Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Đại học đà nẵng Trờng đại học bách khoa Hoàng Minh Công Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá Đà Nẵng - 2006 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Lời mở đầu Trong công nghiệp luyện kim, nhiều trình công nghệ tiến hành điều kiện nhiệt độ cao cao sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất lu (chất lỏng, khí hơi) yêu cầu khống chế nhiệt độ chặt chẽ nh thờng xuyên đo kiểm thông số áp suất, thành phần môi trờng khí Do đo kiểm tra nhiệt độ nh thông số công nghệ khác có ý nghĩa quan trọng việc đảm bảo điều khiển trình công nghệ theo theo yêu cầu, đảm bảo chất lợng sản phẩm an toàn cho thiết bị Đo kiểm tra đóng vai trò quan trọng việc tự động hóa trình sản xuất Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, thiết bị đo kiểm tra tự động nói chung nh đo kiểm tra nhiệt độ nói riêng ngày có nhiều chủng loại với tính sử dụng độ tin cậy làm việc cao, đáp ứng nhu cầu đa dạng sản xuất Thiết bị đo kiểm tra dụng cụ đo đơn giản gồm đầu đo phận hiển thị hệ thống phức tạp gồm cảm biến, chuyển đổi tín hiệu đo, truyền kết xa, xử lý số liệu Trang bị kiến thức kiểm nhiệt nh đo, kiểm tra thông số tiêu công nghệ cần thiết, giúp cho sinh viên tiếp thu tốt môn học chuyên ngành nh vận dụng vào thực tế sản xuất sau Đối với sinh viên ngành khí - luyện cán thép, môn học Kiểm nhiệt tự động hoá môn học bắt buộc chơng trình đào tạo Giáo trình đợc biên soạn theo nội dung môn học gồm chơng, đề cập đến vấn đề chủ yếu kỹ thuật đo nói chung, thiết bị đo kiểm tra nhiệt độ, thiết bị đo kiểm tra thông số tiêu công nghệ quan trọng trình luyện kim Do nội dung giáo trình bao quát rộng, tài liệu tham khảo hạn chế trình độ có hạn ngời biên soạn nên chắn giáo trình không tránh khỏi sai sót Tác giả mong muốn nhận đợc góp ý bạn đọc đồng nghiệp để giáo trình đợc hoàn thiện Các nhận xét, góp ý xin gửi Khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tác giả Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Mục lục Chơng Các khái niệm đặc trng đo lờng 1.1 Khái niệm phân loại phơng pháp đo 1.1.1 Phép đo 1.1.2 Phân loại phơng pháp đo 1.2 Sai số phép đo 1.2.1 Sai số 1.2.2 Các loại sai số 1.2.3 Phơng pháp đánh giá sai số 1.3 Thiết bị đo phân loại 10 1.3.1 Thiết bị đo 10 1.3.2 Phân loại thiết bị đo 11 1.4 Đo kiểm tra công nghệ luyện kim 12 Chơng Đo nhiệt độ 2.1 Khái niệm chung 14 2.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 14 2.1.2 Phơng pháp đo nhiệt độ 17 2.2 Nhiệt kế giản nỡ 18 2.2.1 Nguyên lý đo 18 2.2.2 Các loại nhiệt kế giản nở 18 2.3 Nhiệt kế điện trở 19 2.3.1 Nguyên lý đo 19 2.3.2 Các loại nhiệt kế điện trở 21 2.4 Cặp nhiệt ngẫu 29 2.4.1 Hiệu ứng nhiệt điện 29 2.4.2 Vật liệu chế tạo cực 31 2.4.3 Các cặp nhiệt ngẫu dùng công nghiệp 33 2.4.4 Mạch đo dụng cụ thứ cấp 34 2.5 Hỏa kế 40 2.5.1 Hỏa kế xạ toàn phần 40 2.5.2 Hỏa kế quang 41 - 131 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 2.6 Các phơng pháp đo nhiệt độ khác 43 Chơng Đo áp suất 3.1 áp suất phơng pháp đo áp suất 45 3.1.1 áp suất đơn vị đo 45 3.1.2 Phơng pháp đo áp suất 46 3.2 áp kế sử dụng dịch thể 48 3.2.1 Vi áp kế kiểu phao 48 3.2.2 Vi áp kế kiểu chuông 49 3.2.3 Vi áp kế bù 50 3.2.4 áp kế vành khuyên 51 3.3 áp kế đàn hồi 52 3.3.1 áp kế lò xo 52 3.3.2 áp kế màng 54 3.3.3 áp kế ống trụ 55 3.3.4 áp kế kiểu đèn xếp 56 3.4 áp kế điện 57 3.4.1 áp kế áp trở 57 3.4.2 áp kế áp điện 58 3.4.3 áp kế điện dung 59 3.4.4 áp kế điện cảm 60 Chơng Đo lu lợng 4.1 Khái niệm chung 64 4.1.1 Lu lợng đơn vị đo 64 4.1.2 Phơng pháp đo lu lợng 64 4.2 Lu lợng kế đo lu lợng theo thể tích 64 4.2.1 Lu lợng kế kiểu bánh 64 4.2.2 Lu lợng kế kiểu cánh 66 4.3 Lu lợng kế đo lu lợng theo tốc độ 4.3.1 Nguyên lý đo 67 67 - 132 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 4.3.2 Lu lợng kế kiểu tuabin hớng trục 67 4.3.3 Lu lợng kế kiểu tuabin tiếp tuyến 68 4.4 Lu lợng kế đo lu lợng theo độ giảm áp biến đổi 69 4.4.1 Nguyên lý đo 69 4.4.2 Thiết bị thu hẹp 71 4.4.3 Sơ đồ thiết bị đo 72 4.5 Lu lợng kế đo lu lợng theo độ giảm áp không đổi 75 4.6 Lu lợng kế điện từ 76 Chơng Phân tích khí 5.1 Khái niệm phơng pháp phân tích 78 5.1.1 Khái niệm 78 5.1.2 Phơng pháp phân tích 78 5.2 Phơng pháp phân tích điện 78 5.2.1 Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt chất khí 78 5.2.2 Phân tích khí theo cháy cấu tử cần phân tích 80 5.2.3 Phân tích khí theo độ từ thẩm khí 81 5.2.4 Phân tích khí theo khả hấp thụ xạ 82 5.3 Phơng pháp quang phổ định lợng 84 Chơng Đo số tiêu công nghệ 6.1 Đo nồng độ ion H+ 85 6.1.1 Nguyên lý đo 85 6.1.2 Thiết bị đo 86 6.2 Đo nồng độ chất điện ly 88 6.2.1 Nguyên lý đo 88 6.2.2 Thiết bị đo 89 6.3 Đo tỉ trọng 90 6.3.1 Phơng pháp đo theo áp suất 90 6.3.2 Phơng pháp dùng đồng vị phóng xạ 91 6.4 Đo phát mức 92 6.4.1 Đo mức phơng pháp thuỷ tĩnh 92 6.4.2 Đo mức phơng pháp điện 94 6.4.3 Đo mức phơng pháp xạ 95 - 133 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 6.5 Đo độ ẩm 96 6.5.1 Đo độ ẩm vật liệu rời 97 6.5.2 Đo độ ẩm khí 97 Chơng Truyền kết xa 7.1 Truyền xa kiểu điện trở 103 7.1.1 Phơng pháp biến đổi điện trở 103 7.1.2 Phơng pháp dùng logomet 104 7.2 Truyền xa kiểu từ cảm 104 7.2.1 Dùng cầu cân cảm ứng 104 7.2.2 Dùng biến vi sai 105 7.3 Truyền xa kiểu đồng 106 Chơng Cảm biến thông minh 8.1 Cấu trúc cảm biến thông minh 109 8.2 Các khâu chức cảm biến thông minh 110 8.2.1 Chuyển đổi chuẩn hoá 110 8.2.2 Bộ dồn kênh MUX 112 8.2.3 Bộ chuyển đổi tơng tự - số 114 8.3 Các thuật toán xử lý cảm biến thông minh 116 8.3.1 Tự động khắc độ 116 8.3.2 Xử lý tuyến tính hoá đoạn 117 8.3.3 Gia công kết đo 119 Tài liệu tham khảo 129 Mục lục 131 - 134 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com - 135 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Chơng Các khái niệm đặc trng đo lờng 1.1 Khái niệm phơng pháp đo Trong công nghiệp, nhiều trình công nghệ đòi hỏi phải tiến hành điều kiện công nghệ (nh nhiệt độ, áp suất, lu lợng, thành phần môi trờnggọi chung thông số công nghệ) cần khống chế giới hạn định Đo kiểm tra thông số công nghệ cho phép ngời thực biết đợc trạng thái trình, từ tác động để đảm bảo hoạt động bình thờng hệ thống thiết bị nh đạt đợc hiệu kinh tế chất lợng sản phẩm theo yêu cầu Đối với hệ thống tự động, đo kiểm tra thông số công nghệ khâu thiếu đảm nhận cung cấp tín hiệu cần thiết cho trình điều khiển hoạt động thiết bị Do đo kiểm tra có tầm quan trọng lớn công nghiệp nói chung nh lĩnh vực luyện kim nói riêng 1.1.1 Phép đo Thực chất phép đo đem so sánh đại lợng cần đo với đại lợng khác đợc chuẩn hóa Ví dụ để đo chiều dài vật, ngời ta so sánh chiều dài cần đo với chiều dài vật chuẩn theo quy ớc mét, đo khối lợng vật, ngời ta đem so sánh khối lợng cần đo với khối lợng vật chuẩn có khối lợng theo quy ớc lilôgam 1.1.2 Phơng pháp đo Căn vào nguyên tắc đo, ngời ta chia phơng pháp đo thành ba loại: phơng pháp đo trực tiếp, phơng pháp đo gián tiếp phơng pháp đo kết hợp - Phơng pháp đo trực tiếp: đem đại lợng cần đo so sánh trực tiếp với đại lợng chuẩn chất, ví dụ nh đo chiều dài, đo khối lợng, - Phơng pháp đo gián tiếp: phép đo mà kết nhận đợc dựa sở đo số liệu có liên quan với đại lợng cần đo theo quan hệ định, ví dụ nh đo nhiệt độ thông qua đo sức điện động cặp nhiệt ngẫu - Phơng pháp kết hợp: kết hợp hai phơng pháp Khi đo gián tiếp, dụng cụ đo phải xây dựng đợc quan hệ đại lợng đo đợc s (còn gọi đại lợng đầu hay đáp ứng) đại lợng cần đo m (còn gọi đại lợng đầu vào hay kích kích) Quan hệ đợc biểu diễn dới dạng -5- Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com hàm số đại số s = F(m) đồ thị gọi chung đờng cong chuẩn dụng cụ đo Để thiết lập đờng cong chuẩn ngời ta dùng phơng pháp chuẩn dụng cụ đo đợc tiến hành cách đo giá trị đại lợng đầu (s) ứng với loạt giá trị biết xác đại lợng đầu vào (m) s s s2 s1 sx m1 m2 mx m a) m b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn dụng cụ đo a) Xây dựng đờng cong chuẩn b) Sử dụng đờng cong chuẩn Đờng cong chuẩn cho phép xác định giá trị m từ s phạm vi đo Để dễ sử dụng ngời ta thờng chế tạo dụng cụ đo cho có liên hệ tuyến tính biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m: s = S m Trong S độ nhạy dụng cụ đo s m Hình 1.2 Đờng cong chuẩn tuyến tính dụng cụ đo 1.2 Sai số phép đo 1.2.1 Sai số Trong thực tế, nhiều nguyên nhân khác nhau, đo ta xác định xác giá trị thực đại lợng cần đo (giá trị cần đo) mà nhận đợc giá trị gần (giá trị đo) Hiệu số giá trị đo m giá trị cần đo A đợc gọi sai số tuyệt đối phép đo: -6- Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com = mA (1.1) Do xác định đợc A nên tính đợc sai số phép đo theo công thức (1.1) Bởi vậy, sai số phép đo đánh giá cách ớc tính 1.2.2 Các loại sai số Khi đánh giá ngời ta phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên a) Sai số hệ thống Sai số hệ thống sai số mà giá trị quy luật biết trớc phát cánh kiểm tra dụng cụ đo dụng cụ mẫu Với giá trị cho trớc đại lợng cần đo, sai số hệ thống không đổi thay đổi chậm theo thời gian Sai số hệ thống thờng có nguyên nhân hiểu biết sai lệch không đầy đủ dụng cụ đo hay điều kiện sử dụng không tốt, dới nguyên nhân thờng gặp sai số hệ thống: - Sai số giá trị đại lợng chuẩn không đúng: thí dụ điểm dụng cụ đo bị lệch khỏi vị trí, sai lệch nhiệt độ chuẩn cặp nhiệt Sai số dạng giảm đợc cách kiểm tra kỹ thiết bị phụ trợ mạch đo - Sai số đặc tính dụng cụ đo: sai số độ nhạy sai số đờng cong chuẩn nguyên nhân thờng gặp sai số hệ thống đặc tính dụng cụ đo Thí dụ đờng cong chuẩn cặp nhiệt ngẫu nhà sản xuất cung cấp đợc xác định sở chuẩn số cặp nhiệt đợc chế tạo lần Tuy nhiên, cặp nhiệt ngẫu có đờng cong chuẩn khác đôi chút so với đờng cong chuẩn cặp nhiệt đợc kiểm định Trờng hợp hóa già phận cảm nhận dụng cụ đo thờng kéo theo sai lệch khỏi đờng cong chuẩn ban đầu, đặc biệt cặp nhiệt nhiệt điện trở Để tránh sai số hệ thống trờng hợp cần phải thờng xuyên chuẩn lại dụng cụ đo - Sai số điều kiện chế độ sử dụng: tốc độ hồi đáp dụng cụ đo dụng cụ thứ cấp mạch đo thờng có hạn, tất phép đo tiến hành trớc chế độ hoạt động bình thờng thiết bị đo đợc thiết lập gây sai số Thí dụ đầu đo nhiệt độ có tốc độ hồi đáp khác phụ thuộc vào việc đợc đặt chất lỏng đứng yên hay có dòng chảy Trờng hợp đầu đo -7- Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trong thực tế ngời ta thờng chế tạo kết hợp hai MUX chuyển đổi A/D cho vào vỏ Đại diện cho linh kiện loại ADC 0809 (hình 8.7) Loại A/D có đầu vào tám kênh chiều (0 - 5V) đầu tám bit, số liệu đa lên BUS liệu àP EOC 26 27 28 Đầu vào kênh VCC + 5V G IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 + REF REF 22 ALE 10 Clock START ENABLE 23 ADD -C 24 ADD -B ADD -A 25 D0 D1 D2 D3 ADC 0809 D4 D5 D6 D7 15 17 14 18 19 20 21 Đầu bit Hình 8.7 Sơ đồ ADC 0809 START Clock ĐK thời gian kênh vào MUX SAR Chốt địa kênh So sánh A B C Địa Bộ khoá (chốt Tristate) bit đầu ALE OE 256 RESTOR Hình 8.8 Sơ đồ khối A/D 0809 Trên hình 8.8 trình bày sơ đồ khối A/D 0809 Để điều khiển hoạt động A/D 0809, ba bit địa A, B, C đợc chốt giải mã để chọn tám kênh đờng truyền tín hiệu tơng tự so sánh Khi có xung START CLOCK trình so sánh bắt đầu xẩy Điện áp vào đợc so sánh với điện áp khoá hình 256 R tạo Khi trình biến đổi kết thúc, điều khiển phát tín hiệu EOC (End of Converter) Số liệu đợc đa ghi đệm chốt lại àP - 115 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com muốn đọc số liệu từ A/D phải phát tín hiệu vào chân OE (output - enable) trình đọc đợc tiến hành Bộ chuyển đổi A/D 0809 chip gói theo tiêu chuẩn 28 chân chế tạo theo công nghệ CMOS ADC 0809 mạch bù zero phụ mạch chỉnh full-scale ADC 0809 có u điểm dễ dàng kết nối với àP hay àC đợc cung cấp chốt địa kênh chốt TTL - TRISTATE đầu ra, có tốc độ cao, độ xác cao phụ thuộc vào nhiệt độ, tiêu thụ công suất nhỏ 8.3 Các thuật toán xử lý cảm biến thông minh Nh đề cập trên, phơng trình cảm biến bù y = f(x) Tuy nhiên đối số x đại lợng đo có số yếu tố khác ảnh hởng đến kết đo, yếu tố môi trờng nh nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trờng, độ rung nghĩa y = f(x, a, b, c, ), a, b, c yếu tố ảnh hởng cần loại trừ Trong cảm biến thông minh, ngời ta sử dụng khả tính toán vi xử lý để nâng cao đặc tính kỹ thuật cảm biến nh nâng cao độ xác, loại trừ sai số phi tuyến, bù ảnh hởng yếu tố môi trờng Dới trình bày số phép xử lý đợc thực cảm biến thông minh 8.3.1 Tự động khắc độ Quá trình tự động khắc độ đợc tiến hành nh sau: Đầu tiên ngời ta đo giá trị tín hiệu chuẩn ghi vào nhớ, sau đo giá trị đại lợng cần đo công cụ toán học (dới dạng thuật toán) so sánh, gia công kết đo loại trừ sai số Công việc thực cho cảm biến Khi mắc cảm biến vào hệ thống, àP làm nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi, nhớ ghi lại giá trị y đầu cảm biến tơng ứng Khi đo, đại lợng đo x tác động vào cảm biến, tơng ứng với giá trị x nhớ đa giá trị tơng ứng tín hiệu chuẩn đợc ghi từ trớc Với cách loại trừ đợc sai số phi tuyến đặc tính cảm biến mà dụng cụ số thông thờng không thực đợc Phơng pháp đòi hỏi cảm biến phải hoàn toàn giống để trờng hợp hỏng hóc cần phải thay - 116 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com không gây sai số đáng kể Ngợc lại cảm biến thay không giống cảm biến khắc độ phải khắc độ lại với cảm biến 8.3.2 Xử lý tuyến tính hoá đoạn Trờng hợp đặc tính tín hiệu x sau cảm biến hàm phi tuyến đại lợng đo , tức x() hàm phi tuyến Thay khắc độ đặc tính đo vào nhớ nh đề cập trên, ta thay x() đờng gấp khúc tuyến tính hoá đoạn với sai số (hình 8.9) Phơng pháp gọi phơng pháp nội suy tuyến tính x() x*() x() k Hình 8.9 Phơng pháp nội suy tuyến tính Thuật toán để lựa chọn đoạn tuyến tính hoá đợc thực nh sau: - giá trị đại lợng đo, đờng cong x() cho ta giá trị x0 - x0 đợc nhớ vào RAM àP - giá trị ta có x1 - x1 đợc nhớ vào RAM àP - giá trị ta có x2 - x2 đợc nhớ vào RAM àP - Tính tỉ số gia số bậc đa thức nội suy Lagrange x1* ( ) qua hai điểm x0 x1: ( , ) = - x2 x0 Tính giá trị đa thức nội suy điểm 1: x1* (1 ) = x + ( , )(1 ) - 117 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com - Tính độ sai lệch điểm 1: (1 ) = x1 x1* (1 ) - So sánh 1(1) với sai số cho 0: 1(1) < giá trị tín hiệu không đợc chấp nhận - giá trị ta có x3 - Nhớ x3 vào RAM àP - Tính tỉ số gia số bậc đa thức nội suy Lagrange x *2 ( ) : ( , ) = - x3 x0 Tính giá trị đa thức nội suy điểm 1, 2: x *2 (1 ) = x + ( , )(1 ) x *2 ( ) = x + ( , )( ) - Tính độ sai lệch phép nội suy điểm 1, 2: (1 ) = x1 x *2 (1 ) ( ) = x x *2 ( ) - So sánh 2(1) và2(2) với 0: 2(1) < 2(2) < giá trị tín hiệu không đợc chấp nhận - điểm k ta có xk mà đa thức nội suy là: ( x *k ( ) = x + ( k , ) ) Với ( k , ) = x k x0 k Mà ta có: ( ) ( ) k j = x j x *k j Với j điểm nằm khoảng đến k - Khoảng nội suy bằng: k = k - 118 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Và giá trị xk đợc chấp nhận nh điểm cuối đoạn thẳng đờng xấp xỉ hoá đoạn - Với phép nội suy tuyến tính trình hồi phục đợc tiến hành theo cách nối liền điểm đoạn thẳng: x * ( ) = x + x k x0 ( ) k Đoạn thẳng qua điểm xk Tổng quát ta có đoạn thẳng thứ i đờng gấp khúc có dạng: x *i ( ) = x i + x i +1 x i ( i ) i +1 i (8.3) để hồi phục giá trị đo ta việc tính x *i ( ) theo đối số đại lợng đo đợc từ cảm biến Các giá trị tính đợc theo đờng nội suy tuyến tính đảm bảo sai số cho phép 8.3.3 Gia công kết đo Khi tính toán sai số ngẫu nhiên, ngời ta thờng sử dụng đặc tính chúng, kỳ vọng toán học độ lệch bình quân phơng Các đặc trng thống kê đủ để đánh giá sai số kết đo Việc tính đặc tính số nội dung trình gia công kết đo Để tính kỳ vọng toán học độ lệch bình quân phơng ta phải có số lợng phép đo lớn Tuy nhiên thực tế số lợng phép đo n có hạn, ta tìm đợc ớc lợng kỳ vọng toán học độ lệch bình quân phơng mà Thờng ớc lợng đại lợng đo vật lý có tính chất ớc lợng có cứ, không chệch có hiệu Nếu gọi * ớc lợng đặc tính thống kê thì: - Nếu ta tăng số lợng N giá trị đo với > mà ta có: [ ] lim P * = N (8.4) ớc lợng * đợc gọi ớc lợng có - Nếu lấy trung bình ớc lợng mà ta có: M[ *] = (8.5) ớc lợng * đợc gọi ớc lợng không chệch - 119 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com - Nếu trung bình bình phơng độ sai lệch (phơng sai) ớc lợng cho 1* không lớn trung bình bình phơng độ sai lệch *i ớc lợng thứ i nào: ( ) ( ) 2 M *i > M 1* (8.6) ớc lợng đợc gọi ớc lợng có hiệu Ví dụ: Kỳ vọng toán học giá trị điểm đo X có ớc lợng m *x , ta có: [ ] N N M m *x = M X i = M X i N i =1 N i =1 = (8.7) N M[X i ] = N.m x = m x N i =1 N Nh ớc lợng kỳ vọng toán học m *x ớc lợng không chệch Tơng tự ta chứng minh đợc rằng: [ ] M D *x = D x = 2x (8.8) tức ớc lợng phơng sai D *x giá trị điểm đo X ớc lợng không chệch Giả sử ta tiến hành n phép đo giá trị X Giá trị đáng tin đại điện cho đại lợng đo X giá trị trung bình đại số dãy phép đo nh X : X= (x1 + x + x + + x i + + x n ) = n n xi n i =1 (8.9) Trong đó: x1, x2, , xn - kết phép đo riêng biệt n - số phép đo ớc lợng kỳ vọng toán học m *x đại lợng đo X Nếu sai số hệ thống X gía trị thực đại lợng đo Tất giá trị đo phân tán xung quanh giá trị X Độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình (theo giá trị số dấu) đợc xác định từ biểu thức: xi X = v i (8.10) - 120 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Với vi sai số d Sai số d có tính chất sau đây: - Tổng sai số d n vi =0 i =1 - Tổng bình phơng chúng có giá trị nhỏ nhất: n v 2i = Min (8.11) i =1 Những tính chất đợc sử dụng gia công kết đo để kiểm tra độ xác việc tính X Theo tổng bình phơng tất sai số d ngời ta xác định ớc lợng độ lệch bình quân phơng *, tiêu biểu cho mức độ ảnh hởng sai số ngẫu nhiên đến kết đo Theo lý thuyết xác suất việc tính * đợc thực theo công thức Besel: * = n v 2i /(n 1) (8.12) i =1 ớc lợc không chệch, có có hiệu Việc chia tổng bình phơng sai số d cho (n-1) thay cho n chấp nhận đợc kết gần n lớn sai lệch nhỏ ớc lợng độ lệch bình quân phơng * đặc trng cho độ xác dãy phép đo đợc xác định tập điều kiện đo (các đặc tính kỹ thuật dụng cụ đo, đặc điểm ngời làm thí nghiệm, yếu tố bên ảnh hởng đến phép đo) ớc lợng * đặc trng cho độ phân tán kết đo xung quanh giá trị trung bình đại số Vì giá trị trung bình đại số có sai số ngẫu nhiên đó, nên ta đa khái niệm ớc lợng độ lệch bình phơng giá trị trung bình đại số: (x i x ) n *X = i =1 n(n 1)) n = v 2i i =1 n(n 1)) = ớc lợng đặc trng cho sai số kết đo - 121 - * n (8.13) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ớc lợng khảo sát đợc gọi ớc lợng điểm bao gồm: X = X , *X , n ớc lợng điểm sai số phép đo không hoàn chỉnh *X thể khoảng mà giá trị thực nằm khoảng nhng lại không nói xác suất rơi X0 vào khoảng ớc lợng điểm cho phép đa vài kết luận độ xác phép đo mà Dới ta khảo sát khái niệm ớc lợng khác ớc lợng khoảng Đó khoảng đáng tin mà giới hạn với xác suất định ta tìm thấy giá trị thực X0 Cho trớc giá trị xác suất đáng tin P với đại lợng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn số lợng phép đo vô hạn n , theo bảng 8.1 ta tìm đợc hệ số k nh tìm đợc khoảng đáng tin 1,2 = k* Bảng 8.1 Giá trị hệ số phân bố Student theo P n Giá trị P Số lần đo n 0,5 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999 1,000 6,31 12,7 31,8 63,7 637 0,816 2,92 4,30 6,96 9,92 31,6 0,765 2,35 2,35 4,54 5,84 13,0 0,741 2,13 2,78 3,75 4,60 8,61 0,727 2,02 2,57 3,36 4,04 6,86 0,718 1,94 2,49 3,14 3,71 5,96 0,711 1,90 2,36 3,00 3,50 5,40 0,706 1,86 2,31 2,90 3,36 5,04 10 0,703 1,83 2,26 2,82 3,25 4,49 12 0,697 1,80 2,20 2,72 3,10 4,78 14 0,694 1,77 2,16 2,65 3,01 4,49 16 0,691 1,75 2,13 2,60 2,99 4,07 18 0,689 1,74 2,11 2,57 2,90 3,96 20 0,688 1,73 2,09 2,54 2,86 3,88 25 0,684 1,71 2,06 2,49 2,80 3,74 31 0,683 1,70 2,04 2,46 2,75 3,65 - 122 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 41 0,681 1,68 2,02 2,42 2,70 3,55 61 0,679 1,67 2,00 2,39 2,66 3,46 121 0,677 1,65 1,98 2,36 2,62 3,37 0,674 1,64 1,96 2,33 2,58 3,29 Khi số lợng phép đo lớn (n 20) khoảng tin cậy tính gần theo biểu thức: 1,2 = k *X (8.14) Trong thực tế ta tiến hành nhiều phép đo đợc, thờng hạn chế n 20, khoảng tin cậy đợc tính theo biểu thức sau: 1,2 = h st *X (8.15) hst - hệ số phân bố Student phụ thuộc vào xác suất cho P số lợng phép đo n đợc xác định theo bảng 8.1 Số liệu bảng đợc tính theo công thức: S (t; n ) = (n / )! (n 1).[(n 1) / 2] (1 + t / n )n / (8.16) Trong đó: S(t;n) - mật độ phân bố Student ( ) t = X X / *x n - số lần đo Trờng hợp n ( thực tế n 20) phân bố Student tiến đến phân bố chuẩn, lúc hst thay hệ số k nh biểu thức 8.14 Nh kết đo với ớc lợng khoảng, nhờ có phân bố Student viết dới dạng: (X ) < X < (X + ) ' 1,2 ' 1,2 (8.17) Từ (8.17) ta thấy xác suất độ lệch trung bình đại số so với giá trị thực đại lợng đo không vợt '1,2 Khi thực gia công kết đo ngời ta xác định khái niệm sai số bình quân phơng tơng đối theo biểu thức sau đây: X = *X X (8.18) 100 - 123 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Quá trình gia công kết đo đợc biểu diễn theo sơ đồ thuật toán hình 8.11 Bắt đầu n phép đo xi Kỳ vọng toán học M[x ] = X Sai số d v i = x i X n vi Tính =0 i =1 n v 2i i =1 Tính * = n v 2i / (n 1) i =1 *x = * / n Cho xác suất P tìm hst Khoảng đáng tin 1,2 = h st *x Kết đo = X '1,2 Kết thúc Hình 8.11 Sơ đồ thuật toán gia công kết đo - 124 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Quá trình gia công thực máy tính với ngôn ngữ nào, kết cho ta giá trị thực X = X khoảng đáng tin '1,2 Vậy kết đo nhận đợc sau gia công là: X '1,2 (8.19) 8.3.4 Sai số kết phép đo gián tiếp Khi tính toán sai số ngẫu nhiên phép đo gián tiếp cần phải nhớ đại lợng cần đo Y có quan hệ hàm với hay nhiều đại lợng đo trực tiếp X1, X2,, Xn, tức là: Y = f (X , X , , X n ) (8.20) Vì mà sai số tuyệt đối kết đo gián tiếp nh sau: Y Y X 12 + Y = X X Y X 22 + + X n X 2n (8.21) sai số tơng đối kết đo là: Y X Y = = Y Y 2 Y X Y + X Y X 2 X Y + + n Y X n = 2X1 + 2X + + 2Xn Trong X , X , , X n (8.22) sai số tơng đối đại lợng đo trực tiếp X1, X2, , Xn Nếu kết đo trực tiếp Xi đợc xác định với sai số bình quân phơng X n , 2 Y Y Y X X + + X + = X X X n 21 1 n (8.23) Y X sai số riêng phép đo gián tiếp thứ i X i i bảng 8.2 trình bày biểu thức tính sai số tuyệt đối sai số tơng đối số hàm Y thờng gặp phép đo gián tiếp - 125 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bảng 8.2 Biểu thức tính sai số tuyệt đối sai số tơng đối số hàm Y Sai số tơng đối Y = Hàm Y Sai số tuyệt đối Y X1 + X2 X1.X2 X 12 (X ) + X 22 (X ) X1 X2 Xn nX n X (X )2 + (X )2 [(X ) ] + (X ) / (X + X ) 2 2 [X (X ) 2 X X + X X ] + X (X ) X 2 2 Y Y X X + X1 X 2 n(X / X ) 8.3.5 Bù sai số a) Bù sai số cộng tính Trong cảm biến có sai số cộng tính, ta có: YX = K X X + Ya KX = Với (8.24) Yi +1 Yi X i +1 X i Giá trị Ya không thay đổi theo X sai số cộng tính (hình 8.12) Loại trừ sai số loại trừ (hình 8.13) X X CB YX = KXX + Ya CB Y Yi Xi Hình 8.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến có sai số cộng tính Hình 8.13 Loại trừ sai số cộng tính Ta có: Yi = K i X i + Ya (8.25) Thực phép trừ theo vế (8.24) (8.25) biến đổi ta có: X Xi X X i = (YX Yi ) i +1 Yi +1 Yi - 126 - (8.26) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bằng cách ta loại trừ đợc sai số cộng tính Ya b) Bù sai số nhân tính Trong cảm biến có sai số nhân tính, ta có: YX = XK X (1 k ) (8.27) Trong k sai số nhân tính Muốn bù sai số nhân tính ta dùng phép chia X CB YX Y0 X0 Hình 8.14 Loại trừ sai số nhân tính Nếu đại lợng vào Xo, ta có: Y0 = X K (1 k ) (8.28) Thực phép chia theo vế (8.27) (8.28) ta có: YX X K X (1 k ) X K X = = Y0 X K (1 k ) X K Nhận đợc: X= Y K0 X0 Y0 K X (8.29) c) Bù sai số yếu tố ảnh hởng Một sai số khó loại trừ cảm biến sai số yếu tố ảnh hởng (hay yếu tố không mang thông tin) Khi nghiên cứu cảm biến, ngời ta đa vào biện pháp để loại trừ yếu tố đơn nhng nhiều cảm biến ảnh hởng khó loại trừ Không cảm biến khác công nghệ chế tạo, ảnh hởng khác nhau, cảm biến thông minh ngời ta thờng bù ảnh hởng yếu tố không mang thông tin cảm biến sử dụng Từ phơng trình biến đổi cảm biến ta viết sai số: Y = F F F X + a + b + X a b - 127 - (8.30) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trong F a ảnh hởng yếu tố a đến kết đo Y Nhờ khả xử lý a máy tính ta sai phân hoá nội suy tuyến tính Bằng thực nghiệm ta lập bảng yếu tố ảnh hởng (bảng 8.3) Bảng 8.3 Bảng yếu tố ảnh hởng X1 X2 A1 11 12 A2 21 22 X A Xj Xn 1j 1n 2j 2n Ai i1 i2 ij in Am m1 m2 mj mn Từ giá trị Ai nhận đợc cảm biến đo phụ giá trị đại lợng đo Xj, tra bảng nhận đợc giá trị ij, sau nội suy giá trị phải bù để loại trừ sai số ảnh hởng yếu tố A - 128 - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Tài liệu tham khảo Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Trần Văn Địch, Nguyễn Văn Huyến, Nguyễn Đắc Lộc Công nghệ chế tạo máy( Tập I) Nhà xuất Khoa học kỹ thuật - 1992 Hoàng Minh Công Giáo trình cản biến công nghiệp Đại học Đà Nẵng 2004 Hoàng Minh Công Giáo trình Lò luyện kim Đại học Đà Nẵng - 2005 Lê Văn Doanh, Phạm Thợng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân Các cảm biến kỹ thuật đo lờng & điều khiển NXB Khoa học Kỹ thuật - 2001 Phan Quang Phô, Nguyễn Đức Chiến Giáo trình Cảm biến Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - 2000 Đỗ Xuân Thụ (chủ biên) Kỹ thuật điện tử Nhà xuất Giáo dục - 2002 Phạm Văn Trí, Dơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn Lò công nghiệp Đại học Bách khoa Hà nội - 1996 Bộ môn Luyện kim Nguyên lý lò luyện kim Đại học Bách khoa Hà nội - 1968 Bộ môn Lò luyện kim Bài giảng Kiểm nhiệt tự động hóa Đại học Bách khoa Hà Nội - 1979 10 E.I Kazanxev Prômslenni petchi NXB Metalurghi Moskva - 1975 H.E Xentruk, H Dzmakin Teplôvi ratriôt plachennx petchêi dlia nagrepva i teplôôbrabôtki metala NXB Minxk -1974 - 129 - [...]... nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ của vật đo không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trờng Tx, do đó khi đo ta chỉ nhận đợc nhiệt độ Tc là nhiệt độ của vật đo Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc là nhiệt độ đo đợc Giữa nhiệt độ cần đo và nhiệt độ đo đợc tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định Chúng ta hãy khảo sát trờng hợp đo bằng dụng cụ đo tiếp xúc Lợng nhiệt truyền từ môi trờng... thuộc vào thang nhiệt độ Ngợc lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang nhiệt độ Đặt F() = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch đợc viết nh sau: = 1 T1 T2 (2.2) Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn Đối với chất khí lý tởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phơng trình đặc trng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:... bản chất, còn nhiệt độ là đại lợng đặc trng cho mức nội năng của vật chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ a) Thang nhiệt độ Để đo nhiệt độ trớc hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối đợc thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tởng Theo định lý Carnot: hiệu suất của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ là 1... Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC Trong thang đo này nhiệt độ của điểm cân bằng trạng thái nớc nớc đá bằng 0oC, nhiệt độ điểm nớc sôi là 100oC Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.5) - Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nớc đá tan là 32oF và điểm nớc sôi là 212oF Quan hệ giữa nhiệt. .. khống chế nhiệt độ lò và nhiệt độ vật liệu phù hợp với từng giai đoạn gia công, nhiệt độ cao hay thấp đều ảnh hởng đến năng suất, hiệu quả kinh tế và chất lợng sản phẩm Chẳng hạn khi nung thép để cán hoặc nhiệt luyện, nhiệt độ lò và nhiệt độ vật nung phải khống chế theo một chế độ nung định trớc đảm bảo không xẩy ra hiện tợng nứt, cong vênh khi ở nhiệt độ thấp, không bị quá nhiệt hoặc cháy khi ở nhiệt. .. phụ thuộc nhiệt độ - Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc Giả sử 1 > 2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2) Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thờng dùng để đo nhiệt độ dới 700oC b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Hình 2.3 trình bày... bày cấu tạo của một nhiệt kế dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn (2) và chất lỏng (3) 2 Chất lỏng sử dụng thờng dùng là thuỷ ngân có hệ số giãn nở nhiệt =18.10-5/oC, vỏ nhiệt kế 3 bằng thuỷ tinh có =2.10-5/oC Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đợc đặt tiếp xúc với môi trờng đo Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở và dâng lên trong ống mao dẫn Thang đo 1 Hình 2.3 Nhiệt kế giản nở dùng... hệ số dẫn nhiệt A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt t - thời gian trao đổi nhiệt Lợng nhiệt vật đo hấp thụ: dQ = mCdT c Trong đó: m - khối lợng của vật đo c - nhiệt dung của vật đo Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của vật đo ra môi trờng ngoài và giá đỡ, ta có: A(Tx Tc )dt = mCdTc Đặt mC = , gọi là hằng số thời gian nhiệt, ta có: A dTc dt = T x Tc T(oK) Tx Tc 0,63Tx t (s) Hình 2.1 Trao đổi nhiệt của... và môi trờng đo - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi trờng bên ngoài Để tăng cờng trao đổi nhiệt giữa môi trờng đo và vật đo ta phải dùng vật đo có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao Để hạn chế tổn thất nhiệt từ vật đo ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ vật đo ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp 2.1.2 Phơng pháp đo nhiệt độ Nh chúng ta đã biết, nhiệt độ không thể đo trực tiếp mà... là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ đơn giản, còn hình 1.6 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần àV 1 2 Hình 1.5 Mạch đo nhiệt độ đơn giản 1) Cặp nhiệt 2) Dây dẫn 3) Milivôn kế Máy in 7 CB 1 Bộ 3 KĐ Bộ CĐ 4 Bộ CH 2 Bộ VXL 5 Màn hình 8 Hình 1.6 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần 1) Cảm biến đo nhiệt độ 2) Bộ khuếch đại 3) Bộ chuẩn hóa tín hiệu 4) Bộ chuyển đổi tơng tự - số 5) Bộ vi xử lý ... trò quan trọng việc tự động hóa trình sản xuất Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, thiết bị đo kiểm tra tự động nói chung nh đo kiểm tra nhiệt độ nói riêng... học Kiểm nhiệt tự động hoá môn học bắt buộc chơng trình đào tạo Giáo trình đợc biên soạn theo nội dung môn học gồm chơng, đề cập đến vấn đề chủ yếu kỹ thuật đo nói chung, thiết bị đo kiểm tra nhiệt. .. định nhiệt độ Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thờng dùng để đo nhiệt độ dới 700oC b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Hình 2.3 trình bày cấu tạo nhiệt kế dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt