Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn Điện dung

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

3.2 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn Điện dung

Như đã phân tích ở trên, công cụ chính để duy trì chuẩn Điện dung chính là xây dựng quy trình hiệu chuẩn cho các chuẩn trong nhóm chuẩn.

3.2.1 Nghiên cứu phương pháp hiệu chuẩn chuẩn điện dung.

Mục tiêu đề ra đó là cần xây dựng một phương pháp so sánh hai tụ chuẩn từ đó xác định tỷ lệ giữa chúng.

Hướng nghiên cứu: Dựa vào lý thuyết về các phương pháp đo điện dung trình bày tại mục 2.1.2 chương II, tác giả lựa chọn phương pháp cầu biến thế tỷ lệ vì lý do sau đây:

+ Thứ nhất: Phương pháp cầu có thể đưa ra cho ta tỷ lệ của hai tụ cần so sánh một cách chính xác do sử dụng phương pháp vi sai (so sánh gián tiếp).

+ Thứ hai: Việc sử dụng phân áp điện cảm làm nhánh tỷ lệ đối với cầu biến thế tỷ lệ sẽ chính xác hơn rất nhiều so với việc sử dụng điện trở xoay chiều như cầu Schering.

Hơn nữa phân áp điện cảm có độ phân giải đạt tới 10-8 và không cần hiệu chuẩn lại. Đó là ưu điểm lớn của phương pháp cầu biến thế tỷ lệ.

Sơ đồ cầu biến thế tỷ lệ kiểu F9200 [11] tại phòng Đo lường Điện – Viện Đo lường Việt Nam được mô tả chi tiết dưới đây:

37

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý cầu biến thế tỷ lệ F9200 [11]

Trong đó: Cx và CS là hai tụ điện chuẩn cần so sánh.

Cấu tạo của cầu gồm:

+ Máy phát âm tần cách ly được sử dụng để tạo tín hiệu sóng sin. Đối với phép đo Điện dung, biên độ A của tín hiệu thường từ 1V đến 10 V, tần số f thường 1 kHz hoặc 1,592 kHz tùy vào yêu cầu phép đo cụ thể. Tín hiệu phát ra từ máy phát âm tần có dạng:

= . sin(2 ) (3.1)

38

Máy phát âm tần là loại cách ly mục đích để chống lại nhiễu từ nguồn nuôi lưới ảnh hưởng đến phép đo.

+ Điện kế: là bộ phận chỉ thị cân bằng. Nhờ có điện kế ta có thể biết được trạng thái cân bằng của cầu. Tín hiệu xoay chiều được xác định trên điện kế nếu biểu diễn dưới dạng số phức có dạng:

= ∠ (3.2)

Khi xác định trạng thái cân bằng của cầu thì tức là = 0. Như vậy để = 0 thì chúng ta cần cân bằng cả về mặt biên độ r lẫn pha θ.

+ Phân áp điện cảm F9200: được sử dụng như một nhánh tỷ lệ có thể điều chỉnh để cân bằng cầu về mặt biên độ. Đây được coi là một phần quan trọng nhất trong cấu tạo cầu.

+ Phân áp điện cảm F9101: được sử dụng để cân bằng cầu về pha. Đi kèm với phân áp điện cảm là bộ biến áp cách ly F9103 và Mạng lập phương (Quadrature network) để tạo tín hiệu lệch pha 90 so với tín hiệu nguồn:

= . sin + (3.3)

Tín hiệu này sau đó sẽ được đưa vào điện kế để bù lại sự sai lệch pha giữa hai Tụ chuẩn cần so sánh.

+ Ngoài ra cầu còn bao gồm một phân áp điện cảm để tạo tín hiệu đất Wagner.

Đất Wagner là một cải tiến của hầu hết tất cả cầu xoay chiều nhằm mục đích tạo ra một lớp vỏ bọc loại bỏ giá trị tụ ký sinh của các phần tử trong cầu ảnh hưởng đến kết quả đo.

Ở trạng thái cân bằng, ta được:

=1 − . (3.4) Tức là:

= 1 − (3.5)

39

Trong đó: Cx là tụ chuẩn cần hiệu chuẩn, CS là tụ chuẩn đã biết, n là giá trị đọc trên phân áp điện cảm F9200. Đối với phép so sánh các chuẩn điện dung trong nhóm chuẩn, vì giá trị điện dung danh định như nhau nên thường n = 0,5.

Như vậy thông qua tỷ lệ trên phân áp điện cảm đã xác định được tỷ lệ điện dung giữa hai tụ điện.

3.2.2 Lập quy trình hiệu chuẩn chuẩn điện dung

Từ nghiên cứu tại mục 3.2.1 trên, tôi đưa ra phương pháp đo- hiệu chuẩn cụ thể cho hai chuẩn điện dung như sau:

3.2.2.1 Chuẩn và các thiết bị dùng trong hiệu chuẩn

Bảng 3.1. Chuẩn và thiết bị dùng trong hiệu chuẩn TT Phương tiện

hiệu chuẩn Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản Kiểu/loại 1 Chuẩn đo lường

1.1 Tụ chuẩn

Giá trị danh định: 100 pF.

Dải tần: đến 1 MHz GR 1404-B; P597;

C8002 2 Phương tiện phụ

2.1 Phân áp điện cảm

Tỷ lệ: 0 đến 1.0001111

Độ chính xác: ±3 đến 4.10-8 (@ 1kHz) Độ phân giải: 1.10-8

Phạm vi điện áp: Vmax=0,2.f (V)

Sullivan F9200

2.2 Phân áp điện cảm

Tỷ lệ: 0 đến 1.1110

Độ chính xác: ± 3 .10-4 (@ 1kHz) Độ phân giải: 1.10-4

Phạm vi điện áp: Vmax=0,2.f (V) hoặc 200 V

Sullivan F9101

40 2.3 Phân áp điện

cảm

Tỷ lệ: 0 đến 1.1111110

Độ chính xác: ± 1 .10-7 (@ 1kHz) Độ phân giải: 1.10-7

Phạm vi điện áp: Vmax=0,35.f (V) hoặc 350 V

DT72A

2.4 Điện kế Độ nhạy: 0,1 àV

Phạm vi điện áp: 200 Vac GR 1232-A

2.5 Biến áp cách

ly Vmax: 0,02.f hoặc 100 V F9102; F9103

2.6 Máy phát âm tần

Biên độ: 1V đến 100 V

Dải tần: 50 Hz đến 10 kHz GR 1311A

2.7 Mạng lập

phương ωRC=10-3

2.8 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

3.2.2.2 Chuẩn bị hiệu chuẩn

Kiểm tra bên ngoài để đảm bảo 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 phải được đặt trong môi trường hiệu chuẩn: Nhiệt độ: (23±1) C; Độ ẩm tương đối (50±10) %RH ít nhất 48 giờ.

Các cực nối của Tụ chuẩn và cầu so phải được vệ sinh sạch sẽ.

Các dây nối và connector phải đảm bảo tiếp xúc tốt và không quá dài.

3.2.2.3 Tiến hành hiệu chuẩn

Mắc sơ đồ hiệu chuẩn như hình 3.3 dưới đây:

41

Hình 3.3. Sơ đồ hiệu chuẩn chuẩn điện dung

Sau khi đã nghiên cứu về nguyên lý của cầu biến thế tỷ lệ [11], phương pháp vận hành cầu biến thế tỷ lệ ta tiến hành tuần tự từng bước như sau:

B1: Lựa chọn biên độ và tần số của tín hiệu điện áp trên máy phát âm tần GR 1131-A.

Việc lựa chọn biên độ điện áp rất quan trọng. Nếu chọn dải biên độ điện áp quá nhỏ sẽ làm giảm độ nhạy của Điện kế, còn lựa chọn biên độ điện áp quá lớn có thể gây ra quá điện áp trên tụ hoặc làm tăng sự ảnh hưởng của điện áp đến giá trị điện dung. Biên độ điện áp thường được chọn trong dải: 1 V đến 10 V.

B2: Giá trị tỷ lệ trên hai phân áp điện cảm F9200 và DT72A được đặt là 0,5000000. Hai phân áp điện cảm này trong quá trình cân bằng giá trị tỷ lệ luôn được đặt như nhau. Mục đích của thao tác này là tạo sự đẳng thế giữa các bộ phận từ đó làm triệt tiêu các thành phần ký sinh

B3: Giá trị tỷ lệ trên hai phân áp điện cảm F9101 cũng được đặt là 0,5000.

42

B4: Lựa chọn dải tần số trên điện kế GR 1232-A phù hợp với dải tần của tín hiệu trên máy phát âm tần. Độ nhạy của điện kế được đặt về mức thấp nhất. Điều này tránh gây ra tín hiệu sai lệch quá lớn đặt lên điện kế làm hư hại điện kế.

B5: Tiến hành bật nguồn máy phát âm tần và điều chỉnh biên độ điện áp sao cho giá trị biên độ điện áp đo được trên Máy đo vạn năng Fluke 8846A không được lệch quá ± 0,1

% so với giá trị đặt. Tương tự đối với giá trị tần số không được lệch quá ± 0,01 %. Việc giám sát biên độ và tần số trên máy đo vạn năng được thực hiện suốt quá trình hiệu chuẩn.

B6: Điều chỉnh phân áp điện cảm F9101sao cho điện kế chỉ giá trị thấp nhất. Tăng dần độ nhạy của điện kế để có thể tinh chỉnh trên F9101.

B7: Giảm độ nhạy của điện kế. Điều chỉnh biến áp tỷ lệ F9200 so cho điện kế chỉ giá trị

“0” hoặc giá trị thấp nhất. Tăng dần độ nhạy của điện kế để có thể tinh chỉnh trên F9200 nhằm đạt được giá trị có độ phân giải cao nhất.

B8: Điều chỉnh tỷ lệ trên phân áp điện cảm DT72A bằng với F9200.

Lưu ý: sau khi thực hiện bước 8 có thể làm tăng giá trị trên điện kế. Khi đó thực hiện lại tuần tự B7 đến B8. Việc lặp lại B7 và B8 có thể được thực hiện một vài lần để có kết quả chính xác nhất.

B9: Giảm độ nhạy của điện kế. Tiến hành ngắt nguồn của máy phát âm tần.

B10: Đọc và ghi lại giá trị tỷ lệ đặt trên biến thế tỷ lệ F9200, giá trị đó được gọi là n1. Lặp lại các bước B1 đến B10 ít nhất 20 lần. Các giá trị tỷ lệ đặt trên F9200 được gọi là ni. Trong đó i là số thứ tự lần lặp lại phép đo.

Tỷ số giữa hai Tụ chuẩn trong phép đo được xác định theo công thức:

1

1

1

m i

x i

S m

i i

C n

C n











 (3.6)

Trong đó: m là số phép đo được thực hiện. (m ≥ 20)

43 Đặt:

1 m

i i

n n





Rút gọn lại ta có:

1

x S

C n

C  n

 1 .

x S

C n C

  n

 (3.7)

3.2.2.4 Tính toán, ước lượng độ không đảm bảo đo.

a. Mô hình toán học của phép đo:

. .(1 )

x S 1 B B cal drift tcs tcx res

C C n

n      

        

 (3.8)

Trong đó:

B: Sai số của cầu biến thế tỷ lệ

B: Thành phần tạo bởi độ không đảm bảo đo của cầu biến thế tỷ lệ

cal: Thành phần tạo bởi độ không đảm bảo đo của Tụ chuẩn đã biết.

drift

 : Thành phần tạo bởi độ trôi của chuẩn đã biết.

tcs: Thành phần tạo bởi hệ số nhiệt của Tụ chuẩn đã biết.

tcx: Thành phần tạo bởi hệ số nhiệt của Tụ chuẩn cần hiệu chuẩn.

res: Thành phần tạo bởi độ phân giải của phân áp điện cảm F9200 b. Các thành phần độ không đảm bảo đo

- Độ không đảm bảo đo loại A: uA

Thành phần này tạo bởi sự phân tán của các số liệu quan trắc trong phép hiệu chuẩn. Đây là độ lệch chuẩn thực nghiệm của giá trị trung bình, được giả thiết tuân theo phân bố chuẩn. Độ không đảm bảo đo loại A bằng giá trị độ lệch chuẩn thực nghiệm của giá trị trung bình chia cho 1.

- Độ không đảm bảo đo loại B: ub.

44

Đây là thành phần gây ra bởi độ không đảm bảo đo của bản thân cầu so. Thành phần độ không đảm bảo đo này được giả thiết tuân theo phân bố hình chữ nhật tức là bằng chính nó chia cho hệ số 3 . Theo thông số công bố của cầu so thì độ không đảm bảo đo của cầu so là 5.10-8, do vậy thành phần này được ước lượng:

5 6

3.10

ub   (3.9)

- Độ không đảm bảo đo loại B: ucal

Đây là thành phần gây ra bởi độ không đảm bảo đo cal US của Tụ chuẩn đã biết. Được lấy từ giấy chứng nhận được thực hiện gần nhất của Tụ chuẩn đã biết chia cho hệ số phủ được xác định từ giấy chứng nhận đó. Thông thường việc hiệu chuẩn được xác định với độ tin cậy 95,45 % tương ứng với hệ số phủ bằng 2. Do vậy:

2

cal

ucal  (3.10)

- Độ không đảm bảo đo loại B: udrift

Đây là thành phần gây ra bởi độ trôi drift của Tụ chuẩn đã biết theo thời gian. Thành phần này được xác định dựa theo lịch sử kết quả hiệu chuẩn của chuẩn và được giả thiết phân bố hình chữ nhật. Do vậy:

3

drift drift

u 

 (3.11)

- Độ không đảm bảo loại B: utcs

Đây là thành phần gây ra bởi hệ số nhiệt tcs của Tụ chuẩn đã biết. Được xác định từ sự dao động về nhiệt độ trong suốt quá trình đo và giả thiết tuân theo phân bố hình chữ nhật.

Ở đây theo điều kiện nhiệt độ ban đầu của phòng thí nghiệm là ± 1⁰C. Do vậy:

3

tcs

utcs  (3.12)

- Độ không đảm bảo đo loại B: utcx

45

Đây là thành phần gây ra bởi hệ số nhiệt tcx của Tụ chuẩn cần hiệu chuẩn và được ước lượng tương tự như tcs. Do vậy:

3

tcx

utcx  (3.13)

- Độ không đảm bảo đo loại B: ures

Đây là độ không đảm bảo đo gây ra bởi độ phân giải rescủa phân áp điện cảm F9200.

Được ước lượng là một nửa của độ phân giải chia cho 3 (Phân bố hình chữ nhật). Do vậy:

10 8 res 2. 3

   (3.14)

c. Bảng tổng hợp các thành phần độ không đảm bảo đo (Uncertainty budget):

Dưới đây bảng tổng hợp độ KĐB đo cho một phép hiệu chuẩn (1 V, 1 kHz) Bảng 3.2. Bảng tổng hợp các thành phần độ không đảm bảo đo

Thành phần

Giá trị ước lượng

Độ KĐB đo chuẩn (tương đối)

Phân bố Bậc tự do hiệu dụng

Hệ số nhạy*

A Chuẩn 19 1

B H.C.Nhật  1

cal Chuẩn  1

drift

 H.C.Nhật  1

tcs H.C.Nhật  1

tcx H.C.Nhật  1

res H.C.Nhật  1

* Hệ số nhạy chọn theo điều kiện an toàn nhất.

Độ không đảm bảo đo do sai lệch tần số trong quá trình đo được bỏ qua (≈0) do tín hiệu tần số đã được giám sát bằng vạn năng 8846A có độ chính xác về tần số rất cao.

46 Độ không đảm bảo đo tổng hợp:

2 2 2 2 2 2 2

C A b cal drift tcs tcx res

U  U U U U U U U (3.15)

Độ không đảm bảo đo mở rộng:

Theo hướng dẫn biểu diễn độ không đảm bảo đo GUM, khi số phép đo ≥ 10 lần thì ta có thể chọn hệ số phủ k=2 tương ứng với xác xuất tin cậy 95,45 %. Khi đó

2. c

U  U (3.16)

3.2.3 Sau đây tôi xin trình bày kết quả một ví dụ cụ thể phép hiệu chuẩn chuẩn Điện dung sử dung cầu biến thế tỷ lệ F9200 đối với:

+ Tụ chuẩn đã biết CS: Model 1404-B Số sản xuất: D2-05111073 Giá trị lấy từ giấy chứng nhận: 100.00416 pF

+ Tụ chuẩn cần hiệu chuẩn Cx: Model C8002 Số sản xuất: 681105

Hình 3.4 Hệ thống hiệu chuẩn tụ chuẩn tại phòng Đo lường Điện -VMI Phép đo-hiệu chuẩn được thực hiện ở tín hiệu sóng sin biên độ 1V, tần số 1 kHz.

Điều kiện môi trường hiệu chuẩn: Nhiệt độ: (23±1)⁰C; Độ ẩm: (55±5) %

47

Các chuẩn được đặt trong môi trường hiệu chuẩn ít nhất 48h. Tiến hành mắc các tụ chuẩn theo sơ đồ hiệu chuẩn hình 3.3. Thực hiện tuần tự các bước hiệu chuẩn từ bước B1 đến B10. Giá trị tỷ lệ đọc trên cầu phân áp điện cảm F9200 được ghi và lập trên bảng excel:

Bảng 3.3. Kết quả vì dụ hiệu chuẩn hai tụ chuẩn 1404-B và C8002 Thứ

tự Điện áp Tần số Tỷ số đọc trên

F9200 (n) Tỷ số Cs/Cx

1 1V 1 kHz 0.49998615 0.99994461

2 1V 1 kHz 0.49998616 0.99994466

3 1V 1 kHz 0.49998630 0.99994521

4 1V 1 kHz 0.49998579 0.99994316

5 1V 1 kHz 0.49998668 0.99994672

6 1V 1 kHz 0.49998660 0.99994642

7 1V 1 kHz 0.49998600 0.99994402

8 1V 1 kHz 0.49998554 0.99994216

9 1V 1 kHz 0.49998549 0.99994197

10 1V 1 kHz 0.49998586 0.99994346

11 1V 1 kHz 0.49998604 0.99994417

12 1V 1 kHz 0.49998624 0.99994497

13 1V 1 kHz 0.49998631 0.99994523

14 1V 1 kHz 0.49998659 0.99994635

15 1V 1 kHz 0.49998680 0.99994722

16 1V 1 kHz 0.49998700 0.99994799

17 1V 1 kHz 0.49998661 0.99994643

18 1V 1 kHz 0.49998666 0.99994664

19 1V 1 kHz 0.49998602 0.99994410

20 1V 1 kHz 0.49998585 0.99994339

Giá trị trung bình (Average) 0.49998624 0.999944944

48 Giá trị Tụ chuẩn cần hiệu chuẩn:

. 99.998654

x 1 S

C n C pF

 n 



Ước lượng độ không đảm bảo đo:

- Độ không đảm bảo đo loại A:

Độ lệch chuẩn std dev. = 1,68.10-6 0,38.10 6

UA  

- Độ không đảm bảo đo loại B

Thành phần gây ra bởi độ không đảm bảo đo của cầu so:

6 6

5.10 2,9.10

b 3 U

 

 

Thành phần gây ra bởi độ không đảm bảo đo của chuẩn:

6

50.10 6

25.10

cal 2 U

 

 

Thành phần gây ra bởi độ trôi của chuẩn

6 6

2,0.10

1,2.10

drift 3 U

 

 

Thành phần gây ra bởi hệ số nhiệt của Tụ chuẩn đã biết

6

10.10 6

5,8.10

tcs 3 U

 

 

Thành phần gây ra bởi hệ số nhiệt của Tụ chuẩn cần hiệu chuẩn

6

32.10 6

10,7.10

tcs 3 U

 

 

Thành phần gây ra bởi độ phân giải của phân áp điện cảm F9200 0, 003.10 6

Ures  

Độ không đảm bảo đo tổng hợp:

49

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 6

6

0,38 2,9 25 1, 2 5,8 10, 7 0, 003 .10

28, 0.10

C A b cal drift tcs tcx res

C C

U U U U U U U U

U U





      

      



Độ không đảm bảo đo mở rộng:

2. C 56,0.10 6

U  U  

Bảng tổng hợp độ KĐB đo:

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo (ví dụ)

Thành phần

Giá trị ước lượng

Độ KĐB đo chuẩn (tương đối)

Phân bố Bậc tự do hiệu dụng

Hệ số nhạy*

A - 0,38 àF/F Chuẩn 19 1

B 5,0 àF/F 2,9 àF/F H.C.Nhật  1

cal 10 àF/F 5 àF/F Chuẩn  1

drift

 8,7 àF/F 1,2 àF/F H.C.Nhật  1

tcs 10 àF/F 5,8 àF/F H.C.Nhật  1

tcx 32 àF/F 10,7 àF/F H.C.Nhật  1

res 0,01 àF/F 0,003 àF/F H.C.Nhật  1

U 13,6 àF/F

Uc 27,2 àF/F

Báo cáo kết quả:

Tên đối tượng: Tụ chuẩn C8002 Số chế tạo: 861105 Giá trị danh định: 100 pF Điểm đánh giá: 1V, tần số: 1 kHz.

Ngày thực hiện: 20/09/2016.

50 Kết quả:

Giá trị C = 99.998 654 pF

Độ không đảm bảo đo (k=2): U= 27,2 F/F.