Luận văn Thạc sĩ: phương pháp đặc tính tần số trong hệ thống đo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp đặc tính tần số trong hệ thống đo, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hiển
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phương Pháp Đặc Tính Tần Số Trong Hệ Thống Đo
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về phương pháp đặc tính tần số

Phương pháp đặc tính tần số là một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực hệ thống đo lường hiện đại. Phương pháp này sử dụng phép biến đổi Fourier để phân tích hành vi của hệ thống trong miền tần số, cho phép các kỹ sư đánh giá chính xác cách hệ thống đo phản ứng với các tín hiệu đầu vào khác nhau. Thông qua việc nghiên cứu đặc tính tần số, chúng ta có thể xác định được sai số hệ thống và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá hiệu năng của các thiết bị đo điện, cảm biến, và các hệ thống tự động. Sự phát triển của phương pháp đặc tính tần số đã cách mạng hóa cách chúng ta tiếp cận các bài toán đo lường phức tạp.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của đặc tính tần số

Đặc tính tần số mô tả cách hệ thống đo phản ứng với các tín hiệu ở các tần số khác nhau. Nó thể hiện độ lợi (gain) và pha (phase) của hệ thống qua một dải tần số rộng. Ý nghĩa thực tiễn của phương pháp này nằm ở khả năng dự đoán hành vi hệ thống trong điều kiện hoạt động thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy và chính xác của các phép đo lường trong kỹ thuật điện.

1.2. Vai trò trong hệ thống đo hiện đại

Trong hệ thống đo hiện đại, phương pháp đặc tính tần số đóng vai trò then chốt trong việc kiểm định và hiệu chuẩn thiết bị. Nó giúp các kỹ sư xác định dải tần số hoạt động, độ phẳng của đáp ứng tần số, và các yếu tố sai lệch tiềm ẩn. Điều này là cơ sở để đưa ra các biện pháp hiệu chỉnh sai số và cải thiện chất lượng đo lường.

II. Phép biến đổi Fourier và phổ xung điện áp

Phép biến đổi Fourier là công cụ toán học cơ bản cho phương pháp đặc tính tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. Trong bối cảnh hệ thống đo, việc áp dụng phép biến đổi Fourier giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thành phần tần số của các tín hiệu đo. Phổ xung điện áp tiêu biểu như xung hình chữ nhật, xung tam giác, và xung sin được phân tích chi tiết để xác định cách chúng ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường. Việc nắm vững phổ tần số của các loại xung là tiền đề quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa hệ thống đo trong các ứng dụng kỹ thuật điện thực tế.

2.1. Cơ sở toán học của phép biến đổi Fourier

Phép biến đổi Fourier biểu diễn bất kỳ tín hiệu nào dưới dạng tổng của các thành phần sóng hình sin với các tần số khác nhau. Công thức cơ bản cho phép phân tích phổ của các xung điện áp, giúp xác định thành phần tần số chủ yếu và các thành phần bậc cao ảnh hưởng đến sai số đo lường.

2.2. Phổ của các xung điện áp tiêu biểu

Các loại xung điện áp tiêu biểu như xung hình chữ nhật, xung tam giác có phổ tần số khác nhau. Việc phân tích phổ các xung này giúp hệ thống đo được thiết kế phù hợp với các tín hiệu thực tế, đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng kỹ thuật điện công nghiệp.

III. Ứng dụng phương pháp đặc tính tần số trong thực tiễn

Ứng dụng phương pháp đặc tính tần số trong hệ thống đo là rất rộng rãi và thiết thực. Các ngành công nghiệp sử dụng phương pháp này để kiểm định thiết bị, hiệu chuẩn cảm biến, và đánh giá hiệu suất của các hệ thống đo lường. Trong kỹ thuật điện, phương pháp này được áp dụng để kiểm tra đặc tính tần số của các bộ phân áp, biến dòng, và các thiết bị đo điện khác. Tiêu chuẩn IEC 60990:1999 quy định các yêu cầu kỹ thuật cho việc áp dụng phương pháp đặc tính tần số trong đo lường. Việc nắm vững phương pháp này giúp các kỹ sư cải thiện chất lượng đo lường và nâng cao độ tin cậy của các hệ thống trong sản xuất công nghiệp.

3.1. Tiêu chuẩn IEC 60990 1999 và yêu cầu đo lường

Tiêu chuẩn IEC 60990:1999 đặt ra các yêu cầu chi tiết cho hệ thống đo sử dụng phương pháp đặc tính tần số. Tiêu chuẩn này quy định dải tần số hoạt động, sai số cho phép, và các quy trình thực nghiệm chuẩn để đánh giá sai số và xác minh hiệu năng của hệ thống đo lường.

3.2. Thiết bị và quy trình thực nghiệm

Việc kiểm định hệ thống đo theo phương pháp đặc tính tần số đòi hỏi sử dụng các thiết bị chuyên dụng như bộ phát tín hiệu tần số và thiết bị phân tích phổ. Quy trình thực nghiệm tuân theo tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tính chính xác và tính lặp lại của kết quả đo.

IV. Phương pháp đánh giá sai số hệ thống đo

Phương pháp đánh giá sai số của hệ thống đo thông qua đặc tính tần số là quy trình khoa học và có hệ thống. Sai số hệ thống được xác định bằng cách so sánh đáp ứng tần số thực tế của hệ thống với đáp ứng tần số lý tưởng. Hệ số K của hệ thống đo là một chỉ số quan trọng phản ánh khả năng đo lường chính xác của hệ thống trong một dải tần số nhất định. Việc tính toán hệ số K dựa trên phổ tần số của tín hiệu đầu vào và đặc tính tần số của hệ thống. Kết quả của phương pháp đánh giá sai số này cung cấp thông tin quý giá cho việc cải tiến hệ thống và nâng cao độ chính xác của các phép đo trong thực tiễn kỹ thuật.

4.1. Xác định đặc tính tần số và hệ số K

Đặc tính tần số của hệ thống đo được xác định thông qua các phép đo thực nghiệm ở nhiều tần số khác nhau. Hệ số K được tính toán dựa trên đặc tính tần số và phổ tín hiệu, phản ánh mức độ sai số của hệ thống. Việc xác định chính xác các tham số này là nền tảng để đánh giá sai số toàn diện.

4.2. Kết quả và hướng phát triển

Các kết quả nghiên cứu về phương pháp đặc tính tần số cho thấy hiệu quả cao trong đánh giá sai số. Hướng phát triển tương lai bao gồm áp dụng công nghệ số hóa cho hệ thống đo, tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hiệu chỉnh sai số, và mở rộng dải tần số hoạt động cho các ứng dụng hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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: [phone] E-mail: ngochien0209@gmail. 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. 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 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. vi Mục lục. viii Danh sách các hình.

x Danh sách các bảng. xiii Chƣơng 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Lý do chọn đề tài. Mục đích của đề tài.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. Phƣơng pháp nghiên cứu. Phƣơng pháp đặc tính tần số. Phép biến đổi Fourier.

Phổ của một vài xung điện áp tiêu biểu. Ứng dụng phƣơng pháp đặc tính tần số. Phƣơng pháp đánh giá sai số Hệ thống đo. CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐO.

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. PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TÍNH TẦN SỐ TRONG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG ĐO. Giới thiệu Hệ thống đo theo IEC 60990:1999.

Giới thiệu thiết bị đo và quy trình thực nghiệm. Đặc tính tần số của Hệ thống đo. Hệ số K của Hệ thống đo. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài.

Hƣớng phát triển của đề tài. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 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 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 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. 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.

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.