Xây dựng phương pháp duy trì chuẩn Điện dung- 123docz.net

Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG ĐIỆN DUNG VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ

3.3 Xây dựng phương pháp duy trì chuẩn Điện dung

Để duy trì được giá trị của chuẩn điện dung tại Viện đo lường Việt Nam, trước hết chúng ta cần thiết lập được sơ đồ liên kết chuẩn. Liên kết chuẩn được hiểu là một chuỗi liên tiếp không đứt quãng của kết quả phép đo cùng với độ không đảm bảo đo kèm theo, mà theo chuỗi đó có thể kết nối giá trị của chuẩn tới chuẩn đầu thể hiện đơn vị Farad trong hệ đơn vị SI. Chuẩn quốc gia điện dung tại Viện đo lường Việt Nam được xây dựng theo phương pháp: Tự duy trì giá trị chuẩn bằng cách so sánh vòng các giá trị chuẩn trong nhóm đồng thời đưa một hoặc một số giá trị trong nhóm đi so sánh trực tiếp với chuẩn của nước ngoài hoặc gián tiếp qua chuẩn chính trung gian.

3.3.1 Sơ đồ liên kết chuẩn

Hình 3.5. Sơ đồ dẫn xuất chuần quốc gia đến chuẩn Đo lường quốc tế

Chuẩn nhóm điện dung 100 pF

- Cầu biến thế tỷ lệ F9000

- Máy so QuadTech 7600 - Bộ Chuẩn P 597 - Chuẩn Sullivan C 800x

- Chuẩn P 5025 - Chuẩn C 8710

Các phương tiện đo ĐIỆN DUNG

10 ppm

20 ppm ÷ 100 ppm

100 ppm ÷ 200 ppm

CHUẨN QUỐC GIA

National Standard

CHUẨN CHÍNH

Reference Standard

CHUẨN CÔNG TÁC

Working Standard

Chuẩn Tụ điện tính toán Cross Capacitor

Standard

Hình 3.6. Sơ đồ dẫn xuất chuẩn điện dung tại VN

3.3.2 Phương pháp so sánh vòng và đánh giá độ ổn định của nhóm chuẩn

Như đã trình bày ở các mục trên, chuẩn Điện dung được xây dựng từ một nhóm chuẩn gồm có 04 Tụ chuẩn giá trị 100 pF. Từ đặc điểm về chi phí đưa chuẩn quốc gia đi hiệu chuẩn ở nước ngoài rất cao, đơn giá tính theo số lượng và độ phức tạp của từng phép đo cho nên tôi đề xuất phương pháp tự duy trì giá trị nhóm chuẩn thông qua việc so sánh vòng các giá trị trong nhóm, và chỉ đưa 01 hoặc vài giá trị đi hiệu chuẩn tại nước ngoài để có liên kết chuẩn tới chuẩn đơn vị. Để rồi từ giá trị Điện dung đi hiệu chuẩn nước ngoài ta có thể sao truyền đến các chuẩn khác thông qua phương pháp đo-hiệu chuẩn với quy trình đã trình bày như trên.

Mục đích của việc duy trì nhóm chuẩn là để tạo ra một giá trị trung bình có độ ổn định cao. Nếu chỉ duy trì một chuẩn không thì như ta đã biết độ ổn định chuẩn Artifact phụ thuộc vào độ ổn định của vật liệu, theo thời gian vật liệu sẽ thay đổi hay nói cách khác giá trị chuẩn sẽ bị trôi. Tuy nhiên các chuẩn khác nhau sẽ có sự trôi khác nhau.

Chính vì vậy khi kết hợp các chuẩn lại với nhau thành một nhóm thì các độ trôi của các chuẩn sẽ bù cho nhau và tạo ra một giá trị trung bình ổn định hơn.

Tuy nhiên để có thể duy trì được nhóm chuẩn ta cần xây dựng phương pháp đánh giá độ ổn định của nhóm chuẩn hay nói cách khác là độ ổn định của từng chuẩn trong nhóm. Cụm từ “duy trì” ở đây chúng ta cần hiểu là đánh giá được, xác định được giá trị thật của nhóm chuẩn kèm theo độ không đảm bảo đo tại bất kỳ thời điểm nào. Từ đó tôi xin đề xuất phương pháp đánh giá độ ổn định của từng chuẩn dựa vào giá trị trung bình như sau:

Giả thiết có một bộ các chuẩn X1, X2, X3, X4...Xn cùng loại được so sánh lẫn nhau.

Trước tiên thiết lập một dãy các phương trình so sánh xác định độ lệch của các chuẩn với nhau, trong đó bao gồm tất cả các sự kết hợp có thể có, nhưng mỗi sự kết hợp chỉ xuất hiện một lần (ví dụ: phép so sánh X1 - X2 là giống hệt về mặt toán học với X2 - X1).

Khi đó ta có: .( 1) 2

n n phương trình.

53 Lâp ma trận độ lệch giữa các chuẩn:

X1 X2 X3 …. Xn

X1 0 a21 a31 … an1

X2 a12 0 a32 … an2

X3 a13 a23 0 … an3

…. … … … … …

Xn a1n a2n a3n … 0

Trong đó aij là độ lệch của chuẩn thứ i so với chuẩn thứ j

Tức là: aijXiXj (3.17)

Khi đó cộng tất cả hệ số của cột thứ nhất ta có:

1 1

. n i n j

i j

n X X a

 

  (3.18)

Hay: 1 1 1

n i i

a X X

 

(3.19)

Tổng quát:

ij 1 n

j i

a X X

 

(i=1, 2…, n) (3.20)

Qua biểu thức (3.20) ta thấy rằng độ lệch của các chuẩn trong nhóm chuẩn đối vời giá trị trung bình của nhóm chuẩn có thể dễ dành được xác định. Giá trị độ lệch của từng chuẩn so với giá trị trung bình sẽ được thống kê và lập thành biểu đồ theo thời gian nhằm dễ dàng đánh giá độ ổn định của từng chuẩn. Đối với những chuẩn có độ lệch thay đổi quá lớn thì cần phương án thay thế để duy trì nhóm chuẩn ổn định.

Dưới đây là kết quả của nhóm chuẩn 100 pF được nghiên cứu và thống kê từ năm 2011.

Bảng 3.5 Giá trị của Tụ chuẩn GR 1404-B, S/n: D2-05111073

Ngày Giỏ trị (pF) Uncertainty (àF/F)

25-Oct-11 100,00215 15

31-Mar-12 100,00227 15

19-Oct-12 100,00286 12

22-Mar-13 100,00267 12

16-Oct-13 100,00312 12

20-Mar-14 100,00351 12

26-Oct-14 100,0037 12

29-Mar-15 100,00382 10

30-Oct-15 100,00405 10

17-Mar-16 100,00416 10

25-Oct-16 100,00395 10

Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn giá trị của tụ chuẩn 1404-B. S/n: D2-05111073 theo thời gian

100.002 100.0025 100.003 100.0035 100.004 100.0045

14-Sep-11 10-Jul-12 6-May-13 2-Mar-14 27-Dec-14 23-Oct-15 18-Aug-16

Giá trị điện dung (PF)

Tụ chuẩn 1404-B; S/n:D2-05111073

Bảng 3.6 Giá trị của Tụ chuẩn P597, S/n: 529

Ngày Giỏ trị (pF) Uncertainty (àF/F)

25-Oct-11 100,01357 31,5

31-Mar-12 100,01398 31,0

19-Oct-12 100,01438 31,0

22-Mar-13 100,01489 29,2

16-Oct-13 100,01517 28,9

20-Mar-14 100,01506 29,0

26-Oct-14 100,01542 29,0

29-Mar-15 100,01598 26,6

30-Oct-15 100,01617 26,4

17-Mar-16 100,01652 26,3

25-Oct-16 100,01702 26,3

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn giá trị của tụ chuẩn P597, S/n: 529 theo thời gian

100.013 100.0135 100.014 100.0145 100.015 100.0155 100.016 100.0165 100.017 100.0175

14-Sep-11 10-Jul-12 6-May-13 2-Mar-14 27-Dec-14 23-Oct-15 18-Aug-16

Giá trị điện dung (pF)

Tụ chuẩn P597, S/n:529

Bảng 3.7 Giá trị của Tụ chuẩn P597, S/n: 1627

Ngày Giỏ trị (pF) Uncertainty (àF/F)

25-Oct-11 100,02634 31,2

31-Mar-12 100,02526 30,8

19-Oct-12 100,02489 31,0

22-Mar-13 100,02468 29,2

16-Oct-13 100,02447 29,2

20-Mar-14 100,02422 29,0

26-Oct-14 100,02399 29,5

29-Mar-15 100,02387 26,6

30-Oct-15 100,02402 27,1

17-Mar-16 100,02416 26,6

25-Oct-16 100,02397 26,7

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn giá trị của tụ chuẩn P597, S/n: 1627 theo thời gian

100.023 100.0235 100.024 100.0245 100.025 100.0255 100.026 100.0265

14-Sep-11 10-Jul-12 6-May-13 2-Mar-14 27-Dec-1423-Oct-1518-Aug-1614-Jun-17

Giá trị điện dung (pF)

Tụ chuẩn P597; S/n: 1627

Bảng 3.8 Giá trị của Tụ chuẩn C8002, S/n: 681105

Ngày Giỏ trị (pF) Uncertainty (àF/F)

25-Oct-11 99,99892 32,2

31-Mar-12 99,99886 32,2

19-Oct-12 99,99864 32,2

22-Mar-13 99,99831 30,7

16-Oct-13 99,99858 30,7

20-Mar-14 99,99862 30,5

26-Oct-14 99,99877 30,5

29-Mar-15 99,99859 27,5

30-Oct-15 99,99848 27,5

17-Mar-16 99,99837 27,2

25-Oct-16 99,9984 27,1

Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn giá trị của tụ chuẩn C8002, S/n: 681105 theo thời gian Nhận xét: Dựa vào các bảng giá trị và đồ thị biểu diễn giá trị điện dung của từng tụ chuẩn nhận thấy giá trị điện dung của các tụ chuẩn đang trôi theo thời gian với biên

99.997 99.9975 99.998 99.9985 99.999 99.9995

14-Sep-11 10-Jul-12 6-May-13 2-Mar-14 27-Dec-14 23-Oct-15 18-Aug-16

Giá trị điện dung (pF)

Tụ chuẩn C8002 , S/n: 681105

độ khác nhau và chiều trôi khác nhau. Cụ thể là có 02 chuẩn trôi lên, 02 chuẩn trôi xuống. Chuẩn có biên độ trôi lớn nhất là ≈ 6 ppm/năm và chuẩn có độ trôi nhỏ nhất là

≈ 1,0 ppm/năm. Điều đó rất có lợi khi kết hợp các tụ chuẩn vào thành một nhóm do khi đó các chiều trôi khác nhau sẽ bù cho nhau dẫn đến một giá trị trung bình có độ ổn định cao.

Bảng 3.9 Giá trị trung bình của nhóm Tụ chuẩn

Ngày Giỏ trị (pF) Uncertainty (àF/F)

25-Oct-11 100,01025 14,2

31-Mar-12 100,01009 14,1

19-Oct-12 100,01019 14,0

22-Mar-13 100,01014 13,2

16-Oct-13 100,01034 13,2

20-Mar-14 100,01035 13,1

26-Oct-14 100,01047 13,2

29-Mar-15 100,01057 11,9

30-Oct-15 100,01068 12,0

17-Mar-16 100,01080 11,8

25-Oct-16 100,01084 11,8

100.0085 100.009 100.0095 100.01 100.0105 100.011 100.0115 100.012

14-Sep-11 10-Jul-12 6-May-13 2-Mar-14 27-Dec-14 23-Oct-15 18-Aug-16

Giá trị điện dung TB (pF)

Giá trị trung bình của nhóm chuẩn

Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn giá trị trung bình của nhóm tụ chuẩn theo thời gian Nhận xét: Như phân tích của nhận xét trên, giá trị điện dung trung bình của nhóm chuẩn sau khi được thiết lập và duy trì có độ ổn định cao ≈ 1,5 ppm/năm và có thể dự đoán được giá trị dựa vào quy luật của đồ thị biểu diễn với độ tin cậy cao.

Bảng 3.10. Độ lệch của từng chuẩn so với giá trị trung bình.

Ngày

Độ lệch của GR1404 so với GTTB

(ppm)

Độ lệch của P597-529 so

với GTTB (ppm)

Độ lệch của P597-1627 so

với GTTB (ppm)

Độ lệch của C8002 so với GTTB (ppm) 25-Oct-11 -80.94171 33.24659389 160.93351 -113.23840 31-Mar-12 -78.21711 38.87107694 151.65969 -112.31366 19-Oct-12 -73.31753 41.87073233 146.96002 -115.51323 22-Mar-13 -74.66743 47.52018264 145.41026 -118.26301 16-Oct-13 -72.14254 48.34500354 141.33539 -117.53785 20-Mar-14 -68.41792 47.07012707 138.66065 -117.31286 26-Oct-14 -67.69291 49.49481789 135.18585 -116.98775 29-Mar-15 -67.44287 54.14427966 133.03594 -119.73735 30-Oct-15 -66.29292 54.89413731 133.38575 -121.98697 17-Mar-16 -66.41783 57.16882434 133.56057 -124.31157 25-Oct-16 -68.84254 61.84329928 131.33577 -124.33653

Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn độ lệch của từng chuẩn so với giá trị trung bình theo thời gian

Kết luận: Sau khi nghiên cứu và đưa ra phương pháp thiết lập và duy trì chuẩn đơn vị điện Fara, ta đã đạt được một giá trị thể hiện đơn vị điện dung có độ ổn định ≈1,5 ppm/năm đó là Giá trị trung bình của một nhóm gồm bốn tụ chuẩn được đưa ra trong bảng 3.9 và hình 3.11.

Từ giá trị trung bình thiết lập và duy trì được ta có thể biểu diễn độ lệch của từng chuẩn trong nhóm chuẩn so với giá trị trung bình qua bảng 3.10 và hình 3.12 để từ đó đánh giá độ ổn định của từng chuẩn đó để đưa ra các biện pháp xứ lý để duy trì nhóm chuẩn.

-150.00000 -100.00000 -50.00000 0.00000 50.00000 100.00000 150.00000 200.00000

25-Oct 19-Oct 16-Oct 26-Oct 30-Oct 25-Oct

Độ lệch của các tụ chuẩn so với GTTB (ppm)

Đồ thị biểu diễn độ lệch của các chuẩn so với GTTB

GR1404-B P597-529 P597-1627 C8002