Nguyễn Văn Chí GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG TNUT 2012 ii MỞ ĐẦU Đo lường lĩnh vực quan trọng kỹ thuật nói chung kỹ thuật điện nói riêng, đo lường nhằm xác định độ lớn đại lượng đo với độ xác phù hợp với yêu cầu mặt kỹ thuật Đo lường giúp cho kỹ sư xác định độ lớn đại lượng vật lý đại lượng điện: dòng điện, điện áp, tần số, góc pha, cơng suất lượng v.v; đại lượng không điện điện trở, điện cảm, điện dung, áp suất, lưu lượng, khối lượng, lực, nhiệt độ v.v Khi xác định độ lớn giúp thực nhiệm vụ điều khiển hệ thống, kiểm soát tự động hóa hệ thống sản xuất cơng nghiệp Kỹ thuật đo lường có phát triển mạnh mẽ theo phát triển khoa học việc ứng dụng thành vi xử lý kỹ thuật điện Ngày nhờ có cảm biến mà tất đại lượng vật lý chuyển thành tín hiệu điện người ta đo lường dựa tín hiệu điện đó, người ta gọi đo lường điện Để thực q trình đo lường ta cần phải có thiết bị đo, cảm biến mạch sử lý tín hiệu đo, sau đến kỹ sư cần phải có kiến thức để đánh giá độ xác sai số phép đo Giáo trình cung cấp kiến thức kỹ thuật đo lường bao gồm khái niệm đo lường, thiết bị đo đặc tính nó, loại sai số trình đo lường phương pháp đánh giá sai số phép đo Giáo trình cung cấp kiến thức mạch biến đổi tín hiệu đo đo lường, nguyên lý chuyển đổi đo lường nhằm biến đổi đại lượng không điện thành tín hiệu điện phục vụ cho q trình đo Giáo trình “Kỹ thuật đo lường 1” dùng cho sinh viên khối ngành kỹ thuật nói chung chương trình đào tạo theo tín Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái nguyên Để sinh viên dễ hiểu nắm bắt kiến thức quan trọng mơn học, giáo trình viết chi tiết rõ ràng với nhiều ví dụ minh họa tập có lời giải câu hỏi tập ôn tập cuối chương Trong trình biên soạn có hạn chế định mặt nội dung hình thức, tác giả mong muốn nhận đóng góp bạn đồng nghiệp sinh viên để tác giả tiếp tục bổ xung hồn thiện Mọi góp ý xin gửi về: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên Khoa Điện Tử, Bộ môn Đo lường Điều khiển TS Nguyễn Văn Chí ngchi@tnut.edu.vn Thái nguyên, tháng 11 năm 2012 iii iv MỤC LỤC Các khái niệm chung kỹ thuật đo lường K h i n i ệ m c h u n g v ề đ o l n g 1.2 Q u t r ì n h đ o l n g T h i ế t b ị đ o 1.4 Điều kiện đo, phương pháp đo phép đo 1.5 S a i s ố c ủ a p h é p đ o 1.6 Hệ thống đơn vị chuẩn quốc tế -SI 15 C c đ n v ị c s c ủ a S I C c đ n v ị đ o d ẫ n x u ấ t C c t i ề n t ố c ủ a S I 1.7 C â u h ỏ i ô n t ậ p 2.1 Thiết bị đo P h â n l o i t h i ế t b ị đ o 2.1.1 Thiết bị đo biến đổi thẳng 20 T h i ế t b ị đ o s o s n h 2 2.2 C c đ ặ c v ậ n h n h c ủ a t h i ế t b ị đ o 2.3 Các đặc tính tĩnh thiết bị đo 27 2.4 Các đặc tính động thiết bị đo 41 2.4.1 Thiết bị đo bậc không (zero oder instrument) 41 2.4.2 Thiết bị đo bậc bậc hai 42 C c đ ặ c t í n h t h i g i a n c ủ a t h i ế t b ị đ o 2 C c đ ặ c t í n h t ầ n s ố c ủ a t h i ế t b ị đ o 4 2.5 Tiêu thụ công suất thiết bị đo 46 2.6 Định chuẩn thiết bị đo lường(calibration) 47 2.7 Lựa chọn thiết bị đo lường vị trí lắp đặt thiết bị đo 47 2.8 C â u h ỏ i v b i t ậ p Gia công kết đo Đ n h g i s a i s ố c ủ a p h é p đ o t r ự c t i ế p 3.2 Đánh giá sai số phép đo gián tiếp 54 3.3 Sử dụng dư thừa độ nhạy để nâng cao độ xác phép đo v 3.4 Các phương pháp giảm bớt sai số hệ thống 57 3.4.1 Hiệu chỉnh tượng trôi điểm không (điểm zero) 57 3.4.2 Hiệu chỉnh thiết bị đo thiết bị đo làm việc không với m ẫ u 3.4.3 Bù phi tuyến cho thiết bị đo 59 3.5 Các phương pháp giảm bớt sai số nhiễu tác động lên thiết bị đo 3.5.1 Một số dạng nhiễu tác động lên thiết bị đo 61 3.5.2 Một số kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng nhiễu tác động lên t h i ế t b ị đ o 3.6 Phương pháp giảm bớt sai số ngẫu nhiên 64 3.6.1 Các đặc trưng sai số ngẫu nhiên 65 3.6.2 Đặc trưng sai số ngẫu nhiên thực tế với số lần đo h ữ u h n 3.6.3 Phương pháp xác định độ xác độ tin cậy kết c ủ a p h é p đ o t h ố n g k ê 3.6.4 Sai số thô tiêu loại bỏ sai số thô 74 3.6.5 Phương pháp xác định số lần đo để giảm bớt sai số ngẫu nhiên cho thỏa mãn yêu cầu sai số 75 C â u h ỏ i v b i t ậ p 4.1 Các mạch xử lý tín hiệu đo đo lường điện M c h k h u ế c h đ i M c h k h u ế c h đ i đ ả o 4.1.2 Mạch khuếch đại không đảo 84 M c h k h u ế c h đ i d ò n g đ i ệ n ( cu r r e n t a m p l i f i e r ) M c h k h u ế c h đ i đ i ệ n p v i s a i 4.1.5 Mạch khuếch đại phi tuyến 87 4.2 Các mạch chuyển đổi dòng áp 88 4.2.1 Các mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện 88 4.2.2 Các mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp 90 4.3 Các mạch tính tốn (tỷ lệ, nhân chia cộng trừ, tích phân, vi phân) 90 M c h t ỷ l ệ 4.3.1.1 Mạch tỷ lệ dòng điện 91 M c h t ỷ l ệ v ề đ i ệ n p vi 4.3.2 Mạch cộng điện áp 104 4.3.3 Mạch nhân điện áp 105 4.3.4 Mạch nhân chia điện áp 107 M c h t í c h p h â n M c h v i p h â n M c h s o s n h 4.5 Các mạch chuyển đổi tín hiệu số tín hiệu tương tự 110 4.5.1 Mạch chuyển đổi tín hiệu số - tương tự DAC 113 4.5.2 Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự - số- ADC 116 4.6 Các cấu thị (indicator) 120 C h ỉ t h ị c đ i ệ n C c ấ u c h ỉ t h ị s ố C â u h ỏ i v b i t ậ p 5.1 Cảm biến sơ cấp Khái niệm chung cảm biến (element sensor) 135 5.2 Chuyển đổi điện trở 139 C h u y ể n đ ổ i b i ế n t r 5.2.2 Chuyển đổi điện trở lực căng 144 5.3 Chuyển đổi điện từ 150 C h u y ể n đ ổ i đ i ệ n c ả m 5.3.2 Chuyển đổi biến áp vi chuyển tuyến tính(LVDT linear variable d i f f e r r e n t a l t r a n d u c e r ) 5.3.3 Chuyển đổi dịng điện xốy (ECT, eddy current tranducer) 159 C h u y ể n đ ổ i p t 5.3.5 Chuyển đổi Hall 162 C h u y ể n đ ổ i t ĩ n h đ i ệ n 5 C h u y ể n đ ổ i đ i ệ n d u n g 5 C h u y ể n đ ổ i p đ i ệ n 5.5 Chuyển đổi nhiệt điện (therman tranducer) 176 C h u y ể n đ ổ i n h i ệ t đ i ệ n t r k i m l o i 5.5.2 Chuyển đổi nhiệt điện trở bán dẫn(semiconductor resistance t h e r m o m e t e r s ) C h u y ể n đ ổ i n h i ệ t n g ẫ u ( th e r m o c o u p l e s ) 8 vii 5.6 Chuyển đổi quang điện 193 C â u h ỏ i v b i t ậ p P H Ụ L Ụ C viii Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT Các khái niệm chung kỹ thuật đo lường Equation Chapter (Next) Section Chương trình bày khái niệm đo lường bao gồm định nghĩa đo lường, mô tả trình thực phép đo, cấu trúc nhiệm vụ thiết bị đo, khái niệm phép đo sai số phép đo v.v Chương trình bày hệ thống đơn vị đo chuẩn quốc tế, chuẩn mẫu Cuối chương câu hỏi thảo luận, tập 1.1 Khái niệm chung đo lường Có nhiều khái niệm khác đo lường dựa quan điểm tiếp cận khác [1][2][3], nhiên khái niệm đo lường phát biểu dựa phương diện kỹ thuật sau: “Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng vật lý cần đo thiết bị kỹ thuật để có kết số so với đơn vị đo (hoặc mẫu đo) với độ xác đó” Trong khái niệm đo lường trên: đại lượng vật lý cần đo đại lượng vật lý cần biết độ lớn thời điểm đo, ví dụ nhiệt độ, áp suất, khối lượng, vận tốc, gia tốc v.v; thiết bị kỹ thuật thiết bị tham gia vào trình đo lường, trình đánh giá định lượng hiểu trình ước lượng độ lớn đại lượng vật lý cần đo thiết bị kỹ thuật (ước lượng có cứ), q trình ước lượng diễn thời điểm, khoảng thời gian, sử dụng thiết bị để đo nhiều thiết bị, diễn điểm diễn nhiều địa điểm khác v.v; kết đo hay gọi giá trị đo số mô tả độ lớn đại lượng vật lý cần đo; đơn vị đo Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 mẫu biết trước độ lớn; độ xác mơ tả mức độ gần giá kết đo giá trị đại lượng đo Đo lường gồm hai cơng đoạn “đo” “lường”, công đoạn đo hiểu xác định định lượng hay giá trị đo cịn cơng đoạn lường xác định xem kết đo có mức độ tin cậy xác định sai số(độ xác) Kết cuối q trình đo lường kết đo với mức độ xác kết đo Cơng thức q trình đo mơ tả sau: N = x x0 (1.1) đó: x độ lớn đại lượng đo, x đại lượng mẫu, N kết đo (con số cụ thể) Từ cơng thức (1.1) ta biểu diễn lại độ lớn đại lượng đo thông qua kết đo đại lượng mẫu sau: x = Nx (1.2) Từ cơng thức (1.2) ta thấy rằng, q trình đo lường trình so sánh để xác định xem đại lượng đo x lớn gấp lần(N lần) đại lượng mẫu x , x đơn vị đo, chuẩn mẫu biết trước độ lớn Khi (1.2) cịn có thêm mức độ xác N (1.2) gọi kết trình đo lường đại lượng đo x Kết đo lường thông tin dùng cho mục đích kiểm tra, đánh giá chất lượng điều khiển hành vi hệ thống(các ứng dụng kỹ thuật) để hiểu biết hệ(như nghiên cứu khoa học v.v) Ví dụ 1.1 Khi đo dòng điện chạy qua động chiều mang tải, đọc kết đo thiết bị đo dịng ta có I m = 25.3A , số N = 23.5 xác định thiết bị đo, sau đánh giá sai số phép đo ta có kết đo lường I m = 25.3A ± 0.05A , giá trị cho biết kết đo mức độ xác kết đo, chương trình bày cách đánh giá sai số phép đo 1.2 Quá trình đo lường Để minh họa trình đo lường, ta xét ví dụ đo nhiệt độ đơn giản nhiệt kế thủy ngân Hình 1-1 Khi nhiệt độ thay đổi, chiều cao cột thủy ngân thay đổi theo, người đo nhìn vào chiều cao so sánh vố vạch chia để xác định nhiệt độ cần đo(thao tác thành lập kết đo), sau đánh giá độ xác kết đo để từ đo thu kết đo lường, ví dụ t = 250C ± 0.010C hay mức độ Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 Để khuếch đại điện áp ∆V khoảng nhiệt độ từ 800C hệ số khuếch đại mạch khuếch đại đằng sau Điện áp ngưỡng mạch so sánh 5.5.2 đến thành 1000C (2 / 0.1447) = 13.8 Vậy đến 2V Vout = 13.8∆V Vref = 13.8(0.2338) = 3.23V Chuyển đổi nhiệt điện trở bán dẫn(semiconductor resistance thermometers ) Nhiệt điện trở bán dẫn chế tạo số oxit kim loại, ép thiêu kết nhiệt độ cao Các oxit thường dùng oxit nhóm kim loại crom(chromium), coban (cobalt), sắt (iron), mangan (manganese) niken Nhiệt điện trở bán dẫn có đặc điểm điện trở giảm nhiệt độ tăng lên, hay nói cách khác hệ số nhiệt điện trở âm Điện trở nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ sau: RT = R0e  1 β  −   T T0     (5.109) Minh họa quan hệ Hình 5-57 RT R0 , R0 = 200C 100 50 20 10 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 50 100 150 200 250 300 Nhiệt độ 0C Hình 5-57 Quan hệ điện trở nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn Từ quan hệ (5.109) minh họa Hình 5-57 ta thấy với loại nhiệt điện trở bán dẫn khác có hệ số nhiệt điện trở bán dẫn β khác nhau, hệ số định đến độ dốc đường đặc tính (5.109) nhiệt độ tăng Mặt khác quan hệ (5.109) hoàn toàn phi tuyến khó để xấp xỉ đường đặc tính tuyến tính, chí khoảng nhỏ nhiệt độ Tuy nhiên nhiệt điện trở bán dẫn có lợi chi phí sản xuất thấp kích 186 Bộ mơn Đo lường Điều khiển, TNUT thước nhỏ, với kích thước nhỏ nhiệt điện trở gắn vào vị trí khó khăn vật thể cần đo Kích thước nhỏ cho phép giảm thiểu khả tự tăng nhiệt dịng điện chạy qua Một đặc điểm loại nhiệt điện trở chúng có độ nhạy cao, lượng thay đổi nhỏ nhiệt độ làm cho điện trở thay đổi lượng lớn Để thu điện áp tương đối tuyến tính so với nhiệt độ, cách đơn giản ta mắc nối tiếp nhiệt điện trở bán dẫn mạch chia áp Hình 5-58 Nhiệt độ Quan hệ điện trở nhiệt độ Nhiệt điện trở Điện trở (Ω) Đặc tính nhiệt điện trở bán dẫn dạng điện áp Mạch điện Hình 5-58 Nhiệt điện trở mắc mạch phân áp dạng điện áp Trong thực tế, người ta chế tạo gộp nhiệt điện trở mạch đo vào IC để thuận tiện cho việc sử dụng, LM34, LM35 hai IC điển hình LM34 cho điện áp tỷ lệ với nhiệt độ thang Fahrenheit, LM35 cho điện áp tỷ lệ với nhiệt độ thang Cencius Hình 5-59 Mạch đo nhiệt độ dùng ICLM35 Hình 5-59 minh họa mạch đo nhiệt độ dùng ICLM35 để đo nhiệt độ dải từ +20C ÷ +400C , điện áp xác định sau: Vout = 10mV C (T ambient + 10C ) (5.110) 187 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 5.5.3 Chuyển đổi nhiệt ngẫu(thermocouples) Chuyển đổi nhiệt ngẫu sử dụng rộng rãi khoảng 100 năm trở lại cho giải pháp đo nhiệt độ, đặc biệt đo nhiệt độ cao Chuyển đổi nhiệt ngẫu làm việc dựa hiệu ứng Seeback [12] nối hai dây kim loại khác thơng qua hai điểm để tạo thành vịng kín Hiệu ứng Seeback sinh sức điện động vịng kín nhiệt độ hai đầu nối khác Minh họa cho hiệu ứng Hình 5-60 a Hình 5-60 Nguyên lý chuyển đổi nhiệt ngẫu Mỗi đầu nối tạo sức điện động, đầu có nhiệt độ thấp ta gọi đầu lạnh tương ứng đầu lại đầu nóng Sức điện động vịng kín chênh lệch hai sức điện động viết sau: Vnet = Vhot − Vcold (5.111) với Vhot ,Vcold sức điện động đầu nóng đầu lạnh Sức điện động đầu nóng lạnh phụ thuộc vào tương ứng nhiệt độ đó, t1 t Hay nói cách khác ta biểu diễn (5.111) thơng qua chênh lệch nhiệt độ t1 t sau: Vnet = f (t1 − t ) (5.112) Ở ta thấy Vnet phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ t1 t để đo ứng dụng để đo nhiệt độ người ta cần phải cố định nhiệt độ t , Vnet cịn phụ thuộc vào nhiệt độ t1 , thơng thường điều kiện thí nghiệm người ta đặt đầu lạnh vào nước đá tan hay t = 0, 188 Bộ mơn Đo lường Điều khiển, TNUT (5.113) Vnet = f (t1 ) ∈ t1 Trong điều kiện thực tế t ≠ t > sức điện động mạch đo nhỏ sức điện động trường hợp t = hay (5.114) Vnet = f (t1 − t ) < f (t1 ) Còn công nghiệp người ta giữ cho t = số dùng mạch bù nhiệt tự động sử dụng cảm biến nhiệt độ thể rắn(solid state temperature sensors, nói tới trang sau STS) Trong thực tế, đa số chuyển đổi nhiệt ngẫu thường có phương trình (5.114) biểu diễn dạng gần sau: ( Vnet = A(t1 − t ) + B t1 − t ) ( + C t1 − t ) (5.115) với A, B,C số cho trước nhà sản xuất Nếu t = ta có: Vnet = At1 + Bt12 + Ct13 (5.116) độ nhạy sức điện động theo nhiệt độ đầu nóng t1 chuyển đổi nhiệt ngẫu St = dVnet dt1 = A + 2Bt1 + 3Ct12 ≠ số (5.117) đặc tính chuyển đổi nhiệt ngẫu phi tuyến Thông thường người ta cố gắng sử dụng hợp chất kim loại để cho hệ số B,C nhỏ so với A, coi (5.115) tuyến tính Nếu (5.114) khơng cho dạng (5.115) biểu diễn đường cong thực nghiệm cho trước Có nhiều loại chuyển đổi nhiệt ngẫu khác nhau, phổ biến thực tế loại K, J R với đặc tính Hình 5-61 Đây đặc tính thực nghiệm thu nhiệt độ t = 320 F Chuyển đổi nhiệt ngẫu loại J chế tạo gồm hai dây kim loại thép constantan, loại K hai dây chromel alumel loại R gồm dây platinum dây hợp kim platinum 13% rhodium Nhìn vào Hình 5-61 ta thấy chuyển đổi nhiệt ngẫu loại J có độ nhạy lớn dải tuyến tính từ ÷ 20000 F , cỡ 0.034mV / (0 F ) Chuyển đổi nhiệt ngẫu loại R có độ nhạy nhỏ cỡ 0.06mV / (0 F ) lại làm việc dải nhiệt độ rộng từ ÷ 35000 F 189 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 Hình 5-61 Đặc tính số chuyển đổi nhiệt ngẫu Chú ý để đo sức điện động Vnet người ta cần sử dụng dây nối để nối với thiết bị đo sức điện động Hình 5-60 b, dây nối địi hỏi phải dây đẳng nhiệt để dây nối chuyển đổi nhiệt ngẫu không sinh sức điện động nhiệt điện Điều cho phép ta đo xác sức điện động tạo chuyển đổi nhiệt ngẫu, nhiệt độ t1 xác định xác Một số cách nối dây hình dạng số chuyển đổi nhiệt ngẫu hình vẽ sau: Hình 5-62 Hình dạng số chuyển đổi nhiệt ngẫu cơng nghiệp Vì đầu chuyển đổi nhiệt ngẫu sức điện động có giá trị nhỏ, thơng thường nhỏ 50mV , điều có nghĩa gặp phải trở 190 Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT ngại sử dụng chúng ứng dụng đo nhiệt độ cơng nghiệp Thứ nhất, điện áp nhỏ 50mV bị ảnh hưởng lớn môi trường nhiễu điện từ lên đến hàng trăm milivol sinh máy điện hệ thống điện Thứ hai, sức điện động dễ chịu ảnh hưởng nhiễu đỉnh nhọn (pickup noise) sinh từ xạ điện từ sóng radio, tivi nguồn vi sóng khác Do hầu hết trường hợp chuyển đổi nhiệt ngẫu phải nối với mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn với cấu trúc hình vẽ sau: KVnet t2 K + vc t1 Đo nhiệt độ Điều chế tín t2 hiệu Vout Hình 5-63 Cấu trúc mạch khuếch đại chuyển đổi nhiệt ngẫu Để sử dụng có chuyển đổi nhiệt ngẫu cơng nghiệp, người ta đưa số kỹ thuật nhằm giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu, sau phương pháp phổ biến • Chuyển đổi nhiệt ngẫu phải bao bọc kim loại phải nối đất • Sử dụng dây xoắn đơi có bọc chống nhiễu nối đất để nối chuyển đổi nhiệt ngẫu mạch khuếch đại hay hệ thống đo điện áp • Sử dụng mạch khuếch đại vi sai (khuếch đại sai lệch) Dây xoắn đơi có bọc chống nhiễu Vỏ bọc kim loại nối đất Khuếch đại vi sai Hình 5-64 Biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu cặp nhiệt điện Ví dụ mạch đo dùng chuyển đổi nhiệt ngẫu điển hình thường dùng cơng nghiệp mơ tả Hình 5-65 191 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 8mV /0 C Vs 10K Ω 11.59K Ω STS 320K Ω 2K Ω t1 + 2K Ω + 10K Ω 320K Ω 11.59K Ω U t2 Hình 5-65 Mạch đo điển hình chuyển đổi nhiệt ngẫu Do thân chuyển đổi nhiệt ngẫu có nội trở để đo sức điện động đầu cách xác ta cần mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn, mà thực tế chuyển đổi nhiệt ngẫu hay dùng mạch khuếch đại thuật toán Cảm biến nhiệt độ thể rắn: Hiện số nhà sản xuất bán STS cho số khách hàng sử dụng ứng dụng cơng nghiệp, STS có điện áp thay đổi tuyến tính giới hạn nhiệt độ cụ thể, STS làm việc dựa tượng nhạy nhiệt số linh kiện bán dẫn ví dụ diode tranzitor STS hay sử dụng diode zener Nhiệt độ làm việc STS nằm giới hạn từ −500C ÷ 1500C , thời gian đáp ứng từ đến 5s, số tiêu tán nằm giới hạn từ đến 20mW /0 C phụ thuộc vào điều kiện cụ thể Ví dụ 5.17 Hãy sử dụng chuyển đổi nhiệt ngẫu loại J để thiết kế thiết bị đo nhiệt độ với yêu cầu điện áp đầu 2.00V 2000C Để đo nhiệt độ đầu lạnh người ta sử dụng cảm biến nhiệt thể rắn, cảm biến có 03 đầu dây dây nguồn Vs , điện áp đầu Vr , dây nối đất, điện áp đầu thay đổi lượng 8mV /0 C Cặp nhiệt ngẫu loại J với nhiệt độ t = 00C có sức điện động 10.78V t1 = 2000C , hệ số khuếch đại mạch KGain = 2.00V / 0.01078 = 185.5V Để bù nhiệt độ đầu t ta cần nối đầu khối STS với mạch bù, với cặp nhiệt ngẫu loại J ta có độ nhạy 50µV /0 C , qua đầu điện áp (8mV /0 C ) / (50 µV /0 C ) = 160 lớn gấp lần Do cần có khuếch đại với hệ số khuếch đại 185.5 / 160 = 1.159, phương trình điện áp đầu mạch là: Vout = 1.159 160VTC + VC  192 STS Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT Bảng sau so sánh kết trường hợp đầu lạnh đặt 00C trường hợp đầu lạnh đặt 200C bù STS t1(0C ) VTC (00C ) VTC × 185.5 50 100 150 200 2.58mV 5.27mV 8.00mV 10.78mV 0.479V 0.976V 1.484V 1.999V ( Vout 200C ) 0.475V 0.974V 1.480V 1.995V Sai lệch -0.8 -0.2 -0.3 -0.2 5.6 Chuyển đổi quang điện 5.7 Câu hỏi tập Cảm biến gì? phân biệt nguyên lý chuyển đổi cảm biến? Hãy cho biết vai trò cảm biến kỹ thuật đo lường phương pháp điện? Hãy cho biết cách phân loại cảm biến, khác chúng? Quan hệ vào cảm biến gì? Độ nhạy cảm biến cho ta biết điều gì? Trở kháng đầu của cảm biến có ảnh hưởng đến thiết bị đo nối đằng sau cảm biến? Hãy cho biết khác cở chuyển đổi biến trở chuyển đổi điện trở lực căng? Khi đo đại lượng nên dùng chuyển đổi biến trở chuyển đổi điệnn trở lực căng? Cho biết nguyên lý chuyển đổi điện cảm cuộn dây? Ưu nhược điểm chuyển đổi điện cảm cuộn dây có chiều dài khe hở khơng khí thay đổi thiết diện khe hở khơng khí thay đổi? Hãy cho biết chuyển đổi điện cảm cuộn dây kiểu vi sai gì? Ưu điểm chuyển đổi cảm cuộn dây kiểu vi sai? Cho biết nguyên lý chuyển đổi điện cảm hai cuộn dây? Ưu nhược điểm chuyển đổi điện cảm hai cuộn dây có chiều dài khe hở khơng khí thay đổi thiết diện khe hở khơng khí thay đổi? 10 Cho biết ưu điểm chuyển đổi biến áp vi chuyển tuyến tính so với chuyển đổi điện cảm nói chung? 11 Một chuyển đổi LVTD có lõi thép di chuyển khoảng ±1.5cm với mức độ sai lệch tuyến tính ±0.25% Độ nhạy chuyển đổi 18.2mV / mm Nếu chuyển đổi dùng để đo khoảng cách chuyển động tịnh tiến khoảng từ −1.2 ÷ +1.4cm điện áp đầu cảm biến bao nhiêu, sai lệch đo khoảng cách phụ thuộc vào tính phi tuyến bao nhiêu? 12 Hãy cho biết nguyên lý làm việc ứng dụng chuyển đổi dịng điện xốy? 13 Hãy cho biết nguyên lý làm việc ứng dụng chuyển đổi áp điện? 193 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 14 Hãy nêu vai trò chuyển đổi nhiệt điện thực tế? Có loại chuyển đổi nhiệt điện nào, cho biết khác loại chuyển đổi nhiệt điện đó? 15 Ưu điểm chuyển đổi nhiệt ngẫu so với chuyển đổi nhiệt điện trở? 16 Chuyển đổi nhiệt điện trở bán dẫn có ưu điểm so với chuyển đổi nhiệt điện trở kim loại? 17 Cho bảng thí nghiệm quan hệ nhiệt độ điện trở sau Hãy tìm quan hệ xấp xỉ tuyến tính khoảng nhiệt độ từ 60 đến 900F T(0F) R(Ω) 60 96.0 65 107.6 70 119.1 75 130.2 80 140.1 85 150.7 90 162.2 18 Cho bảng thí nghiệm quan hệ nhiệt độ điện trở câu hỏi 17 Hãy tìm quan hệ xấp xỉ bậc hai khoảng nhiệt độ từ 60 đến 900F 19 Hãy tính sai số đường xấp xỉ tuyến tính câu hỏi 17 đường xấp xỉ bậc hai câu hỏi 18 hai giá trị nhiệt độ 600 F 850 F 20 Hằng số tiêu tán nhiệt điện trở gì? Sự ảnh hưởng tới nhiệt điện trở nào? 21 Một nhiệt điện trở có α = 0.002 /0 C , R = 400Ω, số tiêu tán PD = 20mW 200C Nhiệt điện trở lắp vào mạch cầu Hình 5-55 với R1 = R2 = 500Ω, R3 RT biến trở để cân cầu Giả thiết nguồn điện E N = 10V đặt vào nơi có nhiệt độ 00C Hãy xác định R3 để cầu cân 22 Hãy cho biết phương pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu chuyển đổi nhiệt ngẫu? 23 Nêu phương pháp bù sai số chuyển đổi nhiệt ngẫu tượng sai lệch nhiệt độ đầu tự do? 194 Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT PHỤ LỤC A Mạch đo hiển thị dòng điện dùng chuyển đổi Hall 195 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 B Bảng tính giá trị tích phân Laplace Φ(z ) = 2π ∫ z z2 z e dz Φ(z ) z 0.0 0000 0040 0080 0120 0.1 0389 0438 0478 0517 0.2 0793 0832 0871 0909 0.3 1179 1217 1255 1293 0.4 1555 1591 1628 1664 0.5 1915 1950 1985 2019 0.6 2257 2291 2324 2357 0.7 2580 2611 2642 2673 0.8 2881 2910 2939 2967 0.9 3159 3186 3212 3238 1.0 3413 3438 3461 3485 1.1 3643 3665 3683 3708 1.2 3849 3869 3888 3907 1.3 4032 4049 4066 4082 1.4 4192 4207 4222 4236 1.5 4332 4345 4357 4370 1.6 4452 4463 4474 4484 1.7 4554 4564 4573 4582 1.8 4641 4649 4656 4664 1.9 4713 4719 4726 4732 2.0 4772 4778 4783 4788 2.1 4821 4826 4830 4834 2.2 4861 4865 4668 4871 2.3 4893 4896 4898 4901 2.4 4918 4920 4922 4925 2.5 4938 4940 4971 4943 2.6 4953 4955 4956 4957 2.7 4965 4966 4967 4968 2.8 4974 4975 4976 4977 2.9 4981 4982 4982 4983 3.0 9865 9869 9874 9878 3.1 9903 9906 9909 9912 3.2 9931 9934 9936 9938 3.3 9952 9954 9955 9957 3.4 9966 9968 9969 9970 196 Bộ mơn Đo lường Điều khiển, TNUT C Bảng tính giá trị tích phân Student Giá trị kα thỏa mãn đẳng thức n −1 ∫ kα ( ) S t, n − dt = α Φ(z ) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.98 0.99 63.656 9.925 5.481 4.604 4.032 3.707 3.499 3.365 3.250 10 3.169 11 3.106 12 3.055 13 3.012 14 2.997 15 2.947 16 2.921 17 2.898 18 2.878 19 2.861 20 2.845 21 2.831 22 2.819 23 2.807 24 2.797 25 2.787 26 2.779 27 2.771 28 2.763 29 2.756 30 2.750 40 2.704 60 2.660 120 2.617 1000 2.581 0.999 197 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cơng, Nguyễn văn Chí 2008, Giáo trình Kỹ thuật đo lường Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội [2] Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý Tập, Tập 2, Nhà xuất Giáo dục, 2005 [3] John G.Webster (Editor in Chief), Measurement instrument and sensor handbook, @1999 by CRC Press LLC, International Standard Book Number 0-8493-2145-X [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Measurement [5] Roman Malaric, Instrumentation and measurement in electrical engineering, BrownWalker Press Boca Raton, 2011 [6] Alan S Morris, Measurement and Instrumentation Principles Third edition, Butterworth Heinemann, A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 2011 [7] R Drachsel, Võ Trần Khúc Nhã biên dịch, Nguyên lý kỹ thuật đo điện, Nhà xuất Hải phịng 2008 [8] Hồng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2006 [9] Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Nguyễn Thị Cẩm Tú, Kỹ thuật đo lường kiểm tra chế tạo khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [10] Cook, B.J (1979) Journal of Measurement and Control, 12(8), 1979, pp 326 – 335 [11] Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thi Xuân Bảy, Nguyễn Thị Cẩm Tú, Kỹ thuật đo lường kiểm tra chế tạo khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2005 [12] Kilian (2001), Modern Control Tecnology: Components and Systems, Springer Publisher Inc [13] Curtis D Johnson 1997, Process Control Instrumentaion Technology, Fifth Edition, Prentice Hall International, Inc [14] Jacop Fraden 2003, Hanbook of Modern Sensor, Physics, Designs and Applications, Third Edition, Springer Publisher Inc [15] Larry K.Baxter 1997, Capacitive Sensor: Design and Application, John Wiley & Sons, Publisher Inc [16] Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất giáo dục 1996 [17] William C Dunn, Fundamentals of industrial instrumentation and process control, McGraw-Hill Companies, 2005 [18] Vanchai Riewruja, Apinai Rerkratn, Analog multiplier using operational amplifier, Indian Journal of Pure and Applied Physics, Vol 48, January 2010, pp 67-70 [19] Alessandro Ferrero, Halit Eren, Electrical Engineering, Vol II, Electronic Volmeters and Ammeters [20] http://electronics-diy.com/ICL7107_digital_ammeter.php 198 Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT [21] http://electronics-diy.com/ICL7107_volt_meter.php [22] http://www.mathworks.com/help/daq/create-a-session-.html#zmw57dd0e15741 [23] http://www.ni.com/white-paper/3344/en [24] Lưu Hồng Việt, Công suất điện năng- khái niệm định nghĩa, Tạp chí Tự động hóa ngày Số 111 (12/2009) [25] P, Arpaia, F Avallone, A Baccigalupi, C De Capua, Real-Time Algorithm for Power Measurements on PWM based Electric Drives, IEEE Transaction on Power Delivery, 1995 [26] Satish Chandra Bera, Dhritinandan Kole, A modified technique of active power measurement for industrial frequence Applications, Sensor and Transducers Journal, Vol 119, Issue 8, pp 82-90, ISSN 1726-5479, 2010 [27] Gerard N Stenbakken and Amos Dolev, High Accuracy Sampling Wattmeter, IEEE transactions on instrumentation and measurement, vo41 No – 6, December 1992 [28] Lassi Toivonen, , Digital Multirate algorithms for measurement of voltage, current, power and flicker, IEEE Transaction on Power Delivery 1994 [29] Maohai Wang and Yuanzhang Sun, A Practical Method to Improve Phasor and Power Measurement Accuracy of DFT Algorithm, IEEE Transaction on Power Delivery 2006 [30] A V Voloshko, O.I Kotsar, O P Malik, An Approach to the design of digital algorithms for measuring power consumption characteristics, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 10, No 2, 1995 [31] V.V Terzija, J.C Mikulovic, Digital metering of Active and Reactive Power in Nonsinusoidal conditions using Newton Type algorithm, IEEE Instrumentation and measurement technology Conference, Ottawa, Canada, 1997 [32] M.D Kusljevic, J.J Tomic, D.P Marcetic, Active power measurement algorithm for power system signals under non-sinusoida conditions and wide-range frequency deviations, Published in IET Generation, Transmission & Distribution, Revised on 9th September 2008 [33] J K Wu, Numerical Differentiation and Digital FIR Filter Based Algorithm for Power System Measurement, Power Engineering Society General Meeting, 2005 IEEE [34] http://www.datasheetdir.com/Mcp3909-3-phase-Energy-Meter-Reference-Design-Using-ThePic18f2520+Application-Notes [35] A.D Wang, Y.Z Ge, L.L Lai A.T Jonhs, A new digital algorithm for power system frequency measurements, IEEE 2nd International Conference on Adavances in power system control, operation and management, December 1993, Hong Kong [36] M S Sachdev, M Giray, A least error squares techique for determining power system frequency, IEEE transaction Vol PAS 104, No2 pp 437 – 444, 03, 1985 [37] Pawel Regulski and Vladimir Terzija, Estimation of frequency and fundamental power components using unscented Kalman filter, IEEE Transaction on Instrumention and measuremet, 2012 199 Nguyễn Văn Chí - TNUT 2012 [38] M.B, Djuric, V.V Terzija, An algorithm for frequency relaying based on the NewtonRaphson method, Electric Power Systems Research 31, 1994, Elsevier Inc [39] Jun-Zhe Yang and Chih Wen Liu, A precise Calculation of power System Frequency and Phasor, IEEE Trasactions on Power Delivery, Vol 15, No2, April 2000 [40] Lê Văn Doanh, Phạm Văn Chới, Nguyễn Thế Cơng, Nguyễn Đình Thiên, “Bảo dưỡng thử nghiệm thiết bị hệ thống điện”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2000 [41] www.keithley.com,”Low level Measurements handbook, precision DC current, voltage and Resistance Measurements”, 6th [42] AEMC instruments, “Understanding Insulation Resistance Testing”, Technical Assistance (800) 343-1391 02/06 200 ... sai số phép đo Giáo trình cung cấp kiến thức kỹ thuật đo lường bao gồm khái niệm đo lường, thiết bị đo đặc tính nó, loại sai số trình đo lường phương pháp đánh giá sai số phép đo Giáo trình cung... hiệu đo đo lường, nguyên lý chuyển đổi đo lường nhằm biến đổi đại lượng khơng điện thành tín hiệu điện phục vụ cho trình đo Giáo trình ? ?Kỹ thuật đo lường 1? ?? dùng cho sinh viên khối ngành kỹ thuật. .. Bộ môn Đo lường Điều khiển, TNUT Các khái niệm chung kỹ thuật đo lường Equation Chapter (Next) Section Chương trình bày khái niệm đo lường bao gồm định nghĩa đo lường, mơ tả q trình thực phép đo,