Nghiên cứu, xây dựng phần mềm hiệu chuẩn hộp điện trở, điện cảm, điện dung sử dụng máy đo l c r

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHẦN MỀM HIỆU CHUẨN HỘP ĐIỆN TRỞ, ĐIỆN CẢM, ĐIỆN DUNG SỬ DỤNG MÁY ĐO L-C-R Nguyễn Hoàng Long, Lê Duy Tùng, Trần Hà, Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Văn Đưa, Đỗ Trọng Tấn* Trung tâm Công nghệ Vi điện tử Tin học, Viện Ứng dụng Công nghệ * Tác giả liên hệ: dttan@most.gov.vn Ngày tòa soạn nhận báo: 15/09/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 11/11/2020 Ngày báo duyệt đăng: 15/12/2020 Tóm tắt: Hoạt động đo lường hiệu chuẩn đóng vai trị quan trọng thực tiễn sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu phát triển kinh tế nói riêng xã hội nói chung Để nâng cao chất lượng hiệu hoạt động hiệu chuẩn, nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất phần mềm đo đánh giá tự động phép đo L-C-R sử dụng thiết bị chuẩn HM8118 hãng Rohde & Schwarz Phần mềm xây dựng ngôn ngữ lập trình LabVIEW kết nối điều khiển thông qua tập lệnh SCPI Các giá trị đo đạc tính tốn đưa kết hiệu chuẩn file Excel Việc thực hiệu chuẩn hộp điện trở, hộp điện cảm, hộp điện dung thông qua hỗ trợ phần mềm giúp trình hiệu chuẩn giảm thời gian thực lên đến 3-5 lần so với thực thủ công Phần mềm hồn thiện giúp khai thác sức mạnh tính tốn mà máy tính mang lại, rút ngắn thời gian cơng sức làm việc, góp phần vào việc tự động hóa đo lường hiệu chuẩn Từ khóa: Phần mềm hiệu chuẩn, LabVIEW, phép đo L-C-R Đặt vấn đề Đo lường có vai trị quan trọng phát triển doanh nghiệp giúp thúc đẩy phát triển khoa học, công nghệ đổi sáng tạo; công cụ góp phần nâng cao suất chất lượng sản phẩm hàng hóa [1] Theo Luật Đo lường 04/2011/QH13, hiệu chuẩn hoạt động xác định, thiết lập mối quan hệ giá trị đo lường, phương tiện đo với giá trị đại lượng cần đo Mối quan hệ thể thông qua giá trị thực tế đo độ không đảm bảo đo cho phép đo Hiện nay, việc thực hiệu chuẩn thiết bị tổ chức thử nghiệm, hiệu chuẩn, kiểm định cấp phép phần lớn thực cách thủ công thông qua bước: kiểm tra, kết nối, lấy số liệu thủ công, nhập kết quan trắc, tính tốn xuất kết đo Do thực thủ công nên tiêu tốn thời gian, cơng sức tồn sai sót chủ quan người Thông thường với hộp điện trở [2], điện cảm [3] điện dung [4] thập phân thường có từ đến 10 đề-các Như vậy, theo Quy trình hiệu chuẩn hộp điện trở chuẩn ĐLVN 299:2016, cán vận hành cần Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 phải lấy số liệu từ 50 đến 100 điểm đo, với điểm đo lấy tối thiểu 03 giá trị đọc Do đó, việc đưa phần mềm phục vụ vào điều khiển đọc, ghi trực tiếp giá trị đo giúp ích nhiều q trình hiệu chuẩn Ưu điểm việc áp dụng phần mềm đo lường hiệu chuẩn: Tính quán, nâng cao hiệu làm việc, quản lý liệu, linh hoạt mềm dẻo, dễ quản lý, minh bạch phép đo Trên giới, số hãng sản xuất thiết bị đo cung cấp phần mềm hỗ trợ tiêu biểu như: NI Engineer Ambitiously, IDRIS Automation, SLSOFT, … Tuy nhiên, phần mềm phục vụ chủ yếu cho hiển thị giá trị đo điều khiển thông thường Cùng với đó, số nhóm nghiên cứu giới có cơng bố tích hợp phần mềm hiệu chuẩn [5], [6] ứng dụng hiệu chuẩn điện trở [7] với tính kết nối thiết bị hiệu chuẩn lấy giá trị đo xử lý liệu mức độ đơn giản Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng phần mềm hiệu chuẩn với đối tượng phép đo L-C-R sử dụng thiết bị chuẩn HM8118 hãng Rohde & Schwarz Phần mềm Journal of Science and Technology 43 ISSN 2354-0575 LabVIEW lựa chọn làm tảng việc xây dựng phần mềm hiệu chuẩn nhờ khả ứng dụng tốt mơi trường đo lường, tính ổn định, logic dễ sử dụng Trong kết nghiên cứu, nhóm tác giả hồn thiện phần mềm hiệu chuẩn, tiến hành hiệu chuẩn với phép đo L-C-R cụ thể, đồng thời xuất file kết giấy hiệu chuẩn tương ứng Nội dung nghiên cứu 2.1 Mơ hình hệ thống Thành phần hệ thống máy đo L-C-R HM8118 với độ phân giải 5digit kết nối với đối tượng thông qua cặp đầu kẹp Kelvin HZ184 Để hiệu chuẩn tự động phần mềm máy L-C-R HM8118 kết nối với máy tính cáp kết nối USB - Điều khiển thiết bị đo L-C-R thông qua tập lệnh SCPI để đo lấy số liệu - Thực phép tính từ số liệu thu thập dựa theo công thức liên quan đến thủ tục hiệu chuẩn - Tạo báo cáo đo lường đồ thị hóa kết đầu Trong chức này, phần xử lý số liệu quan trọng Từ thông số quan trắc tài liệu nhà sản xuất thiết bị hiệu chuẩn thiết bị cần hiêu chuẩn, phần mềm phải tính tốn độ khơng đảm bảo đo phép hiệu chuẩn Theo [8], phần mềm thực tính độ khơng đảm bảo đo sau: - Độ không đảm bảo đo loại A uA: Được ước tính theo phương pháp thống kê dựa vào kết đo với xác suất phân bố chuẩn n uA = ∑(x − x ) i =1 i n ( n − 1) với xi kết lần đo thứ i, x giá trị đo trung bình, n số lần đo Số lần đo thực lần điểm hiệu chuẩn - Độ không đảm bảo đo chuẩn uB1 : Được tính độ khơng đảm bảo đo chuẩn công bố giấy chứng nhận hiệu chuẩn chia cho hệ số Hình 2.1 Sơ đồ kết nối máy đo L-C-R với phần mềm điều khiển máy tính Hình 2.1 minh họa sơ đồ kết nối hệ thống Giá trị đo từ mẫu đưa máy tính qua kết nối USB, lệnh điều khiển từ phần mềm gửi xuống máy đo L-C-R thông qua tập lệnh SCPI Từ giá trị đo thu được, phần mềm thực tính tốn đưa bảng quan trắc giấy hiệu chuẩn 2.2 Yêu cầu phần mềm Dựa theo “Quy trình hiệu chuẩn L-C-R” Trung tâm Công nghệ Vi điện tử Tin học ban hành sử dụng thực tế phịng hiệu chuẩn Nhóm tác giả khảo sát đưa tính phần mềm bao gồm: - Khai báo điểm cần hiệu chuẩn hộp điện trở, điện cảm, điện dung - Tính tốn lựa chọn chức năng, thang đo, mức điện áp, tần số, kiểu mạch, … phù hợp với điểm cần hiệu chuẩn 44 phủ k = , tương ứng với độ không đảm bảo đo ước lượng với mức tin cậy P = 95% , phân bố xác suất hình chữ nhật Giá trị độ không đảm bảo đo chuẩn cập nhật định kỳ hàng năm theo chứng nhận hiệu chuẩn - Độ không đảm bảo đo hệ thống đo uB : Phát sinh từ độ phân giải phương tiện đo thiết bị cần hiệu chuẩn Được tính nửa độ phân giải chia cho bậc hai 3, phân bố xác suất hình chữ nhật Sau tính độ khơng đảm bảo đo thành phần, độ không đảm bảo đo mở rộng (được ghi giấy hiệu chuẩn) xác định sau: U= k u A2 + uB21 + uB2 2.3 Thiết kế phần mềm Bắt đầu trình, máy đo L-C-R HM8118 kết nối với phần mềm thông qua USB Người dùng cần nhập điểm hiệu chuẩn thông số cần thiết (như steps, Umax, Imax, Pmax, độ xác,…) Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Trước hiệu chuẩn, phần mềm yêu cầu người dùng thực bước theo hướng dẫn để giảm thiểu sai số dây đo Sau phần mềm tự động điều khiển, lấy kết đo từ máy L-C-R, tính tốn lấy số liệu theo bước quy trình hiệu chuẩn lưu kết dạng file Excel Lưu đồ thuật tốn chương trình thể Hình 2.2 Như phân tích trên, nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng ngơn ngữ lập trình đồ họa LabVIEW để thiết kế phần mềm Cấu trúc phần mềm thiết kế LabVIEW bao gồm hai phần Font Panel Diagram Block gọi Vitural Instrucment (VI) [9], VI bao gồm nhiều module subVI chứa chức riêng biệt phần mềm Các module subVI bao gồm: - Module kết nối điều khiển máy đo L-C-R - Module tính tốn độ khơng đảm bảo đo - Module điều khiển giao diện, lưu kết đo a) b) c) Hình 2.3 (a) Giao diện kết nối, (b) Giao diện hiệu chỉnh dây đo, (c) Giao diện kết phần mềm Hình 2.2 Sơ đồ khối phần mềm hiệu chuẩn Giao diện kết nối (Hình 2.3a) thiết kế để tương tác với người dùng trình vận hành giúp thực theo quy trình thủ tục hiệu chuẩn tuân thủ ISO/IEC 17025 Người dùng điều khiển chương trình, thay đổi thơng số đầu vào theo dõi kết trực tiếp Hình 2.3b mơ tả bước hướng dẫn người dùng thực hiệu chỉnh dây đo thiết bị Giao diện kết hiệu chuẩn sau hồn thành đo (Hình 2.3c) cung cấp thơng tin giá trị trung bình, độ khơng đảm bảo đo, dung sai kết hiệu chuẩn Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 2.4 Thử nghiệm đánh giá phần mềm Bảng 2.1 Danh sách thiết bị tham chiếu đối tượng hiệu chuẩn thử nghiệm Loại (RU) Thiết bị Kiểu HM8118 Máy đo L-C-R HAMEG (UUT1) 7334 – 10 Ω Điện trở đơn trị (UUT2) 1491 - 9707 Hộp điện cảm decac (UUT3) HACS-Z-A-7E Hộp điện dung decac Trong phạm vi phịng thí nghiệm để đánh giá khả hoạt động phần mềm nhóm nghiên cứu tiến hành hiệu chuẩn trực tiếp với đối tượng đo bao gồm điện trở xoay chiều đơn trị Series 7334 hãng Guildline (10 Ω) hộp điện cảm decac Journal of Science and Technology 45 ISSN 2354-0575 1491-G độ xác cao 10 H hãng GenRad, hộp điện dung decac HACS-Z-A-7E (Bảng 2.1) Hình 2.4 Đồ thị so sánh thời gian thực đo Kết đánh giá phần mềm phương pháp đo thủ công thể đồ thị Hình 2.4 Kết thực nghiệm đồ thị cho thấy thời gian thực hiệu chuẩn phần mềm giúp giảm đáng kể từ 98 phút xuống 16 phút (trường hợp 50 điểm đo) so với phương pháp thủ cơng Ngun nhân tiến hành phần mềm làm giảm bớt thời gian nhập số liệu (màu cam) tính tốn (màu nâu) Ngồi thấy hiệu chuẩn nhiều điểm đo hiệu phần mềm đem lại lớn Kết luận Nhóm tác giả hồn thành xây dựng phần mềm hiệu chuẩn phép đo L-C-R tảng LabVIEW Phần mềm hoạt động thực tế đem lại hiệu tốt, hỗ trợ cho hoạt động hiệu chuẩn, đồng thời mở tiềm phát triển tự động hóa đo lường theo xu xã hội Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ đề tài cấp sở “Nghiên cứu xây dựng phần mềm đo đánh giá tự động phép đo L-C-R” Trung tâm Công nghệ Vi điện tử Tin học Tài liệu tham khảo [1] N V Thiệu, “Đổi hoạt động đo lường, hỗ trợ doanh nghiệp nâng cao lực cạnh tranh hội nhập quốc tế,” Tạp chí thơng tin khoa học & cơng nghệ Quảng Bình, pp 34-36, 2019 [2] AC/DC Precision Air Resistance Standards, Guildline, 7334 [3] IET, “High Accuracy Capacitance Substituter,” HACSZ [4] IET, High Accuracy All-Purpose Decade Inductor, New York: IET Labs, 1491 [5] Q L L W X L Na Li, “A Novel Approach for Automation of Precision Calibration Process,” in 4th International Conference on Information and Automation for Sustainability, 2008 [6] A M E.-R Hala M Abdel Mageed, “Electrical Metrology Applications of LabVIEW Software,” Journal of Software Engineering and Applications, 2013 [7] H Chan, Resistance—Something Behind Automated Calibration, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2005 [8] TCVN, Uncertainty of measurement-Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement, Ha Noi: TCVN, 2013 [9] N Instruments, LabVIEW Quick Start Guid, Part No 321527B-01, 1998 RESEARCH, CONSTRUCTION THE CALIBRATION SOFTWARE OF STANDARD RESISTANCE BOX, STANDARD CAPACITANCE BOX, STANDARD INDUCTOR BOX USE L-C-R METER Abstract: Measurement and calibration activities are contributing an important role in the practical production, business, research and development of an economy in particular and society in general To improve the quality and efficiency of calibration activities, in this study, the authors propose an automatic measurement and evaluation software for L-C-R measurements using the standard equipment HM8118 of Rohde & 46 Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Schwarz The software is built on the LabVIEW programming language and is connected and controlled via SCPI script Measured values are calculated and calibrated in an Excel file Performing the calibration of the resistors, inductors, and capacitive boxes through the help of software help the calibration process reduce the execution time up to 3-5 times compared to manual implementation Completed software harnesses the computing power that computers bring while eliminating some of the causes of Type A uncertainty, shortening working time and effort, contributing to automation in measurement and calibration Keywords: Calibration software, LabVIEW, L-C-R measurement Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology 47 ... and is connected and controlled via SCPI script Measured values are calculated and calibrated in an Excel file Performing the calibration of the resistors, inductors, and capacitive boxes through... L- C- R METER Abstract: Measurement and calibration activities are contributing an important role in the practical production, business, research and development of an economy in particular and society... thấy hiệu chuẩn nhiều điểm đo hiệu phần mềm đem l? ??i l? ??n Kết luận Nhóm t? ?c giả hồn thành xây dựng phần mềm hiệu chuẩn phép đo L- C- R tảng LabVIEW Phần mềm hoạt động th? ?c tế đem l? ??i hiệu tốt, hỗ trợ