Tài liệu Bài giảng kỹ thuật đo và điều khiển quá trình công nghệ phần 1

NỘI DUNG MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ Bài mở đầu. Giới thiệu chung về kỹ thuật đo và điều khiển quá trình………………………..3 PHẦN I. HỆ THỐNG ĐO CÔNG NGHIỆP………………………………………… ………5 Chương 1. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ đo l−êng…………………………………………… …..5 1.1. Kh¸i niÖm ®o l−êng…………………………………………………………… ……5 1.2. C¸c ph−¬ng ph¸p vμ biÖn ph¸p ®o l−êng c¬ b¶n……………………………… ……6 1.3. Phân loại dụng cụ đo………………………………………………………… ……..8 Ch−¬ng 2. §Þnh gi¸ sai sè trong đo l−êng………………………………………………… ….9 2.1. Nguyªn nh©n vμ ph©n lo¹i sai sè trong đo l−êng……………………………… .. …9 2.1.1. Nguyªn nh©n g©y sai sè........................................................................... ...9 2.1.2. Ph©n lo¹i sai sè……………………………………………………………… …..9 2.1.3. C¸c biÓu thøc diÔn ®¹t sai sè ……………………………………………. .......10 2.2. Một số khái niệm cơ bản về đo lường…………………………………… ………..13 2.3. Các phương pháp khử sai số và xác định kết quả đo……………………………. ..16 Chương 3. Cảm biến đo và chuyển đổi đo…………………………………………………. .15 3.1. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản……………………………………………… ..15 3.2. Các cảm biến và chuyển đổi đo nhiệt độ………………………………………….22 3.3. Các cảm biến và chuyển đổi đo áp suất…………………………………………. ..47 3.4. Các cảm biến và chuyển đổi đo lưu lượng……………………………………… ...53 3.5. Đo mức………………………………………………………………………… . ..84 PHẦN II. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG…………………………………… ……88 Chương 1. Những khái niệm cơ bản về điều khiển quá trình…………………………….. 88 1.1. Khái quát chung về điều khiển………………………………………………… .. 88 1.2. Cơ sở về điều khiển quá trình………………………………………………….. 109 1.3. Nhận biết các biến quá trình………………………………………………… …133 Chương 2. Các sách lược điều khiển cơ sở……………………………………………… ...141 2.1. Điều khiển truyền thẳng………………………………………………………… .141 2.2. Điều khiển phản hồi…………………………………………………………… ...144 2.3. Điều khiển tỉ lệ……………………………………………………………… …...147 2.4. Điều khiển tầng……………………………………………………………… …..155 2.5. Điều khiển suy diễn…………………………………………………………… ...161 2.6. Điều khiển lựa chọn……………………………………………………………. ..166 2.7. Điều khiển phân vùng………………………………………………………… …169 Chương 3. Đặc tính các thành phần hệ thống……………………………………………. .171 1 3.1. Thiết bị đo………………………………………………………………………. .172 3.2. Thiết bị chấp hành và van điều khiển…………………………………… ………180 Chương 4. Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển các quá trình công nghệ………185 4.1. Chức năng và lĩnh vực ứng dụng……………………………………………………… ...185 4.2. Một số định nghĩa……………………………………………………………… ………..185 4.3. Hình dáng và kích thước của ký hiệu quy ước…………………………………………. .186 4.4. Mã chữ………………………………………………………………………………….. .188 4.5. Đường nét và tổ hợp các quy ước……………………………………………………….. 188 4.6. Ví dụ ứng dụng các ký hiệu cơ bản……………………………………………………… 192 Chương 5. Các sơ đồ tự động hóa các quá trình công ngh ệ………………………………200 5.1. Quá trình truyền (trao đổi) nhiệt…………………………………………………………200 5.2. Quá trình cô đặc, bốc hơi, chiết, kết tinh…………………………………………… …...203 5.3. Quá trình thiết bị phản ứng………………………………………………… ……………206 5.4. Quá trình chưng cất (chưng luyện)…………………………………………………… …208 5.5. Quá trình hấp thụ……………………………………………………………………… ...216 Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Văn Hòa. Cơ sở tự động điều khiển quá trình. NXBGD, 2007. [2]. Hoàng Minh Công. Giáo trình cảm biến công nghiệp, ĐHBK Đà Nẵng. NXBGD, 2007. [3]. Đào Văn Tân. Giáo trình tự động hóa và mô hình hóa quá trình l ọc dầu. Trường ĐH Mỏ-Địa Chất. HN, 2007. [4]. Hoàng Minh Sơn. Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình. NXB Bách Khoa HN, 2006. [5]. Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú. Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử. NXBKHKT, 2001. [6]. Nguyễn Minh Hệ. Giáo trình tự động hóa các quá trình công ngh ệ, 2004 [7]. Nguyễn Đình Lâm. Các thiết bị phụ trợ cho quá trình lọc dầu. [8]. Hoàng Dương Hùng. Giáo trình tự động hóa quá trình nhiệt, 2004. [9]. Page S. Buckley, William L. Luyben, Joseph P. Shunta. Design of distillation column control systems. Publishers Creative Services Inc., New York, 1985. 2 Bài mở đầu Giới thiệu chung về kỹ thuật đo và điều khiển quá trình Trong công nghiệp nói chung và công nghiệp dầu khí nói riêng, người ta cần phải đo và kiểm tra thường xuyên các đại lượng như: áp suất, nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng,…Đó là những quá trình đo liên tục. Các tín hiệu đo từ các cảm biến được gửi về các trung tâm xử lý số liệu. Do đó đảm bảo đo chính xác các thông số này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản xuất và chế biến dầu khí. Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp. Ngày nay các nhà máy, xí nghiệp đã và đang được trang bị các hệ thống điều khiển tự động ở mức độ cao với các thiết bị tiên tiến. Bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện, hay một nhà máy lọc dầu nào nhất định không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống điều khiển tự động. Hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho sự hoạt động của quy trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn. Cấu trúc các hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ rất đa dạng, nhưng có thể chia thành hai mức: mức thấp và mức cao. Mức thấp là các hệ thống điều chỉnh tự động để đảm bảo môi trường cần thiết cho quy trình công nghệ. Mức cao là hệ thống tự động hóa điều khiển quy trình công nghệ. Mục đích của hệ thống này không chỉ bảo đảm môi trường cần thiết cho quy trình công nghệ mà còn bảo đảm sao cho quy trình công ngh ệ đạt được chất lượng tốt nhất (điều khiển tối ưu). Mức độ tự động hóa các dây chuyền sản xuất ngày càng phải được nâng cao để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. ViÖc øng dông réng r·i Tù ®é ng ho¸ điều khiển quá trình c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ®ang lµ mét trong c¸c yÕu tè then chèt ®Ó thóc ®Èy tiÕn bé kü thuËt cña ngµnh c«ng nghÖ. Tù ®éng ho¸ lµ b­íc ph¸t triÓn logic cña c¬ khÝ ho¸ s¶n xuÊt. NÕu c¬ khÝ ho¸ thay thÕ lao ®éng c¬ b¾p cho con ng­êi th× tù ®éng ho¸ lµ b­íc tiÕp tôc ph¸t triÓn thay thÕ c¸c c¬ quan c¶m gi¸c vµ logic cña con ng­êi. Ta hiÓu Tù ®éng ho¸ điều khiển quá trình lµ sù øng dông c¸c dông cô, c¸c thiÕt bÞ vµ c¸c m¸y ®iÒu khiÓn. Nh÷ng ph­¬ng tiÖn kü thuËt nµy cho phÐp thùc 3 hiÖn c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ theo mét ch­¬ng tr×nh ®· ®­îc t¹o d ựng, phï hîp víi nh÷ng tiªu chuÈn cho tr­íc (c¸c ®iÒu kiÖn) mµ kh«ng cÇn sù tham gia trùc tiÕp cña con ng­êi. Nội dung của học phần trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về hệ thống tự động đo lường và điều khiển tự động các quy trình công nghệ. Những kiến thức này rất cần thiết cho các kỹ sư công nghệ. Nó sẽ giúp các kỹ sư công nghệ sử dụng tốt các hệ thống đo lường kiểm tra và điều khiển tự động phục vụ cho công tác nghiên cứu cũng như tiếp cận với hệ thống tự động hóa các quy trình công nghệ hiện nay. Các nội dung cơ bản bao gồm:  Cảm biến và chuyển đổi đo  Hệ thống điều khiển tự động 4 PHẦN I. HỆ THỐNG ĐO CÔNG NGHIỆP Chương 1. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ đo l−êng 1.1. Kh¸i niÖm ®o l−êng §o l−êng lμ khoa häc vÒ c¸c phÐp ®o, c¸c ph−¬ng ph¸p vμ c¸c c«ng cô ®¶m b¶o cho kết quả đo ®¹t ®−îc ®é chÝnh x¸c mong muèn. C¸c h−íng nghiªn cøu chÝnh cña ®o l−êng bao gåm: - C¸c lý thuyÕt chung vÒ phÐp ®o. - C¸c ®¬n vÞ vËt lý vμ hÖ thèng cña chó ng - C¸c ph−¬ng ph¸p vμ c«ng cô ®o , biện pháp nâng cao độ chính xác của phép đo. - Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o . - C¬ së b¶o ®¶m cho viÖc thèng nhÊt gi÷a phÐp ®o vμ rÊt nhiÒu c«ng cô thùc hiÖn nã. - C«ng cô ®o chuÈn vμ barem. - C¸c ph−¬ng ph¸p ®Ó chuyÓn ®¬n vÞ ®o tõ c«ng cô chuÈn hoÆc gèc ra c«ng cô lμm viÖc. PhÐp ®o lμ c«ng viÖc thùc hiÖn chÝnh cña ®o l−êng, ®ã lμ viÖc t×m ra gi¸ trÞ vËt lý b»ng c¸ch thÝ nghiÖm víi sù trî gióp c¶ c¸c c«ng cô kü thuËt ®Æc biÖt. Gi¸ trÞ t×m ®−îc gäi lμ kÕt qu¶ cña phÐp ®o. Hμnh ®éng thùc hiÖn trong qu¸ tr×nh ®o ®Ó cho ta kÕt qu¶ lμ mét ®¹i l−îng vËt lý gäi lμ qu¸ tr×nh ghi nhËn kÕt qu¶. Tuú thuéc vμo ®èi t−îng nghiªn cøu , vμo tÝnh chÊt cña c«ng cô ®o mμ ng−êi ta cÇn thùc hiÖn phÐp ®o ghi nhËn mét lÇn hay nhiÒ u lÇn. NÕu nh− cã mét lo¹t ghi nhËn th× kÕt qu¶ phÐp ®o nhËn ®−îc lμ kÕt qu¶ khi xö lý c¸c kÕt qu¶ tõ c¸c ghi nhËn ®ã. PhÐp ®o cã b¶n chÊt lμ qu¸ tr×nh so s¸nh ®¹i l−îng vËt lý cÇn ®o víi mét ®¹i l−îng vËt lý ®−îc dïng lμm ®¬n vÞ. KÕt qu¶ cña phÐp ®o ®−îc biÓu diÔn b»ng mét sè lμ tû lÖ cña ®¹i l−îng cÇn ®o víi ®¬n vÞ ®ã. Nh− vËy ®Ó thùc hiÖn phÐp ®o, ta cÇn thiÕt lËp ®¬n vÞ ®o, so s¸nh gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o víi ®¬n vÞ vμ ghi nhËn kÕt qu¶ so s¸nh ®−îc. n = Q/q Trong đó: Q - giá trị đại lượng cần đo q - giá trị đơn vị đo 5 n - chỉ số đo được Như vậy chỉ số đo được n không chỉ phụ thuộc vào giá trị cần đo Q mà còn phụ thuộc vào giá trị đơn vị đo q. 1.2. C¸c ph−¬ng ph¸p vμ biÖn ph¸p ®o l−êng c¬ b¶n C¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n cña kü thuËt ®o l−êng th−êng ®−îc chia thμnh: - Ph−¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp - Ph−¬ng ph¸p ®o gi¸n tiÕp - Ph−¬ng ph¸p ®o kết hợp, t−¬ng quan §o trùc tiÕp lμ ph−¬ng ph¸p dïng c¸c m¸y ®o hay c¸c mÉu ®o (c¸c chuÈn) ®Ó ®¸nh gi¸ sè l−îng cña ®¹i l−îng ®o ®−îc. KÕt qu¶ ®o ®−îc chÝnh lμ trÞ sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o, mμ kh«ng ph¶i tÝnh to¸n th«ng qua mét ph−¬ng tr×nh vËt lý nμ o liªn quan gi÷a c¸c ®¹i l−îng , giá trị đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với giá trị đơn vị đo để xác định chỉ số đo. Như vậy, để sử dụng phương pháp đo trực tiếp thì phải tồn tại giá trị đơn vị đo cụ thể. NÕu kh«ng tÝnh ®Õn sai sè, th× trÞ sè ®óng cña ®¹i l−îng cÇn ®o X sÏ b»ng kÕt qu¶ ®o ®−îc a: X=a C¸c vÝ dô vÒ ph−¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp nh−: ®o ®iÖn ¸p b»ng v«n -mÐt; ®o tÇn sè b»ng tÇn sè-mÐt, đo cường độ dòng điện bằng ampemét,.... §o trùc tiÕp th× phÐp ®o thùc hiÖn ®¬n gi¶n vÒ biÖn ph¸p kü thuËt, tiÕn hμnh ®o ®−îc nhanh chãng vμ lo¹i trõ ®−îc c¸c sai sè do tÝnh to¸n. §o gi¸n tiÕp lμ ph−¬ng ph¸p ®o mμ kÕt qu¶ ®o ®−îc kh«ng ph¶i lμ trÞ sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o, mμ lμ c¸c sè liÖu c¬ së ®Ó tÝnh ra trÞ sè cña ®¹i l−îng nμy. NghÜa lμ ë ®©y, X=F(a1, a2,..., an). Các thông số công nghệ thường là những đại lượng không điện như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng chảy, áp lực, vận tốc, độ ẩm,…Giá trị đơn vị đo các thông số này không tồn tại trong thực tế mà chỉ là giá trị trừu tượng. Do vậy để đo các đại lượng này phải dùng phương pháp đo gián tiếp. Nghĩa là giá trị đại lượng cần đo phải chuyển sang dạng tín hiệu khác và được so sánh với tín hiệu đơn vị để xác định giá trị đại lượng cần đo. C¸c vÝ dô vÒ ph−¬ng ph¸p ®o gi¸n tiÕp nh−: ®o c« ng suÊt b»ng v«n-mÐt vμ ampemÐt, ®o nhiÖt ®é theo suÊt ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt, ®o l­u l­îng cña dßng ch¶y b»ng ph­¬ng ph¸p chªnh ¸p biÕn ®æi, v.v… .... 6 Trong kü thuËt ®o l−êng, th«ng th−êng ng−êi ta m uèn tr¸nh ph−¬ng ph¸p ®o gi¸n tiÕp, v× tr−íc hÕt nã yªu cÇu tiÕn hμnh nhiÒu phÐp ®o (Ýt nhÊt lμ hai phÐp ®o) vμ th−êng lμ kh«ng nhËn biÕt ngay ®−îc kÕt qu¶ ®o. Song trong mét sè tr−êng hîp th× kh«ng thÓ tr¸nh ®−îc ph−¬ng ph¸p nμy. Trong phÐp ®o kÕt hîp kÕt qu¶ nhËn ®­îc b»ng c¸ch gi¶i hÖ ph­¬ng tr×nh, ®­îc x¸c lËp trªn c¬ së c¸c phÐp ®o trùc tiÕp (vÝ dô: x¸c ®Þnh hÖ sè nhiÖt ®é cña lß xo ¸p kÕ). PhÐp ®o gi¸n tiÕp cã øng dông réng r·i trong c«ng nghiÖp h¬n c¶, cßn phÐp ®o kÕt hîp chØ øng dông trong ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm vµ trong nghiªn cøu. HiÖn nay, kü thuËt ®o l−êng ®· ph¸t triÓn nhiÒu vÒ ph−¬ng ph¸p ®o t−¬ng quan. Nã lμ mét ph−¬ng ph¸p riªng, kh«ng n»m trong ph−¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp hay ph−¬ng ph¸p ®o gi¸n tiÕp. Ph−¬ng ph¸p t−¬ng quan dïng trong nh÷ng tr−êng hîp cÇn ®o c¸c qu¸ tr×nh phøc t¹p, mμ ë ®©y kh«ng thÓ thiÕt lËp mét quan hÖ hμm sè nμo gi÷a c¸c ®¹i l−îng lμ c¸c th«ng sè cña mét qu¸ tr×nh nghiªn cøu. VÝ dô: tÝn hiÖu ®Çu vμo vμ tÝn hiÖu ®Çu ra cña mét hÖ thèng nμo ®ã. Khi ®o mét th«ng sè cña tÝn hiÖu nμo b»ng ph−¬ng ph¸p ®o t−¬ng qua n, th× cÇn Ýt nhÊt lμ hai phÐp ®o mμ c¸c th«ng sè tõ kÕt qu¶ ®o cña chóng kh«ng phô thuéc lÉn nhau. PhÐp ®o nμy ®−îc thùc hiÖn bëi c¸ch x¸c ®Þnh kho¶ng thêi gian vμ kÕt qu¶ cña mét sè thuËt to¸n cã kh¶ n¨ng ®Þnh ®−îc trÞ sè cña ®¹i l−îng thÝch hîp. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o t−¬ng quan ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ®é dμi kho¶ng thêi gian cña qu¸ tr×nh xÐt. Khi ®o trùc tiÕp, thËt ra lμ ng−êi ®o ®· ph¶i gi¶ thiÕt hÖ sè t−¬ng quan gi÷a ®¹i l−îng ®o vμ kÕt qu¶ rÊt gÇn 1, mÆc dï cã sai sè do quy luËt ngÉu nhiªn cña qu¸ tr×n h biÕn ®æi g©y nªn. Ngoμi c¸c ph−¬ng ph¸p ®o c¬ b¶n nãi trªn, cßn mét sè c¸c ph−¬ng ph¸p ®o kh¸c th−êng ®−îc thùc hiÖn trong qu¸ tr×nh tiÕn hμnh ®o l−êng nh− sau: -Ph−¬ng ph¸p ®o thay thÕ: PhÐp ®o ®−îc tiÕn hμnh hai lÇn, mét lÇn víi ®¹i l−îng cÇn ®o vμ mét lÇn víi ®¹i l−îng ®o mÉu. §iÒu chØnh ®Ó hai tr−êng hîp ®o cã kÕt qu¶ chØ thÞ nh− nhau. -Ph−¬ng ph¸p hiÖu sè: PhÐp ®o ®−îc tiÕn hμnh b»ng c¸ch ®¸nh gi¸ hiÖu sè trÞ sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o vμ ®¹i l−îng mÉu. 7 -Ph−¬ng ph¸p vi sai, ph−¬ng ph¸p chØ thÞ kh«ng, ph−¬ng ph¸p bï, còng lμ nh÷ng tr−êng hîp riªng cña ph−¬ng ph¸p hiÖu sè. Chóng th−êng ®−îc dïng trong c¸c m¹ch cÇu ®o hay trong c¸c m¹ch bï. -Ph−¬ng ph¸p ®o th¼ng: kÕt qu¶ ®o ®−îc ®Þnh l−îng trùc tiÕp trªn thang ®é cña thiÕt bÞ chØ thÞ. TÊt nhiªn sù kh¾c ®é cña c¸c thang ®é nμy lμ ®· ®−îc lÊy chuÈn tr−íc víi ®¹i l−îng mÉu cïng lo¹i víi ®¹i l−îng ®o. -Ph−¬ng ph¸p rêi r¹c ho¸ (chØ thÞ sè): §¹i l−îng cÇn ®−îc ®o ®−îc biÕn ®æi thμnh tin tøc lμ c¸c xung rêi r¹c. TrÞ sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o ®−îc tÝnh b»ng sè xung t−¬ng øng nμy. 1.3. Ph©n lo¹i dông cô ®o Dông cô ®o cã thÓ ph©n lo¹i theo nhiÒu dÊu hiÖu kh¸c nhau. HiÖn nay th«ng th­êng ta ph©n lo¹i dông cô ®o theo c¸ch th«ng b¸o kÕt qu¶ ®o, theo ®¹i l­îng ®o vµ theo cÊp chÝnh x¸c (theo các cấp khác nhau). Theo c¸ch th«ng b¸o kÕt qu¶ ®o c¸c dông cô ®o ®­îc ph©n thµnh: dông cô tù chØ, dông cô tù ghi vµ ®ång hå tæng ghi. ë c¸c dông cô ®o tù chØ gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o cã thÓ ®­îc th«ng b¸o b»ng kim hoÆc hiÖn sè. Dông cô tù ghi ®­îc trang bÞ ph­¬ng tiÖn cho phÐp tù ®éng g hi kÕt qu¶ ®o trªn giÊy hoÆc trªn c¸c phÇn tö nhí. Dông cô tù ghi cã lo¹i mét ®iÓm ®o vµ lo¹i nhiÒu ®iÓm ®o. §ång hå tÝnh tæng (bé ®Õm) cho kÕt qu¶ tæng cña gi¸ trÞ ®o trong mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh. Bé ®Õm thùc hiÖn phÐp tÝnh tÝch ph©n gi¸ trÞ tøc t hêi cña ®¹i l­îng ®o theo hµm thêi gian. Theo ®¹i l­îng ®o (th«ng sè ®o) c¸c dông cô ®o ph©n thµnh dông cô ®o nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ ch©n kh«ng, l­u l­îng vµ sè l­îng, møc, thµnh phÇn chÊt l­îng vµ tr¹ng th¸i cña chÊt (khèi l­îng riªng, ®é nhít, ®é Èm v.v…) vµ c¸c th«ng sè kh¸c. 8 Ch−¬ng 2. §Þnh gi¸ sai sè trong đo l−êng Më ®Çu §o l−êng lμ mét ph−¬ng ph¸p vËt lý thùc nghiÖm nh»m môc ®Ých thu ®−îc nh÷ng th«ng tin vÒ ®Æc tÝnh sè l−îng cña mét ®èi t−îng hay mét qu¸ tr×nh cÇn nghiªn cøu. Nã ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch so s¸nh ®¹i l−îng cÇn ®o víi ®¹i l−îng ®· chän dïng lμm tiªu chuÈn, lμm ®¬n vÞ. KÕt qu¶ ®o ®¹c biÓu thÞ b»ng sè hay biÓu ®å; kÕt qu¶ ®o ®−îc nμy chØ lμ gi¸ trÞ gÇn ®óng, nghÜa lμ phÐp ®o cã sai sè. Ch−¬ng nμy sÏ nghiªn cøu vÒ c¸ch xö lý c¸c trÞ sè gÇn ®óng ®ã tøc lμ cÇn ®¸nh gi¸ ®−îc ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. 2.1. Nguyªn nh©n vμ ph©n lo¹i sai sè trong đo l−êng 2.1.1. Nguyªn nh©n g©y sai sè Kh«ng cã phÐp ®o nμo lμ kh«ng cã sai sè. VÊn ®Ò lμ khi ®o cÇn ph¶i chän dïng ph−¬ng ph¸p thÝch hîp, còng nh− cÇn chu ®¸o, thμ nh th¹o khi thao t¸c..., ®Ó h¹n chÕ sai sè c¸c kÕt qu¶ ®o sao cho ®Õn møc Ýt nhÊt. C¸c nguyªn nh©n g©y sai sè th× cã nhiÒu, ng−êi ta ph©n lo¹i nguyªn nh©n g©y sai sè lμ do c¸c yÕu tè kh¸ch quan vμ chñ quan g©y nªn. C¸c nguyªn nh©n kh¸ch quan vÝ dô nh−: dông cô ®o l−êng kh«ng hoμn h¶o, ®¹i l−îng ®o ®−îc bÞ can nhiÔu nªn kh«ng hoμn toμn ®−îc æn ®Þnh... C¸c nguyªn nh©n chñ quan , vÝ dô nh−: do thiÕu thμnh th¹o trong thao t¸c, ph−¬ng ph¸p tiÕn hμnh ®o kh«ng hîp lý... V× cã c¸c nguyªn nh©n ®ã vμ ta kh«ng thÓ tuyÖt ®èi lo¹i tr õ hoμn toμn ®−îc nh− vËy, nªn kÕt qu¶ cña phÐp ®o nμo còng chØ cho gi¸ trÞ gÇn ®óng. Ngoμi viÖc cè g¾ng h¹n chÕ sai sè ®o ®Õn møc Ýt nhÊt, ta cßn cÇn ®¸nh gi¸ ®−îc xem kÕt qu¶ ®o cã sai sè ®Õn møc ®é nμo. 2.1.2. Ph©n lo¹i sai sè C¸c sai sè m¾c ph¶i trong phÐp ®o cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i. Cã thÓ ph©n lo¹i theo nguån gèc sinh ra sai sè, theo quy luËt xuÊt hiÖn sai sè hay ph©n lo¹i theo biÓu thøc diÔn ®¹t sai sè. Ph©n lo¹i theo quy luËt xuÊt hiÖn sai sè ®−îc chia lμm hai lo¹i: sai sè hÖ thèng vμ sai sè ngÉu nhiªn.  Sai sè hÖ thèng 9 Sai sè nμy do nh÷ng yÕu tè th−êng xuyªn hay c¸c yÕu tè cã quy luËt t¸c ®éng. Nã khiÕn cho kÕt qu¶ ®o cã sai sè cña lÇn ®o nμo còng nh− nhau, nghÜa lμ kÕt qu¶ cña c¸c lÇn ®o ®Òu hoÆc lμ lín h¬n hay bÐ h¬n gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Tuú theo nguyªn nh©n t¸c dông, mμ sai sè hÖ thèng cã thÓ ph©n thμnh c¸c nhãm sau ®©y:  Do dông cô, m¸y mãc ®o chÕ t¹o kh«ng hoμn h¶o VÝ dô: kim chØ thÞ cña thiÕt bÞ chØ thÞ kh«ng chØ ®óng vÞ trÝ ban ®Çu, m¸y mãc kh«ng ®−îc chuÈn l¹i thang ®é víi c¸c m¸y chuÈn ...  Do ph−¬ng ph¸p ®o, hoÆc lμ do c¸ch chän dïng ph−¬ng ph¸p ®o kh«ng hîp lý; hoÆc khi xö lý kÕt qu¶ ®o, khi tÝnh to¸n ®Ó cho ®¬n gi¶n h¬n ®· tù ý bá qua mét sè yÕu tè nμo ®Êy.  Do khÝ hËu, vÝ dô nhiÖt ®é, ®é Èm khi tiÕn hμnh ®o kh¸c víi ®iÒu kiÖn k hÝ hËu tiªu chuÈn ®· quy ®Þnh trong quy tr×nh sö dông m¸y ®o...  Sai sè ngÉu nhiªn Sai sè ngÉu nhiªn lμ sai sè do c¸c yÕu tè biÕn ®æi bÊt th−êng, kh«ng cã quy luËt t¸c ®éng. Tuy ta ®· cè g¾ng thùc hiÖn ®o l−êng trong cïng mét ®iÒu kiÖn vμ chu ®¸o nh− nhau, nh−ng v× do nhiÒu yÕu tè kh«ng biÕt, kh«ng khèng chÕ ®−îc, nªn ®· sinh ra mét lo¹t kÕt qu¶ ®o kh¸c nhau. VÝ dô: do ®iÖn ¸p cung cÊp cña m¹ch ®o kh«ng æn ®Þnh, do biÕn thiªn khÝ hËu cña m«i tr−êng chung quanh x¶y ra trong qu¸ tr×nh ®o l−êng... Ngoμi hai lo¹i sai sè trªn, khi ®o ta cßn nhËn ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ c¸c lÇn ®o cã c¸c gi¸ trÞ sai kh¸c qu¸ ®¸ng (sai số thô). Nã th−êng do nh÷ng yÕu tè chñ quan cña ng−êi ®o g©y ra, nh− thiÕu chu ®¸o; hay do c¸c t¸c ®éng ®ét ngét cña bªn ngoμi. C¸c kÕt qu¶ ®o nμy qua suy xÐt chñ quan, ta cã thÓ biÕt ®−îc nã lμ c¸c gi¸ trÞ v« nghÜa vμ ta cã thÓ lo¹i bá ngay ®−îc. Th−êng ng−êi ta gäi c¸c kÕt qu¶ ®o nμy lμ c¸c trÞ sè ®o sai. 2.1.3. C¸c biÓu thøc diÔn ®¹t sai sè Th«ng th−êng c¸c sai sè hay ®−îc ph©n lo¹i theo biÓu thøc diÔn ® ¹t. Theo c¸ch ph©n lo¹i nμy th× cã hai lo¹i sau: sai sè tuyÖt ®èi vμ sai sè t−¬ng ®èi.  Sai sè tuyÖt ®èi Ng−êi ta ®Þnh nghÜa sai sè tuyÖt ®èi lμ trÞ tuyÖt ®èi cña hiÖu sè gi÷a hai gi¸ trÞ ®o 10 ®−îc vμ gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. NÕu gäi a lμ gi¸ trÞ ®o ®−îc, X lμ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o th×: x*=|a-X| [1] lμ sai sè tuyÖt ®èi. VÝ dô, nÕu dông cô ®o chØ gi¸ t rÞ nhiÖt ®é lµ a = 44 0C vµ gi¸ trÞ thùc cña nhiÖt ®é ®o b»ng dông cô ®o cã ®é chÝnh x¸c cao h¬n lµ: X= 450C, th× sai sè chØ thÞ cña dông cô ®o lµ X  1 0C. Trªn thùc tÕ, v× ch−a biÕt ®−îc X, nªn kh«ng ®Þnh l−îng cô thÓ ®−îc x*. Đưa ra: Sai số tuyệt đối giới hạn (x) : x ≥ x*. VD: Xác định sai số tuyệt đối giới hạn của số a=3,14 thay cho số Π Vì 3,14< Π < 3,15 nên │a- Π│< 0,01 suy ra x=0,01 Vì 3,14< Π < 3,142 nên │a- Π│< 0,002 suy ra x=0,002 Nên x không đơn trị. Nh−ng c¨n cø vμo dông cô ®o vμ kh¶ n¨ng ®¹t ®−îc chÝnh x¸c cña phÐp ®o, còng nh− thùc hiÖn c¸ch ®o nhiÒu lÇn, ta cã thÓ t×m ®−îc giíi h¹n cùc ®¹i cña x*: x*≤x vμ lÊy x lμ sai sè tuyÖt ®èi.  Sai sè t−¬ng ®èi Sai số tuyệt đối và sai số tuyệt đối giới hạn không thể hiện một cách đầy đủ mức độ chính xác của phép đo hoặc tính toán. Sai sè t−¬ng ®èi lμ tû sè cña sai sè tuyÖt ®èi vμ trÞ sè thùc cña ®¹i l−în g cÇn ®o: [2] Sai sè t−¬ng ®èi ®−îc biÓu thÞ d−íi d¹ng phÇn tr¨m (%). Sai sè t−¬ng ®èi nh− biÓu thøc (2) lμ sai sè t−¬ng ®èi ch©n thùc , nã ®óng theo ®Þnh nghÜa. Tuy vËy, nã kh«ng cã gi¸ trÞ trong thùc tiÔn tÝnh to¸n, v× ch−a biÕt ®−îc X. Sai số tương đối giới hạn (δ) : δ ≥ δx Trong tr−êng hîp x << X, vμ x << a (tøc lμ a vμ X coi nh− xÊp xØ nhau) 11 [3] Sai sè t−¬ng ®èi nh− biÓu thøc (3) lμ sai sè t−¬ng ®èi danh ®Þnh. Cßn cã lo¹i biÓu thøc sai sè t−¬ng ®èi kh¸c hay ®−îc dïng ®Ó ®¸nh gi¸ phÈm chÊt cña c¸c ®ång hå ®o. §ã lμ sai sè t−¬ng ®èi chiÕt hîp: [4] ë ®©y, A lμ giíi h¹n cùc ®¹i cña l−îng tr×nh thang ®o cña ®ång hå ®Ó ®o. Sai sè t−¬ng ®èi chiÕt hîp lμ cÊp chÝnh x¸c cña ®ång hå. Nã ®−îc ghi trùc tiÕp b»ng ch÷ sè lªn trªn mÆt ®ång hå ®o, cïng c¸c ký hiÖu kh¸c. VÝ dô nh− ë h×nh 2-1, ch÷ sè 1,5 ghi ë gãc lμ biÓu thÞ cÊp chÝnh x¸c cña ®ång hå ®o b»ng 1,5. Ví dụ: nÕu l­îng tr×nh thang ®o cña ®ång hå tõ 0 ®Õn 50 0C th× sai sè chiÕt hîp sÏ lµ: (-1x100%) / (50 - 0) = - 2% (khi X = -10C) Sai sè tuyÖt ®èi lμ mét ®¹i l−îng cã thø nguyªn. Sai sè t−¬ng ®èi lμ ®¹i l−îng kh«ng cã thø nguyªn. Khi ®¸nh gi¸ phÈm chÊt cña phÐp ®o th× sai sè t−¬ng ®èi biÓu thÞ ®Çy ®ñ h¬n vμ nã cßn cã thÓ dïng ®Ó so s¸nh ®é chÝnh x¸c gi÷a c¸c phÐp ®o c¸c ®¹i l−îng kh¸c nhau. VÝ dô: Khi ®o hai tÇn sè f1 = 100Hz, f2 = 1000Hz; c¶ hai ®Òu cã sai sè tuyÖt ®èi lμ f=±1Hz. NÕu nh− chØ so s¸nh b»ng sai sè tuyÖt ®èi th× hai phÐp ®o lμ nh− nhau. Nh−ng hai phÐp ®o cã ®é chÝnh x¸c kh¸c nhau; ®é chÝnh x¸c nμy ®−îc biÓu thÞ b»ng sai sè t−¬ng ®èi: 12 Nh− vËy phÐp ®o tÇn sè f2 cã ®é chÝnh x¸c cao h¬n phÐp ®o f1. 2.2. Một số khái niệm cơ bản về đo lường LÜnh vùc khoa häc ®Æc thï, nghiªn cøu c¸c ph­¬ng ph¸p vµ c¸c ph­¬ng tiÖn ®o gäi lµ ®o l­êng. Còng nh­ c¸c lÜnh vùc kh¸c, ®o l­êng cã nh÷ng kh¸i niÖm riªng cña m×nh.  ChuÈn ®o - lµ t¸i lËp vËt chÊt cña ®¬n vÞ ®o, gi¸ trÞ béi sè hoÆc ­íc sè cña ®¬n vÞ ®o (vÝ dô: c¸c qu¶ c©n).  Dông cô ®o - lµ thiÕt bÞ, nhê nã ta thùc hiÖn phÐp so s¸nh ®¹i l­îng ®o víi ®¬n vÞ ®o.  C¸c chuÈn mÉu vµ dông cô ®o mÉu - lµ c¸c chuÈn vµ dông cô dïng ®Ó b¶o qu¶n vµ phôc håi ®¬n vÞ ®o, ®Ó kiÓm ®Þnh vµ kh¾c ®é c¸c chuÈn vµ c¸c dông cô ®o kh¸c.  KiÓm ®Þnh - lµ thao t¸c so s¸nh c¸c chuÈn vµ dông cô ®o c«ng nghiÖp víi c¸c chuÈn vµ dông cô mÉu.  Kh¾c ®é - lµ thao t¸c g¸n gi¸ trÞ ë ®¬n vÞ ®o cho c ¸c v¹ch trªn thang ®o.  Thang ®o - lµ tæ hîp c¸c v¹ch, m« t¶ d·y tr×nh tù c¸c sè, øng víi c¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o.  BiÓu ®å - lµ giÊy cã l­íi täa ®é, dïng ®Ó ghi c¸c chØ thÞ cña dông cô ®o tù ghi.  ChØ sè ®o - lµ sè ®äc trong phÐp ®o theo chØ thÞ ë thang ®o hoÆc ë biÓu ®å.  V¹ch thang ®o - dÊu (dÊu g¹ch, dÊu chÊm, dÊu g¹ch nèi) øng víi tõng gi¸ trÞ riªng biÖt cña ®¹i l­îng ®o.  §iÓm kh«ng cña thang ®o - v¹ch thang ®o, øng víi gi¸ trÞ kh«ng cña ®¹i l­îng ®o. NÕu ®iÓm kh«ng lµ ®iÓm ®Çu hoÆc ®iÓm cuèi cña than g ®o, th× thang ®o thuéc lo¹i mét phÝa. Khi c¸c v¹ch thang ®o ph©n bè theo hai phÝa so víi ®iÓm kh«ng th× thang ®o thuéc lo¹i hai phÝa.  ChØ thÞ cña dông cô ®o - lµ gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o x¸c ®Þnh theo chØ sè ®o. 13  Giíi h¹n chØ thÞ cña dông cô ®o - gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o, øng víi c¸c ®iÓm ®Çu vµ ®iÓm cuèi cña thang ®o.  PhÇn lµm viÖc cña thang ®o - lµ phÇn cña thang ®o, trong giíi h¹n ®ã sai sè chØ thÞ cña dông cô ®o kh«ng v­ît qu¸ c¸c ®¹i l­îng qui ®Þnh.  H»ng sè cña dông cô ®o - lµ ®¹i l­îng cÇn nh©n víi chØ sè ®o ®Ó nhËn ®­îc gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o.  C¸c giíi h¹n ®o cña dông cô ®o - lµ c¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o, giíi h¹n miÒn, trong ph¹m vi ®ã sai sè chØ thÞ cña dông cô kh«ng v­ît qu¸ nh÷ng ®¹i l­îng qui ®Þnh, nghÜa lµ giíi h¹n phÇn lµm viÖc cña thang ®o.  HiÖu chØnh - lµ ®¹i l­îng cÇn ®­îc thªm (bít) vµo chØ thÞ cña dông cô ®o ®Ó nhËn ®­îc gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l­îng ®o. HiÖu chØnh b»ng sai sè chØ thÞ cña dông cô ®o, tÝnh víi dÊu ®¶o ng­îc.  HÖ sè ®iÒu chØnh - lµ thõa sè cÇn ®­îc nh©n víi chØ thÞ cña dô ng cô ®o ®Ó nhËn ®­îc gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l­îng ®o.  §é ph©n r· cña dông cô ®o - lµ hiÖu sè lín nhÊt (nhËn ®­îc trong thùc nghiÖm) gi÷a c¸c chØ thÞ sè cña dông cô ®o trong phÐp ®o lÆp l¹i øng víi mét gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l­îng ®o khi ®iÒu kiÖn bªn ngoµi kh «ng thay ®æi.  §é nh¹y cña dông cô ®o - lµ tû sè gi÷a ®é dÞch chuyÓn th¼ng hoÆc dÞch chuyÓn gãc cña kim chØ thÞ víi ®é thay ®æi gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o do ®é dÞch chuyÓn ®ã t¹o ra. §é nhËy tû lÖ nghÞch víi gi¸ trÞ v¹ch ®o.  Ng­ìng nhạy c¶m cña c¸c dông cô ®o - lµ ®é thay ®æi nhá nhÊt gi¸ trÞ cña ®¹i l­îng ®o, cã kh¶ n¨ng t¹o ra sù thay ®æi chØ thÞ cña dông cô ®o.  Kim chØ thÞ - lµ chi tiÕt (kim, tia s¸ng), cho phÐp ta ®äc chØ sè ®o trªn thang ®o.  Kho¶ng chia cña thang ®o - lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai trôc cña v¹c h ®o kÒ nhau thuéc thang ®o.  §é trÔ - lµ kho¶ng thêi gian, tÝnh tõ thêi ®iÓm cã sù biÕn ®æi cña ®¹i l­îng ®o ®Õn thêi ®iÓm chØ thÞ sù biÕn ®æi ®ã b»ng kim chØ thÞ cña dông cô ®o. §é trÔ ®Æc tr­ng cho qu¸n tÝnh cña dông cô ®o. 14  HÖ sè nhiÖt ®é - lµ sù thay ®æi t­¬ng ®èi chØ sè cña dông cô ®o khi nhiÖt ®é ®o ë bªn trong hoÆc ë m«i tr­êng xung quanh thay ®æi mét ®é.  C«ng thøc nhiÖt - lµ c«ng thøc m« t¶ quy luËt thay ®æi chØ sè cña dông cô ®o khi nhiÖt ®é cña dông cô ®o thay ®æi.  Sai sè cho phÐp - lµ gi¸ trÞ sai sè chØ thÞ lín nhÊt cña dông cô ®­îc v¨n b¶n ph¸p quy cho phÐp.  Sai sè c¬ b¶n - lµ sai sè chØ thÞ cña dông cô ®o x¸c ®Þnh trong c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc chuÈn, khi ¶nh h­ëng cña c¸c yÕu tè kh«ng thuËn lîi bªn ngoµi ®Õn phÐp ®o ë møc tèi thiÓu.  Sai sè bæ sung - lµ sai sè chØ thÞ cña dông cô ®o, ph¸t sinh d­íi t¸c ®éng cña nh÷ng ®iÒu kiÖn bªn ngoµi vµo dông cô ®o, khi ®iÒu kiÖn lµm viÖc kh«ng ph¶i lµ ®iÒu kiÖn chuÈn.  Sai sè dông cô: lµ sai sè cã nguyªn nh©n xuÊt hiÖn do tÝnh chÊt cña c¸c ph­¬ng tiÖn ®­îc sö dông trong phÐp ®o. Sai sè nµy ®­îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ®Æc tÝnh chÝnh x¸c cña tõng phÇn tö trong hÖ thèng vµ cña c¶ hÖ thèng ®o nãi chung. Nguyªn nh©n ph¸t sinh sai sè nµy ë sù ®iÒu chØnh kh«ng chuÈn x¸c cña tõng phÇn tö trong hÖ thèng,v.v…  CÊp chÝnh x¸c cña dông cô ®o (N): Gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña sai sè tuyÖt ®èi lín nhÊt cho phÐp, x¸c ®Þnh trong ®iÒu kiÖn chuÈn vµ thÓ hiÖn trong % cña giíi h¹n l­îng tr×nh thang ®o, ®­îc gäi lµ cÊp chÝnh x¸c cña dông cô ®o: N =100 │Xmax│/A. Khi biÕt cÊp chÝnh x¸c cña dông do ta cã thÓ x¸c ®Þnh sai sè lín nhÊt theo biÓu thøc │Xmax│ = NA/100. Nh­ vËy, dông cô ®o cÊp chÝnh x¸c 1 cã thÓ cã sai sè phÐp ®o kh«ng qu¸ 1% giíi h¹n l­îng tr×nh ®o. Tiªu chuÈn quy ®Þnh d·y cÊp chÝnh x¸c cña dông cô ®o: 0,006; 0,002; 0,06; 0,1; 0,2; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0;. Trong ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt sö dông chñ yÕu c¸c dông cô ®o cÊp chÝnh x¸c 0,6; 1,0; vµ 1,6. C¸c dông cÊp chÝnh x¸c 0,2 cßn Ýt ®­îc sö dông trong ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt v× gi¸ thµnh cao vµ kÕt cÊu phøc t¹p, cßn 15 c¸c dông cô cÊp chÝnh x¸c 2,5 vµ 4,0 ngµy mét Ýt sö dông v× ®é chÝnh x¸c qu¸ thÊp, kh«ng tháa m·n c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ ngµy cµng kh¾t khe. 2.3. Các phương pháp khử sai số và xác định kết quả đo Sau khi ®o, ®Ó hiÖu chØnh vμ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ ®o, ta cã thÓ lo¹i bá c¸c s ai sè hÖ thèng ®−îc. Sù xö lý nμy ®−îc thùc hiÖn ®¬n gi¶n b»ng phÐp céng ®¹i sè (cã kÓ c¶ dÊu), khi mμ ®· ®Þnh l−îng ®−îc gi¸ trÞ cña sai sè hÖ thèng. Dï lμ sai sè hÖ thèng cña mét hay nhiÒu nguyªn nh©n th× ta cã thÓ hiÖu chØnh ®−îc, vÝ dô nh− b»ng c¸ch chuÈn l¹i m¸y mãc thiÕt bÞ ®o víi m¸y mÉu,… Víi sai sè ngÉu nhiªn, ta kh«ng thÓ xö lý ®−îc. V× kh«ng biÕt gi¸ trÞ sai sè lμ bao nhiªu, vμ theo chiÒu h−íng nμo, lín h¬n hay bÐ h¬n gi¸ trÞ thùc tÕ. §Ó cã thÓ “®Þnh l−îng” ®−îc gi¸ trÞ sai sè ngÉu nhiªn, tøc lμ ®¸nh gi¸ ®−îc ®é chÝnh x¸c cña kÕt qu¶ ®o, th× ng−êi ta dïng c«ng cô to¸n häc lμ lý thuyÕt x¸c suÊt vμ thèng kª. Giá trị thực của đại lượng cần đo có thể xác định bằng hai cách. Cách thứ nhất: X là kết quả đo của hệ thống đo mà ta biết có độ chính xác cao. Đó là thiết bị đo chuẩn được trang bị cho các trung tâm đo lư ờng, kiểm định với giá thành rất cao không thể sử dụng trong công nghiệp. Trong trường hợp hợp không có thiết bị đo chuẩn mà cần đánh giá độ chính xác của hệ thống đo thì ta dùng phương pháp thống kê bằng cách đo nhiều lần cùng một giá trị trong cùng một điều kiện như nhau. Giá trị thực của đại lượng cần đo được xác định bằng giá trị trung bình cộng của các lần đo đó theo công thức: X   k X i  1 k k – số lần đo Xi: kết quả đo của lần thứ i 16 i Theo lý thuyết, số lần đo k càng lớn thì giá trị X xác định được càng gần với giá trị thực và khi k ∞, X sẽ đạt đến giá trị thực tuyệt đối. Khi đó, sai số đo của hệ thống được xác định theo công thức: k   Xi i 1 k 1 - phương sai của phép đo. Trong đó: Xi = X - Xi : sai số đo thứ i Sai số còn có thể phân thành hai loại: sai số cơ bản ∆xc và sai số phụ ∆xp. Sai số cơ bản là sai số tồn tại khi điều kiện làm việc của thiết bị tuân thủ đầy đủ theo yêu cầu của nhà chế tạo. Sai số phụ là sai số sinh ra khi điều kiện làm việc của thiết bị không tuân thủ đầy đủ theo yêu cầu của nhà chế tạo. Cách xác định các sai số của thiết bị đều được chỉ ra trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị và người sử dụng phải xác định cả hai sai số này. Sai số của phép đo được xác định theo biểu thức: ∆x = ∆xc + ∆xp Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: X ± ∆x §Ó ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ cña phÐp ®o, ta ph¶i giíi h¹n, ®Þnh l−îng ®− îc sai sè ngÉu nhiªn. Muèn lμm ®−îc ®iÒu nμy, th× cÇn t×m ®−îc quy luËt ph©n bè cña nã. §Ó t×m ®−îc, ng−êi ta dïng c«ng cô to¸n häc cÇn thiÕt cho viÖc nghiªn cøu sù ph©n bè lμ lý thuyÕt x¸c suÊt vμ thèng kª. Víi sai sè cña mçi lÇn ®o riªng biÖt, sau khi ta ®· lo¹ i bá sai sè hÖ thèng råi th× nã hoμn toμn cã tÝnh chÊt cña mét sù kiÖn ngÉu nhiªn. KÕt qu¶ cña lÇn ®o nμy hoμn toμn kh«ng phô thuéc g× víi kÕt qu¶ cña lÇn ®o kh¸c, v× c¸c lÇn ®o ®Òu riªng biÖt, vμ ®Òu chÞu nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o mét c¸ch ngÉu nhiªn kh¸c nhau. Víi mçi lÇn ®o chØ cho ta mét kÕt qu¶ nμo ®ã. Nh− vËy, dïng phÐp tÝnh x¸c suÊt ®Ó nghiªn cøu, tÝnh to¸n c¸c sai sè ngÉu nhiªn, th× cÇn thùc hiÖn c¸c ®iÒu kiÖn sau: - TÊt c¶ c¸c lÇn ®o ®Òu ph¶i tiÕn hμnh víi ®é chÝnh x¸c nh− nhau. NghÜa lμ kh«ng nh÷ng cïng ®o ë mét m¸y, trong cïng mét ®iÒu kiÖn, mμ víi c¶ sù thËn träng, chu ®¸o nh− nhau. - Ph¶i ®o nhiÒu lÇn. PhÐp tÝnh x¸c suÊt chØ ®óng khi cã mét sè nhiÒu c¸c sù kiÖn. 17 C¸ch gi¶m tèi thiÓu trÞ sè sai sè ngÉu nhiªn Nh− ta ®· biÕt, sai sè ngÉu nhiªn th× kh«ng thÓ x¸c ® Þnh tr−íc vμ lo¹i bá nh− lo¹i bá sai sè hÖ thèng ®−îc. §iÒu cã thÓ lμm lμ gi¶m tèi thiÓu nã b»ng c¸ch xö lý kÕt qu¶ ®o mét c¸ch thÝch hîp trªn c¬ së nghiªn cøu lý thuyÕt sai sè ®o l−êng b»ng c¸ch sö dông c¸c quy luËt ph©n bè ngÉu nhiªn vμ c«ng cô tÝnh to¸n lμ phÐp tÝnh thèng kª, x¸c suÊt. Nh− vËy, sai sè ngÉu nhiªn ®−îc tÝnh to¸n víi mét sè h÷u h¹n n lÇn ®o, cã tr×nh tù nh− sau: -TÝnh trÞ sè trung b×nh céng cña n lÇn ®o: ë ®©y ai lμ kÕt qu¶ ®o thø i, mμ ®· lo¹i bá sai sè hÖ thèng. -TÝnh sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng: NÕu tiÕn hμnh ®o rÊt nhiÒu lÇn, cã thÓ coi nh− lμ mét sè liÖu kÕt qu¶ ®o ®−îc, ®Ó råi l¹i cã thÓ xÐt sù ph©n bè ngÉu nhiªn cña tËp hîp n kÕt qu¶ ®o b»ng c¸c a , ta cã gi¸ trÞ trung b×nh b×nh ph−¬ng cña c¸c a lμ: §Ó ®¶m b¶o ®é tin cËy phÐp ®o, th−êng lÊy P=0,997, khi ®ã trÞ sè sai sè cùc ®¹i M=3δ a . KÕt qu¶ ®o lμ: 18 Chương 3. Cảm biến đo và chuyển đổi đo 3.1. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản Phần tử thực hiện chức năng chuyển giá trị đại lượng cần đo sang dạng tín hiệu khác được gọi là cảm biến đo (CBĐ). Cảm biến đo là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống đo lường, thu thập tín hiệu để điều khiển. Tuy nhiên tín hiệu ra của cảm biến đo chưa thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vì nó không thích hợp với dạng tín hiệu được sử dụng trong hệ thống thiết bị điều khiển. Vì vậy phải được chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác cho thích hợp với dạng tín hiệu trong hệ thống. Phần tử thực hiện chức năng này gọi là chuyển đổi đo (CĐĐ). Sơ đồ khối cấu trúc của một hệ thống đo thu thập số liệu để điều khiển trong công nghiệp được mô tả như sau: Y Y1 Y2 Y3 Q Yk CBĐ CĐĐ1 CBĐ2 CBĐ3 CBĐk 3.1.1. Cảm biến đo (CBĐ): CBĐ là thiết bị thu nhận giá trị đại lượng cần đo và chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác dựa trên các hiện tượng xảy ra trong lòng nó Q Y CBĐ Mô hình cảm biến đo Nói cách khác, cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo thành các đại lượng đo chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo. Các đại lượng cần đo có tính chất điện hoặc không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lực,…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…) Đặc điểm cơ bản của cảm biến đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra y của nó với giá trị đại lượng cần đo Q. Mối liên hệ này có thể biểu diễn bằng bảng số hoặc dưới dạng công thức y=f(Q). Cảm biến đo tuyến tính: có mối liên hệ y và Q được mô tả dưới dạng hàm tuyến tính: y=a.Q hoặc y=a.Q+b, trong đó: a,b là hằng số. Cảm biến đo phi tuyến: mối liên hệ giữa y và Q không được mô tả 19 bằng hàm tuyến tính. Cảm biến đo tuyến tính ưu việt hơn cảm biến đo phi tuyến vì khi sử dụng cảm biến đo tuyến tính thì việc gia công số liệu tiếp theo sẽ đơn giản hơn khi sử dụng cảm biến đo phi tuyến. Do đó, nên chọn cảm biến đo tuyến tính.  Độ nhạy của cảm biến đo: là sự thay đổi giá trị tín hiệu ra của cảm biến đo khi đại lượng cần đo thay đổi một đơn vị. Ký hiệu là ɛ . Như vậy, đối với cảm biến đo tuyến tính độ nhạy có giá trị không đổi, còn đối với cảm biến đo phi tuyến tính độ nhạy của nó thay đổi. Nếu đặc tuyến của cảm biến đo phi tuyến được biểu diễn dưới dạng hàm số liên tục y=f(Q) thì độ nhạy của nó là ɛ =f’(Q). Trong trường hợp đặc tuyến của cảm biến đo được biểu diễn dưới dạng bảng số thì độ nhạy được xác định bằng tỷ số biến thiên của tín hiệu ra ∆y so với biến thiên của đại lượng cần đo ∆Q nghĩa là ɛ =∆y/∆Q. Sử dụng cảm biến đo có độ nhạy lớn hơn sẽ ưu việt hơn. Độ nhạy của cảm biến đo càng lớn thì việc gia công số liệu tiếp theo sẽ càng đơn giản.  Giới hạn đo: là giá trị giới hạn của đại lượng cần đo mà cảm biến đo có thể thu nhận và chuyển đổi đảm bảo độ chính xác cần thiết và không làm hư hỏng cảm biến đo. Như vậy khi tiến hành đo phải đảm bảo giới hạn đo phải nhỏ hơn giới hạn của cẩm biến đo, nếu không thì sẽ làm phép đo không chính xác ho ặc làm hỏng CBĐ.  Thời gian quá độ của cảm biến đo: là khoảng thời gian cần thiết để tiến hành một lần đo riêng lẻ, nghĩa là thời gian từ thời điểm khi cảm biến đo được tiếp xúc với môi trường đo cho đến thời điểm tín hiệu ra đạt trạng thái cân bằng (không thay đổi nữa với thời gian khi giá trị đại lượng cần đo thay đổi). Cảm biến đo có thời gian quá độ càng ngắn càng tốt.  Sai số của cảm biến: gồm hai loại sai số cơ bản và sai số phụ. Sai số cơ bản được biểu diễn dưới dạng hàm số mối liên hệ giữa sai số của tín hiệu ra với giá trị đại lượng cần đo ∆yc=f(Q). Sai số phụ ∆np=f(∆K), ∆K là sự sai khác giữa điều kiện làm việc và điều kiện theo yêu cầu của nhà chế tạo. ∆ncb=∆yc/ɛ 20 + ∆np