trong đó:

z
x

+ ∆z là biến thiên của lƣợng ra.
+ ∆x là biến thiên của lƣợng vào.



Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhƣng trong phạm vi ∆x đủ nhỏ thì S là

một hằng số. Với thiết bị có quan hệ giữa lƣợng vào và lƣợng ra là tuyến tính, ta có
thể viết: z = S.x. Lúc đó, S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị đo.


Trong trƣờng hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp thì độ nhạy

đƣợc tính 𝑆 =


𝑛
𝑖=1 𝑆𝑖 ,

với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.

Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao nhiêu

cũng đƣợc, song trên thực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z không thể thấy đƣợc.
Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10 A nhỏ hơn 10 W
thì công tơ không quay nữa.


Nguyên nhân của hiện tƣợng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hiện

tƣợng trễ, ... ε đƣợc gọi là ngƣỡng độ nhạy của thiết bị đo.


Có thể quan niệm ngƣỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất mà thiết

bị đo có thể phân biệt đƣợc.


Tuy nhiên ngƣỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác nhau nó

chƣa đặc trƣng cho tính nhạy của thiết bị. Vì vậy, để so sánh chúng với nhau ngƣời
ta phải xét tới quan hệ giữa ngƣỡng độ nhạy và thang đo của thiết bị.

HVTH: Nguyễn Ngọc Hiển

8

GVHD: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chƣơng