Chương 4: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DÂN XUẤT CHUẨN ĐIỆN DUNG
4.3. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Máy đo LCR – chức năng đo điện dung
Máy đo LCR là một dụng cụ đo các đại lượng, thông số trong mạch điện xoay chiều trong đó có đại lượng Điện dung. Các máy đo LCR hiện nay chủ yếu được chế tạo theo nguyên lý dựa trên định luật Ôm xoay chiều hay nói cách khác là phương pháp V-I đã được trình bày trong chương 2. Chính vì dựa trên định luật Ôm nên các máy đo LCR khi đo các đại lượng nói chung và đại lượng Điện dung nói riêng đều quy về thang đo tổng trở Z:
1
C 2
Z fC
Cùng với dự phát triển của công nghệ điện tử cùng hệ vi xử lý và phần mềm máy đo LCR hiện nay có thể đo tự động, tính toán và đưa ra kết quả một cách khá chính xác (đến ±0,02 %).
Hình 4.1. Hình ảnh một số máy đo LCR
Một số đặc trưng kỹ thuật đo lường điển hình của các máy đo LCR hiện nay:
Phạm vi đo:
Điện dung CS, CP: 1.000000 aF đến 999.9999 F
66
Điện cảm LS, LP: 1.000000 aH đến 999.9999 H Điện trở RS, RP: 1.000000 aΩ đến 999.9999 MΩ Phạm vi điện áp đo: 0V đến 5 V rms
Phạm vi tần số (typical): 10 Hz đến 2 MHz Độ chính xác phép đo R; L; C (Basic): ± 0.05 %
Ở nước ta hiện nay, máy đo LCR được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp vì vậy nhu cầu dẫn xuất chuẩn Điện dung đến các máy đo LCR đó là rất cần thiết. Để giải quyết nhu cầu này, tôi xin trình bày quy trình hiệu chuẩn máy đo LCR – chức năng đo Điện dung.
4.3.2 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn máy đo LCR – Chức năng đo Điện dung 4.3.2.1 Các chuẩn và thiết bị dùng trong hiệu chuẩn
Bảng 4.1 Chuẩn và các phương tiện hiệu chuẩn máy đo LCR TT Phương tiện
hiệu chuẩn Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản Kiểu/loại 1 Chuẩn đo lường
1.1 Tụ chuẩn Giỏ trị danh định: 1 pF đến 1 àF P597 2 Phương tiện phụ
2.1 Máy đo vạn năng
Phạm vi điện áp: 0 đến 200 Vac Dải tần đến 10 kHz
Độ phân giải: 6 1/2 digits Độ chính xác: Vac: ± 0,03 % f: ± 0,01 %
Fluke 8846A
4.3.2.2 Chuẩn bị hiệu chuẩn
Kiểm tra bên ngoài để đảm bảo Tụ chuẩn và UUT (Unit Under Test- Đối tượng được hiệu chuẩn) đủ điều kiện làm việc bình thường. Chuẩn, UUT và các phương tiện phụ
67
phải được đặt trong môi trường hiệu chuẩn: Nhiệt độ: (23±1) C; Độ ẩm tương đối (50±10) %RH ít nhất 48 giờ.
4.3.2.3 Tiến hành hiệu chuẩn
Khi hiệu chuẩn, máy đo LCR được mắc với chuẩn như trên Hình 4.2.
Việc hiệu chuẩn được tiến hành trên từng thang đo, tức là chuyển từ chế độ tự động – (Auto Mode) – sang từng thang đo – (Manual hoặc Range Mode). Đặt các giá trị chuẩn tương ứng với các điểm hiệu chuẩn rồi tiến hành đo-hiệu chuẩn. Kết quả đo được được gọi là Zđo. Phép đo-hiệu chuẩn được lặp lại ít nhất 10 lần.
Sai số cơ bản của máy đo LCR là sai số tuyệt đối được xác định tại các điểm hiệu chuẩn.
d d S
Z Z Z
Trong đó: - Zd : Giá trị được chỉ thị trên máy đo LCR - ZS : Giá trị tương ứng của chuẩn
Các điểm hiệu chuẩn của từng thang đo được lấy theo yêu cầu hiệu chuẩn của máy (trong tài liệu kỹ thuật của máy kèm theo – phần hiệu chuẩn (calibration) máy); nếu không có yêu cầu của máy ta tiến hành hiệu chuẩn máy đo LCR theo các điểm: 1 pF; 10 pF; 100 pF; 1nF; 10 nF; 100 nF; 1 àF.
Khi hiệu chuẩn máy đo LCR-chức năng đo Điện dung, sai số cơ bản tại các điểm hiệu chuẩn dược xác định ở tần số f = 1 kHz (1000 Hz), biên độ điện áp U = 1 Vrms.
Hình 4.2. Sơ đồ hiệu chuẩn máy đo LCR meter
68
Sai số cơ bản xác định được phải nằm trong giới hạn sai số cho phép của máy đo LCR- chức năng đo Điện dung được cho trong đặc trưng kỹ thuật (Specification) của máy đo LCR đó. Nếu sai số xác định được nằm ngoài giới hạn cho phép, phải thực hiện việc hiệu chỉnh máy đo sau đó tiến hành hiệu chuẩn lại máy đo LCR. Nếu máy đo LCR không hiệu chỉnh được thì phải đưa ra giá trị hiệu đính của từng điểm hiệu chuẩn theo công thức sau:
hd S d
Z Z Z 4.3.2.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo
Mô hình toán học của phép đo:
d S d cal drift res
Z Z Z u u u a. Độ không đảm bảo đo loại A
Nếu tiến hành đo giá trị ZX bằng n phép đo lặp, được các giá trị X1, X2, X3,..., Xn, giá trị trung bình sẽ là:
n
k Xik
X n
1 ,
1
và uA = u(X) =
n
k Xik Xi
n
n 1
2
, )
) ( 1 (
1
b. Độ không đảm bảo của chuẩn (ucal)
Độ không đảm bảo này được lấy từ giấy chứng nhận hiệu chuẩn của chuẩn (điện trở chuẩn, điện cảm chuẩn, điện dung chuẩn) uS; ứng với mức tin cậy P (P = 95%) và hệ số tương ứng là k (k = 2) thì độ không đảm bảo của chuẩn sẽ là:
uB1 = k uS =
2 uS c. Độ không đảm bảo do độ trôi của chuẩn (udrift)
Độ không đảm bảo uRES được lấy từ đặc trưng kỹ thuật của máy đo LCR ứng với thang đo đang sử dụng để hiệu chuẩn.
Ta có: uB2 = 3
drift
u
69
d. Độ không đảm bảo do độ phân giải của máy đo LCR (ures) Độ không đảm bảo uf được lấy từ đặc trưng kỹ thuật của máy đo LCR . Ta có: uB3 =
2. 3 ures
Vậy : uB = u2B1uB22uB23 e. Độ không đảm bảo tổng hợp (uC)
Độ không đảm bảo tổng hợp được tính như sau:
uC = u2A + u2B f. Độ không đảm bảo mở rộng (U)
Với xác suất tin cậy P ở mức P = 95 % (k = 2) thì:
U = 2. uC
Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo
Bảng 4.2 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo hiệu chuẩn máy đo LCR
Nguồn gây ra độ không đảm bảo Bậc tự do
Hệ số nhạy
Độ không đảm bảo đo
Độ không đảm bảo loại A, uA 9 1
Độ không đảm bảo của chuẩn, ucal ∞ 1
Độ không đảm bảo do độ phân giải của máy đo, udrift ∞ 1 Độ không đảm bảo do ổn định tần số nguồn , ures ∞ 1
Độ không đảm bảo kết hợp, uC ∞ 1
Độ không đảm bảo mở rộng (k=2), U ∞ 1
Kết luận: Kết quả hiệu chuẩn các máy đo LCR sau khi được thực hiện theo quy trình hiệu chuẩn như trên sẽ được các trung tâm đo lường khu vực, các PTN ISO 17025 cũng như các nhà máy, công ty trong công nghiệp sử dụng vào việc hiệu chuẩn – đo các chuẩn điện dung
70
cũng như các tụ điện thông thường. Nhờ đó mà chuẩn điện dung vừa được thiết lập duy trì tại chương 3 đã được sao truyền xuống các chuẩn cấp thấp hơn. Đây chính là ý nghĩa của việc dẫn xuất chuẩn đảm bảo tính liên kết chuẩn đo lường liên tục từ cấp thấp đến chuẩn quốc gia.
71
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN