Nguyên lý Hệ thống Đo lường, Ấn bản thứ Tư - John P. Bentley

• Tác giả: John P. Bentley
• Trường học: University of Teesside
• Chuyên ngành: Hệ thống đo lường
• Đề tài: Principles of Measurement Systems
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Harlow

Tóm tắt

I. Tổng quan về Principles of Measurement Systems 4th edition

Principles of Measurement Systems 4th edition là giáo trình đo lường học kinh điển của John P. Bentley, giáo sư danh dự tại Đại học Teesside, Vương quốc Anh. Cuốn sách được xuất bản lần đầu năm 1983, tái bản lần hai năm 1988, lần ba năm 1995 và ấn bản thứ tư năm 2005 bởi Pearson Education. Nội dung sách được chia thành nhiều phần rõ ràng. Phần A trình bày nguyên lý tổng quát của hệ thống đo lường. Phần B giới thiệu các phần tử cảm biến và biến đổi tín hiệu. Phần C đề cập đến hệ thống xử lý tín hiệu số. Phần D thảo luận về hiệu chuẩn và độ không đảm bảo đo lường. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc về đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống đo lường. Người đọc được hướng dẫn cách phân tích sai số đo, áp dụng kỹ thuật giảm sai số và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của từng phần tử đo. Nội dung kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và ví dụ thực tế từ công nghiệp. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật và kỹ sư đo lường chuyên nghiệp.

1.1. Cấu trúc nội dung của cuốn sách

Cuốn Principles of Measurement Systems 4th edition được tổ chức thành các phần logic và hệ thống. Phần A gồm năm chương, trình bày nguyên lý tổng quát, đặc tính tĩnh, độ chính xác ở trạng thái ổn định, đặc tính động và ảnh hưởng tải. Phần B mô tả chi tiết các phần tử cảm biến đo các đại lượng cơ bản như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và dịch chuyển. Phần C tập trung vào xử lý tín hiệu số, bao gồm chuyển đổi analog-số và kỹ thuật lọc số. Phần D đề cập đến hiệu chuẩn, độ không đảm bảo đo và quản lý hệ thống đo lường trong thực tế công nghiệp.

1.2. Đối tượng và phạm vi áp dụng

Principles of Measurement Systems 4th edition phục vụ nhiều đối tượng độc giả khác nhau. Sinh viên đại học và sau đại học sử dụng sách như giáo trình chính cho các môn đo lường và cảm biến. Kỹ sư công nghiệp tham khảo sách để thiết kế và vận hành hệ thống đo trong nhà máy. Nhà nghiên cứu áp dụng các nguyên lý trong sách cho công tác đo lường chính xác cao. Phạm vi áp dụng trải rộng từ đo lường nhiệt độ, áp suất đến đo lường lưu lượng và dịch chuyển. Cuốn sách cũng đề cập đến đo lường trong môi trường nguy hiểm và các tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế.

II. Phân tích đặc tính tĩnh và sai số trong hệ thống đo lường

Đặc tính tĩnh là nền tảng quan trọng để đánh giá hiệu suất hệ thống đo lường. Trong Principles of Measurement Systems 4th edition, John P. Bentley trình bày mô hình tổng quát cho mỗi phần tử hệ thống. Mô hình này sử dụng phương trình truyền với các tham số như độ nhạy, sai số tuyến tính và sai số trễ. Sai số đo được định nghĩa là hiệu giữa giá trị đo được và giá trị thực. Công thức cơ bản là E bằng giá trị đo trừ giá trị trị thực. Các nguồn sai số tĩnh bao gồm sai số tuyến tính, sai số trễ và sai số lặp lại. Sai số trễ xảy ra khi giá trị đầu ra phụ thuộc vào hướng biến thiên đầu vào. Sai số lặp lại do các yếu tố ngẫu nhiên trong phần tử và môi trường xung quanh. Ví dụ điển hình là điện trở của cảm biến biến đổi khi nhiệt độ môi trường dao động. Hiểu rõ các đặc tính tĩnh giúp người thiết kế hệ thống đo lựa chọn phần tử phù hợp và dự đoán sai số tổng thể của hệ thống đo lường chính xác hơn.

2.1. Mô hình tổng quát của phần tử đo lường

Mỗi phần tử trong hệ thống đo lường được mô tả bằng mô hình tổng quát với ba loại đầu vào. Đầu vào chính là đại lượng cần đo. Đầu vào môi trường là các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển. Đầu vào nhiễu là các tín hiệu không mong muốn từ nguồn điện hoặc thiết bị lân cận. Phương trình đầu ra của phần tử phụ thuộc vào các hằng số ghép nối giữa các đầu vào này. Mô hình này cho phép phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố đến sai số tổng thể của hệ thống đo lường một cách có hệ thống và khoa học.

2.2. Các loại sai số tĩnh phổ biến

Sai số tĩnh trong hệ thống đo lường gồm nhiều loại khác nhau. Sai số tuyến tính là độ lệch lớn nhất giữa đường đặc tính thực và đường thẳng lý tưởng. Sai số trễ thể hiện sự khác biệt giữa giá trị đầu ra khi đầu vào tăng dần và giảm dần. Sai số lặp lại là biến động ngẫu nhiên của đầu ra cho cùng một giá trị đầu vào. Nguyên nhân phổ biến của sai số lặp lại là dao động ngẫu nhiên của nhiệt độ môi trường và điện áp nguồn nuôi. Xác suất xuất hiện sai số thường tuân theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình bằng không.

III. Giải pháp giảm sai số và kỹ thuật hiệu chuẩn hệ thống đo

Giảm sai số là mục tiêu quan trọng trong thiết kế hệ thống đo lường. Principles of Measurement Systems 4th edition trình bày nhiều kỹ thuật giảm sai số hiệu quả. Kỹ thuật đầu tiên là lựa chọn phần tử có đặc tính tuyến tính tốt và sai số nhỏ. Kỹ thuật thứ hai là sử dụng mạch bù để triệt tiêu ảnh hưởng của đầu vào môi trường. Kỹ thuật thứ ba là áp dụng phương pháp đo vi sai, trong đó hai phần tử giống nhau được đặt trong điều kiện môi trường khác nhau. Phương pháp này giúp loại bỏ thành phần sai số chung cho cả hai phần tử. Kỹ thuật thứ tư là hiệu chuẩn định kỳ bằng chuẩn đo có độ chính xác cao hơn. Hiệu chuẩn cho phép xác định mối quan hệ giữa đầu vào thực và đầu ra của phần tử đo. Đường hiệu chuẩn được xây dựng bằng cách so sánh đầu ra với giá trị chuẩn tại nhiều điểm đo khác nhau. Từ đường hiệu chuẩn, sai số hệ thống được tính toán và bù trừ trong quá trình đo thực tế một cách chính xác.

3.1. Kỹ thuật giảm sai số trong hệ thống đo

Có nhiều phương pháp giảm sai số được áp dụng trong thực tế đo lường. Phương pháp đo vi sai sử dụng hai cảm biến giống hệt nhau, một cảm biến đo đại lượng thực và cảm biến kia chỉ chịu ảnh hưởng môi trường. Hiệu tín hiệu giữa hai cảm biến loại bỏ thành phần sai số môi trường. Phương pháp bù tự động sử dụng mạch điện tử để phát hiện và điều chỉnh sai số theo thời gian thực. Phương pháp lọc số áp dụng thuật toán xử lý tín hiệu để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên. Lựa chọn vật liệu cảm biến có hệ số nhiệt nhỏ cũng giúp giảm ảnh hưởng nhiệt độ đến kết quả đo lường.

3.2. Quy trình hiệu chuẩn và xây dựng đường chuẩn

Hiệu chuẩn là quá trình so sánh đầu ra của phần tử đo với giá trị chuẩn đã biết. Quy trình hiệu chuẩn gồm nhiều bước tuần tự. Bước đầu tiên là chuẩn bị thiết bị chuẩn có độ chính xác cao hơn ít nhất ba lần so với phần tử cần hiệu chuẩn. Bước thứ hai là đo đầu ra tại nhiều điểm trên toàn dải đo, thường từ năm đến mười điểm. Bước thứ ba là xây dựng đường hiệu chuẩn bằng phương pháp hồi quy tuyến tính. Bước cuối cùng là tính toán sai số và xác định độ không đảm bảo đo. Kết quả hiệu chuẩn được ghi nhận trong phiếu hiệu chuẩn có giá trị pháp lý.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nguyên lý đo lường

Principles of Measurement Systems 4th edition là tài liệu đo lường học toàn diện và thực tiễn. Cuốn sách cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc kết hợp với ứng dụng công nghiệp cụ thể. Các nguyên lý đo lường trong sách áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và nghiên cứu. Ngành công nghiệp hóa chất sử dụng hệ thống đo để giám sát nhiệt độ, áp suất và lưu lượng trong dây chuyền sản xuất. Ngành chế tạo máy áp dụng đo lường để kiểm tra kích thước và độ nhám bề mặt chi tiết. Ngành năng lượng sử dụng hệ thống đo để giám sát hiệu suất tua-bin và lò hơi. Ngành y tế áp dụng nguyên lý đo lường trong thiết bị chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân. Cuốn sách cũng nhấn mạnh vai trò của hiệu chuẩn và quản lý chất lượng đo lường trong doanh nghiệp. Với nội dung cập nhật và phương pháp trình bày khoa học, ấn bản thứ tư tiếp tục là tài liệu tham khảo hàng đầu cho ngành đo lường tự động trên toàn thế giới.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất

Nguyên lý đo lường từ cuốn sách được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất hiện đại. Trong ngành chế biến thực phẩm, hệ thống đo giám sát nhiệt độ tiệt trùng và độ ẩm sản phẩm. Trong ngành sản xuất ô tô, cảm biến đo lực và mô-men xoắn động cơ phục vụ kiểm tra chất lượng. Trong ngành dược phẩm, hệ thống đo chính xác đảm bảo hàm lượng hoạt chất trong mỗi viên thuốc. Các nhà máy lọc dầu sử dụng hệ thống đo lưu lượng để kiểm soát quá trình chưng cất phân đoạn. Đo lường chính xác giúp giảm phế phẩm, tiết kiệm nguyên liệu và nâng cao năng suất sản xuất đáng kể.

4.2. Xu hướng phát triển tương lai của đo lường

Hệ thống đo lường đang phát triển mạnh mẽ theo hướng số hóa và kết nối thông minh. Công nghệ IoT cho phép thu thập dữ liệu đo từ hàng nghìn cảm biến phân tán trên quy mô lớn. Trí tuệ nhân tạo được áp dụng để phân tích dữ liệu đo và dự đoán sai số theo thời gian thực. Công nghệ cảm biến MEMS thu nhỏ kích thước và giảm chi phí sản xuất đáng kể. Công nghệ không dây giúp truyền dữ liệu đo từ xa mà không cần cáp nối vật lý. Nguyên lý đo lường từ Principles of Measurement Systems vẫn là nền tảng cho mọi tiến bộ công nghệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Principles of Measurement Systems www.net We work with leading authors to develop the strongest educational materials in engineering, bringing cutting-edge thinking and best learning practice to a global market. Under a range of well-known imprints, including Prentice Hall, we craft high quality print and electronic publications which help readers to understand and apply their content, whether studying or at work. To find out more about the complete range of our publishing, please visit us on the World Wide Web at: www.net Principles of Measurement Systems Fourth Edition John P. Bentley Emeritus Professor of Measurement Systems University of Teesside www.net Pearson Education Limited Edinburgh Gate Harlow Essex CM20 2JE England and Associated Companies throughout the world Visit us on the World Wide Web at: www.uk First published 1983 Second Edition 1988 Third Edition 1995 Fourth Edition published 2005 © Pearson Education Limited 1983, 2005 The right of John P. Bentley to be identified as author of this work has been asserted by him in accordance w th the Copyright, Designs and Patents Act 1988. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without either the prior written permission of the publisher or a licence permitting restricted copying in the United Kingdom issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London W1T 4LP. ISBN 0 130 43028 5 British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Bentley, John P., 1943– Principles of measurement systems / John P. Includes bibliographical references and index.8–dc22 2004044467 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 10 09 08 07 06 05 Typeset in 10/12pt Times by 35 Printed in Malaysia The publisher’s policy is to use paper manufactured from sustainable forests.net To Pauline, Sarah and Victoria www.net Contents Preface to the fourth edition xi Acknowledgements xiii Part A General Principles 1 1 The General Measurement System 3 1.1 Purpose and performance of measurement systems 3 1.2 Structure of measurement systems 4 1.3 Examples of measurement systems 5 1.4 Block diagram symbols 7 2 Static Characteristics of Measurement System Elements 9 2.2 Generalised model of a system element 15 2.4 Identification of static characteristics – calibration 21 3 The Accuracy of Measurement Systems in the Steady State 35 3.1 Measurement error of a system of ideal elements 35 3.2 The error probability density function of a system of non-ideal elements 36 3.3 Error reduction techniques 41 4 Dynamic Characteristics of Measurement Systems 51 4.1 Transfer function G(s) for typical system elements 51 4.2 Identification of the dynamics of an element 58 4.3 Dynamic errors in measurement systems 65 4.4 Techniques for dynamic compensation 70 5 Loading Effects and Two-port Networks 77 5.2 Two-port networks 84 6 Signals and Noise in Measurement Systems 97 6.2 Statistical representation of random signals 98 6.3 Effects of noise and interference on measurement circuits 107 6.4 Noise sources and coupling mechanisms 110 6.5 Methods of reducing effects of noise and interference 113 www.net viii CONTENTS 7 Reliability, Choice and Economics of Measurement Systems 125 7.1 Reliability of measurement systems 125 7.2 Choice of measurement systems 140 7.3 Total lifetime operating cost 141 Part B Typical Measurement System Elements 147 8 Sensing Elements 149 8.1 Resistive sensing elements 149 8.2 Capacitive sensing elements 160 8.3 Inductive sensing elements 165 8.4 Electromagnetic sensing elements 170 8.5 Thermoelectric sensing elements 172 8.6 Elastic sensing elements 177 8.7 Piezoelectric sensing elements 182 8.8 Piezoresistive sensing elements 188 8.9 Electrochemical sensing elements 190 8.10 Hall effect sensors 196 9 Signal Conditioning Elements 205 9.5 Oscillators and resonators 235 10 Signal Processing Elements and Software 247 10.1 Analogue-to-digital (A/D) conversion 247 10.2 Computer and microcontroller systems 260 10.3 Microcontroller and computer software 264 10.4 Signal processing calculations 270 11 Data Presentation Elements 285 11.1 Review and choice of data presentation elements 285 11.2 Pointer–scale indicators 287 11.3 Digital display principles 289 11.4 Light-emitting diode (LED) displays 292 11.5 Cathode ray tube (CRT) displays 295 11.6 Liquid crystal displays (LCDs) 299 11.10 Laser printers 307 www.net CONTENTS ix Part C Specialised Measurement Systems 311 12 Flow Measurement Systems 313 12.1 Essential principles of fluid mechanics 313 12.2 Measurement of velocity at a point in a fluid 319 12.3 Measurement of volume flow rate 321 12.4 Measurement of mass flow rate 339 12.5 Measurement of flow rate in difficult situations 342 13 Intrinsically Safe Measurement Systems 351 13.1 Pneumatic measurement systems 353 13.2 Intrinsically safe electronic systems 362 14 Heat Transfer Effects in Measurement Systems 367 14.2 Dynamic characteristics of thermal sensors 369 14.3 Constant-temperature anemometer system for fluid velocity measurements 374 14.4 Katharometer systems for gas thermal conductivity and composition measurement 378 15 Optical Measurement Systems 385 15.1 Introduction: types of system 385 15.4 Geometry of coupling of detector to source 398 15.5 Detectors and signal conditioning elements 403 15.6 Measurement systems 409 16 Ultrasonic Measurement Systems 427 16.1 Basic ultrasonic transmission link 427 16.2 Piezoelectric ultrasonic transmitters and receivers 428 16.3 Principles of ultrasonic transmission 436 16.4 Examples of ultrasonic measurement systems 447 17 Gas Chromatography 461 17.1 Principles and basic theory 461 17.2 Typical gas chromatograph 465 17.3 Signal processing and operations sequencing 468 18 Data Acquisition and Communication Systems 475 18.1 Time division multiplexing 476 18.2 Typical data acquisition system 477 18.3 Parallel digital signals 478 18.4 Serial digital signals 479 18.5 Error detection and correction 487 18.6 Frequency shift keying 490 18.7 Communication systems for measurement 493 www.net x CONTENTS 19 The Intelligent Multivariable Measurement System 503 19.1 The structure of an intelligent multivariable system 503 19.2 Modelling methods for multivariable systems 507 Answers to Numerical Problems 515 Index 521 www.net Preface to the fourth edition Measurement is an essential activity in every branch of technology and science. We need to know the speed of a car, the temperature of our working environment, the flow rate of liquid in a pipe, the amount of oxygen dissolved in river water. It is import- ant, therefore, that the study of measurement forms part of engineering and science courses in further and higher education. The aim of this book is to provide the funda- mental principles of measurement which underlie these studies. The book treats measurement as a coherent and integrated subject by presenting it as the study of measurement systems. A measurement system is an information system which presents an observer with a numerical value corresponding to the vari- able being measured. A given system may contain four types of element: sensing, signal conditioning, signal processing and data presentation elements. The book is divided into three parts. Part A (Chapters 1 to 7) examines general systems principles. This part begins by discussing the static and dynamic charac- teristics that individual elements may possess and how they are used to calculate the overall system measurement error, under both steady and unsteady conditions. In later chapters, the principles of loading and two-port networks, the effects of interference and noise on system performance, reliability, maintainability and choice using economic criteria are explained. Part B (Chapters 8 to 11) examines the principles, characteristics and applications of typical sensing, signal conditioning, signal process- ing and data presentation elements in wide current use. Part C (Chapters 12 to 19) examines a number of specialised measurement systems which have important industrial applications. These are flow measurement systems, intrinsically safe systems, heat transfer, optical, ultrasonic, gas chromatography, data acquisition, communication and intelligent multivariable systems. The fourth edition has been substantially extended and updated to reflect new developments in, and applications of, technology since the third edition was published in 1995. Chapter 1 has been extended to include a wider range of examples of basic measurement systems. New material on solid state sensors has been included in Chapter 8; this includes resistive gas, electrochemical and Hall effect sensors. In Chapter 9 there is now a full analysis of operational amplifier circuits which are used in measurement systems. The section on frequency to digital conversion in Chapter 10 has been expanded; there is also new material on microcontroller struc- ture, software and applications. Chapter 11 has been extensively updated with new material on digital displays, chart and paperless recorders and laser printers. The section on vortex flowmeters in Chapter 12 has been extended and updated. Chapter 19 is a new chapter on intelligent multivariable measurement systems which concentrates on structure and modelling methods. There are around 35 addi- tional problems in this new edition; many of these are at a basic, introductory level.net xii P REFACE TO THE FOURTH EDITION Each chapter in the book is clearly divided into sections. The topics to be covered are introduced at the beginning and reviewed in a conclusion at the end. Basic and important equations are highlighted, and a number of references are given at the end of each chapter; these should provide useful supplementary reading. The book contains about 300 line diagrams and tables and about 140 problems. At the end of the book there are answers to all the numerical problems and a comprehensive index. This book is primarily aimed at students taking modules in measurement and instru- mentation as part of degree courses in instrumentation/control, mechanical, manu- facturing, electrical, electronic, chemical engineering and applied physics. Much of the material will also be helpful to lecturers and students involved in HNC/HND and foundation degree courses in technology. The book should also be useful to profes- sional engineers and technicians engaged in solving practical measurement problems. I would like to thank academic colleagues, industrial contacts and countless students for their helpful comments and criticism over many years. Thanks are again especially due to my wife Pauline for her constant support and help with the preparation of the manuscript. Bentley Guisborough, December 2003 www.net Acknowledgements We are grateful to the following for permission to reproduce copyright material: Figure 2.1(b) from Repeatability and Accuracy, Council of the Institution of Mechanical Engineers (Hayward, A.17(a) from Measurement of length in Journal Institute Measurement & Control, Vol.1 from Systems analysis of instruments in Journal Institute Measurement & Control, Vol.3 from The application of reliability engineering to high integrity plant control systems in Measurement and Control, Vol.4(a) and (b) from Institute of Measurement and Control; Tables 2.4 from Units of Measurement poster, 8th edition, 1996, and Figures 15.22(a) and (b) from Wavelength encoded optical fibre sensors in N., 1985), National Physical Laboratory; Figure 7.1 from The Institution of Chemical Engineers; Table 7.1 from Instrument reliability in Instrument Science and Technology: Volume 1 (Wright, R.14 from Medical and indus- trial applications of high resolution ultrasound in Journal of Physics E: Scientific Instruments, Vol., 1985), Institute of Physics Publishing Ltd.2 from The reliability of instrumentation in Chemistry and Industry, 6 March 1976, Professor F. Lees, Loughborough University; Table 8.2 from BS 4937: 1974 International Thermocouple Reference Tables, and Table 12.7 from BS 1042: 1981 Methods of measurement of fluid flow in closed conduits, British Standards Institution; Figure 8.2(a) from Instrument Transducers: An Introduction to their Performance and Design, 2nd edition, Oxford University Press (Neubert, H.3(a) from Technical Information on Two-point NTC Thermistors, 1974, Mullard Ltd.4 from Technical Data on Ion Selective Electrodes, 1984, E.4(b) and (c) from Thick film polymer sensors for physical variables in Measurement and Control, Vol. 4, May, Institute of Measurement and Control and Professor N. White, University of Southampton (Papakostas, T.8(a), (b) and (c) from Thick film chemical sensor array allows flexibility in specificity in MTEC 1999, Sensor and Transducer Conference, NEC Birmingham, Trident Exhibitions and Dr. A Cranny, University of Southampton (Jeffrey, P.10 from Ceramics put pressure on conventional transducers in Process Industry Journal, June, Endress and Hauser Ltd.23(b) from Piezoelectric devices: a step nearer problem-free vibration measurement in Transducer Technology, Vol.24 from IC sensors boost potential of measurement systems in Transducer Technology, Vol., 1985), Transducer Technology; Figure 8.25(b) from Analysis with Ion Selective Electrodes, John Wiley www.