Nghiên cứu và xây dựng hệ thống chuẩn xoay chiều tại phòng đo lường điện viện đo lường việt nam

Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lường quốc gia đến năm 2020, với mục tiêu phát triển chuẩn đo lường quốc gia th

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn……… ……… …….… 3

Danh mục các bảng ……… …….………….… 4

Danh mục các hình vẽ……… ….………… 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1: TỔNG QUAN…….….……… ……… …….…… 11

1.1 Khái niệm cơ bản về đo lường điện áp xoay chiều 11

1.2 Giới thiệu về chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC Transfer 15

1.3 Các loại Thermal- Converter 18

1.4 Nguồn gốc của giá trị sai lệch AC-DC difference 22

Chương 2: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 28

2.1 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều 28

2.2 Xây dựng phương pháp duy trì chuẩn 44

Chương 3: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DẪN XUẤT HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 58

3.1 Đặt vấn đề 58 3.2 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Nguồn chuẩn điện áp xoay chiều 59

(Standard AC Calibrator)

3.3 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn (AC Measurement Standard) 66

Chương 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70

4.1 Đánh giá các nội dung đã thực hiện 70

4.2 Kết luận và đề xuất 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo ở Bộ môn Kỹ thuật

đo và Tin học công nghiệp - ĐHBK Hà nội và đặc biệt là GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến,

người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn và đã cho tôi những ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc

đến TS Yaowaret Pimsut – Viện Đo lường Thái Lan (NIMT), người đã hướng dẫn và

giúp đỡ tôi rất nhiệt tình trong thời gian đào tạo về chuẩn đo lường tại NIMT

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Đo lường Việt Nam, Ông trưởng

phòng Đo lường Điện – VMI đã tạo điều kiện về mặt thời gian và kinh phí để tôi được

theo học khoá học 2013-2015 này

Và cuối cùng tôi xin dành tất cả lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc tới cha mẹ, người đã sinh thành nuôi dưỡng tạo điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu Xin cám

ơn gia đình tôi, những người bạn luôn sát cánh bên tôi, các đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này

Trong khoảng thời gian không dài tôi đã nỗ lực và cố gắng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, song chắc chắn không thể tránh khỏi những sai xót Vì vậy, tôi rất mong được sự chỉ bảo, dạy dỗ của các thày cô giáo, sự góp ý của các chuyên gia, các đồng nghiệp và bè bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Ghép nối Thermal Element với Range Resistor 26

Bảng 1.2 Đặc trƣng kỹ thuật của chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 27 Bảng 2.1 Chuẩn và thiết bị dùng cho hiệu chuẩn 34

Bảng 2.2 Thời gian chờ ổn định đầu ra của thiết bị 36

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp thành phần độ KĐB đo cho điểm đo 10V, 1kHz 44

Bảng 2.4 Giá trị AC-DC transfer difference đang duy trì của 03 TVC 49

Bảng 2.5 So sánh vòng giữa 03 TVC 50

Bảng 2.6 Bảng tính ns và nx 53

Bảng 2.7 Bảng tính ACVnew 54

Bảng 2.8 Bảng tính kết quả hiệu chuẩn 55

Bảng 2.9 Bảng tính độ không đảm bảo đo 56

Bảng 3.1 Tìm giá trị điện áp một chiều thực DC+ và DC- 63

Bảng 3.2 Tìm giá trị đầu ra Mean ±DCV của SJTVC 64

Bảng 3.3 Đầu ra SJTVC khi phát điện áp xoay chiều 65

Bảng 3.4 Tính toán kết quả đo 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa các giá trị biên độ điện áp xoay chiều 14

Hình 1.2 Lịch sử phát triển các phương pháp chế tạo chuẩn điện áp xoay chiều 15

Hình 1.3 Cấu tạo của một Single-Junction Thermal Converter và hình ảnh thực tế 19

Hình 1.4 Cấu tạo của một Multijunction Thermal Converter 20

Hình 1.5 Cấu tạo của một MJTC công nghệ màng mỏng và hình ảnh thực tế 21

Hình 1.6 Đặc tính đáp ứng tấn số của SJTC và MJTC 23

Hình 1.7 Hình ảnh chuẩn đo lường điện áp xoay chiều- Bộ chuẩn và hộp bảo quản chuyên dụng; Một Thermal Element và Range Resistor 24

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều 29

Hình 2.2 Đồ thị đáp ứng vào-ra của các TVC 30

Hình 2.3 Sơ đồ hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều 35

Hình 2.4 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn nước ngoài tới chuẩn quốc gia 45

Hình 2.5 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn quốc gia trong nước theo quy hoạch trình Thủ tướng chính phủ phê duyệt 46

Hình 2.6 Sơ đồ đo so sánh vòng giữa các giá trị trong bộ chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 47

Hình 2.7 Minh họa cách so sánh vòng tìm giá trị diff từ một chuẩn đã biết 48 Hình 2.8 Sơ đồ đo so sánh vòng và kết quả nhận được 49 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống đo/ hiệu chuẩn hai SJTC được thiết lập tại phòng

Đo lường điện- Viện đo lường Việt Nam 51 Hình 3.1 Nguồn chuẩn đa năng Model 5720A của hãng FLUKE- USA 59 Hình 3.2 Sơ đồ mạch tìm giá trị điện áp một chiều thực DC+ và DC- 63 Hình 3.3 Sơ đồ mạch Hiệu chuẩn giá trị phát Điện áp xoay chiều của

nguồn chuẩn 64 Hình 3.4 Vôn mét xoay chiều chuẩn FLUKE 5790A 67 Hình 3.5 Sơ đồ hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn 68

MỞ ĐẦU

Đo lường với tư cách của một khoa học đa ngành và liên ngành đã, đang và sẽ tiếp tục có những ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều mặt của xã hội Đo lường được hình thành và phát triển từ những yêu cầu có tính khoa học, xã hội và thương mại Các phương pháp đo lường với độ chính xác cao góp phần đảm bảo tính lành mạnh trong thương mại địa phương và quốc tế, và bảo vệ quyền lợi đa bên của cộng đồng nhà sản xuất và người tiêu dùng Bên cạnh đó, các đòi hỏi khoa học khắt khe thúc đẩy vai trò của đo lường trên mọi khía cạnh phục vụ sự phát triển của nhân loại và đóng góp mạnh mẽ vào công cuộc tìm hiểu, khám phá thế giới tự nhiên của loài người Rõ ràng không có sự đòi hỏi cao nhất khả dĩ về đo lường thì công nghiệp vi điện tử sẽ không thể tiếp tục thu nhỏ kích thước của các “chip”, tương tự, công nghệ dẫn đường tốt hơn và đo áp lực tốt hơn dẫn tới quyết định các đường bay quốc tế trở nên tốt hơn, và giúp các động cơ hoạt động hiệu quả hơn, qua đó tiết kiệm được nhiên liệu và cải thiện chi phí công nghiệp Công nghiệp với công nghệ nano đòi hỏi kỹ thuật đo lường bề mặt tốt hơn và chính xác hơn trên các khoảng cách cỡ nano Steven Chu, người nhận giải Nobel đã nói: “Đo lường chính xác nằm ở trái tim của vật lý, và theo kinh nghiệm của tôi, vật lý hiện đại bắt đầu từ những số thập phân tiếp theo”

Từ cuối thế kỷ XIX, các nước công nghiệp đã xây dựng viện đo lường Quốc gia, nói chung dựa trên mô hình của Viện vật lý kỹ thuật Hoàng gia Đức được xây dựng năm 1887 Lợi ích kinh tế của một Viện quốc gia như vậy hầu như ngay lập tức đã được thừa nhận Ở Anh, hội vì sự tiến bộ của khoa học nước Anh đã khẳng định rằng nếu không có một viện quốc gia tập trung vào đo lường thì khả năng cạnh tranh của công nghiệp nước Anh sẽ trở nên yếu kém, ngay sau đó Anh đã thành lập Phòng thí nghiệm Vật lý quốc gia (NPL) năm 1900, tiếp theo sau Mỹ cũng thành lập Cục tiêu chuẩn quốc gia (NBS) năm 1901

Cho đến ngày nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có Viện đo lường hoặc một cơ quan chuyên trách về đo lường, với hai nhiệm vụ chính trong sứ mệnh của mình là: thỏa mãn các nhu cầu của công nghiệp về đo lường chính xác qua việc tiêu chuẩn hóa

và hiệu chuẩn- kiểm định các phương tiện đo; đồng thời xác định các hằng số vật lý để cải thiện và phát triển hệ SI Hệ SI ra đời năm 1960 với mong muốn tạo thành một hệ thống các đơn vị đo lường và đại lượng; định nghĩa các đơn vị; hình thành bội số và ước

số Việc thực hiện các đơn vị của hệ phải đảm bảo được các yếu tố: Đảm bảo các đơn vị không thay đổi theo thời gian và có thể tái tạo lại được; Được tái tạo ở mọi nơi trên thế giới; và có thể chuyển giao cho người sử dụng mà sai số không đáng kể hệ SI ban đầu dựa trên 6 đại lượng (khối lượng, độ dài, thời gian, dòng điện, nhiệt độ nhiệt động lực và cường độ sáng), sau đó “lượng chất”- mole được bổ xung vào năm 1971 Ưu thế của hệ

SI là gần như tất cả các đại lượng vật lý và hóa học có thể diễn đạt trong một tổ hợp các đơn vị cơ bản của SI

Để phép đo được thực hiện đúng, trước tiên phương tiện đo phải được đảm bảo chính xác và tin cậy Hiệu chuẩn và kiểm định phương tiện đo là những hoạt động đo lường quan trọng nhất đồng thời cũng là hữu hiệu nhất để đạt được tiêu chí đó Trong đo lường công nghiệp là công tác hiệu chuẩn thường xuyên các phương tiện đo, trong đo lường pháp định là công tác kiểm định định kỳ các phương tiện đo theo quy định

VIM:2007 định nghĩa về hiệu chuẩn như sau: Hiệu chuẩn là hoạt động trong những điều kiện quy định, bước thứ nhất là thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng có độ không đảm bảo đo do chuẩn đo lường cung cấp và các số chỉ tương ứng với

độ không đảm bảo đo kèm theo, và bước thứ hai là sử dụng thông tin này thiết lập mối liên hệ để nhận được kết quả đo từ số chỉ Như vậy phép hiệu chuẩn được thực hiện để có thể đưa ra tuyên bố về sự đúng đắn của kết quả đo được thực hiện bởi phương tiện đo đã được dẫn xuất đo lường từ chuẩn đo lường có độ chính xác cao hơn Nói một cách đơn giản hơn, hiệu chuẩn là một tập hợp thao tác trong điều kiện quy định để thiết lập mối

quan hệ giữa giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương tiện đo và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn đo lường Giấy chứng nhận hiệu chuẩn của phương tiện đo đưa ra sai lệch hoặc số hiệu chính của số đo cùng với độ không đảm bảo đo Tập hợp những giá trị

đó đặc trưng cho mối liên hệ giữa kết quả đo với đơn vị đo tương ứng

Theo ISO/IEC Guide 99:2007 thì: Chuẩn đo lường (measurement standards) là sự thể hiện định nghĩa của đại lượng đã cho, với giá trị đại lượng được công bố và độ không đảm bảo đo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu Chuẩn đo lường chính là sự thể hiện cụ thể độ lớn của đơn vị đo lường theo định nghĩa của đơn vị; và Chuẩn đo lường quốc gia (national measurement standards) là chuẩn được công nhận bởi cơ quan có thẩm quyền quốc gia để dùng trong một nước hoặc nền kinh tế như là cơ sở cho việc ấn định giá trị đại lượng cho các chuẩn đo lường khác của loại đại lượng có liên quan”

Như vậy, trong phạm vi một nước, chuẩn đo lường quốc gia ở vị trí cao nhất, là xuất phát điểm cho độ chính xác của tất cả các phép đo trong từng lĩnh vực đo lường

Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lường quốc gia đến năm 2020, với mục tiêu phát triển chuẩn đo lường quốc gia theo hướng hiện đại, đạt trình độ các nước tiên tiến trong khu vực, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế- xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng và hội nhập quốc tế, trong giai đoạn từ 2013-2015 sẽ phát triển, mở rộng phạm vi đo lường của

13 chuẩn đo lường quốc gia đã được phê duyệt và đầu tư mới 12 chuẩn đo lường quốc gia trong đó có Chuẩn đo lường điện áp xoay chiều Với nhiệm vụ được giao đó, phòng Đo lường điện viện đo lường Việt Nam đã đầu tư nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia về lĩnh vực điện áp xoay chiều với mục tiêu hoàn thành tốt các yêu cầu được giao Đây cũng là nội dung chính trong luận văn tốt nghiệp này của tôi Luận văn bao gồm 4 chương

Chương 1: Tổng quan trình bày về các khái niệm cơ bản về điện áp xoay chiều,

giới thiệu chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC transfer, và chuẩn được Viện đo lường Việt

Nam lựa chọn đầu tư trang bị để lập hồ sơ xin công nhận làm Chuẩn quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều

Chương 2: Nghiên cứu và xây dựng phương pháp duy trì hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều đưa ra các nghiên cứu chi tiết từ đó tiến tới

xây dựng hoàn chỉnh phương pháp đo/ hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều, đây là công

cụ cốt lõi để thực hiện các thao tác đo, đánh giá để so sánh vòng các giá trị trong nhóm chuẩn nhằm duy trì giá trị chuẩn điện áp xoay chiều

Chương 3: Nghiên cứu và xây dựng phương pháp dẫn xuất từ hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều xuống các chuẩn chính điện áp xoay chiều

đưa ra các phương pháp hiệu chuẩn các chuẩn chính điện áp xoay chiều hiện đang là chuẩn chính của các phòng thí nghiệm lớn trong cả nước là Nguồn điện áp chuẩn xoay chiều và vôn mét xoay chiều chuẩn, sử dụng chuẩn đo lường quốc gia điện áp xoay chiều

Chương 4: Đánh giá, kết luận và đề xuất trình bày các kết quả của việc nghiên

cứu, xây dựng và đánh giá các phương pháp, đưa ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài; đồng thời cũng đưa ra các kiến nghị cụ thể cho định hướng phát triển chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều trong giai đoạn tiếp theo

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Khái niệm cơ bản về đo lường điện áp xoay chiều

1.1.1 Đại lượng điện áp:

Điện áp (hiệu điện thế) U giữa 2 điểm của một dây dẫn trong trường tĩnh điện E là tổng năng lượng (công sinh ra dưới tác dụng của lực tĩnh điện) cần thiết để dịch chuyển một đơn vị điện tích q đi qua dây dẫn đó Giá trị hiệu điện thế chính là tích phân đường của cường độ điện trường từ điểm đầu đến điểm cuối của dây dẫn

U = 21

r

r dr

E (1.1)

Trong đó E là cường độ điện trường có giá trị bằng lực tĩnh điện F chia cho điện tích q (được tính từ biểu thức: F = E.q)

1.1.2 Điện áp xoay chiều:

Điện áp xoay chiều là điện áp có chiều và cường độ biến thiên theo thời gian Điện

áp xoay chiều thường được tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều hoặc được biến đổi từ nguồn điện một chiều bởi một mạch điện tử nghịch lưu

Định luật cảm ứng điện từ Faraday là cơ sở cho việc chuyển đổi năng lượng từ cơ năng sang điện năng để tạo ra dòng điện xoay chiều: Khi cho một cuộn dây chuyển động tương đối trong từ trường thì sự chuyển động của cuộn dây này tạo ra một dòng điện chạy trong cuộn dây Hệ thống này là một máy phát điện Và để cho dễ chế tạo trong thực

tế, người ta làm cho cuộn dây quay tròn bên trong từ trường Khi cuộn dây quay tròn, nó cắt các đường sức từ và sinh ra một điện áp ở hai đầu cuộn dây Khi mặt phẳng của khung dây song song với đường sức từ nó cắt nhanh qua đường sức từ nhưng khi cuộn dây quay thêm 90 độ và nó vuông góc với các đường sức từ thì chuyển động của cuộn

dây là tiếp tuyến với từ trường và không tạo ra điện áp ở hai đầu dây Khi cuộn dây đi qua điểm này, nó cắt qua từ trường theo hướng ngược lại và tạo ra điện áp có dấu âm Cuối cùng tổng hợp lại chúng ta thấy điện áp được tạo ra bởi máy phát điện như vậy biến thiên theo hàm số sin Dòng điện mang dạng sóng hình sin như vậy thường được gọi là

dòng điện xoay chiều (Alternating Current- AC) Phương trình biểu diễn của điện áp

xoay chiều có dạng:

( ) ( ) (1.2)Trong đó A là biên độ cực đại,  là tần số góc và  là pha ban đầu của điện áp

Độ lớn của điện áp xoay chiều cũng có thể định nghĩa bằng nhiều cách khác nhau,

ví dụ ta có thể dùng biên độ cực đại A để biểu thị độ lớn, thường được gọi là giá trị Peak (Vpk); Hai lần biên độ cực đại là giá trị Peak-Peak (Vpk-pk), giá trị trung bình Average (Vavg) và đặc biệt thông dụng là giá trị Hiệu dụng Root Mean Square (Vrms)

Xét phương trình điện áp xoay chiều điều hòa dạng hàm sin đơn giản như sau:

( ) ( ) (1.3)

Với Vpk là điện áp cực đại (giá trị A)

Kho đó giá trị hiệu dụng Vrms của biên độ điện áp xoay chiều được định nghĩa là:

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa các giá trị biên độ điện áp xoay chiều

Trong lĩnh vực Đo lường Điện áp xoay chiều chúng ta chỉ quan tâm tới giá trị hiệu dụng của biên độ điện áp xoay chiều và từ đây khi chúng ta nói tới độ lớn của điện áp xoay chiều có nghĩa là ta nói tới biên độ hiệu dụng của nó

1.1.3 Đơn vị Vôn

Vôn là hiệu điện thế giữa hai điểm của một vật dẫn mang dòng điện một chiều không đổi có giá trị 1 Ampe, và công suất tiêu tán trên vật dẫn giữa hai điểm đó bằng 1 Oát Vôn là một đơn vị dẫn xuất trong hệ SI, là đơn vị của điện thế, hiệu điện thế và sức điện động Nó được lấy theo tên của nhà bác học người Ý Alessandro Volta (1745–1827), người phát minh ra pin hóa học đầu tiên trên thế giới

1.1.4 Độ không đảm bảo đo:

Độ không đảm bảo đo (của phép đo): là tham số, kết hợp với kết quả đo, đặc trưng cho độ phân tán của các giá trị có thể quy cho một cách hợp lý là giá trị của đại lượng đo

Độ không đảm bảo đo bao gồm rất nhiều thành phần Một số thành phần có thể được đánh giá từ phân bố xác suất thống kê của một chuỗi các kết quả đo và có thể được đặc trưng bởi độ lệch chuẩn thực nghiệm, các thành phần này được gọi là độ không đảm bảo

đo loại A Các thành phần khác có thể được đánh giá từ các phân bố mật độ xác suất dựa trên thực nghiệm hoặc các thông tin khác được gọi là độ không đảm bảo loại B

Có thể hiểu rằng kết quả của phép đo là ước lượng tốt nhất giá trị của đại lượng đo và tất

cả các thành phần độ không đảm bảo đo, bao gồm cả những khả năng phát sinh từ các ảnh hưởng hệ thống, ví dụ như các thành phần liên quan đến các hiệu đính kết quả đo và các chuẩn sử dụng góp phần vào sự phân tán giá trị của đại lượng đo

1.2 Giới thiệu về chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC Transfer

AC-DC Transfer là một trong những chuẩn cơ bản của ngành đo lường điện Nguyên lý cơ bản của chuẩn này là điện áp xoay chiều (trong dải tần số từ 10 Hz tới 1 MHz) được suy ra từ giá trị chuẩn điện áp một chiều tương ứng Chuẩn điện áp một chiều được xây dựng từ hiệu ứng Josephson có độ không đảm bảo đo tốt hơn 10-7

(0,1 ppm), và chuẩn điện áp xoay chiều có chức năng là cầu nối để “truyền”- transfering giá trị chuẩn điện áp một chiều với độ không đảm bảo đo rất nhỏ này sang đại lượng điện áp xoay chiều Có hai cách để làm việc này (được miêu tả ở hình 1.2)

Hình 1.2 Lịch sử phát triển các phương pháp chế tạo chuẩn điện áp xoay chiều

- Cách 1: Tổng hợp trực tiếp sóng điện áp xoay chiều (dạng sóng sin) bằng cách sử dụng những bộ chuyển đổi số- tương tự (D/A Converter) có độ chính xác cao.

- Cách 2: So sánh công suất điện tạo ra bởi đại lượng điện áp xoay chiều và một chiều, bằng cách chuyển đổi công suất điện này thành dạng lực hoặc nhiệt năng

Trong cách thứ 2, thì bộ chuyển đổi công suất được xem như một chuẩn chính và cả hệ thống chuẩn dựa trên nguyên lý đó được gọi là hệ thống chuẩn “AD-DC Transfer” Các nghiên cứu đã tìm ra chuẩn AC-DC Transfer có độ chính xác cao nhất là chuẩn được chế tạo dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện- nhiệt – “thermal converter” Một bộ thermal converter có khả năng so sánh nhiệt năng (đơn vị Jun) phát ra bởi đại lượng điện xoay chiều và một chiều ở mức 0,1 ppm (part per million- phần triệu), và được sử dụng làm chuẩn đầu về điện áp xoay chiều ở hầu hết các phòng thí nghiệm chuẩn đo lường quốc gia trên thế giới

Theo lịch sử phát triển của các công nghệ chuẩn điện áp xoay chiều trên thế giới được mô tả ta nhận thấy chuẩn Thermal converter được phát minh từ thập kỷ 1950 và đến nay vẫn còn sử dụng rộng rãi làm chuẩn AC-DC transfer Có 4 loại Thermal converter được phát triển làm chuẩn AC-DC transfer là: Single Junction Thermal Converter (SJTCs), MultiJunction Thermal converter (MJTC), thin-film MJTC và Semiconductor RMS sensor Dưới đây ta sẽ tập trung nghiên cứu về 4 loại này Tuy nhiên với công nghệ điện tử và máy vi tính cực kỳ phát triển hiện nay, độ chính xác của phương pháp tổng hợp dạng sóng đã tăng lên vượt bậc nhờ công nghệ chế tạo các analog switch tốc độ cao Các bộ tổng hợp dạng sóng chính xác nhất hiện nay đã tạo ra được điện áp xoay chiều hình sin với độ chính xác cỡ 1 pm, tần số lên tới 100 Hz Bên cạnh đó gần đây các bộ chuyển đổi D/A dựa trên Chuẩn hiệu ứng Josephson đang được phát triển, người ta mong đợi sẽ đạt được độ chính xác ngang với chuẩn hiệu ứng Josephson Một nghiên cứu cũng rất quan trọng nữa là phương pháp “Fast-Reversed DC” (FRDC), cũng dựa trên công nghệ tổng hợp dạng sóng, có khả năng cho ta đo được hiệu ứng điện- nhiệt của một bộ Thermal converter là phần tử chính của chuẩn AC-DC difference Phương pháp này được

coi là tổng hợp công nghệ của phương pháp chuyển đổi điện-nhiệt và phương pháp tổng hợp dạng sóng

Với đặc điểm trình độ cơ sở vật chất, tài chính và năng lực thực tiễn hiện tại của Viện đo lường Việt Nam, tôi đề xuất chọn hướng xây dựng hệ thống chuẩn điện áp xoay chiều dựa trên cơ sở AC-DC Transfer Standard và loại chuẩn Single Junction Thermal Converter Dưới đây ta sẽ đi sâu phân tích đặc điểm của các loại chuẩn này

- Nguyên lý của AC-DC Transfer Standard

Như đã nói đến ở phần trước, trong lĩnh vực đo lường điện giá trị điện áp xoay chiều được định nghĩa bởi giá trị hiệu dụng của tín hiệu xoay chiều điều hòa hình sin:

( ) √ ∫ * ( )+ (1.8) Theo định nghĩa này, chúng ta có thể tìm cách so sánh giá trị điện áp xoay chiều chưa biết với một giá trị điện áp một chiều đã biết (giá trị chuẩn) thông qua công suất điện Công suất điện này sẽ chuyển thành công suất phát nhiệt trên một điện trở thuần Khi đó ta lần lượt cho đại lượng một chiều và xoay chiều cấp vào bộ phận phát nhiệt (heater) của Thermal- Converter thì nhiệt lượng (jun) tỏa ra trong hai trường hợp sẽ được

so sánh bằng cách đo nhiệt độ của bộ phận phát nhiệt, sau khi đã đạt trạng thái cân bằng nhiệt thông qua một cặp nhiệt ngẫu (thermocouple) Phần dưới đây sẽ mô tả kỹ hơn cấu tạo của thiết bị chuẩn này

Do vậy khi lượng điện áp một chiều và xoay chiều có công suất phát nhiệt bằng nhau được cấp vào một Thermal-converter lý tưởng thì điện áp ra của cặp nhiệt ngẫu trong hai trường hợp phải bằng nhau Tuy nhiên trong thực tế chế tạo thì điện áp đầu ra cặp nhiệt ngẫu của Thermal-converter bị ảnh hưởng bởi đặc tính tần số của bộ phận phát nhiệt Đặc tính Sai lệch chuyển đổi “AC-DC transfer difference” là đại lượng cơ bản của Chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC transfer standard, và được định nghĩa bởi biểu thức sau:

Để đo được giá trị AC-DC difference với độ chính xác 1pm thì ta cần có một nguồn điện áp xoay chiều độ ổn định tốt hơn 1ppm, nói cách khác, nếu ta có thể đánh giá giá trị AC-DC difference của một Thermal- converter với độ chính xác tới 1ppm thì ta cũng có khả năng đo đo giá trị điện áp xoay chiều với độ chính xác tới 1 ppm Chính vì điều này mà đại lượng AC-DC difference được xem là đại lượng quan trọng bậc nhất trong lĩnh vực chuẩn điện áp xoay chiều, và thuật ngữ “AC-DC transfer standard” nhiều khi được dùng thay thế cho thuật ngữ “chuẩn điện áp xoay chiều”

1.3 Các loại Thermal- Converter

Như đã kể trên theo lịch sử phát triển của chuẩn điện áp xoay chiều, đã có 4 loại Thermal- Converter được phát triển để xây dựng chuẩn AC-DC transfer standard tới độ chính xác 1ppm Đó là Single- Junction thermal converter (SJTC), Multijunction thermal converter (MJTC), planar-type MJTC, và Semiconductor RMS sensor

1.3.1 Single Junction Thermal Converter

Single Junction thermal converter được ra đời vào thập kỷ 50 của thế kỷ trước bởi hai nhà khoa học đầu tiên là Hermach và Schrader khi họ công bố các nghiên cứu của mình

về “Chế tạo một Single-Junction thermal converter và phương pháp đo gián tiếp nhờ cặp nhiệt ngẫu” (năm 1952)

Chuẩn AC-DC transfer standard với độ chính xác 1ppm đã được xây dựng tại Viện đo lường Hoa Kỳ (NIST) vào thập niên 60, sử dụng SJTC Cấu trúc của một SJTC tiêu biểu được mô tả ở hình 1.1 Một bộ phát nhiệt (heater) là một dây kim loại nhỏ như sợi tóc, và một cặp nhiệt ngẫu (thermocouple) được đặt vào trong một vỏ thủy tinh hút chân không Cặp nhiệt được đặt tiếp xúc nhiệt với bộ phát nhiệt ở điểm chính giữa của nó bằng cách

sử dụng một hạt nhỏ chế tạo bởi vật liệu cách điện như thủy tinh hoặc gốm

Hình 1.3 Cấu tạo của một Single-Junction Thermal Converter (trái) và hình ảnh thực tế

(phải)

Vì điện áp ra một chiều của cặp nhiệt chỉ khoảng vài mV nên cần có một thiết bị

đo được điện áp một chiều với độ phân giải lên tới nV để đạt được độ phân giải tốt hơn 1 ppm Chính vì cấu tạo đơn giản của mình mà SJTC có đặc tính đáp ứng tần số phẳng lên tới GHz Độ trôi dài hạn của giá trị AC-DC difference cũng rất nhỏ Đến nay SJTC vẫn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực chuẩn điện áp xoay chiều và chuẩn công suất xoay chiều

1.3.2 Multijunction Thermal- Converter (MJTC)

MJTC được phát triển từ khoảng thập kỷ 70 tới thập kỷ 80 của thế kỷ trước, MJTC được thiết kế để giảm hiệu ứng nhiệt-điện, là nguyên nhân chính gây ra sai lệch AC-DC ở tần

số xung quanh 1 kHz Cấu trúc của một MJTC kiểu Wilkins, phát triển tại Phòng thí nghiệm PTB- Đức được mô tả ở hình 1.4 MJTC sử dụng nhiều cặp nhiệt dọc theo chiều dài của bộ phận phát nhiệt với mục đích làm đồng đều sự phân bố nhiệt độ trên bộ phận này Bộ phận phát nhiệt cũng được chế tạo ở dạng một đôi dây xoắn nhằm mục đích bù hiệu ứng nhiệt-điện bậc 1 Trong thiết kế của phòng thí nghiệm PTB, người ta chế tạo các cặp nhiệt Cu-CuNi nối tiếp nhau bằng cách thổi đồng nguyên chất vào nửa chu vi cuộn dây mỏng CuNi44 hình chữ nhật

Hình 1.4 Cấu tạo của một Multijunction Thermal Converter

Nhờ có sự phân bố đều nhiệt độ, hiệu ứng nhiệt-điện dọc theo bộ phận phát nhiệt được giảm xuống, và mức độ AC-DC difference tốt hơn 0,1 pm có thể đạt được Điện áp đầu

ra của TC cũng tăng lên tới cỡ 100 mV vì có nhiều cặp nhiệt mắc nối tiếp với nhau Tuy nhiên nhược điểm của loại MJTC này là có cấu trúc phức tạp, sự phụ thuộc vào tần số lớn

và dễ bị hỏng bởi tĩnh điện, việc sản suất hàng loạt cũng khó khăn Hiện nay MJTC được

sử dụng rộng rãi ở rất nhiều phòng thí nghiệm quốc gia làm chuẩn chính về AC-DC transfer

1.3.3 Thin-Film (Planar) MJTC

Gần đây một loại MJTC khác được nghiên cứu phát triển sử dụng công nghệ màng mỏng (thin-film) Cấu trúc của một MJTC màng mỏng được phát triển tại phòng thí nghiệm PTB được mô tả ở hình 1.5 Bộ phận phát nhiệt và điểm Hot-junction của cặp nhiệt được tạo bởi màng SiO2/Si3N4, và điểm Cold-junction của cặp nhiệt được tạo bởi đế Silic Loại MJTC này ra đời từ thành quả phát triển của công nghệ màng mỏng , và ưu điểm lớn nhất của nó là có thể dễ dàng chế tạo hàng loạt Sự phát triển dòng thermal-converter này là kết quả quan trọng nhất của các nghiên cứu trong lĩnh vực chuẩn AC-DC transfer hiện nay và nó được kỳ vọng sẽ thay thế cho các loại thermal-converter truyền thống đang được sử dụng trong tương lai gần

Hình 1.5 Cấu tạo của một MJTC công nghệ màng mỏng (trái) và hình ảnh thực tế (phải)

1.3.4 Cảm biến RMS bán dẫn (Semiconductor RMS Sensor)

Semiconductor RMS Sensor được nghiên cứu phát triển bởi hãng FLUKE- Mỹ Loại RMS Sensor này sử dụng sự phụ thuộc nhiệt độ của điện áp Base-Emitter của một Transistor thay cho một cặp nhiệt ngẫu truyền thống để xác định giá trị của bộ phát nhiệt Sản phầm thương mại chuẩn AC-DC transfer standard FLUKE 792A sử dụng loại sensor này được cho là có độ chính xác tốt hơn 1 ppm

1.4 Nguồn gốc của giá trị sai lệch AC-DC difference

Xét một SJTC, có ba nguyên nhân chính gây ra giá trị sai lệch AC-DC difference như sau:

- Thứ nhất là hiệu ứng nhiệt-điện (DC offset) Khi dòng điện một chiều chạy qua bộ phận phát nhiệt của một SJTC, sẽ xảy ra hiệu ứng Thoson hoặc Peltier, với một SJTC có cấu trúc chuẩn, các hiệu ứng nhiệt-điện này có thể gây ra giá trị sai lệch AC-DC difference khoảng một vài ppm Trong trường hợp MJTC của PTB, hiệu ứng này được làm giảm đi đáng kể nhờ có sự phân bố đồng đều của nhiệt độ trên bộ phận phát nhiệt, ảnh hưởng của nó có thể ước lượng được chỉ ở cỡ dưới 0,1 pmm

- Thứ hai là đặc tính đáp ứng tần số cao: Ở dải tần số cao trên 10 kHz, các ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và điện dung ký sinh lên mạch điện xoay chiều bắt đầu trở nên đáng kể Với loại SJTC người ta kết hợp thêm với một điện trở đặc biệt 1k dạng metal-film, thì ảnh hưởng của các hiệu ứng tới giá trị AC-DC difference chỉ khoảng 0,1 pm/ 1 ppm / 100 ppm ứng với các dải tần 10 kHz/ 100 kHz/ 1MHz Với loại MJTC thì đặc tính đáp ứng tần số gây ra giá trị sai lệch AC-DC difference lớn hơn loại SJTC do Tổn hao điện môi ở bộ phận phát nhiệt cặp dây xoắn

- Thứ ba là đặc tính đáp ứng tần số thấp: thời gian chờ ổn định nhiệt của một SJTC tiêu chuẩn là khoảng 1s Ở tần số thấp hơn 100 Hz, xảy ra hiện tượng quán tính nhiệt tăng, ảnh hưởng tới giá trị AC-DC difference ở khoảng 0,1 ppm/ 10 ppm ứng với tần số

100 Hz/ 10 Hz Với loại MJTC thì đặc tính đáp ứng tần số thấp này tốt hơn do loại này được cải thiện hơn đặc tính tuyến tính vào- ra so với loại SJTC

Hình 1.6 miêu tả đặc tính đáp ứng tần số của một SJTC và MJTC trong toàn dải tần Hiệu ứng nhiệt – điện xảy ra ở chế độ một chiều tạo ra offset phụ thuộc tần số của giá trị AC-DC difference Vì đáp ứng tần số của cả dải tần thấp và dải tần số cao đều được giảm xuống dưới 1ppm trong dải tần 100 Hz tới 10 kHz cho nên hiệu ứng nhiệt-

điện phát huy ảnh hưởng tới giá trị AC-DC difference mạnh nhất ở dải tần xung quanh 1 kHz

Hình 1.6 Đặc tính đáp ứng tấn số của SJTC và MJTC

1.5 Chuẩn điện áp xoay chiều của Viện đo lường Việt Nam

Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lường quốc gia đến năm 2020, để phù hợp với đặc điểm cơ sở vật chất, khả năng tài chính và trình độ kỹ thuật của mình, Viện đo lường Việt Nam đã đề xuất đầu tư trang bị bộ chuẩn điện áp xoay chiều là loại Single Junction Thermal Converter, Model 11 do hãng HOLT Instruments- USA sản xuất, và tiến tới lập

hồ sơ xin công nhận bộ chuẩn này là chuẩn Quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều của Việt Nam Hình 1.7 mô tả hình ảnh bên ngoài của bộ chuẩn đo lường này

Hình 1.7 Hình ảnh chuẩn đo lường điện áp xoay chiều- Bộ chuẩn và hộp bảo quản chuyên dụng (hình trên); Một Thermal Element và Range Resistor (hình dưới)

Thông số kỹ thuật bộ chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11:

Bộ chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 bao gồm các thành phần chính là:

- 03 Thermal Element, Part Nummber (P/N): 90081A, 90081B, 90081C Đây là 03 Single Juction Thermal Converter độ chính xác cao Trở kháng đầu vào là 400  ± 10%; Trở kháng đầu ra là 8  ± 10% Thông số kỹ thuật cụ thể:

+ P/N 90081A: Dòng điện danh định khi làm việc: 2,5 mA; Điện áp danh định làm việc: 1,0 V

+ P/N 90081B: Dòng điện danh định khi làm việc: 5,0 mA; Điện áp danh định làm việc: 2,0 V

+ P/N 90081C: Dòng điện danh định khi làm việc: 10,0 mA; Điện áp danh định làm việc: 4,0 V

- 05 điện trở xoay chiều (Range Resistor), Part Number 90080A, 90080B, 90080C, 90080C, 90080D, 90080D, 90080E Thông số kỹ thuật cụ thể:

+ P/N 90080A: Điện trở danh định 800  ± 10% Điện áp làm việc cao nhất: 12 V + P/N 90080B: Điện trở danh định 3600  ± 10% Điện áp làm việc cao nhất: 40 V + P/N 90080C: Điện trở danh định 11600  ± 10% Điện áp làm việc cao nhất: 120 V + P/N 90080D: Điện trở danh định 39600  ± 10% Điện áp làm việc cao nhất: 400 V + P/N 90080E: Điện trở danh định 119600  ± 10% Điện áp làm việc cao nhất: 1200 V

Như vậy các Thermal Element (tức các SJTC) nếu làm việc một mình thì chỉ cung cấp được các thang điện áp 1,0 V; 2,0 V; 4,0 V Để mở rộng thang đo điện áp cho các SJTC này, ta phối hợp mỗi SJTC với một trong 5 điện trở Range Resistor ở trên và kết quả tổ hợp ta được các dải điện áp làm việc của bộ chuẩn này mở rộng từ 1 V tới 1200 V như mô tả trong bảng dưới đây:

Loại Range Resistor

Thang điện áp làm việc Ghép với SJTC

P/N 90081 A

Ghép với SJTC P/N 90081 B

Ghép với SJTC P/N 90081 C

Bảng 1.1 Ghép nối Thermal Element với Range Resistor để được các thang điện áp làm

việc từ 1 V lên tới 1200 V

Dưới đây là thông số kỹ thuật về độ chính xác cơ bản, kèm theo độ không đảm bảo đo của bộ chuẩn, theo từng thang điện áp và dải tần số do nhà sản xuất đưa ra Tại mỗi điểm

cụ thể có hai thông số, ở hàng trên là giá trị AC-DC difference cơ bản, đơn vị là % và hàng dưới là độ không đảm bảo đo cơ bản, đơn vị là %

± 0,002 % 0,0007 %

± 0,003 % 0,001 %

± 0,03 % 0,01 %

± 0,06 % 0,02 %

3 V

6 V

12 V

± 0,001 % 0,0007 %

± 0,002 % 0,0007 %

± 0,003 % 0,001 %

± 0,03 % 0,01 %

± 0,06 % 0,02 %

10 V

20 V

40 V

± 0,001 % 0,0007 %

± 0,002 % 0,0007 %

± 0,003 % 0,001 %

± 0,03 % 0,01 %

± 0,12 % 0,02 %

30 V

60 V

120 V

± 0,001 % 0,0007 %

± 0,002 % 0,0007 %

± 0,004 % 0,001 %

± 0,05 % 0,01 %

± 0,12 % 0,02 %

100 V

200 V

400 V

± 0,001 % 0,0007 %

± 0,004 % 0,002 %

± 0,01 % 0,01 %

± 0,05 % 0,01 %

± 0,12 % 0,02 %

300 V

600 V

1200 V

± 0,001 % 0,0007 %

± 0,004 % 0,002 %

± 0,02 %

Bảng 1.2 Đặc trưng kỹ thuật của bộ chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11

Chương 2 NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ HỆ THỐNG

CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Trên cơ sở các nghiên cứu về lý thuyết Chuẩn điện áp xoay chiều như đã trình bày

ở Chương 1, trong chương này tôi tìm cách xây dựng ra phương pháp để duy trì giá trị chuẩn điện áp xoay chiều Yêu cầu cơ bản của việc duy trì giá trị chuẩn điện áp xoay chiều chính là phải có một phương pháp đo- hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều phù hợp, và sau đó phải có là phương pháp duy trì giá trị chuẩn dựa trên việc sử dụng phương pháp hiệu chuẩn đó

Vì chuẩn điện áp xoay chiều có độ chính xác cao và đặc tính kỹ thuật khá phức tạp nên không thể có phương pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều dựa trên nguyên lý

đo trực tiếp thông thường bởi lẽ không thể có dụng cụ hay phương tiện đo nào có độ chính xác đủ cao để đo được Hơn nữa chuẩn điện áp xoay chiều do tôi lựa chọn xây

dựng là loại Thermal Voltage Converter, là một chuẩn chuyển đổi nên lại càng không thể

xây dựng phương pháp đo trực tiếp ở đây Do đó hướng xây dựng nên phương pháp đo- hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều sẽ là phương pháp đo gián tiếp và từ đó tôi xây dựng nên phương pháp duy trì giá trị chuẩn điện áp xoay chiều dựa trên thuật toán so sánh vòng trong nhóm như sẽ trình bày ở các phần sau

2.1 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều

Như trên đã phân tích, công cụ cơ bản để duy trì chuẩn chính là phương pháp đo- hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều

2.1.1 Nghiên cứu phương pháp hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều

Mục tiêu đặt ra: Trên cơ sở nguyên lý của Chuẩn Thermal Voltage Converter (TVC), chúng ta cần xây dựng một phương pháp đo để so sánh hai chuẩn TVC với nhau, từ đó

tìm ra sai lệch chuyển đổi (AC-DC difference) tương đối giữa hai chuẩn Nhờ có phương pháp này ta có thể hiệu chuẩn nâng nấc để nâng dần mức điện áp chuẩn từ thấp lên cao Hướng nghiên cứu: Trong nhiều nguyên lý có thể áp dụng để so sánh hai chuẩn TVC, tôi lựa chọn nguyên lý sử dụng hai kênh điện áp độc lập để xây dựng sơ đồ hiệu chuẩn Sơ

đồ nguyên lý được mô tả như hình dưới đây Trong sơ đồ này Hai TVC là TVC chuẩn (S)

và TVC chưa biết cần được hiệu chuẩn (X) được mắc song song với nhau vào một nguồn điện áp ổn định có khả năng phát cả điện áp một chiều hoặc xoay chiều (trong thực tế là

các nguồn chuẩn đa năng- Multifunction Calibrator) Công cụ dùng để so sánh giá trị hai

chuẩn TVC chính là hai vôn mét một chiều độ chính xác cao (DVM) dùng để đo điện áp đầu ra của từng TVC

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều

Đáp ứng vào-ra của các TVC được biểu thị bởi đồ thị dưới đây Điện áp đầu ra của TVC

tỷ lệ gần đúng với bình phương giá trị điện áp đặt vào TVC

VDC

Sử dụng định nghĩa về giá trị AC-DC difference của chuẩn điện áp một chiều như đã nói

ở chương trước, chúng ta suy ra được quan hệ giá trị AC-DC difference giữa TVC (X) và TVC (S) sẽ là:

( )⁄ ( )⁄ 2.2

Trong đó: ⁄

⁄ ; ⁄

⁄

Hệ số ns và nx chính là bậc 2 của đường đặc tính vào-ra của TVC

Với Thermal Converter, điện áp đầu ra của cặp nhiệt ngẫu liên hệ với cường độ dòng điện chạy qua bộ phận phát nhiệt bởi “luật bình phương”- Square law như sau:

E k.I 2 , với k là hằng số Nhưng trong thực tế chế tạo, hệ số đặc tính n chỉ gần bằng 2 và ta cần xác định chính xác giá trị của n để sử dụng tính toán theo các công thức

ở trên Không khó để tìm được giá trị thực của hệ số n, sau khi ta đặt điện áp vào

Thermal converter và đạt được sự ổn định nhiệt, ta tăng điện áp đặt vào (Q) một lượng rất nhỏ, khoảng 0,1% tới 0,5%, và ghi nhận sự thay đổi điện áp đầu ra (E) Từ đó có thể tính

ra giá trị n theo công thức:

(2.4)

Như vậy phương pháp này rất thuận tiện trong việc so sánh hai TVC loại bất kỳ,

các TVC có đặc tính vào ra khác nhau (n s và n x khác nhau) vẫn áp dụng được Điều này hết sức quan trọng trong việc duy trì chuẩn điện áp xoay chiều bởi để liên kết chuẩn ta phải đo so sánh, tìm ra diff của các loại chuẩn điện áp xoay chiều khác loại nhau

Chúng ta sẽ áp dụng cụ thể điều này trong quy trình hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều dưới đây

Vậy bước đầu tiên trước khi hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều, ta cần thực hiện

việc tìm hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi vào-ra n Sau đó để tính được sai lệch chuyển

đổi AC-DC giữa hai TVC, chúng ta cần lần lượt cùng đặt vào hai TVC các giá trị điện áp một chiều (DC) và xoay chiều tương ứng (AC)

Chuỗi các giá trị DC, AC được tôi đưa ra theo trình tự sau:

Tại sao lại đặt vào các TVC điện áp theo trình tự này? Như đã mô tả trên đây, để

so sánh/ hiệu chuẩn hai TVC (S và X) chúng ta cùng cấp vào hai TVC các giá trị điện áp xoay chiều (AC) và hai giá trị điện áp một chiều dương (DC+) và âm (DC-) để tính theo công thức (2.3) trên đây Vì sức điện động ở đầu ra của cặp nhiệt ngẫu của một SJTC rất nhỏ, chỉ cỡ vài mV cho nên việc hết sức quan trọng phải làm là giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của sự trôi sức điện động đầu ra này Để loại bỏ được ảnh hưởng này thì ta cần đo theo trình tự như trên Bởi vì nếu xét theo trục thời gian liên tiếp thì trung bình của 3 lần

đo AC (1),(3),(5) sẽ nằm ở vị trí giữa là (3) và trung bình của 2 lần đo DC (2),(4) cũng nằm vào vị trí đó của AC Như vậy xét một cách trung bình về tiến trình thời gian, có thể coi như ta đo giá trị AC và DC tại cùng một thời điểm (là thời điểm đo thứ (3)) Chính vì thế ta loại bỏ được ảnh hưởng của độ trôi giá trị đầu ra TVC

Một chuỗi 5 phép đo liên tiếp như trên được gọi là 1 Measuring sequence hay Measuring loop Với mỗi điểm điện áp và điểm tần số khác nhau, trước tiên ta cần thực hiện bước đo xác định hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi và sau đó thực hiện Measuring sequence trên lặp lại từ 5 tới 10 lần Từ đó tính ra được giá trị AC-DC difference trung

bình của 2 TVC và độ không đảm bảo đo loại A của điểm đo đó Do vậy đo so sánh/ hiệu chuẩn hai chuẩn điện áp xoay chiều đòi hỏi mất rất nhiều thời gian thực hiện

2.1.2 Lập Quy trình hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều

Từ nghiên cứu tại mục 2.1.1 trên, tôi đưa ra phương pháp đo- hiệu chuẩn cụ thể cho hai Chuẩn điện áp xoay chiều ( có thể là TVC hoặc loại khác) như sau:

2.1.2.1 Chuẩn và các thiết bị dùng trong hiệu chuẩn

- Điện áp một chiều: 10 mV tới 1000 V

- Điện áp xoay chiều: 10 mV tới 1000 V Dải tần số phát: 10 Hz tới 100 kHz

- Độ chính xác: ±12  V/V tới 0,5 mV/V

FLUKE 5720A hoặc tương đương

2.2 Máy đo vạn năng Thang đo 2 V; độ phân giải 6 ½ digits

Type GR-874; Type UHF

Bảng 2.1 Chuẩn và thiết bị dùng cho hiệu chuẩn

2.1.2.2 Chuẩn bị hiệu chuẩn

* Thiết lập điều kiện hiệu chuẩn:

Kiểm tra bên ngoài để đảm bảo Chuẩn và UUC (Unit Under Test- Đối tượng được hiệu chuẩn) đủ điều kiện làm việc bình thường

Chuẩn và UUC phải được đặt trong môi trường hiệu chuẩn: Nhiệt độ: (23±2)C; Độ ẩm tương đối (50±10) %RH ít nhất 48 giờ

Vì chuẩn hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện-nhiệt cho nên yêu cầu thiết bị cần được ổn định nhiệt trong môi trường hiệu chuẩn là hết sức quan trọng

Các đầu nối Input, Ouput của Chuẩn và UUC được lau sạch đảm bảo kết nối tốt

* Thiết lập hệ thống đo, bao gồm các thiết bị sau:

- Chuẩn AC-DC Trasfer Standard

- Đối tượng hiệu chuẩn (UUC) (có thể là AC-DC Transfer Standard; Thermal Voltage Converter; Vôn mét xoay chiều )

- Một nguồn chuẩn đa năng dùng làm nguồn phát điện áp xoay chiều

- Một nguồn chuẩn đa năng dùng làm nguồn phát điện áp một chiều

- Một đầu nối dạng “Tee” phù hợp với Chuẩn và UUC

- Một máy đo vạn năng có độ chính xác phù hợp để đo điện áp ra của Chuẩn

- Một máy đo vạn năng có độ chính xác phù hợp để đo điện áp ra của UUC Trong trường hợp UUC không có phần hiển thị

2.1.2.3 Tiến hành hiệu chuẩn

- Mắc sơ đồ hiệu chuẩn như hình 2.3 dưới đây

Hình 2.3 Sơ đồ hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều Trong sơ đồ này hai nguồn chuẩn

đa năng phát điện áp xoay chiều và một chiều được vẽ gộp chung vào một nguồn

- Tiến hành tuần tự các Bước sau:

1.Chọn thang đo trên Chuẩn và UUC phù hợp với điện áp cần hiệu chuẩn Chọn thang

của DMM phù hợp với điện áp ra của Chuẩn hoặc UUC

2 Với Chuẩn hoặc UUC là FLUKE 792A, tắt nguồn điện lưới AC cấp vào Khối nguồn

của FLUKE 792A và bật công tắc ON

3 Xác định hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi (differential coefficient of input-output

response) của Chuẩn (ký hiệu là n s ) và của UUC (ký hiệu là n x) theo các bước sau:

3.1) Cấp điện áp một chiều dương +DCV ở giá trị điện áp danh định trừ đi 0,5%

(DCV (0.995) ) vào đồng thời đầu vào của Chuẩn và UUC Đợi một thời gian cho Chuẩn và

UUC được ổn định, ghi lại giá trị điện áp ra của Chuẩn (V s(0.995) ) và UUC (V x(0.995) )

Thời gian đợi ổn định tối thiểu được cho trong Bảng 2.2

3.2) Cấp điện áp một chiều dương +DCV ở giá trị điện áp danh định cộng thêm 0,5%

(DCV (1.005) ) vào đồng thời đầu vào của Chuẩn và UUC Đợi một thời gian cho Chuẩn và

UUC được ổn định, ghi lại giá trị điện áp ra của Chuẩn (V s(1.005) ) và UUC (V x(1.005))

3.3) Lặp lại bước 3.1) và 3.2) ít nhất 5 lần

3.4) Tính toán hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi theo công thức (6) và (7)

Chuẩn điện áp xoay chiều Thời gian chờ ổn định

đầu ra của thiết bị

Single Junction Thermal Voltage

Multijunction Thermal Voltage

FLUKE 792A Thang đo:

22 mV; 70 mV; 220 mV; 700 mV

60 s

FLUKE 792A Thang đo:

2.2 V; 7 V; 22 V; 70 V; 220 V;

1000 V

30 s

Bảng 2.2 Thời gian chờ ổn định đầu ra của thiết bị

4 Với tất cả các tần số của điểm điện áp cần hiệu chuẩn, bắt đầu với bước “tìm điện áp

xoay chiều thực” (ACV new) theo trình tự các bước sau đây:

4.1) Cấp điện áp xoay chiều vào Chuẩn, ghi lại giá trị đầu ra của Chuẩn là Vac(lel1)