Industry Instrument: HIỆU CHUẨN

HIỆU CHUẨN

Sunday, August 27, 2017

HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG | P4 - LỖI HIỆU CHUẨN THƯỜNG GẶP

in CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐO LƯỜNG HIỆU CHUẨN on August 27, 2017 2 Comments

Việc xác định hiệu quả và khắc phục lỗi hiệu chuẩn của thiết bị đo là một nhiệm vụ quan trọng của kỹ thuật viên đo lường. Đối với một số kỹ thuật viên- đặc biệt là những người làm việc trong môi trường công nghiệp nơi mà việc hiệu chuẩn chính xác là điều bắt buộc- nhiệm vụ thường xuyên hiệu chuẩn thiết bị đo tiêu tốn phần lớn thời gian làm việc của họ. Đối với một số kỹ thuật viên khác việc hiệu chuẩn có thể là nhiệm vụ không thường xuyên, nhưng tất nhiên các kỹ thuật viên phải nhanh chóng chẩn đoán lỗi hiệu chuẩn khi chúng gây ra lỗi trong hệ thống đo lường . phần này giới thiệu các lỗi hiệu chuẩn thiết bị đo cơ bản và các biện pháp để phát hiện, khắc phục các lỗi đó.

Những lỗi hiệu chuẩn điển hình

Nhắc lại dạng của phương trình tuyến tính mô tả quan hệ giữa đầu vào và ra của hầu hết các thiết bị đo:

y =mx+b

Ở đây:

y là đầu ra của thiết bị đo (thường là mA)

x là đầu vào của thiết bị đo( % biến quá trình)

m là độ dốc của pt đường thẳng

b tung độ gốc( điểm zero của dải thiết bị đo thường là 4)

Lỗi hiệu chuẩn bị trôi điểm Zero (Zero Shift Calibration Error)

Lỗi hiệu chuẩn dịch chuyển ZERO làm dịch chuyển hàm theo chiều dọc trên biểu đồ, tương đương với thay đổi giá trị b trên phương trình tuyến tính. Lỗi này ảnh hưởng đến tất cả các điểm trên toàn bộ dải đo. Dùng ví dụ tương tự của 1 transmitter áp suất với dải đầu vào 0 - 100 psi và dải đầu ra là 4-20mA:

Nếu một transmitter bị lỗi hiệu chỉnh zero, lỗi này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh thay đổi điểm "ZERO" một cách cẩn thận cho đến khi phản hồi của thiết bị đo là lý tưởng, về cơ bản là làm thay đổi giá trị b trong phương trình tuyến tính.

Lỗi hiệu chuẩn bị trôi điểm Span (Span Shift Calibration Error )

Lỗi hiệu chuẩn dịch chuyển SPAN thay đổi độ dốc của hàm, tương đương với thay đổi giá trị m của phương trình tuyến tính. Lỗi này ảnh hưởng không giống nhau tại các điểm khác nhau trên bộ dải đo:

Nếu một transmitter bị lỗi hiệu chuẩn span, lỗi này thể được khắc phục bằng cách cẩn thận điều chỉnh điểm "SPAN" cho đến khi phản hổi của thiết bị đo là lý tưởng, về cơ bản là thay đổi giá trị m của phương trình tuyến tính.

Lỗi hiệu chuẩn tuyến tính (Linearity Calibration Error )

Lỗi hiệu chuẩn tuyến tính gây ra hàm phản hồi của thiết bị đo không còn là một đường thẳng. Loại lỗi này không liên quan trực tiếp đến sự thay đổi của Zero (b) hay span (m) bởi vì phương trình tuyến tính chỉ mô tả đường thẳng:

Một vài thiết bị đo được cung cấp công cụ để điều chỉnh độ tuyến tính của đặc tính của chúng, trong trường hợp này các điều chỉnh này cần được thay đổi một cách cẩn thận. Việc điều chỉnh sự tuyến tính là khác nhau trên mỗi modem thiết bị đo, và do đó bạn cần phải tham khảo tài liệu hướng dẫn của nhà sản xuất để biết cách thức điều chỉnh sự tuyến tính. Nếu thiết bị đo không được cung cấp công cụ điều chỉnh sự tuyến tính, điều tốt nhất là bạn có thể làm cho vấn đề này là thay thế thiết bị

Lỗi hiệu chuẩn độ trễ

lỗi hiệu chuẩn độ trể ( bất thuận nghịch) xảy ra khi phải hồi của thiểt bị đo là khác nhau khi tăng đầu vào so với lúc giảm đầu vào. Cách duy nhất phát hiện ra loại lỗi này là thực hiện kiểm tra hiệu chuẩn tăng-giảm , kiểm tra phản hồi của thiết bị đo tại các điểm như nhau theo chiều tăng giá trị đầu vào và giảm giá trị đầu vào:

lỗi độ trễ ( bất thuận nghịch) gần như luôn gây ra bởi ma sát cơ học trong quá trình di chyển của các phần tử( hoặc là do sự lỏng các khớp nối giữa các phần tử cơ khí) như là ống bourdon,ống bellow, pitot, màng ngăn... ma sát luôn tác động theo hướng ngược với hướng chuyển động tương đối. Đó là lý do gây ra lỗi. Như vậy, lỗi này không thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh, hiệu chuẩn mà thường phải thay thế phụ kiện bị lỗi hay các khớp nối trong thiết bị đo.

Vấn đề thực tế

Trong thực tế, lỗi hiệu chuẩn thường là tổ hợp của các vấn đề của zero, span, tuyến tính, độ trễ. Một điểm quan trọng cần nhớ rằng lỗi zero luôn đi kèm các loại lỗi khác và hiếm có ngoại lệ. Nói cách khác rất hiếm khi tìm ra lỗi của thiết bị đo với lỗi span, độ tuyến tính, độ trễ mà không có lỗi zero. Vì lý do này, kỹ thuật viên thường thực hiện kiểm tra hiệu chuẩn đơn điểm (thường là điểm zero) của một thiết bị đo như một chỉ dẫn kiểm tra tình trạng thết bị đo. Nếu thiết bị đo thể hiện theo đúng tiêu chuẩn tại điểm đó thì nó gần như được hiệu chuẩn chính xác trên toàn bộ dải đo của nó. Còn ngược lại, nếu nó không đạt được giá trị tiêu chuẩn tại điểm đó thì nó chắc chắn phải được hiệu chuẩn lại.
một bài kiểm tra đơn điểm rất hay dùng đối với các kỹ thuật viên đo lường thực hiện trên thiết bị đo chênh áp ( DP differential pressure) là đóng cả 2 van block ( block valve) trên van phân phối 3 ngả sau đó mớ van cân bằng ( equalizing valve), để tạo một áp suất chênh áp 0 PSI:

Hầu hết các thiết bị đo chênh áp đều thực hiện kiểm tra đơn điểm ở giá trị 0 PSi. Nếu kỹ thuật viên khóa 2 van ở màng low và high và mở van cân bằng của một transmitter đo chênh áp và nó đọc được giá trị chính xác là điểm zero (0 PSI), thì đã được hiệu chuẩn đúng trên toàn bộ dải đo. Nếu thiết bị đo chênh áp không đạt được giá trị zero (0 PSI)trong quá trình kiểm tra chắc chắn nó cần phải được hiệu chuẩn lại.

Xem tiếp các bài viết cùng chuyên đề HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG tại đây
P1- CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐO LƯỜNG
P2 - SỰ KHÁC BIỆT GIỮA HIỆU CHUẨN VÀ THIẾT LẬP,ĐIỀU CHỈNH DẢI ĐO
P3 - ĐIỀU CHỈNH ZERO, SPAN THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ (ANALOG INSTRUMENT)

P4 - LỖI HIỆU CHUẨN THƯỜNG GẶP

Thursday, July 20, 2017

BỘ CHUYỂN ĐỔI THÔNG MINH ( SMART TRANSMITTER) - LRV VÀ URV

in CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐO ÁP SUẤT ĐO LƯỜNG HIỆU CHUẨN on July 20, 2017 1 Comment

Sự xuất hiện của các thiết bị đo ' thông minh' là một bước tiến lớn đối với đo lường trong công nghiệp. Các thiết bị này có tích hợp khả năng chẩn đoán, độ chính xác cao hơn (do hiệu chỉnh số cho cảm biến không tuyến tính) và khả năng có thể giao tiếp với máy chủ để báo cáo nhiều thông số khác nhau. Một sơ đồ khối của một transmitter áp suất ( pressure transmitter) trông giống như thế này

Điều quan trọng ở đây là cần chú ý đến là làm cách nào để hiệu chỉnh thiết bị này, và so sánh nó với sự đơn giản trong hiệu chỉnh đối với một transmitter áp suất tương tự.

Lưu ý là đối với bộ chuyển đổi tương tự (analog transmitter) thì cách điều chỉnh, hiệu chuẩn (calibration) chỉ là thực hiện cài đặt điểm "ZERO" và điểm " SPAN". Còn đối với trường hợp bộ chuyển đổi thông minh ( smart transmitter). Chúng ta không chỉ đặt giá trị dưới và giá trị trên của dải đo, mà chúng ta có thể hiệu chỉnh các mạch chuyển đổi Tương Tự - Số ( ADC) và Số - Tương tự (DAC) một cách độc lập. Điều này có nghĩa đối với kỹ thuật viên hiệu chuẩn thì quy trình hiệu chuẩn đối với bộ chuyển đổi thông minh ( smart transmitter) sẽ phải thực hiện nhiều công việc hơn là đối vớ bộ chuyển đổi thuần tương tự ( analog transmitter).
Một sai lầm phổ biến đối với một số sinh viên và thậm chí là với một số kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm đó là sự nhầm lẫn giữa việc cài đặt dải đo (LRV và URV) và việc điều chỉnh hiệu chuẩn ( calibration adjustments). Việc bạn cài đặt " Số" LVR của một transmitter áp suất từ 0.00 PSI đến URV 100.00PSI không có nghĩa là nó sẽ chính xác tại mọi điểm trong dải đo đó. Ví dụ sau đây sẽ minh họa cho điều này.
Giả sử chúng ta có một bộ chuyển đổi áp suất thông minh ( smart pressure transmitter) với dải đo từ 0 đến 100 PSI và đầu ra tương tự của nó là 4-20mA, nhưng cảm biến áp suất của bộ chuyển đổi áp suất này bị sai sau nhiều năm hoạt động nên khi đặt áp suất 100 PSI vào thì tín hiệu chuyển đổi tương tự - số chỉ là 96 PSI. Giả sử Tranmitter đang hoạt động tốt và các phần khác đã được hiệu chuẩn chính xác thì tính hiệu đầu ra cũng bị lỗi:

Ở đây chúng ta thấy một Transmitter vẫn có thể bị sai mặc dù mạch cả chuyển đổi Analog- digital và cài đặt dải đo trong vi xử lý đã được hiệu chỉnh chính xác. Bộ vi xử lý " nghĩ" là áp suất đặt vào chỉ 96 PSI, và xuất tín hiệu đầu ra là 19,36 mA. Cách duy nhất để biết Transmitter không chính xác 100 PSI là đặt vào cảm biến một áp suất chuẩn 100 PSI và thấy rằng là tín hiệu phản hồi không chính xác. Bài học rút ra ở đây là cài đặt các điểm LRV và URV ở Transmitter không phải là cách để hiệu chuẩn chính xác một thiết bị đo.
Vì lý do này, các thiết bị đo lường thông minh luôn cung cấp phương pháp để tinh chỉnh mạch cả ADC và DAC để đảm bảo rằng vi xử lý luôn nhân được giá trị đặt vào chính xác và xử lý để chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu dòng điện một chiều đầu ra một cách chính xác.
Một cách thuận tiện để kiểm tra chuyển đổi ADC và DAC đó là giám sát quá trình xử lý biến quá trình đầu vào (PV) và tính hiệu tương tự ( analog) đầu ra ( AO) và so sánh tín hiệu đầu vào, đầu ra thực tế với các giá trị hiệu chuẩn tiêu chuẩn. Một thiết bị gia tiêp HART cung cấp một cái nhìn nội bộ để chúng ta có thể thấy được những gì mà bộ vi xử lý nhìn thấy. Ví dụ sau đây cho thấy một bộ chuyển đổi đo chênh áp ( differential pressure Transmitter) có cảm biến (sensor) tức chuyển đổi tương tự- số (ADC) hiệu chuẩn bị lỗi:

Ở

Ở đây, áp suất đầu vào tiêu chuẩn dùng để hiệu chuẩn cho Transmitter đo được bởi thiết bị đo áp suất chuẩn chỉ thị số là 25,00 áp suất cột nước ( water column- WC). 1 Đồng hồ vạn năng ( digital multimeter DDM) dùng để đo dòng điện đầu ra và giá trị đo được là 11,93 mA. Nhưng với dải đo từ 0-50 WC thì với áp suất 25 WC thì tín hiệu đầu ra đáng nhẽ phải là 12mA . Do đó Transmitter này đang bị lỗi.
So sánh giá trị PV và AO tại bộ giao tiếp HART cầm tay với giá trị hiệu chuẩn tiêu chuẩn chúng ta thấy rằng giá trị đầu ra tương tự AO (11.93 mA) trùng với giá trị đo được thực tế tại đồng hồ vạn năng trong khi giá trị biến quá trình đầu vào PV ( ở đây là áp suất đặt vào Transmitter) là 24,781 WC không trùng với giá trị của bộ đo áp suất hiển thị số. Điều này cho thấy lỗi hiệu chuẩn này nằm ở cảm biến đầu vào của Transmitter chứ không phải là ở quá chình chuyển đổi tín hiệu DAC đầu ra. Do đó cách để hiệu chuẩn chính xác Transmitter bị lỗi này là thực hiện tinh chỉnh sensor hay còn gọi là SENSOR TRIM.

Ví dụ tiếp theo sau đây sẽ cho chúng ta thấy lỗi ở quá trình chuyển đổi tín hiệu Số - tương tự ADC trong một bộ chuyển đổi đo chênh áp ( diferential pressure transmitter):

Một lần nữa, đặt vào Transmitter một áp suất tiêu chuẩn 25 WC ( áp suất cột nước) được đo bằng thiết bị đo áp suất chỉ thị số. một đồng hồ vạn năng DMM chỉ thị số vẫn tiếp tục được dùng để đo tín hiệu dòng điện đầu ra và giá trị đo được là 11,93mA. Đối với dãi đo của Transmitter từ 0-50 WC thì giá trị đầu ra phải là 12mA. nên chúng ta có thể biết được Transmiter này đang bị lỗi. So sánh giá trị biến quá trình đầu vào PV và giá trị dòng điện đâu ra AO trên bộ giao tiếp HART cầm tay với giá trị thực tế đo được tại đồng hồ đo áp suất chỉ thị số và đồng hồ vạn năng ta thấy giá trị biến quá trình đầu vào PV trùng với giá trị đo được bởi đồng hồ đo áp suất là 25WC trong khi đó giá trị đầu ra AO là 12,01 mA không trung với giá trị thực tế đo được bằng đồng hồ vạn năng DMM. Điều này cho thấy lỗi này là lỗi ở quá trình chuyển đổi Số- tương tự ( đầu ra) của Transmitter. Do đó để hiệu chuẩn chính xác transmitter này chúng ta cần thực hiện tinh chỉnh đầu ra hay còn gọi là OUTPUT TRIM.

Lưu ý là cả hai trường hợp trên thì đều cần đến sự giao tiếp giữa bộ vi xử lý của Transmitter và bộ giao tiếp HART mới có thể được xác định được lỗi trên. Chỉ so sánh với áp suất và tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn thì không đủ để chúng ta xác có thể xác định được lỗi bên trong Transmitter. Cho đến khi chúng ta có thể xem được các giá trị PV và AO của bộ vi xử lý chúng ta mới có thể xác định được lỗi hiệu chuẩn liên quan đến quá tình chuyển đổi ADC hay DAC hoặc có thể cả hai.
Điều đáng buồn ở đây là tôi đã từng chứng kiến một số kỹ thuật viên đo lường dùng cách cài đặt LRV và URV như cách điều chỉnh ZERO và SPAN trong Transmitter thuần tương tự để mà xử lý những lỗi này.

Giải thích một số từ viết tắt có trong bài viết:
LRV ( Lower range value) : Giá trị dưới của dải đo
URV( Upper range value) : Giá trị trên của dải đo
PV ( Process value) : Giá trị Quá trình hay còn gọi là biến quá trình
AO ( Analog output) : Tín hiệu tương tự đầu ra
ADC ( Analog - Digital Convent) : Chuyển đổi Tương tự - Số
DAC ( Digital - Analog convent) : Chuyển đổi Số - Tương tự
HART : Giao thức truyền thông HART
HART COMMUNICATOR : Bộ giao tiếp HART
DMM ( Digital mutil meter) : Đồng hồ vạn năng chỉ thị số

Theo : Instrumentation tool