Đang tải... (xem toàn văn)
1- Hệ thống đo lường và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp. 1.1 Hệ thống đo lường. 1 – Cảm biến (sensor) 2 – Khuếch đại và biến đổi tín hiệu đo 3 - Truyền thông tin đo
Phần A: Cơ sở kĩ thuật của các hệ thống đo lờng.1- Hệ thống đo lờng và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.1.1 Hệ thống đo lờng. a. Mục đích của đo lờng: Xác định giá trị bằng số của đại lợng vật lý.XN= & N: cùng tính chất vật lý.N: là chuẩn mẫu.Điều kiện phép đo: - Đối tợng đo đơn trị. - Đơn vị đo N có độ lớn phù hợp giá trị đoNhận xét: - N chọn phù hợp điều kiện thực tế và thuận tiện cho sử dụng.- Vật chuẩn N thỏa mãn : - Tính chính xác bền lâu, ổn định ( bất biến ) theo thời gian và điều kiện môi trờng.- Tính thống nhất- Tính tái tạo đợc. xGiá trị đoĐại l ợng đo X : là đại lợng vật lý đợc xác định trong quá trình đo.Vd: chiều dài l, điện trở RĐại l ợng Vật lý: Một hiện tợng vật lý, một vật thể mang theo nó một số thuộc tính vật chất, đối tợng quan sát và nghiên cứu của vật lý học.Vd: + Hình tròn: - có chu vi có thuộc tính dài- có bề mặt có thuộc tính rộng+ Dòng điện: cờng độ có thuộc tính mạnh yếu- Trong công nghiệp (cơ khí) : - kích thớc hình học, hình dạng, chất lợng bề mặt, tốc độ chuyển động, lực, nhiệt độ, độ cứng vật liệu .Tùy theo độ chính xác cần thiết của phép đo cũng nh các thông số tác động của đại l-ợng đo ngời ta sử dụng các phơng pháp và dụng cụ đo khác nhau. Mỗi phơng pháp đo và dụng cụ đo chỉ thích hợp trong những điều kiện nhất định. ảnh hởng của môi trờng đo và môi trờng bên ngoài làm cho độ chính xác của các phép đo khác nhau.Kết luận: Mục đích đo lờng : Xác định giá trị số của đại lợng đo, song giá trị đo đợc lại không phải là giá trị thực của đại lợng đo.1Đối tợng đoChuẩn mẫuThiết bị đoHệ đo Vd: - lu lợng kế chỉ 11.0 m3/h giá trị thực 11,2 m3/h - tốc độ kế chỉ 1200 v/ph giá trị thực 1150 v/ph - panme chỉ 10,01 mm giá trị thực 19,09mmVấn đề đo lờng cần giải quyết : xác định giá trị đo gần với giá trị thực với sai số cho phép.b Cấu trúc của hệ thống và dụng cụ đo input output 1 Cảm biến (sensor) nhậy cảm chủ yếu với đại lợng đo và chuyển đổi sang dạng thích hợp và thuận lợi cho sử lý tiép theo.Vd: - Cặp nhiệt E=f(T) - Nhiễu nhỏ - Điện tử R=f() - Tổn hao năg lợng ít nhất (nó cần công suất là nhỏ nhất). - l2 kế tấm chắn p= f(Q)2 Khuếch đại và biến đổi tín hiệu đo : biến đổi và khuếch đại tín hiệu giúp cho yếu tố nhạy cảm (cảm biến) làm việc chính xác và quá trình xử lý đếm thuận tiện. +Biến đổi : - Các chuyển đổi thứ cấp vd: ánh sáng dòng điện hoặc điện áp.- Cần biến biến thiên điện tử thành biến thiên điện áp- Bộ dao động R, C, L fNgày nay : - Các chuyển đổi chuẩn hóa fát dòng và áp tích hợp máy tính để đo lờng điều khiển.+Khuếch đại: khuếch đại áp và dòng:+Phối hợp trở kháng xử lý đếm: So sánh độ lớn đại lợng đo với đại lợng chuẩn mẫu. Vd- bảng khắc độ và giá trị số trong dụng cụ đo số.- Ngoài 4 phép tính số học cộng trử nhân chia còn log, , Ví dụ: Q= N đo lu lợng - Biến đổi ADC và- Khi đo gián tiếp: phải xử lý đo đồng thời nhiều đại lợng- Các chức năng khác: đánh dấu thời gian, phân tích tìm hiểu theo tần số và thời gian nh giá trị trung bình, giải tần phổ xử lý logic số tơng tự.2Đối t-ợng đoDcụ đo Hthống đoQuan sát Ghi nhậnCảm biếnLu trứ hiển thịBiến đổiKhuếch đạiXử lý đếmTruyền dữ liệu 3- Truyền thông tin đo: Có vai trò quan trọng trong các thiết bị đo lờng điều khiển tự động hiện nay đẻ thu thập và truyền thông tin đi xa.Vd: Các bộ ghép nối : phân kênh và điều kênh (MUX) Ip OPIT OT If Of4- Hiển thị và lữu trữ: phản ánh thông tin đo ở dạng thuận tiện cho quan sát và lu trữ:vd: bảng mặt đồng hồ, ghi băng, đồ thị, màn hình số.Ví dụ cân điện tử: R mV VIW OW5 4 31.2 Vai trò của đo lờng trong công nghiệp 70% chi phí đo.- Nghiên cứu- Điều khiển công nghệ đóng vai trò là một thành phần quyết định độ chính xác điều khiển MP và MC ứng dụng trong kỹ thuật đo.1- MP: là một bộ vi xử lý (micro-processor) trên mạch LSI và VLSI nó thực hiện choc năng của bộ tính toán nhỏ và là bộ não của máy vi tính CPU.Lịch sử phát triển MP: 71: 4 bit thời gian thực hiện một lệnh 5-10ms3MUX DEMUXPtử biến dạngTenzo RCầu điện trởKhuếch đạiHiển thị sốTruyềnĐếm và xử lýADC 73 : 874 : 1679: 32 bit hiện nay : 64 và 128 bit2- Cấu trúc của MP:+ALU: đơn vị số học : thực hiện các phép tính số học và lô gíc cơ bản +,-, các phép logic, phép bù, dịch trái, dịch phải .+Các thanh ghi: gồm có các thanh ghi lệnh, số liên, đệm, đa năng, đếm chơng trình ding làm bộ nhớ (ROM, RAM, EPROM).+Bộ vi chơng trình: chứa các bộ lệnh xử lý thông tin dữ liệu động b ớc nhỏ gọi là vi lệnh và tập hợp các vi lệnh vi chơng trình( điều khiển MP)+Đơn vị điều khiển (control unit) thực hiện điều khiển tơng đối và chế biến thông tin , thay đổi trạng thái MP. Các họ MP: Hãng Intel: 4004, 8008, 8080,80286, 90386, 80486, 80586, 80686Từ 286 đa nhiệm (multitasking) Hãng Motorola: 6800, 68000, 68030, 68040 4m kờnh d liuALU Vi chng trỡnhThanh ghin v iu khin m kờnh a ch Kờnh d liu 5. ứng dụng MP trong đo lờng - Trong đo lờng điều khiển 18% 18 - Tin học 13% - Hàng không vũ trụ 15% - Thông tin liên lạc 14% - Quân sự 90% - Giáo giục 2% - Y tế 3% - đời sống 3%áp dụng MP và thiết bị đo sẽ nâng cao tính năng thiết bị đo (thiết bị đo thông minh)+ tự động chọn thang đo+ Cài đặt chơng trình xử lý+ Chứa khoảng đo và tự động chọn khoảng đo+ Xử lý bù 0, bù tuyến tính và nội suy tuyến tính+ Xử lý bù sai số: bù sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, ding xác suet thống kê để Xử lý sai số+ Xử lý đo gián tiếp + Xử lý đo hợp bộ+ Xử lý báo hiệu báo động+ Xử lý chống nhiễu ( trong đo từ xa)+ Xử lý tín hiệu: Xử lý các tín hiệu đa vào bằng các algorith ví dụ: - FFT , lọc số Đệ quy và không đệ quy+ Thay đổi cấu trúc thiết bị bằng phần mềm để mở rộng choc năng của thiết bị+ Đối thoại giữa ngời và thiết bị đo+ Vẽ đồ thị và trình bày kết quả đoCấu trúc dụng cụ đo có cài đặt MP5 >Chuyển đổi chuẩn hóa A/D MPHiển thịĐiều khiểnVào raI/O-ứng dụng MC Có thêm các chức năng :1- Tự động thu thập số liệu của các đối tợng đo khác nhau+Hoạt động theo chế độ địa chỉ : đo bằng tây hoặc lập trình điều khiển+ Hoạt động theo chế độ chu trình: đo tự động theo chơng trình trong máy tính.2- Tự động chọn số kênh trên cơ sở sai số cho phép : tùy theo sai số cho phép mà lựa chọn số kênh.3- Lu trữ số liệu đo4- Tự động kiểm tra đối tợng 5- Tự động nhận dạng và chuẩn đoán6Cđch1muxS/h 2 Đặc tính tĩnh của hệ thống đo lờng- Mục đích: Khảo sát các đặc tính tĩnh trong quá trình làm việc và ảnh hởng của nó đến độ hoàn thiện của hệ thống.- Khái niệm đặc tính tĩnh: là quan hệ giữa O và I của một phần tử khi I biến đổi rất chem. hoặc không biến đổi.2.1 Các đặc tính hệ thống:- Là các đặc tính đợc xác định chính xác về mặt toán học và độ thị ( khác với các đặc tính thống kê)1- Phạm vi đo của dụng cụ: Imax ữ Imin hoặc Omax ữ Omin2- Khoảng đo làm việc của chuyển đổi.: Khoảng biến đổi lớn nhất cuat Imax Imin hoặc Omax Omin3- Đặc tuyến: quan hệ O và I là đờng thẳng:Đặc tuyến thẳng lý tởng giữa A(Imin, Omin) và B(Imax, Omax)Có biểu thức: max minmin ( Im )Im ImO OO O I inax in = (2-1)7Cđch2cachnA/DmonitorRAMROMEPROMMPinterfaceKeyboardmouseRleDAC Vo // Vo nt Ra // Ra nt Triger smithklogicLSBMSBHin th tc motor O lý tởng = KI+a (2-2)-K: độ dốc lý tởng = max minIm ImO Oax in-a: gia số của đặc tuyến.Ví dụ: áp kế: O=1,6.10-3I+4,04- Độ phi tuyến: sự sai khác của trạng thái thực với đặc tuyến lý tởngN(I)=O(I)-(KI+a) ( 2-3)Or: O(I)=KI+a+N(I) ( 2-4)Trờng độ phi tuyến đánh giá theo độ lệch cực đại theo phần trăm của khoảng làm việc. max( ) 100%max minNN IO O= ( 2-5)Thực tế : O(I) và N(I) là đa thức:O(I) = ao+a1I+a2I2+ +aqIq+ +amIm=0q mqqqa I== ( 2-6)Ví dụ : a- Cặp nhiệt: Cu-constantan (ToC=0ữ400oC)E(T)àV=38,74T+3,319.10-2T2+2,071.10-4T3-2,195.10-6T4+bậc cao đến T8 (2.7a) Tại T=0oC E=0 àvT=400oC E=20,86 àv- Nếu lấy đặc tuyến lý tởng Elt=52,17T-Độ phi tuyến:N(T)=E(T)-Elt=-13,43T+3,319.10-2T2+2,071.10-4T3-2,195.10-6T4+bậc cao (2.7c)b- Biểu diễn không đa thức : điện tử R(T)R(T)=0,04exp3300273T + 5- Độ nhậy: tốc độ biến đổi tơng ứng IdO dNkdI dI= +Với phần tử lý tởng : dOKdI=Vd: a- áp kế: 31,6.10 /dOmA PadI= b- cặp nhiệt: 2 4 2 6 238,74 6,638.10 6,213.10 8,78.10dET T TdT = + + + +bậc cao hơn.tại 200oC = 50àv6- ảnh hởng của môi trờng. O không chỉ phụ thuộc I mà còn chịu ảnh hởng của môi trờng :-nhiệt độ, áp suất không khí, độ ẩm, điện áp nguồn vd điều kiện chuẩn: 25o C , 1000 mbar, 50%, 10V2 dạng ảnh hởng của môi trờng :8 a- loại I: IM (IM=0 ở điều kiện chuẩn) sai loch với điều kiện chuẩn đờng đặc tuyến O=(K+KMIM)I+ab- loại II: Ii đặc tuyến O=a+KiIi+KITổng cộng: O=KI+a+N(I)+KMIM+KiIiVí dụ: a)b) Nhiệt độ cặp nhiệt có nhiệt độ môi trờng T (+)7- Độ trễ: O tùy thuộc vào I tăng hay I giảm H(I)=O(I) tăng O(I) giảm ( 2-10 )Phơng trình biểu diễn bằng : Cực đại trễ = 100%max minHO OVí dụ: Khe hở bánh răng-thanh răgn biến thiên góc quay do trễ.8- Độ phân giải : I biến thiên liên tục O bậc : xác định bằng sự thay đổi lớn nhất của I ứng với sự biến thiên của O tơng ứng. Là sự thay đổi K or a rất chậm. Và có hệ thống theo thời giana) độ cứng lò xo K(t) giảm chem. Theo thời gian do giãoK(t) = Ko-btb) Cặp nhiệt : hệ số a1,a2 biến thiên do biến thiên hóa học của kim loại. 9- Dải sai số: độ phi tuyến, độ trễ, độ phân giải, trong nhiều sensor và cảm biến hiện đại nhỏ đến mức khó tính chính xác tong ảnh hởng riêng biệt. Khi đó các nhà sản xuất sẽ xác định sự hoàn thiện của các yếu tố qua dải sai số.^IImaxHHIminIminOminOmaxHImaxIhhOIDEAL2hHình 2.7Các nhà sản xuất coi bất kỳ tín hiệu vào I bào thì tín hiệu ra Trạng thái hệ thống hoặc chính xác đợc thay bằng trạng thái thống kê: hàm mật độ xác suất p(0).a) Hàm mật độ xác suất chữ nhật: (diện tích = 1 đơn vị)9 102(0) 00 0lt ltltltO h O hhp O O hO h= += = += + b) Hàm xác suất: P(x1 x x2) =21( )xxp x dx=xác suất Xp(x)x1x2Hình 2.82.2. Đặc tuyến chung của các phần tử hệ thốngNừu không có độ trễ và hiệu ứng phân giải, song vẫn có tác động của môi trờng và hiệu ứng phi tuyến trên mỗi phần tử. Khi đó tín hiệu tĩnh ra O của 1 phần tử có thể viết:O=KI+a+N(I)+KMIMI+KIIIVí dụ về dạng sơ đồ khối biểu diễn đặc trng tĩnh của một phần tử:10KMXKN()KG(S)Ii [...]... có độ tập trung cao - Có khả năng giảm các biện pháp : Thiết kế , phơng pháp đo mới 23 3) Độ chính xác của hệ thông đo trong trạng thái tĩnh Độ cx hệ thống đợc định lợng qua sai số đo: E=giá trị đo- giá trị thực = O I Mục đích Tính sai số đo, kiểm tra & giảm sai số hệ thống đo 3.1 Sai số đo của một hệ các phần tử lý tởng Một hệ n phần tử lý tởng: hoàn tòa tuyến tính& không chịu ảnh hởng điều kiện môI... và I, O, và IM, Ii cần đo đủ chính xác Các dụng cụ và kỹ thuật đê định lợng các biên đổi này gọi là mẫu chuẫn (standards) Kiểm chuẩn một phần tử Ii IM dụng cụ chuẩn dụng cụ chuẩn Phần tử or hệ thống đuợc chuẩn I O dụng cụ chuẩn dụng cụ chuẩn Độ chính xác của dụng cụ phải gần hơn phép đo đối với giá trị thực của biến đổi Nó định lợng các thành phần bởi đo: Sự khác giữa giá trị đo và giá trị thật -> làm... đợc thỏa mãn sai số hệ Nói chung sai số của một hệ đo bất kỳ tùy thuộc vào các đặc tính không lý tởng -độ phi tuyến (các ảnh hởng môI trờng & ngẫu nhiên )của mỗi hệ thống để tính s2 này với độ chính xác có thể cần ding các mẫu chung mỗi phần tử trong 2.2&2.3 3.2 Hàm mật độ xác suất sai số của một hệ các phần tử không lý tởng Từ(2.22) tính giá trị trung bình của mỗi phần tử : I = I1 O1 = I 2 O2= I3 O3 Ii... xác định giá trị đo đợc bởi xung tốt nhất trong 1 số của giai đo n (a mumber of stage) Vd:3.7a IM II II đo các tham số môi trờng IM II IM I I Gtrị thực u K,N,a KM,KI gtrị đo tham khảo Hiển thị O Gtri đo đợc Máy tính xử lí 1 Xử dụng test chuẩn xác định K,a của biểu thức đảo I= Ku + N(u) +a +KMIMu + KIII (3.19) Với các IM,II chuẩn hoá 2 Nối hệ đo với máy tính có trữ K,a,NC,và có sensor đo IM,I'I 3 Máy... đổi từ 1mV -> 4mV Đáp ứng của hệ thống với sự thay đổi đột ngột đó gọi là đặc tính động học và thờng đợc đặc trng bởi hàm truyền G(S) Xem xét đặc tính động học và hàm truyền của phần tử điển hình Các tín hiệu thử chuẩn và đáp ứng G(S) của các loại phần tử Sai số động học và phơng pháp bù sai số đó 4.1.Hàm truyền G(S) đối với các phần tử điển hình của một hệ đo 4.1.1 Các phần tử bậc nhất: Vd: Cặp... = 0 3.3 Kỹ thuật giảm sai số Ta đã thấy : sai số hệ đo phụ thuộc vào các đặc tính không lý tởng của mỗi phần tử Dùng kỹ thuật kiểm chuẩn (mục 2.4) ta có thể đánh giá các phần tử của hệ có đặc tính không lý tởng(lớn vợt trội) Dùng kỹ thuật bù có thể giảm đáng kể sai số toàn hệ thống *Một trong các phơng pháp phổ biến để hiệu chỉnh các phần tử phi tuyến là phơng pháp bù phẩn tử phi tuyến nh hình 3.4... giá trị I của I khi dùng biểu thức đảo ngợc: I= Ku +N(u) + a +KMIMu + KIII (3.20) 4 Hiển thị O gần với giá trị I Nếu hệ đo không cần độ chính xác cao nhất thì dừng ở đây 5 Nếu cần độ chính xác cao thì cần chuẩn hóa hệ hoàn chỉnh bằng test Giá trị O đợc đo với dải I đã biết và tính đợc sai số hệ thống : E=O-I Giá trị sai số này là do ảnh hởng các yếu tố ngẫu nhiên song cũng chứa thành phần hệ thống nhỏ... phẩn tử đợc đo của loạt -> bỏ sai số do độ không chắc chắn của R0 song mất thời gian và đắt (tuy nhiên khi đo vẫn có một độ không chắc chắn của R0 do độ chính xác giới hạn của test kiểm chuẩn) Lúc đó: với loạt phần tử ta xác định đợc phân bố xác suất các thông số, ví dụ; độ truyền k, hệ số a và K , a 16 2.3.3 Tổng quát Với một loạt phần tử giống nhau, mỗi phần tử là đối tợng của sự biến đổi của điều... đây tình trạng hệ thống systematic của yếu tố chính xác của quan hệ I/O đợc thay bằng tình trạng thống kê statement Tín hiệu ra của mỗi phần tử đợc mô tả bằng một (hàm MĐXS) hình chữ nhật có độ rộng 2h mà tâm là giá trị của đờng lý tởng OLT = KI + a với mỗi phần tử Oi = K i I i + ai Đặc biệt ai = 0 suy ra Oi = K i I i thì E = 0 & K1 K 2 K n = 1 Hàm mật độ xác suất P(E) 26 là tổ hợp của n phân bố... cam) 2 - Đơn vị đo khối lợng: [kg]: là khối lợng khối platin oridi đặt tại viện đo lờng tiêu chuẩn của Pháp l=d=39mm Các chuẫn mẫu quốc gia đợc sao chép với sai số vài p gram 3 - Đơn vị đo thời gian [s] 1s=9192631771 t0 t0 : là chu kì phóng xạ ứng với bớc chuyển giữa hai mức mỏng của cesi 133 ở trạng tháI cơ bản 4 - Đơn vị nhiệt độ [ 0K]: 10K = 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động học của điểm ba của nớc đá (thấp . Phần A: Cơ sở kĩ thuật của các hệ thống đo lờng.1- Hệ thống đo lờng và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.1.1 Hệ thống đo lờng. a.. của phép đo cũng nh các thông số tác động của đại l-ợng đo ngời ta sử dụng các phơng pháp và dụng cụ đo khác nhau. Mỗi phơng pháp đo và dụng cụ đo chỉ thích