ky thuat do

6



7
Lời mở đầu

KỸ THUẬT ĐO được biên soạn nhằm phục vụ cho môn học Kỹ thuật Đo
(Đo lường Điện và Điện tử - Electrical measurements and Electronic
Instrumentation
)
được biên soạn thành hai tập:
KỸ THUẬT ĐO - TẬP 1 - ĐO ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
gồm 10 chương.
KỸ THUẬT ĐO - TẬP 2 - ĐO ĐIỆN TỬ gồm 5 chương.

Trong tập 1 các chương 1, 2, 3, 4, 5, 10, do thạc só Nguyễn Ngọc Tân biên
soạn: trình bày những phần cơ bản về đo lường điện và đo lường điện tử.
Nguyên lý hoạt động của thiết bò đo gồm bộ chỉ thò, mạch đo và phương pháp đo
của vôn-kế, ampe-kế, thiết bò đo điện trở, điện dung, điện cảm, điện năng kế,
cos
ϕ
-kế, tần số kế. Trong phần vôn-kế, ampe-kế, ohm-kế chúng tôi trình bày
thêm mạch đo điện tử nhằm mục đích để sinh viên hiểu rõ nguyên lý đo của máy
đo điện thông thường chuyển sang nguyên lý máy đo điện tử ngày nay đang
được sử dụng rộng rãi.
Các chương 6, 7, 8, 9 và bài tập chương 2, 3, 4 do thạc só Ngô Văn Ky biên
soạn: trình bày nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến đo
các đại lượng cơ, nhiệt, quang, cơ học lưu chất. Đây là những cảm biến cơ bản
chuyển đổi đại lượng không điện sang các đại lượng điện được sử dụng trong
các thiết bò đo lường công nghiệp hiện nay (industrial instrumentation) và trong
hệ thống đo lường và điều khiển tự động.
Cuốn sách này nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về thiết bò đo lường
cho sinh viên các ngành Điện - Điện tử - Máy tính (Công nghệ Thông tin) của
các trường đại học; đồng thời cũng giúp ích cho sinh viên các ngành khác
muốn tìm hiểu về thiết bò đo.


8
Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp,
các độc giả để lần tái bản cuốn sách được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện
- Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa đã giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho chúng tôi hoàn thành quyển sách này.
Đòa chỉ: Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Điện - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại
học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM - 268 Lý Thường Kiệt, Q10. ĐT:
(08) 8647685. Email: nntan@hcmut.edu.vn
nvky@hcmut.edu.vn
Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky




9
Chương
1

KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG
1.1 ĐẠI LƯNG ĐO LƯỜNG
Trong lónh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo,
chúng ta phân ra hai loại cơ bản.

Đại lượng điện

Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa
học, sinh học, y học, không mang đặc trưng của đại lượng điện.
Tùy thuộc vào từng tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra
phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bò đo.
1.1.1 Đại lượng điện
Được phân ra hai dạng:

Đại lượng điện tác động (active)

Đại lượng điện thụ động (passive).
1- Đại lượng điện tác động
Đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng
lượng điện. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng này sẽ cung cấp
cho các mạch đo. Trong trường hợp năng lượng quá lớn, sẽ được giảm bớt cho
phù hợp với mạch đo. Ví dụ như phân áp, phân dòng.
Nếu trong trường hợp quá nhỏ sẽ khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể
hoạt động được.
CHƯƠNG 1

10
2- Đại lượng điện thụ động
Đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hỗ cảm, các đại lượng này
không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho
các đại lượng này khi đưa vào mạch đo.
Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang
hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu. Ví dụ như
cách thức đo nóng nghóa là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động
hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động. Ở mỗi cách thức
đo sẽ có phương pháp đo riêng.
1.1.2 Đại lượng không điện
Đây là những đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta (nhiệt độ, áp
suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc ).
Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều
khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi
các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng những bộ chuyển đổi hoặc
cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lónh vực đo lường
và điều khiển tự động.

1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG
1.2.1 Chức năng của thiết bò đo
Hầu hết các thiết bò đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo
được đại lượng đang khảo sát. Kết quả này được chỉ thò hoặc được ghi lại trong
suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được
đo.
Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ
đo và ghi l kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử
lý và điều khiển tự động theo thông số nhiệt độ.
Nói chung thiết bò đo lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt
động của hệ thống tự động điều khiển, nghóa là đo lường quá trình trong công
nghiệp (industrial process measurements). Đây cũng là môn học trong ngành tự
động hóa.
1.2.2 Đặc tính của thiết bò đo lường
Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lượng có những
đặc tính riêng biệt, chúng ta có thể phân biệt hai dạng thiết bò đo phụ thuộc
vào đặc tính một cách tổng quát.
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

11
Ví dụ: Để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bò đo dòng điện thuần túy
điện là micro ampe-kế hoặc mili ampe-kế. Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bò
đo có sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì phải biến đổi dòng điện
đo thành điện áp đo. Sau đó mạch đo điện tử đo dòng điện dưới dạng điện áp.
Như vậy giữa thiết bò đo điện và thiết bò đo điện tử có đặc tính khác nhau.
Có loại thiết bò đo, kết quả được chỉ thò bằng kim chỉ thò (thiết bò đo dạng
analog), có loại bằng hiện số (thiết bò đo dạng digital). Hiện nay loại sau đang
thông dụng. Đây cũng là một đặc tính phân biệt của thiết bò đo.
Ngoài ra thiết bò đo lường còn mang đặc tính của một thiết bò điện tử (nếu
là thiết bò đo điện tử) như: tổng trở nhập cao, độ nhạy cao, hệ số khuếch đại
ổn đònh và có độ tin cậy đảm bảo cho kết quả đo. Còn có thêm chức năng,
truyền và nhận tín hiệu đo lường từ xa (telemetry). Đây cũng là môn học quan
trọng trong lónh vực đo lường điều khiển từ xa.
1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG
1.3.1 Cấp chuẩn hóa
Khi sử dụng thiết bò đo lường, chúng ta mong muốn thiết bò được chuẩn
hóa (calibzate) khi được xuất xưởng nghóa là đã được chuẩn hóa với thiết bò đo
lường chuẩn (standard). Việc chuẩn hóa thiết bò đo lường được xác đònh theo
bốn cấp như sau:
Cấp 1:
Chuẩn quốc tế (International standard) - các thiết bò đo lường cấp
chuẩn quốc tế được thực hiện đònh chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt
tại Paris (Pháp), các thiết bò đo lường chuẩn hóa cấp 1 này theo đònh kỳ được
đánh giá và kiểm tra lại theo trò số đo tuyết đối của các đơn vò cơ bản vật lý
được hội nghò quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận.
Cấp 2:
Chuẩn quốc gia - các thiết bò đo lường tại các Viện đònh chuẩn
quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới đã được chuẩn hóa theo chuẩn
quốc tế và chúng cũng được chuẩn hóa tại các viện đònh chuẩn quốc gia.
Cấp 3:
Chuẩn khu vực - trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm đònh
chuẩn cho từng khu vực (standard zone center). Các thiết bò đo lường tại các
trung tâm này đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia (National standard).
Những thiết bò đo lường được đònh chuẩn tại các trung tâm đònh chuẩn này sẽ
mang chuẩn khu vực (zone standard).
Cấp 4:
Chuẩn phòng thí nghiệm - trong từng khu vực sẽ có những phòng thí
nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bò được dùng trong sản xuất
công nghiệp. Như vậy các thiết bò được chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm
CHƯƠNG 1

12
này sẽ có chuẩn hóa của phòng thí nghiệm. Do đó các thiết bò đo lường khi
được sản xuất ra được chuẩn hóa tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn
đo lường của cấp đó.
Còn các thiết bò đo lường tại các trung tâm đo lường, viện đònh chuẩn
quốc gia phải được chuẩn hóa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn. Ví dụ phòng
thí nghiệm phải trang bò các thiết bò đo lường có tiêu chuẩn của chuẩn vùng
hoặc chuẩn quốc gia, còn các thiết bò đo lường tại viện đònh chuẩn quốc gia thì
phải có chuẩn quốc tế. Ngoài ra theo đònh kỳ được đặt ra phải được kiểm tra
và chuẩn hóa lại các thiết bò đo lường.
1.3.2 Cấp chính xác của thiết bò đo
Sau khi được xuất xưởng chế tạo, thiết bò đo lường sẽ được kiểm nghiệm
chất lượng, được chuẩn hóa theo cấp tương ứng như đã đề cập ở trên và sẽ
được phòng kiểm nghiệm đònh cho cấp chính xác sau khi được xác đònh sai số
(như đònh nghóa dưới đây) cho từng tầm đo của thiết bò. Do đó khi sử dụng thiết
bò đo lường, chúng ta nên quan tâm đến cấp chính xác của thiết bò đo được ghi
trên máy đo hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bò đo. Để từ cấp chính xác này
chúng ta sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo.
Ví dụ: Một vôn-kế có ghi cấp chính xác là 1, nghóa là giới hạn sai số của
nó cho tầm đo là 1%.
1.4 CHẤT LƯNG CỦA ĐO LƯỜNG
1.4.1 Đặc tính của cách thức đo
Sự hiểu biết về đặc tính của cách thức đo rất cần thiết cho phần lớn việc
chọn lựa thiết bò đo thích hợp cho công việc đo lường. Nó bao gồm hai đặc tính
cơ bản.

Đặc tính tónh (static)

Đặc tính động (dynamic)
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

13
1.4.2 Đặc tính tónh (static)
Tổng quát, đặc tính tónh của thiết bò đo là đặc tính có được khi thiết bò đo
được sử dụng đo các đại lượng có điều kiện không thay đổi trong một quá trình
đo. Tất cả các đặc tính tónh của cách thức đo có được nhờ một quá trình đònh
chuẩn.
Một số đặc tính được diễn tả như sau:

Mức độ chính xác (sai số)

Độ phân giải: khoảng chia nhỏ nhất để thiết bò đo đáp ứng được

Độ nhạy

Độ sai biệt của trò số đo được với trò số tin cậy được

Trò số đo chấp nhận được qua xác suất của trò số đo.
1.4.3 Đònh nghóa sai số trong đo lường
Đo lường là sự so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng
được chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng chuẩn). Như vậy công việc đo
lường là nối thiết bò đo vào hệ thống được khảo sát, kết quả đo các đại lượng
cần thiết thu được trên thiết bò đo.
Trong thực tế khó xác đònh trò số thực các đại lượng đo. Vì vậy trò số đo
được cho bằng thiết bò đo, được gọi là trò số tin cậy được (expected value). Bất
kỳ đại lượng đo nào cũng bò ảnh hưởng bởi nhiều thông số. Do đó kết quả đo ít
khi phản ảnh đúng trò số tin cậy được. Cho nên có nhiều hệ số (factor) ảnh
hưởng trong đo lường liên quan đến thiết bò đo. Ngoài ra có những hệ số khác
liên quan đến con người sử dụng thiết bò đo. Như vậy độ chính xác của thiết bò
đo được diễn tả dưới hình thức sai số.
1.4.4 Các loại sai số
Sai số tuyệt đối: e = Y
n
– X
n

e - sai số tuyệt đối; Y
n
- trò số tin cậy được; X
n
- trò số đo được
Sai số tương đối (tính theo %):
nn
r
n
YX
e
Y
||%
−
= 100

Độ chính xác tương đối:
nn
n
YX
A
Y
||
−
=−1

Độ chính xác tính theo %: a = 100% – e
r
= (100%)
CHƯƠNG 1

14
Ví dụ: điện áp hai đầu điện trở có trò số tin cậy được là 50V. Dùng vôn-
kế đo được 49V.
Như vậy sai số tuyệt đối: e = 1V
Sai số tương đối:
r
V
e
V
%%==
1
100 2
50

Độ chính xác: A = 1–0,02 = 0,98, a = 98% = 100% – 2%
Tính chính xác (precision):
n
n
n
XX
X
||
−
−1

n
X
- trò số trung bình của n lần đo.
Ví dụ: X
n
= 97, trò số đo được

n
X
= 101,1 trò số trung bình của 10 lần đo
Tính chính xác của cách đo:

,
||%%
,
−
−=⇒
97 101 1
19696
101 1

Sai số chủ quan:
Một cách tổng quát sai số này do lỗi lầm của người sử
dụng thiết bò đo và phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả, hoặc ghi sai, hoặc sử
dụng sai không đúng theo qui trình hoạt động.
Sai số hệ thống
(systematic error) phụ thuộc vào thiết bò đo và điều kiện
môi trường.
Sai số do thiết bò đo:
các phần tử của thiết bò đo, có sai số do công nghệ
chế tạo, sự lão hóa do sử dụng. Giảm sai số này cần phải bảo trì đònh kỳ cho
thiết bò đo.
Sai số do ảnh hưởng điều kiện môi trường:
cụ thể như nhiệt độ tăng cao, áp
suất tăng, độ ẩm tăng, điện trường hoặc từ trường tăng đều ảnh hưởng đến sai
số của thiết bò đo lường. Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho điều kiện môi
trường ít thay đổi hoặc bổ chính (compensation) đối với nhiệt độ và độ ẩm. Và
dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng tónh điện và từ trường nhiễu. Sai số
hệ thống chòu ảnh hưởng khác nhau ở trạng thái tónh và trạng thái động:

Ở trạng thái tónh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn của thiết bò đo
hoặc do qui luật vật lý chi phối sự hoạt động của nó.

Ở trạng thái động sai số hệ thống do sự không đáp ứng theo tốc độ thay
đổi nhanh theo đại lượng đo.
Sai số ngẫu nhiên
(random error): Ngoài sự hiện diện sai số do chủ quan
trong cách thức đo và sai số hệ thống thì còn lại là sai số ngẫu nhiên. Thông
thường sai số ngẫu nhiên được thu thập từ một số lớn những ảnh hưởng nhiễu
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG

15
được tính toán trong đo lường có độ chính xác cao. Sai số ngẫu nhiên thường
được phân tích bằng phương pháp thống kê.
Ví dụ: giả sử điện áp được đo bằng một vôn-kế được đọc cách khoảng 1
phút. Mặc dù vôn-kế hoạt động trong điều kiện môi trường không thay đổi,
được chuẩn hóa trước khi đo và đại lượng điện áp đó xem như không thay đổi,
thì trò số đọc của vôn-kế vẫn có thay đổi chút ít. Sự thay đổi này không được
hiệu chỉnh bởi bất kỳ phương pháp đònh chuẩn nào khác, vì do sai số ngẫu
nhiên gây ra.
1.4.5 Các nguồn sai số
Thiết bò đo không đo được trò số chính xác vì những lý do sau:

Không nắm vững những thông số đo và điều kiện thiết kế

Thiết kế nhiều khuyết điểm

Thiết bò đo hoạt động không ổn đònh

Bảo trì thiết bò đo kém

Do người vận hành thiết bò đo không đúng

Do những giới hạn của thiết kế
1.4.6 Đặc tính động
Một số rất ít thiết bò đo đáp ứng tức thời ngay với đại lượng đo thay đổi.
Phần lớn nó đáp ứng chậm hoặc không theo kòp sự thay đổi của đại lượng đo.
Sự chậm chạp này phụ thuộc đặc tính của thiết bò đo như tính quán tính, nhiệt
dung hoặc điện dung được thể hiện qua thời gian trễ của thiết bò đo. Do đó
sự hoạt động ở trạng thái động hoặc trạng thái giao thời của thiết bò đo cũng
quan trọng như trạng thái tónh.
Đối với đại lượng đo có ba dạng thay đổi như sau:

Thay đổi có dạng hàm bước theo thời gian

Thay đổi có dạng hàm tuyến tính theo thời gian

Thay đổi có dạng hàm điều hòa theo thời gian.
Đặc tuyến động của thiết bò đo

Tốc độ đáp ứng

Độ trung thực

Tính trễ

Sai số động.

Xem chi tiết: ky thuat do