Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐỘ CỦA DỤNG CỤ ĐO VÀ CẢM BIẾN 1.1 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo tương tự Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi). Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong máy đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở. Những dụng cụ này chính là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng.
Tức là thực hiện việc biến năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc α so với phần tĩnh. Như vậy α = F(x), với x là đại lượng điện ( dòng hay áp hoặc là tích của hai dòng điện) 1 dwe Đối với chỉ thị cơ điện ta có phương trình đặc tính thang đo α = , D dα trong đó D là mômen cản riêng và We là năng lượng điện từ trường. Từ phương trình này ta sẽ biết được đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị. Do trong cơ cấu chỉ thị cơ điện tồn tại nhiều mômen như mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lượng nên để xác định dạng thang đo của cơ cấu chỉ thị thường sử dụng phương pháp đồ thị.
Bằng thực nghiệm ta xây dựng các đường cong mômen quay Md = f(α) với các giá trị X khác nhau. Ví dụ với cơ cấu chỉ thị điện từ ta xây dựng các đường cong mômen quay 1, 2, 3, 4 với các giá trị X tương ứng bằng 40, 60, 80 và 100% Xn (Xn- trị số dòng điện định mức làm kim lệch toàn thang). Trong trường hợp ở đồ thị hình 1.1 Xn =In=50mA. Các đường cong mômen quay Mq cắt đường mômen cản Mc tại các điểm A, B, C, D.
Từ giao điểm A, B, C, D ta có các vị trí cân bằng α = 30°, 50°, 70°, 90° tương ứng với các giá trị X=20, 30, 40, 50 mA. Như vậy ta có thang đo của cơ cấu chỉ thị điện từ theo đơn vị của đại lượng X đầu vào. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 4 Mq X=100%Xn (I= 50 mA) 3 X=80%Xn (I= 40 mA) 2 X=60%Xn (I= 30 mA) 1 X=40%Xn (I= 20 mA) 0° 30° 50° 70° 90° α 0 20 30 40 50 X(mA) Hình 1.1 : Xác định thang đo bằng phương pháp đồ thị Tuỳ thuộc vào phương trình đặc tính thang đo mà thang đo có thể là tuyến tính (ví dụ : cơ cấu chỉ thị từ điện) hoặc phi tuyến (ví dụ : cơ cấu chỉ thị điện từ , điện động, tĩnh điện). Nếu thang đo phi tuyến ta thường để thang đo đạt được tương đối đều.
Đối với cơ cấu chỉ thị từ điện ta có phương trình đặc tính thang đo là α= 1 BswI = K.I [TL3] D Trong đó B- Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu s- Diện tích khung dây w- số vòng dây α- góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu Góc lệch α tỉ lệ thuận với dòng điện I nên đặc tính của thang đo đều. 1 dL 2 Cơ cấu chỉ thị điện từ có phương trình đặc tính là α= I [TL3]. 2 D dα Góc quay tỉ lệ với bình phương dòng điện do đó thang đo không đều. Ngoài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 dL ra đặc tính thang đo lại còn phụ thuộc vào tỉ số là một đại lượng phi dα tuyến.
Để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho khi góc lệch α dL thay đổi thì tỉ số thay đổi theo quy luật tỉ lệ nghịch với dòng điện. Như dα vậy đường cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. α dL dL I2 Đặc tính thang đo ~ I 2 dα dα I, L Hình 1.2 : Đặc tính thang đo với dL đã điều chỉnh dα Cơ cấu chỉ thị điện động có phương trình đặc tính thang đo đối với dM 12 trường hợp dòng một chiều I1 và I2 : α= I 1 I 2 [TL3]. Trong trường hợp dα dM 12 cos ϕ dòng xoay chiều ta có α= I 1 I 2.
Như vậy góc lệch α phụ thuộc vào dα D tích I1I2 nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí của các cuộn dây để dM 12 thay đổi tỉ số theo hàm ngược với I1I2 nhằm đạt được thang đo đều dα (thường từ 20%÷100% thang đo có thể chia đều còn 20% đầu thang đo chia không đều) Đối với Lôgômét điện động ta có phương trình đặc tính thang đo α= ⎛ I cos( I , I1 ) ⎞ F ⎜⎜ 1 ⎟⎟ [TL3]. Khi cos(I,I1)=cos(I,I2)=1 tức là dòng điện chạy qua ⎝ I 2 cos( I , I 2 ) ⎠ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 ⎛I ⎞ cuộn động và cuộn tĩnh đồng pha thì α = F ⎜⎜ 1 ⎟⎟. Như vậy góc lệch α tỉ lệ với ⎝ I2 ⎠ tỉ số hai dòng điện.
Cơ cấu chỉ thị sắt điện động có phương trình đặc tính thang đo : α=k1s2 w2I1I2cos(I1,I2), góc lệch α tỉ lệ với tích hai dòng điện. Đối với cơ cấu chỉ thị tĩnh điện ta có phương trình đặc tính thang đo α= U 2 dC [TL3]. Như vậy góc lệch α tỉ lệ với bình phương điện áp U. Đặc tính 2 dα dC thang đo không đều (bậc hai) và phụ thuộc vào tỉ số là một đại lượng phi dα tuyến.
Trong thực tế để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho dC khi góc lệch α thay đổi thì tỉ số thay đổi tỉ lệ nghịch với điện áp và đường dα cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. Giống như trường hợp cơ cấu chỉ thị điện từ. Đối với cơ cấu chỉ thị tự ghi đầu vào thường là dòng điện biến thiên theo thời gian i(t) và đầu ra là đường quan hệ α(t). Đường ghi trên băng giấy là sự phối hợp giữa hai chuyển động y=α=f(i) và x=Kt.
Theo cách ghi có thể phân loại cơ cấu tự ghi làm ba loại : loại thứ nhất là ghi các đường cong liên tục; loại thứ hai là ghi các đường cong rời rạc; loại thứ ba là in số lên băng giấy. Nhận xét : trong dụng cụ đo tương tự chỉ thị kim thì sai số phi tuyến được đưa lên thang đo mà không nhất thiết phải tuyến tính hóa đặc tính phi tuyến như dụng cụ đo số.2 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính [TL3] Việc sử dụng vi xử lý trong lĩnh vực đo lường mở ra những hướng phát triển và mang lại nhiều ưu điểm cho dụng cụ đo và hệ thống thông tin đo lường như : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 - Có thể ghép nối thiết bị đo với bàn phím cho phép nhập thông tin bằng bàn phím số hoặc đặt trước giá trị đo lường hay kiểm tra của một thông số nào đó. - Có thể ghép nối với màn hình để đọc kết quả và sai số - Có thể gia công kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn và đưa ra màn hình. - Có thể nối với máy in để in kết quả đo hay tự động vẽ lại các đường cong sau khi đã gia công kết quả bằng phép xây dựng đường cong thực nghiệm.
- Thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các hệ số nhân thích hợp. - Tiến hành tính toán khi thực hiện phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo lường thống kê. - Hiệu chỉnh được sai số của phép đo - Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, tần số…. - Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo ví dụ : tự động chọn thang đo.
- Mã hoá các tín hiệu đo - Ghép nối với kênh liên lạc để truyền số liệu đi xa. - Có thể ghép nối với bộ nhớ để lưu giữ số liệu của kết quả đo hay các giá trị tức thời của tín hiệu đo. Ngoài ra dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính còn có khả năng tự động khắc độ. Quá trình tự động khắc độ như sau : - Đầu tiên người ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn, ghi vào bộ nhớ, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (dưới dạng thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ các sai số.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Ví dụ : Trong một Vônmét thực hiện theo phương pháp này việc khắc độ được thực hiện trước mỗi lần đo (ở chế độ đồng bộ trong). Việc bù sai số do sự lệch không của bộ khuếch đại (sự trôi điểm không chẳng hạn) sẽ được thực hiện bằng cách đo mức không (mức đất) của tín hiệu, sau đó bắt đầu đo điện áp chuẩn cố định từ nguồn mẫu (ví dụ như pin mẫu). Sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính có thể thay thế cho một loạt các thao tác mà trong dụng cụ tương tự không thực hiện được ví dụ như : phép nhân, phép tuyến tính hoá, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các thiết bị vào ra v.3 Phương pháp khắc độ các chuyển đổi đo lường sơ cấp 1.1 Chuyển đổi đo lường so cấp Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định. Như vậy chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác.
Mối quan hệ hàm có thể là tuyến tính hay phi tuyến. Tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi tuyến tính để nâng cao độ chính xác của phép đo. Chuyển đổi đo lường sơ cấp là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là đại lượng không điện và đại lượng ra của nó là đại lượng điện. Phương trình đặc tính của chuyển đổi Y=f(X) Trong đó X-là đại lượng không điện cần đo Y-đại lượng điện sau chuyển đổi Hàm đặc tính của chuyển đổi là một hàm đồng biến hoặc nghịch biến.