Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN ĐIỆN DUNG VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN ĐIỆN DUNG VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ

Tải bản đầy đủ - 0trang

+ Sơ đồ đo: 3 cực

- 01 Tụ điện dầu: sử dụng điện môi là dầu chuyên dụng, độ ổn định cao. Thông

số tụ như sau:

+ Kiểu: C8002

+ Số sản xuất: 681105

+ Hãng: Sullivan – Anh

+ Giá trị: (100; 1000) pF

+ Độ ổn định: <40 ppm / năm

+ Hệ số nhiệt: 32 ppm/⁰C

+ Sơ đồ đo: 3 cực

Một số hình ảnh các tụ chuẩn:



Hình 3.1.a Tụ chuẩn 1404-B



Hình 3.1.b Tụ chuẩn C8002



Hình 3.1.c Tụ chuẩn P597 S/n 1627



Hình 3.1.d Tụ chuẩn P597 S/n 529



Căn cứ vào thông số các tụ chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam, tác giả lựa chọn

duy trì nhóm tụ chuẩn giá trị 100 pF gồm 04 chuẩn có kiểu như kể trên và thiết lập đơn

35



vị Điện dung Fara dựa vào giá trị trung bình của nhóm chuẩn 100 pF đó. Cơng cụ chính

để duy trì chuẩn Điện dung chính là xây dựng các quy trình hiệu chuẩn các chuẩn trong

nhóm và đánh giá các chuẩn dựa vào giá trị trung bình của nhóm chuẩn.

3.2 Xây dựng Quy trình hiệu chuẩn chuẩn điện dung

Như đã phân tích ở trên, cơng 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 mơ tả chi tiết dưới đây:



36



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)



37



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.

+ Ngồi 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:

=



(3.5)



1−



38



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

1



Phương tiện



Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản



hiệu chuẩn

Chuẩn đo lường



Giá trị danh định: 100 pF.

1.1



2



Tụ chuẩn



Dải tần: đến 1 MHz



GR 1404-B; P597;

C8002



Phương tiện phụ

Tỷ lệ: 0 đến 1.0001111



2.1



Kiểu/loại



Phân áp điện

cảm



Sullivan F9200



Độ chính xác: ±3 đến 4.10-8 (@ 1kHz)

Độ phân giải: 1.10-8

Phạm vi điện áp: Vmax=0,2.f (V)

Tỷ lệ: 0 đến 1.1110



2.2



Phân áp điện

cảm



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



39



Sullivan F9101



Tỷ lệ: 0 đến 1.1111110

2.3



Phân áp điện

cảm



DT72A



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



2.4

2.5

2.6

2.7



Điện kế

Biến áp cách

ly

Máy phát âm

tần

Mạng lập

phương



Độ nhạy: 0,1 µV

Phạm vi điện áp: 200 Vac

Vmax: 0,02.f hoặc 100 V

Biên độ: 1V đến 100 V

Dải tần: 50 Hz đến 10 kHz



GR 1232-A

F9102; F9103

GR 1311A



ωRC=10-3

Phạm vi điện áp: 0 đến 200 Vac



2.8



Máy đo vạn

năng



Dải tần đến 10 kHz

Độ phân giải: 6 1/2 digits



Fluke 8846A



Độ chính xác: Vac: ± 0,03 %

f: ± 0,01 %



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:

40



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 ln 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.



41



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:

m



Cx



CS



n

i 1



i



(3.6)



m



1   ni

i 1



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



42



Đặt:



m



n   ni

i 1



Cx

n



CS 1  n



Rút gọn lại ta có:



 Cx 



n

.CS

1 n



(3.7)



3.2.2.4 Tính tốn, ước lượng độ khơng đảm bảo đo.

a. Mơ hình tốn học của phép đo:

C x  CS .



n

.(1   B   B   cal   drift   tcs   tcx   res )

1 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: u A

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 .

43



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 khơng đảm bảo đo của



cầu so là 5.10-8, do vậy thành phần này được ước lượng:

ub 



5

.10 6

3



(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. Thơng thường việc hiệu chuẩn được xác định với

độ tin cậy 95,45 % tương ứng với hệ số phủ bằng 2. Do vậy:

ucal 



 cal

2



(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:

udrift 



 drift

3



(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:

utcs 



 tcs

3



- Độ không đảm bảo đo loại B: utcx



44



(3.12)



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:

utcx 



 tcx



(3.13)



3



- Độ không đảm bảo đo loại B: ures

Đây là độ không đảm bảo đo gây ra bởi độ phân giải  res của 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:

 res 



108



(3.14)



2. 3



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



Giá trị ước



phần



lượng



Độ KĐB đo

chuẩn



Phân bố



(tương đối)



Bậc tự do



Hệ số



hiệu dụng



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 tồn nhất.



Độ khơng 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.



45



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN ĐIỆN DUNG VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DUY TRÌ

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×