GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Trang chủ >
Kỹ Thuật - Công Nghệ >
Điện - Điện tử >

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.31 MB, 314 trang )

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử- Phân biệt được các phương pháp đo khác nhau.- Hiểu chức năng của thiết bị đo, và phân loại được các thiết bịđo.- Biết các đặc tính cơ bản của một thiết bị đo.- Phân biệt được Đơn vị đo, chuẩn, mẫu.1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬĐo lường học (Metrology) là lĩnh vực khoa học ứng dụng liênngành nghiên cứu về các đối tượng đo, các phép đo, các phươngpháp thực hiện và các công cụ đảm bảo cho chúng, kỹ thuật đo,các phương pháp để đạt được độ chính xác mong muốn.Các hướng nghiên cứu chính của đo lường bao gồm:• Các lý thuyết chung về phép đo.• Các đơn vị vật lý và hệ thống của chúng.• Các phương pháp và công cụ đo.• Kỹ thuật đo• Phương pháp xác định độ chính xác của phép đo.• Cơ sở bảo đảm cho việc thống nhất giữa phép đo và rấtnhiều công cụ thực hiện nó.• Công cụ đo chuẩn và barem.• Các phương pháp để chuyển đơn vị đo từ công cụ chuẩnhoặc gốc ra công cụ làm việc.Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quảcủa đo lường học vào phục vụ sản xuất vào đời sống gọi là kĩ thuậtđo lườngPhần này sẽ trình các khái niệm cơ bản về đo lường điện tử.- Đo lường (Measurement) là gì? Đo lường là quá trình thựcnghiệm vật lý nhằm đánh giá được tham số, cũng như đặc tính của9Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửđối tượng chưa biết. Thông thường đo lường là quá trình so sánhđối tượng chưa biết với một đối tượng làm chuẩn (đối tượng chuẩnnày thường là đơn vị đo), và có kết quả bằng số so với đơn vị đo.+ Ví dụ đo điện áp: Điện áp của một nguồn đo được là 5Vnghĩa là điện áp của nguồn đó gấp 5 lần điện áp của một nguồnchuẩn 1V.- Đo lường điện tử (Electronic Measurement) : là đo lườngmà trong đó đại lượng cần đo được chuyển đổi sang dạng tín hiệuđiện mang thông tin đo và tín hiệu điện đó được xử lý và đo lườngbằng các dụng cụ và mạch điện tử.+ Nếu kết hợp đo lượng điện tử và các bộ biến đổi phi điện điện (sensor - các bộ cảm biến) cho phép đo lường được hầu hếtcác đại lượng vật lý trong thực tế.- Đại lượng đo (Measurand): là các đại lượng vật lý chưabiết cần xác định tham số và đặc tính nhờ phép đo.- Tín hiệu đo (Measuring Signal: Tín hiệu điện mang thôngtin đo.- Phép đo (Measurement): Là quá trình xác định tham số vàđặc tính của đại lượng vật lý chưa biết bằng các phương tiện kỹthuật đặc biệt - hay còn được gọi là thiết bị đo.- Thiết bị đo (Instrument): là phương tiện kĩ thuật để thựchiện phép đo có chức năng biến đổi tín hiệu mang thông đo thànhdạng phù hợp cho việc sử dụng và nhận kết quả đo, chúng cónhững đặc tính đo lường cơ bản đã được qui định. Trong thực tếThiết bị đo thường được hiểu là máy đo (ví dụ: Máy hiện sóng,Vôn mét số, Máy đếm tần …).- Kỹ thuật đo (Intrumentation): là một nhánh khoa học vềcác phương pháp kỹ thuật công nghệ ứng dụng trong đo lường vàđiều khiển.10Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử- Phương pháp đo (Measuring method) : Là cách thức thựchiện quá trình đo lường để xác định được tham số và đặc tính củacác đại lượng đo. Phương pháp đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố:Phương pháp nhận thông tin đo từ đại lượng đo, Phương pháp xửlý thông tin đo, Phương pháp đánh giá, so sánh thông tin đo,Phương pháp hiển thị, lưu trữ kết quả đo … Mỗi loại máy đo cóthể coi là một thiết bị đo hoàn chỉnh thực hiện theo một hay mộtvài phương pháp đo cụ thể nào đó.Về cơ bản quá trình đo lường có thể được chia thành các bướcĐạilượngđoThu nhậnthông tin đoBiến đổi, xử lý,đánh giá, so sánh,định lượng thông tinđoLưu trữ,hiển thị kếtquả đokhác nhau và được minh họa như hình vẽ sau:Hình 1.1 –Quá trình đo lường1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬĐo lượng điện tử có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi, đối tượngđo rất rộng. Tuy nhiên trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, đốitượng của đo lường tập chủ yếu vào đối tượng: Hệ thống tham sốvà đặc tính của tín hiệu và của mạch điện tử.- Hệ thống tham số và đặc tính của tín hiệu điện tử:+ Tham số về cường độ tín hiệu điện tử gồm: Cường độ dòngđiện, Cường độ điện áp, Công suất tác dụng của tín hiệu...+ Tham số về thời gian gồm: Chu kỳ, tần số của tín hiệu, góclệch pha giữa 2 tín hiệu cùng tần số, độ rộng phổ tín hiệu, độ rộngxung, độ rộng sườn trước, sườn sau ...+ Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ của tín hiệu, độ méo dạng của tínhiệu, hệ số điều chế tín hiệu...11Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử+ Tín hiệu số gồm các tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ...- Hệ thống tham số và đặc tính của mạch điện tử:+ Các tham số về trở kháng: Trở kháng tương đương, dẫn nạptương đương, điện trở, điện dung, điện kháng tương đương, trởkháng sóng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất củamạch...+ Đặc tính của mạch: Đặc tuyến Vôn-Ampe, Đặc tuyến biếnđộ - tần số, đặc tuyến Pha - tần số của mạch...Chú ý: Tùy theo dải tần và hệ thống tham số và đặc tính củatín hiệu và của mạch điện tử cần đo cũng khác nhau.1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐOPhép đo là công việc thực hiện chính của đo lường, đó là việctìm ra giá trị vật lý bằng cách thí nghiệm với sự trợ giúp cả cáccông cụ kỹ thuật đặc biệt. Giá trị tìm được gọi là kết quả của phépđo. Hoạt động thực hiện trong quá trình đo để cho ta kết quả là mộtđại lượng vật lý gọi là quá trình ghi nhận kết quả. Tùy thuộc vàođối tượng nghiên cứu, vào tính chất của công cụ đo và người ta cầnthực hiện phép đo ghi nhận một lần hay nhiều lần. Nếu như có mộtloại ghi nhận thì kết quả phép đo nhận được là kết quả khi xử lýcác kết quả từ các ghi nhận đó.Phép đo có bản chất là quá trình so sánh đại lượng vật lý cầnđo với một đại lượng vật lý được dùng làm đơn vị. Kết quả củaphép đo được biểu diễn bằng một số là tỷ lệ của đại lượng cần đovới một đơn vị đó. Như vậy thể thực hiện phép đo, ta cần thiết lậpđơn vị đo, so sánh giá trị của đại lượng cần đo với đơn vị và ghinhận kết quả so sánh được. Thông thường người ta thường biếnđổi tín hiệu đến dạng thuận tiện nhất cho việc so sánh.12Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửNhư vậy, ta có thể tóm tắt lại thành bốn bước chính của phépđo là: thiết lập đơn vị vật lý, biểu diễn tín hiệu đo, so sánh tín hiệuđo với đơn vị được lấy làm chuẩn và ghi nhận kết quả so sánh.Có nhiều cách phân loại phương pháp đo, tùy thuộc vàophương pháp nhận kết quả đo, phương pháp xử lý thông tin đo, dảitrình đo, điều kiện đo, sai số...+ Đo trực tiếp : Là phương pháp đo mà kết quả đo nhận đượctrực tiếp trên thiết bị đo từ một lần đo duy nhất. Thông thườngdùng các thiết bị đo tương ứng cho chính đối tượng cần đo đo.- VD: đo điện áp bằng vôn-mét, đo tần số bằng tần số-mét, đocông suất bằng oát-mét,...Đặc điểm của phép đo trực tiếp là quá trình thực hiện đơn giảnvề biện pháp kỹ thuật, tiến hành đo được nhanh chóng và loại trừđược các sai số do tính toán.+ Đo gián tiếp : Là phương pháp đo mà kết quả đo nhận đượctừ biểu thức tính toán các kết quả của phép đo trực tiếp các đạilượng vật lý khác nhau.- VD: Đo công suất một chiều: P=U.I - đo điện áp và dòngđiện bằng Vôn-mét và Ampe-mét.- Đặc điểm: nhiều phép đo và thường không nhận biết ngayđược kết quả đoTrong kỹ thuật đo lường, thông thường người ta muốn tránhphương pháp đo gián tiếp, vì trước hết nó yêu cầu tiến hành nhiềuphép đo (ít nhất là hai phép đo) và thường là không nhận biết ngayđược kết quả đo. Song trong một số trường hợp thì không thể tránhđược phương pháp này.+ Đo thống kê: Là phương pháp thực hiện đo nhiều lần mộtđại lượng đo với cùng thiết bị đo và trong cùng điện kiện đo, kết13Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửquả đo được tính là giá trị trung bình thống kê của của các lần đođo.Đặc điểm: Phương pháp này cho phép loại trừ các sai số ngẫunhiên và thường dùng khi kiểm chuẩn thiết bị đo.Hiện nay, kỹ thuật đo lường đã phát triển nhiều về phươngpháp đo tương quan. Nó là một phương pháp riêng, không nằmtrong phương pháp đo trực tiếp hay phương pháp đo gián tiếp.Phương pháp tương quan dùng trong những trường hợp cần đo cácquá trình phức tạp, mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàmsố nào giữa các đại lượng là các thông số của một quá trình nghiêncứu. Ví dụ: tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của một hệ thốngnào đó.Khi đo một thông số của tín hiệu nào bằng phương pháp đotương quan, thì cần ít nhất là hai phép đo mà các thông số từ kếtquả đo của chúng không phụ thuộc lẫn nhau. Phép đo này đượcthực hiện bởi cách xác định khoảng thời gian và kết quả của mộtsố thuật toán có khả năng định được trị số của đại lượng thích hợp.Độ chính xác của phép đo tương quan được xác định bằng độ dàikhoảng thời gian của quá trình xét. Khi đo trực tiếp thật ra là ngườiđo đã phải giả thiết hệ số tương quan giữa đại lượng đo và kết quảrất gần 1, mặc dù có sai số do quy luật ngẫu nhiên của quá trìnhbiến đổi gây nên.Ngoài các phép đo cơ bản nói trên, còn một số các phươngpháp đo khác thường được thực hiện trong quá trình tiến hành đolường như sau:Phép đo thay thế: Phép đo được tiến hành hai lần, một lần vớiđại lượng cần đo và một lần với đại lượng đo mẫu. Điều chỉnh đểhai trường hợp đo có kết quả chỉ thị như nhau.14Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửPhép đo hiệu số: Phép đo được tiến hành bằng cách đánh giáhiệu số trị số của đại lượng cần đo và đại lượng mẫu.Phép đo vi sai, phương pháp chỉ thị không, phương pháp bù,cũng là những trường hợp riêng của phương pháp hiệu số. Chúngthường được dùng trong các mạch cầu đo hay trong các mạch bù.Phép đo thẳng: kết quả đo được định lượng trực tiếp trênthanh độ của thiết bị chỉ thị. Tất nhiên sự khắc độ của các thang độnày đã được lấy chuẩn trước với đại lượng mẫu cùng loại với đạilượng đo.Phép đo rời rạc hóa (chỉ thị số): đại lượng cần được đo đượcbiến đổi thành tin tức là các xung rời rạc. Trị số của đại lượng cầnđo được tính bằng số xung tương ứng này.1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐOHầu hết các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng takết qủa đo được đại lượng đang khảo sát. Kết quả này được chỉ thịhoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tựđộng điều khiển đại lượng đang được đo.Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ cónhiệm vụ đo và ghi lại kết quả đo của hệ thống đang hoạt động vàgiúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệtđộ.Nói chung thiết bị đo lường có chức năng quan trọng là kiểmtra sự hoạt động của hệ thống tự điều khiển, nghĩa là đo lường quátrình trong công nghiệp (Industrial process measurements). Đâycũng là môn học trong ngành tự động hóa.- Phân loại thiết bị đo: Gồm 2 nhóm chínhThiết bị đo đơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển đổi đolường.15Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửThiết bị đo phức tạp: máy đo, thiết bị đo tổng hợp và hệ thốngthông tin đo lường.+ Thiết bị chuẩn: Chuẩn là mẫu có cấp chính xác cao nhất.Chuẩn là phương tiện đo đảm bảo việc sao và giữ đơn vị đo tiêuchuẩn.+ Thiết bị mẫu: là thiết bị đo dùng để sao lại đại lượng vật lícó giá trị cho trước với độchính xác cao.+ Thiết bị so sánh: thiết bị đo dùng để so sánh 2 đại lượngcùng loại.+ Thiết bị chuyển đổi đo lường: Thiết bị đo dùng để biến đổitín hiệu mang thông tin đo lường về dạng thuận tiện cho việctruyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lí tiếp và giữ lại, nhưng người quansát chưa thể nhận biết trực tiếp được kết quả đo (VD: bộ KĐ đolường; bộ biến dòng, biến áp đo lường; sensor, quang điện trở,nhiệt điện trở, ADC ...)+ Máy đo (Instrument) : Thiết bị đo dùng để biến đổi tínhiệu mang thông tin đo lường về dạng mà người quan sát có thểnhận biết trực tiếp được (VD: vônmét, ampe mét,...)+ Thiết bị đo tổng hợp: là các thiết bị đo phức tạp, đa năngdùng để kiểm tra, kiểm chuẩn đo lường, đo lường các tham sốphức tạp.+ Hệ thống thông tin đo lường: Hệ thống mạng kết nối củanhiều thiết bị đo, cho phép đo lường và điều khiển từ xa, đo lườngphân tán...Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đạilượng có những đặc tính riêng biệt, một cách tổng quát chúng ta cóthể phân biệt 2 dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính.16Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửVí dụ: để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bị đo dòng điệnthuần túy điện là micro ampe kế hoặc mili ampe kế. Nhưng nếuchúng ta dùng thiết bị đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫnđiện thì lúc bấy giờ phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo.Sau đó mạch đo điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp. Như vậychúng ta có đặc tính khác nhau giữa thiết bị đo điện và thiết bị đođiện tử. Hoặc có những thiết bị đo chỉ thị kết quả bằng kim chỉ thị(thiết bị đo dạng analog), hiện nay thiết bị đo chỉ thị bằng hiện số(thiết bị đo dạng digital). Đây cũng là một đặc tính phân biệt củathiết bị đo.Ngoài ra thiết bị đo lường còn mang đặc tính của một thiết bịđiện tử (nếu là thiết bị đo điện tử) như: tổng trở vào cao, độ nhạycao, hệ số khuyếch đại ổn định và có độ tin cậy đảm bảo cho kếtquả đo. Còn có thêm chức năng, truyền và nhận tín hiệu đo lườngtừ xa (telemetry). Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vựcđo lường điều khiển từ xa.Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo như Hình 1.2:17Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửThiết bị đoMức độ tự độnghóaThiết bị đokhông tự độngThiết bị đo tựđộngDạng của tín hiệuThiết bị đotương tựPhương phápbiến đổiThiết bị đobiến đổithẳngThiết bị đosố18Các đại lượng đầuvàoThiết bị đobiến đổicân bằngThiết bị đodòng điệnThiết bị đotần số...Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tửHình 1.2 -Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo19

Xem Thêm