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

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*

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 và Tin học, Viện Ứng dụng Công nghệ

* Tác giả liên hệ: dttan@most.gov.vn

Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 15/09/2020 Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 11/11/2020 Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/12/2020

Tóm tắt:

Hoạt động đo lường và hiệu chuẩn đang đóng vai trò quan trọng trong thực tiễn sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu và phát triển của một nền kinh tế nói riêng và của cả xã hội nói chung Để nâng cao chất lượng

và hiệu quả của hoạt động hiệu chuẩn, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một phần mềm đo và đánh giá tự động đối với phép đo L-C-R sử dụng thiết bị chuẩn HM8118 của hãng Rohde & Schwarz Phần mềm được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình LabVIEW và được kết nối và điều khiển thông qua tập lệnh SCPI Các giá trị đo đạc được tính toán và đưa ra kết quả hiệu chuẩn bằng file Excel Việc thực hiện hiệu chuẩn các hộp điện trở, hộp điện cảm, hộp điện dung thông qua sự hỗ trợ của phần mềm giúp quá trình hiệu chuẩn giảm đi thời gian thực hiện lên đến 3-5 lần so với thực hiện thủ công Phần mềm được hoàn thiện giúp khai thác sức mạnh tính toán mà máy tính mang lại, rút ngắn thời gian và công sức làm việc, góp phần vào việc tự động hóa trong đo lường và hiệu chuẩn.

Từ khóa: Phần mềm hiệu chuẩn, LabVIEW, phép đo L-C-R.

1 Đặt vấn đề

Đo lường có vai trò quan trọng trong sự phát

triển của doanh nghiệp giúp thúc đẩy phát triển khoa

học, công nghệ và đổi mới sáng tạo; là công cụ góp

phần nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm hàng

hóa [1] Theo Luật Đo lường 04/2011/QH13, hiệu

chuẩn là hoạt động xác định, thiết lập mối quan hệ

giữa giá trị đo lường, phương tiện đo với giá trị của

đại lượng cần đo Mối quan hệ này được thể hiện

thông qua giá trị thực tế đo được và độ không đảm

bảo đo cho phép đo đó Hiện nay, việc thực hiện

hiệu chuẩn các thiết bị tại các tổ chức thử nghiệm,

hiệu chuẩn, kiểm định được cấp phép phần lớn vẫn

được thực hiện một cách thủ công thông qua các

bước: kiểm tra, kết nối, lấy số liệu thủ công, nhập

kết quả quan trắc, tính toán và xuất kết quả đo Do

thực hiện thủ công nên tiêu tốn thời gian, công sức

hơn và có thể tồn tại sai sót chủ quan của con người

Thông thường với 1 hộp điện trở [2], điện cảm [3]

hoặc điện dung [4] thập phân thường có từ 5 đến 10

đề-các Như vậy, theo Quy trình hiệu chuẩn hộp điện

trở chuẩn ĐLVN 299:2016, cán bộ vận hành cần

phải lấy số liệu từ 50 đến 100 điểm đo, với mỗi điểm

đo lấy tối thiểu 03 giá trị đọc về Do đó, việc đưa phần mềm phục vụ vào điều khiển và đọc, ghi trực tiếp các giá trị đo sẽ giúp ích nhiều trong quá trình hiệu chuẩn Ưu điểm của việc áp dụng phần mềm trong đo lường hiệu chuẩn: Tính nhất quán, nâng cao hiệu quả làm việc, quản lý dữ liệu, linh hoạt và mềm dẻo, dễ quản lý, minh bạch các phép đo Trên thế giới, một số hãng sản xuất thiết bị đo cũng cung cấp các phần mềm hỗ trợ tiêu biểu như:

NI Engineer Ambitiously, IDRIS Automation, SL-SOFT, … Tuy nhiên, các phần mềm này chỉ phục

vụ chủ yếu cho hiển thị giá trị đo và điều khiển thông thường Cùng với đó, một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã có các công bố về tích hợp phần mềm trong hiệu chuẩn [5], [6] và các ứng dụng trong hiệu chuẩn điện trở [7] với tính năng kết nối các thiết bị hiệu chuẩn và lấy các giá trị đo và xử lý

dữ liệu ở mức độ đơn giản Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng phần mềm hiệu chuẩn với đối tượng là phép đo L-C-R sử dụng thiết bị chuẩn HM8118 của hãng Rohde & Schwarz Phần mềm

LabVIEW được lựa chọn làm nền tảng trong việc

xây dựng phần mềm hiệu chuẩn nhờ khả năng ứng

dụng tốt trong môi trường đo lường, tính ổn định,

logic và dễ sử dụng

Trong kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đã

hoàn thiện phần mềm hiệu chuẩn, tiến hành hiệu

chuẩn với các phép đo L-C-R cụ thể, đồng thời xuất

ra các file kết quả và giấy hiệu chuẩn tương ứng

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Mô hình hệ thống

Thành phần chính trong hệ thống là 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 bằng phần mềm máy L-C-R

HM8118 được kết nối với máy tính bằng cáp kết

nối USB

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 được đưa về máy tính qua kết nối

USB, các lệnh điều khiển từ phần mềm gửi xuống

máy đo L-C-R thông qua tập lệnh SCPI Từ các giá

trị đo thu được, phần mềm thực hiện tính toán và

đưa ra bảng quan trắc và giấy hiệu chuẩn

2.2 Yêu cầu của phần mềm

Dựa theo “Quy trình hiệu chuẩn L-C-R” đã

được Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học

ban hành và sử dụng thực tế ở phòng hiệu chuẩn

Nhóm tác giả đã khảo sát và đưa ra tính năng của

phần mềm bao gồm:

- Khai báo các điểm cần hiệu chuẩn của hộp

điện trở, điện cảm, điện dung

- Tính toán lựa chọn chức năng, thang đo, mức

điện áp, tần số, kiểu mạch, … phù hợp với các điểm

cần hiệu chuẩn

- Điều khiển thiết bị đo L-C-R thông qua tập lệnh SCPI để đo và lấy số liệu

- Thực hiện các phép tính từ số liệu thu thập dựa theo các công thức liên quan đến thủ tục hiệu chuẩn

- Tạo báo cáo đo lường và đồ thị hóa kết quả đầu ra

Trong các chức năng này, phần xử lý số liệu

là hết sức quan trọng Từ các thông số quan trắc được và các tài liệu của nhà sản xuất về thiết bị hiệu chuẩn và thiết bị cần hiêu chuẩn, phần mềm phải tính toán được độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn Theo [8], phần mềm thực hiện tính các độ không đảm bảo đo như sau:

- Độ không đảm bảo đo loại A u A: Được ước tính theo phương pháp thống kê dựa vào kết quả đo với xác suất phân bố chuẩn

2 1

n i i A

x x u

n n

=

−

=

−

∑

với x i là kết quả lần đo thứ i, x là giá trị đo trung bình, n là số lần đo Số lần đo được thực hiện là 5 lần trên mỗi điểm hiệu chuẩn

- Độ không đảm bảo đo của chuẩn u B1: Được tính bằng độ không đảm bảo đo của chuẩn công bố trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn chia cho hệ số phủ k =2, tương ứng với độ không đảm bảo đo được ước lượng với mức tin cậy P =95%, phân bố xác suất hình chữ nhật Giá trị độ không đảm bảo

đo của chuẩn được cập nhật định kỳ hàng năm theo chứng nhận hiệu chuẩn

- Độ không đảm bảo đo do hệ thống đo u B2: Phát sinh từ độ phân giải của phương tiện đo và thiết bị cần hiệu chuẩn Được tính bằng một nửa độ phân giải chia cho căn bậc hai của 3, phân bố xác suất hình chữ nhật

Sau khi tính các độ không đảm bảo đo thành phần, độ không đảm bảo đo mở rộng (được ghi trong giấy hiệu chuẩn) được xác định như sau:

2.3 Thiết kế phần mềm

Bắt đầu quá trình, máy đo L-C-R HM8118 kết nối với phần mềm thông qua USB Người dùng cần nhập các điểm hiệu chuẩn và những thông số cần

thiết (như steps, U max , I max , P max , độ chính xác,…)

Trước khi hiệu chuẩn, phần mềm sẽ yêu cầu người

dùng thực hiện các bước theo hướng dẫn để giảm

thiểu sai số dây đo Sau đó phần mềm tự động điều

khiển, lấy kết quả đo từ máy L-C-R, tính toán lấy số

liệu theo các bước trong quy trình hiệu chuẩn và lưu

kết quả dưới dạng file Excel Lưu đồ thuật toán của

chương trình được thể hiện như Hình 2.2

Như đã phân tích ở trên, trong nghiên cứu này,

nhóm tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa

LabVIEW để thiết kế phần mềm Cấu trúc của phần

mềm được thiết kế trên nền LabVIEW bao gồm

hai phần Font Panel và Diagram Block còn gọi là

Vitural Instrucment (VI) [9], trong một VI bao gồm

nhiều module subVI chứa chức năng riêng biệt của

phần mềm Các module subVI bao gồm:

- Module kết nối và điều khiển máy đo L-C-R

- Module tính toán độ không đảm bảo đo

- Module điều khiển giao diện, lưu kết quả đo

Hình 2.2 Sơ đồ khối phần mềm hiệu chuẩn

Giao diện kết nối (Hình 2.3a) được thiết kế

để tương tác với người dùng trong quá trình vận

hành giúp thực hiện theo đúng quy trình thủ tục hiệu

chuẩn tuân thủ ISO/IEC 17025 Người dùng có thể

điều khiển chương trình, thay đổi thông số đầu vào

và theo dõi kết quả trực tiếp Hình 2.3b mô tả các

bước hướng dẫn người dùng thực hiện hiệu chỉnh

dây đo của thiết bị Giao diện kết quả hiệu chuẩn

sau khi hoàn thành đo (Hình 2.3c) cung cấp các

thông tin về giá trị trung bình, độ không đảm bảo

đo, dung sai và kết quả hiệu chuẩn

a)

b)

c)

Hình 2.3 (a) Giao diện kết nối, (b) Giao diện hiệu chỉnh dây đo, (c) Giao diện kết quả phần mềm

2.4 Thử nghiệm và đánh giá phần mềm

Bảng 2.1 Danh sách thiết bị tham chiếu và đối tượng hiệu chuẩn trong thử nghiệm

(RU) HM8118 -

(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 phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của phần mềm nhóm nghiên cứu

đã tiến hành hiệu chuẩn trực tiếp với các đối tượng

đo bao gồm điện trở xoay chiều đơn trị Series 7334 của hãng Guildline (10 Ω) và hộp điện cảm decac

1491-G độ chính xác cao 10 H của hãng GenRad,

hộp điện dung decac HACS-Z-A-7E (Bảng 2.1)

Hình 2.4 Đồ thị so sánh thời gian thực hiện đo

Kết quả đánh giá giữa phần mềm và phương

pháp đo thủ công được thể hiện trên đồ thị Hình 2.4

Kết quả thực nghiệm trên đồ thị cho thấy thời gian

thực hiện hiệu chuẩn bằng phần mềm giúp giảm đi

đáng kể từ 98 phút xuống 16 phút (trường hợp 50

điểm đo) so với phương pháp thủ công Nguyên

nhân chính là do tiến hành bằng phần mềm làm giảm bớt thời gian nhập số liệu (màu cam) và tính toán (màu nâu) Ngoài ra có thể thấy hiệu chuẩn càng nhiều điểm đo thì hiệu quả phần mềm đem lại càng lớn

3 Kết luận

Nhóm tác giả đã hoàn thành xây dựng phần mềm hiệu chuẩn phép đo L-C-R trên nền tảng LabVIEW Phần mềm đã hoạt động thực tế và đem lại hiệu quả tốt, hỗ trợ cho hoạt động hiệu chuẩn, đồng thời mở ra tiềm năng phát triển tự động hóa trong đo lường theo xu thế của xã hội

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi đề tài cấp cơ

sở “Nghiên cứu xây dựng phần mềm đo và đánh giá tự động đối với phép đo L-C-R” của Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học

Tài liệu tham khảo

[1] N V Thiệu, “Đổi mới hoạt động đo lường, hỗ trợ doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và

hội nhập quốc tế,” Tạp chí thông tin khoa học & công 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 &

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.