Mạch đo là gì? Sơ đồ và Các thành phần của mạch đo
Nội dung chính [Hiện]
Mạch đo là một thành phần quan trọng trong công nghệ đo lường, được sử dụng để đo lường các thông số vật lý, hóa học hoặc điện tử của một đối tượng hoặc một hệ thống. Mạch đo được thiết kế để chuyển đổi tín hiệu đo từ đơn vị vật lý sang đơn vị điện áp hoặc dòng điện có thể đo được. Đây là một công cụ quan trọng giúp đo lường chính xác các đại lượng vật lý và điều khiển quá trình sản xuất, kiểm tra chất lượng và nghiên cứu khoa học.
Mạch đo là gì?
Mạch đo là một mạch điện tử được thiết kế để đo đạc các thông số điện học như điện áp, dòng điện, trở kháng và tần số. Mạch đo thường được sử dụng trong các thiết bị đo lường và kiểm tra để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả đo đạc. Các mạch đo có thể được thiết kế để phù hợp với các yêu cầu đặc biệt của các ứng dụng cụ thể.
Mạch đo bao gồm đầy đủ các thiết bị đo (bao gồm cả cảm biến) nhằm đo chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong điều kiện tốt nhất có thể. Ở điểm đầu vào của mạch, cảm biến sẽ thu nhận tác động của đại lượng cần đo và tạo ra tín hiệu điện mang theo thông tin về giá trị của đại lượng đó. Tại điểm đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã được xử lý sẽ được chuyển đổi sang dạng giá trị có thể đọc trực tiếp, tương ứng với giá trị của đại lượng cần đo. Việc hiệu chuẩn hệ thống đo đạt được sẽ đảm bảo rằng mỗi giá trị của chỉ số tại điểm đầu ra tương ứng với một giá trị duy nhất của đại lượng đo tác động tại điểm đầu vào của mạch.
Sơ đồ mạch đo
Một dạng đơn giản của mạch đo bao gồm một cảm biến, một bộ phận đổi tín hiệu và một thiết bị chỉ thị. Ví dụ, mạch đo nhiệt độ sử dụng một cặp nhiệt ghép kết nối trực tiếp với một milivon kế.
Sơ đồ mạch điện đo bằng cặp nhiệt
-
Máy phát chức năng
-
Cảm biến điện tích
-
Truyền khuếch đại
-
So pha lọc nhiễu
-
Khuếch đại
-
Chuyển đổi tương tự số
-
Máy tính
Trên thực tế, để đáp ứng các yêu cầu đa dạng của quá trình đo đạc, mạch đo thường được thiết kế với nhiều thành phần khác nhau đã được tối ưu hóa để thu thập và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả. Các thành phần này bao gồm mạch tuyến tính hóa tín hiệu từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ lọc nhiễu theo pha, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số, bộ vi xử lý và các thiết bị hỗ trợ khác.
Xem thêm: Mạch khuếch đại là gì? Nguyên lý hoạt động và chức năng
Một số thành phần cơ bản của mạch đo
Bộ khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại thuật toán trong mạch đo là một tập hợp các thành phần điện tử được sử dụng để tăng độ nhạy và độ chính xác của tín hiệu đo trong các ứng dụng đo lường. Bộ khuếch đại thuật toán thường được sử dụng trong các hệ thống đo lường yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt là trong các ứng dụng khoa học, công nghiệp và y tế.
Bộ khuếch đại thuật toán có thể được thiết kế dưới dạng các mạch điện tử sử dụng các thành phần như tụ điện, điện trở, transistor, hoặc các IC (mạch tích hợp) chuyên dụng. Chức năng chính của bộ khuếch đại thuật toán là tăng độ lớn của tín hiệu đầu vào, giúp cải thiện độ nhạy của hệ thống đo và giảm nhiễu trong quá trình khuếch đại tín hiệu.
Bộ khuếch đại thuật toán có thể được sử dụng trong nhiều loại ứng dụng đo lường, chẳng hạn như đo lường nhiệt độ, áp suất, dòng điện, điện áp, độ ẩm, độ dẫn điện, và nhiều loại tín hiệu khác. Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng số để xử lý bởi các thiết bị điện tử khác như vi xử lý, vi điều khiển hay máy tính để đưa ra các kết quả đo lường chính xác và đáng tin cậy. Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình.
Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:
-
Độ lớn khuếch đại (Gain): Đây là đặc tính quan trọng nhất của bộ khuếch đại thuật toán, xác định mức độ tăng của tín hiệu đầu vào sau khi được khuếch đại. Độ lớn khuếch đại thường được đo bằng đơn vị độ lớn (V/V) hoặc (A/A), và có thể được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng đo.
-
Dải tần số (Bandwidth): Đây là dải tần số mà bộ khuếch đại thuật toán có thể hoạt động hiệu quả. Độ rộng của dải tần số này cần phù hợp với dải tần số của tín hiệu đầu vào để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo. Dải tần số của bộ khuếch đại thuật toán có thể được thiết kế tùy thuộc vào ứng dụng đo cụ thể.
-
Độ nhiễu (Noise): Độ nhiễu của bộ khuếch đại thuật toán đo lường khả năng giữ nguyên độ chính xác của tín hiệu đầu vào khi nó được khuếch đại. Độ nhiễu của bộ khuếch đại thuật toán càng thấp, càng giúp đảm bảo tính chính xác của dữ liệu đo.
-
Độ chính xác (Accuracy): Độ chính xác của bộ khuếch đại thuật toán đo lường khả năng giữ nguyên đúng giá trị của tín hiệu đầu vào sau khi được khuếch đại. Độ chính xác của bộ khuếch đại thuật toán cần phù hợp với yêu cầu độ chính xác của ứng dụng đo lường cụ thể.
-
Điện áp hoạt động (Operating voltage): Đây là dải điện áp mà bộ khuếch đại thuật toán có thể hoạt động một cách đáng tin cậy. Điện áp hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán cần phù hợp với điện áp nguồn của hệ thống đo lường.
-
Tiêu thụ công suất (Power consumption): Tiêu thụ công suất của bộ khuếch đại thuật toán là yếu tố quan trọng, đặc biệt là trong các ứng dụng đo lường di động hoặc yêu cầu tiết kiệm năng lượng. Tiêu thụ công suất của bộ khuếch đại thuật toán cần được kiểm soát để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống đo.
-
Độ ổn định (Stability): Độ ổn định của bộ khuếch đại thuật toán đo lường khả năng giữ nguyên đúng giá trị của tín hiệu đầu vào trong thời gian dài và trong các điều kiện môi trường khác nhau. Độ ổn định của bộ khuếch đại thuật toán cần được đảm bảo để đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu đo.
-
Thời gian phản hồi (Response time): Thời gian phản hồi của bộ khuếch đại thuật toán là thời gian cần thiết để đáp ứng đúng với thay đổi của tín hiệu đầu vào. Thời gian phản hồi của bộ khuếch đại thuật toán cần được đảm bảo phù hợp với yêu cầu thời gian thực của ứng dụng đo lường.
-
Chi phí (Cost): Chi phí của bộ khuếch đại thuật toán là yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống đo lường. Bộ khuếch đại thuật toán cần có chi phí phù hợp với nguồn lực và ngân sách của dự án đo lường.
Tóm lại, bộ khuếch đại thuật toán trong mạch đo cần có độ lớn khuếch đại, dải tần số, độ nhiễu, độ chính xác, điện áp hoạt động, tiêu thụ công suất, độ ổn định, thời gian phản hồi và chi phí phù hợp để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng đo lường cụ thể.
Bộ khuếch đại đo lường IA
Bộ khuếch đại đo lường IA trong mạch đo là một thành phần quan trọng trong các hệ thống đo lường tự động được tích hợp với trí tuệ nhân tạo (IA). Bộ khuếch đại này được sử dụng để khuếch đại tín hiệu đo lường từ các cảm biến hoặc nguồn tín hiệu khác, sau đó nó chuyển đổi tín hiệu này thành dạng dữ liệu kỹ thuật số để xử lý và phân tích bởi các thuật toán IA.
Bộ khuếch đâị đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra. Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào:
Bộ khuếch đại đo lường IA
Đầu vào vi sai đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình khử nhiễu trong chế độ chung và tăng điện trở đầu vào của khuếch đại thông tin. Điện áp trên R(a) phải bằng điện áp vi sai đầu vào ΔU và tạo thành dòng điện i = ΔU/R(a). Hai điện áp ra từ khuếch đại thông tin U1 và U2 phải có cùng biên độ nhưng ngược pha. Điện áp U3 của tầng thứ hai chuyển đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực. Hệ số khuếch đại tổng của IA được tính như sau:
Bộ khử lệch điện áp
Bộ khử lệch điện áp trong mạch đo là một thành phần quan trọng trong các hệ thống đo lường để giảm thiểu hoặc loại bỏ những sai số có thể xảy ra do lệch điện áp. Bộ khử lệch điện áp thường được sử dụng để điều chỉnh và đồng bộ hoá các tín hiệu đo từ các cảm biến hoặc nguồn tín hiệu khác để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu đo.
Các chức năng cơ bản của bộ khử lệch điện áp trong mạch đo bao gồm:
-
Điều chỉnh điện áp đầu vào (Voltage offset adjustment): Bộ khử lệch điện áp có khả năng điều chỉnh hoặc khử lệch điện áp đầu vào của tín hiệu đo để đưa về mức đúng theo yêu cầu của hệ thống đo lường. Điều này giúp loại bỏ hoặc giảm thiểu sai số do lệch điện áp gây ra.
-
Điều chỉnh điện áp đầu ra (Voltage gain adjustment): Bộ khử lệch điện áp có khả năng điều chỉnh độ lớn của tín hiệu đầu ra để đồng bộ với dải giá trị đo của hệ thống đo lường. Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và nhất quán của dữ liệu đo.
-
Loại bỏ nhiễu điện áp (Noise filtering): Bộ khử lệch điện áp có khả năng loại bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu điện áp không mong muốn từ các nguồn nhiễu bên ngoài như nhiễu từ, nhiễu điện từ, hay nhiễu môi trường. Điều này giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu đo.
-
Bảo vệ quá điện áp (Over-voltage protection): Bộ khử lệch điện áp cũng có tính năng bảo vệ quá điện áp, giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống đo lường và thiết bị liên quan khỏi các tác động có thể xảy ra từ quá trình đo lường.
-
Tương thích điện áp (Voltage compatibility): Bộ khử lệch điện áp cần phải tương thích với điện áp hoạt động của hệ thống đo lường, đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống đo lường.
-
Độ ổn định (Stability): Bộ khử lệch điện áp cần có độ ổn định cao trong quá trình hoạt động để đảm bảo tính tin cậy và độ chính xác của dữ liệu đo. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đo lường đòi hỏi độ ổn định cao như đo lường chính xác, theo dõi quá trình sản xuất hoặc kiểm tra chất lượng sản phẩm.
-
Hiệu suất cao (High performance): Bộ khử lệch điện áp cần có hiệu suất cao để đáp ứng được yêu cầu đo lường của hệ thống, bao gồm độ chính xác, độ phân giải, độ nhạy, và độ tin cậy cao.
Bộ khử lệch điện áp trong mạch đo là một công cụ quan trọng để đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao trong quá trình đo lường. Nó giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ các sai số do lệch điện áp gây ra, đồng bộ hoá tín hiệu đo và đảm bảo tính chính xác của dữ liệu đo. Việc lựa chọn và sử dụng bộ khử lệch điện áp phù hợp là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và xây dựng các hệ thống đo lường chính xác và đáng tin cậy.
Mạch lặp lại điện áp
Mạch lặp lại điện áp trong mạch đo là một phần quan trọng của các hệ thống đo lường, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao. Mạch lặp lại điện áp được sử dụng để nhân bản và tái tạo một tín hiệu điện áp đầu vào ban đầu, giúp đồng bộ hóa tín hiệu đo và giảm thiểu sai số do biến động của nguồn cung cấp điện áp gây ra.
Các đặc tính cơ bản của mạch lặp lại điện áp trong mạch đo gồm:
-
Độ chính xác: Mạch lặp lại điện áp cần đạt độ chính xác cao để đảm bảo tính chính xác của tín hiệu đầu vào và tín hiệu được tái tạo. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đo lường yêu cầu độ chính xác cao như đo lường độ chính xác của thiết bị, đo lường nhiệt độ, hay đo lường áp suất.
-
Độ phân giải: Mạch lặp lại điện áp cần có độ phân giải đủ cao để có thể tái tạo lại các giá trị điện áp ban đầu với độ chính xác cao. Điều này đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu đo được thu thập.
-
Độ ổn định: Mạch lặp lại điện áp cần có độ ổn định cao trong quá trình hoạt động để đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu đo. Sự ổn định của mạch lặp lại điện áp đồng nghĩa với việc độ chính xác của tín hiệu tái tạo được duy trì trong thời gian dài và trong mọi điều kiện hoạt động.
-
Độ tin cậy: Mạch lặp lại điện áp cần có tính tin cậy cao để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống đo lường. Điều này đồng nghĩa với việc độ chính xác của tín hiệu tái tạo được duy trì trong thời gian dài và không bị gián đoạn.
Mạch lặp lại điện áp trong mạch đo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu
Mạch cầu
Mạch cầu trong mạch lọc là một loại mạch được sử dụng trong các ứng dụng lọc tín hiệu điện để lọc bớt các tần số không mong muốn hoặc để chọn lọc các tín hiệu có tần số mong muốn. Mạch cầu thường được sử dụng trong các thiết bị lọc tín hiệu điện như bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter), bộ lọc thông cao (High Pass Filter), bộ lọc thông qua (Band Pass Filter), hoặc bộ lọc từ chối dải (Band Reject Filter) để giúp điều chỉnh đường cong đáp ứng tần số của mạch đo lường hoặc hệ thống điện tử.
Mạch cầu trong mạch lọc thường bao gồm một mạch tổ hợp của các linh kiện điện tử như tụ điện, cuộn cảm, điện trở và các yếu tố khác, được kết nối theo một cấu trúc cầu hoặc mạch đồng cực, tạo ra một mạch lọc có tính chất lọc tín hiệu điện mong muốn. Mạch cầu có thể được điều chỉnh hoặc cài đặt các tham số của nó để đạt được đáp ứng tần số mong muốn, dựa trên nguyên tắc hoạt động và thiết kế của mạch cầu.
Mạch cầu trong mạch lọc là một công cụ quan trọng trong công nghệ đo lường và xử lý tín hiệu điện, được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như điện tử, viễn thông, âm thanh, điện lạnh và nhiều lĩnh vực công nghệ khác.
Cầu Wheatstone bao gồm một mạch cân bằng với 4 đoạn điện trở, được kết nối theo dạng cầu, với một nguồn điện được kết nối vào hai đỉnh của cầu và đo lường đến sự chênh lệch điện áp giữa hai đỉnh còn lại. Khi cân bằng, tức là đo lường điện áp giữa hai đỉnh còn lại bằng không, ta có thể tính toán giá trị của một đoạn điện trở chưa biết dựa trên giá trị của các đoạn điện trở đã biết và các thông số của mạch cầu.
Trong mạch cầu, điện áp ra thường có dạng phi tuyến, tuy nhiên với biến đổi nhỏ (Δ<0.05), ta có thể xem như nó là tuyến tính. Khi R1=R2 và R3=R4, độ nhạy của cầu đạt giá trị cực đại. Trong trường hợp R1>>R2 hoặc R2>>R1, điện áp ra của cầu sẽ giảm đi. Ta đặt K=R1/R2, và độ nhạy của cầu được tính như sau:
Các đặc tính cơ bản và chức năng của mạch đo
Mỗi mạch đo đều có những đặc tính kỹ thuật cụ thể quyết định tính chất, tác dụng của mạch đo đó, tùy từng mạch đo sẽ có đặc tính riêng biệt, tuy nhiên có thể xét những đặc tính cơ bản chung của các loại mạch đo khác nhau
Chức năng và phạm vi làm việc
-
Chức năng của mạch đo: chức năng cơ bản của mạch đo là thực hiện các phép tính.
-
Phạm vi của mạch đo
Sai số trong mạch đo
Sai số trong mạch đo chia làm 2 loại
-
Sai số của chính bản thân mạch đo gây ra bởi những sự biến động về quan hệ tương hỗ ( hàm truyền đạt)
-
Sai số do sự kết hợp các đại lượng vào
Đặc tính động của mạch đo
Khi đo các đại lượng biến thiên theo thời gian yêu cầu mạch đo phải đáp ứng được các đặc tính động yêu cầu.
Đặc tính động của mạch đo phải đảm bảo để cho sai số của mạch đo không vượt quá sai số cho phép của thiết bị đo. Do đó khi xét đặc tính động ta phải xét đến hàm truyền đạt của mạch đo.
Ngoài nhiệm vụ thực hiện các phép gia công , mạch đo còn có nhiệm vụ nối các khâu với nhau hay nói cách khác là có nhiệm vụ phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra của các khâu.
Kết luận
Trên đây là những thông tin về mạch đo, sơ đồ đo và các đặc tính cũng như chức năng của mạch đo. Hy vọng những thông tin do Điện Tử Số cung cấp mang lại những thông tin bổ ích cho các bạn đọc. Mọi thắc mắc vui lòng để lại dưới bình luận để được giải đáp.
