Nghiên cứu thiết lập, duy trì và dẫn xuất chuẩn đơn vị điện dung (fara) của việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------CAO XUÂN THẢO

CAO XUÂN THẢO

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP, DUY TRÌ VÀ DẪN XUẤT
CHUẨN ĐƠN VỊ ĐIỆN DUNG (FARA) CỦA VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

2014B
Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

CAO XUÂN THẢO

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP, DUY TRÌ VÀ DẪN XUẤT
CHUẨN ĐƠN VỊ ĐIỆN DUNG (FARA) CỦA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS. TS. HOÀNG SĨ HỒNG

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ
cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận
văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Nếu có gì sai sót tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
Tác giả
(ký, ghi rõ họ tên)

Cao Xuân Thảo

1


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 PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng,
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 những chuyên gia tại Viện nghiên cứu chuẩn quốc gia Hàn Quốc (KRISS), những
người đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiệt tình trong thời gian đào tạo về chuẩn đo
lường tại KRISS.

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 để tôi được theo học
khoá học 2014-2016 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 cảm
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.

2


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan………………………………...........………………...…….…..

1

Lời cảm ơn…………………………………...........………………...…….…..

2

Mục lục…………………………………...........………………...…….…..

3

Danh mục các bảng..…………………………………...…….………….…....

5

Danh mục các hình vẽ………………………………………..….…………....

6

MỞ ĐẦU...........................................................................................................

8

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN DUNG ….…….……......

11

1.1

Đại lượng và đơn vị đo điện dung..........................................................

11

1.2.

Chuẩn đơn vị điện dung..........................................................................

16

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LĨNH VỰC ĐO ĐIỆN DUNG……………

22

2.1

Đo lường đại lượng điện dung................................................................

22

2.2

Độ không đảm bảo đo.............................................................................

32

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

34

3.1

Thiết lập hệ thống chuẩn điện dung

34

3.2

Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn Điện dung..................................

36

3.3

Xây dựng phương pháp duy trì chuẩn Điện dung...................................

50

Chương 4: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DÂN XUẤT
CHUẨN ĐIỆN DUNG......................................................................................

61

4.1.

Đặt vấn đề...............................................................................................

61

4.2.

Xây dựng phương pháp kiểm tra sai số của cầu xoay chiều...................

62

4.3. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Máy đo LCR – chức năng đo điện
dung....................................................................................................................

3

65

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN..........................................................

71

1. Đánh giá các nội dung đã đạt được............................................................

71

2. Kết luận..........................................................................................................

72

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................

73

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Chuẩn và thiết bị dùng trong hiệu chuẩn...........................................

39

Bảng 3.2. Bảng tổng hợp các thành phần độ không đảm bảo đo......................

44

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

46

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

48

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

53

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

54

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

55

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

56

Bảng 3.9 Giá trị trung bình của nhóm Tụ chuẩn.................................................

57

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

58

Bảng 4.1 Chuẩn và các phương tiện hiệu chuẩn máy đo LCR............................

64

Bảng 4.2 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo hiệu chuẩn máy đo LCR.........

67

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Cấu tạo tụ điện tính toán…………………………………..............

17

Hình 1.2 Tụ điện Artifact................................................................................

18

Hình 2.1 Sơ đồ vecto tổng trở..........................................................................

21

Hình 2.2 Tụ điện lý tưởng và tụ điện thực tế...................................................

23

Hình 2.3 Đáp ứng tần số của tụ điện.................................................................

23

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế tụ điện.......................................................................

23

Hình 2.5 Sơ đồ quy đổi điện dung và điện cảm sang thang đo tổng trở..........

25

Hình 2.6 Sơ đồ đo 2 cực ..................................................................................

26

Hình 2.7 Sơ đồ đo 3 cực ..................................................................................

26

Hình 2.8 Sơ đồ đo 4 cực ..................................................................................

27

Hình 2.9 Sơ đồ phương pháp V-I....................................................................

27

Hình 2.10 Sơ đồ phương pháp cầu Schering...................................................

28

Hình 2.11 Sơ đồ phương pháp cầu biến thế tỷ lệ..............................................

29

Hình 3.1a Tụ chuẩn 1404-B

35

Hình 3.1b Tụ chuẩn C8002

35

Hình 3.1c Tụ chuẩn P597-1627

35

Hình 3.1d Tụ chuẩn P597-529

35

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cầu biến thế tỷ lệ F9200........................................

36

Hình 3.3 Sơ đồ hiệu chuẩn Tụ chuẩn........................................

40

Hình 3.4 Hệ thống hiệu chuẩn tụ chuẩn tại phòng Đo lường Điện -VMI..........

45

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

49

Hình 3.6 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn điện dung tại Việt Nam………………........

50

6


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

53

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

54

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

55

Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn giá trị của tụ chuẩn C8002, S/n: 681105 theo
thời gian...........................................................................................................

56

Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn giá trị trung bình của nhóm tụ chuẩn theo thời
gian..................................................................................................................

57

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

7

58


MỞ ĐẦU
Đo các đại lượng điện là một lĩnh vực đo được sử dụng rất rộng rãi trong các
ngành công nghiệp; trong nghiên cứu khoa học, công nghệ và trong đời sống xã hội nói
chung. Đòi hỏi về tính chính xác cũng như tính thống nhất trong các phép đo ngày càng
tăng và tăng rất nhanh cùng với những tiến bộ của khoa học - kỹ thuật.
Nước ta đang tiến hành công nghiệp hoá, hiện đại hoá trong xu thế toàn cầu hoá
và hội nhập quốc tế về kinh tế, những đòi hỏi này càng trở nên cấp bách. Cơ sở kỹ thuật
để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết trong đo lường ở từng nước là hệ
thống chuẩn đo lường quốc gia và hệ thống sao truyền, dẫn xuất từ chuẩn quốc gia đến
các chuẩn khác có độ chính xác thấp hơn và đến tất cả các phương tiện đo đang sử dụng.

Đây cũng chính là cơ sở để từng bước hội nhập với khu vực và quốc tế về đo lường, để
tham gia vào thoả thuận công nhận lẫn nhau (MRA) về chuẩn đo lường quốc gia và kết
quả hiệu chuẩn do các Viện đo lường quốc gia công bố.
Hệ thống chuẩn điện dung ở Việt Nam đã được hình thành, nhưng do trước đây
nhu cầu đòi hỏi về độ chính xác trong các phép đo và hiệu chuẩn điện dung không cao;
các trang thiết bị và chuẩn chưa đầy đủ; điều kiện môi trường phòng thí nghiệm chưa
đảm bảo; hơn nữa, cơ sở lý thuyết về chuẩn và các phương pháp đo chính xác điện dung
chưa được tìm hiểu một cách đầy đủ, cặn kẽ, do đó việc duy trì, bảo quản, dẫn xuất chuẩn
điện dung và triển khai nghiên cứu, áp dụng còn rất hạn chế. Việc nghiên cứu để thiết
lập, duy trì và dẫn xuất hệ thống chuẩn điện dung với đầy đủ các cơ sở khoa học cao
nhất trong điều kiện cụ thể hiện có của nước ta để đáp ứng các đòi hỏi trên là rất cần
thiết và có ý nghĩa thiết thực. Xuất phát từ thực tế đó tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu
thiết lập, duy trì và dẫn xuất chuẩn đơn vị điện trở dung Fara của Việt Nam” cho luận
văn thạc sĩ của mình.
Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích tổng hợp toàn diện các vấn đề lý thuyết cơ bản
về đại lượng, đơn vị, chuẩn của đơn vị và các phương pháp, phương tiện đo điện dung,
8


luận văn áp dụng vào việc thiết lập chuẩn đơn vị điện dung của Việt Nam với giá trị và
độ không đảm bảo cụ thể; đưa ra sơ đồ liên kết chuẩn và các khuyến nghị cho việc hình
thành hệ thống sao truyền, dẫn xuất chuẩn lĩnh vực đo điện dung. Từ đó làm cơ sở để
hoàn thiện hồ sơ chuẩn quốc gia điện dung vào cuối năm 2017 theo quyết định 1361/QĐTTg về phê duyệt quy hoạch chuẩn đo lường quốc gia của Thủ tướng chính phủ.
Phương pháp lý luận khoa học của luận văn là đi từ phân tích đến tổng hợp. Tìm
hiểu, phân tích đi đến hệ thống hoá quá trình hình thành và phát triển của đơn vị và chuẩn
đơn vị điện dung, lý thuyết chung về thiết lập hệ thống chuẩn đo lường; về phương tiện
và phương pháp đo điện dung; về tính toán ước lượng độ không đảm bảo.... Từ đó tổng
hợp rút ra các vấn đề cần giải quyết cho việc thiết lập, duy trì và dẫn xuất chuẩn điện
dung. Về thực tiễn kỹ thuật, từ những lý thuyết được nghiên cứu trên cơ sở trang thiết bị
và điều kiện cụ thể của Phòng thí nghiệm đo lường Điện – Viện Đo lường Việt Nam tiến

hành nghiên cứu, thực nghiệm cụ thể để từ các dữ liệu thu được, xử lý, tính toán, công
bố giá trị chuẩn Fara của Việt Nam, độ không đảm bảo đạt được cùng những khuyến
nghị về sao truyền, sử dụng chuẩn điện dung. Luận văn bao gồm năm chương:
Chương 1: Tổng quan về đại lượng điện dung với nội dung là tổng hợp, hệ thống
hoá quá trình hình thành và phát triển các đơn vị đo điện, đặc biệt là đơn vị đo điện dung,
trình bày sự hình thành và phát triển chuẩn điện dung và vấn đề liên kết chuẩn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết lĩnh vực đo điện dung trình bày cơ sở lý thuyết về
các phương pháp đo điện dung, hướng dẫn đánh giá ước lượng độ không đảm bảo đo
của phép đo.
Chương 3: Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn điện dung và xây dựng phương
pháp duy trì đưa ra các nghiên cứu chi tiết từ đó tiến tới thiết lập đơn vị điện dung tại
Việt Nam đồng thời xây dựng hoàn chỉnh phương pháp đo/ hiệu chuẩn chuẩn điện dung
thông qua quy trình hiệu chuẩn và phương pháp duy trì chuẩn điện dung.

9


Chương 4: Nghiên cứu và xây dựng phương pháp dẫn xuất chuẩn điện dung đưa
ra các phương pháp hiệu chuẩn các cầu xoay chiều và máy đo LCR – đó là những phương
tiện đo chính được sử dụng để dẫn xuất chuẩn điện dung..
Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận trình bày 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 dung trong giai đoạn tiếp theo.

10


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN DUNG
1.1

Đại lượng và đơn vị đo điện dung

1.1.1 Đại cương về quá trình thiết lập và phát triển các đơn vị đo điện
Năm 1832, nhà bác học người Đức Gauss đã đưa ra phương pháp xây dựng hệ
đơn vị như là một tập hợp các đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất. Ông đã xây dựng một
hệ đơn vị dựa trên cơ sở ba đơn vị được chọn tuỳ ý và độc lập với nhau là đơn vị đo độ
dài, khối lượng và thời gian. Tất cả các đơn vị còn lại được xây dựng dựa vào ba đơn vị
cơ bản này. Các hệ đơn vị được xây dựng như vậy với ba đơn vị cơ bản đo độ dài, khối
lượng, thời gian, Gauss gọi là hệ tuyệt đối.
Cùng với sự phát triển của khoa học-kỹ thuật, dựa vào hệ mét và với phương pháp
Gauss đề xuất, người ta đã xây dựng nhiều hệ đơn vị khác nhau, đáp ứng các yêu cầu
của những lĩnh vực nhất định. Dưới đây trình bày vắn tắt sự hình thành và phát triển của
một số hệ đơn vị điện từ.
1.1.1.1 Các hệ CGS
Hệ CGS được xây dựng theo phương pháp của Gauss với ba đơn vị cơ bản là
centimét (cm) cho độ dài, gam (g) cho khối lượng và giây (s) cho thời gian do Hội nghị
quốc tế lần thứ nhất các nhà điện học đưa ra năm 1881 với tên hai đơn vị dẫn xuất quan
trọng nhất là đyn để đo lực và éc để đo công. Việc áp dụng hệ CGS vào lĩnh vực điện từ
có nhiều phức tạp. Có thể nêu ra ba hệ phổ biến nhất:
a/ Hệ CGSe
Còn gọi là hệ tĩnh điện tuyệt đối, xây dựng trên cơ sở ba đơn vị cơ bản centimét,
gam, giây. Từ định luật Coulomb của tĩnh điện trong chân không, suy ra đơn vị điện tích
và từ đó suy ra các đơn vị điện từ khác.
b/ Hệ CGSm

11

Còn gọi là hệ tĩnh từ tuyệt đối, cũng xây dựng trên cơ sở ba đơn vị cơ bản centimét,
gam và giây như hệ CGSe. Từ định luật Coulomb của tĩnh từ suy ra đơn vị từ khối và từ
đó suy ra các đơn vị điện từ khác.
c/ Hệ CGS đối xứng
Còn gọi là hệ Gauss, trong đó đơn vị điện là của hệ CGSe và đơn vị từ là của hệ
CGSm. Hệ CGS đối xứng có đặc điểm là xây dựng cân đối và có lôgích, nó là một hệ
nhất quán, do đó được dùng rất rộng rãi trong vật lý để mô tả các đại lượng cần đo và để
tính toán. Các hằng số vật lý cho đến nay vẫn còn được diễn đạt theo đơn vị CGS.
1.1.1.2 Hệ đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng
Hệ đơn vị điện từ CGS có cỡ đơn vị không thực dụng, có đơn vị quá lớn lại có đơn
vị quá bé so với những nhu cầu trong đời sống và sản xuất. Hội nghị quốc tế lần thứ nhất
các nhà điện học năm 1881 cũng đã xây dựng hệ đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng dẫn
xuất từ hệ CGSm nhưng có cỡ đơn vị khắc phục được nhược điểm trên của hệ CGS bằng
cách nhân các đơn vị này với luỹ thừa bậc nào đó của 10. Các đơn vị thực dụng sau đây
đã được thông qua đầu tiên:
-

Đơn vị điện trở thực dụng là “ôm”, bằng 109 đơn vị điện trở của hệ CGSm.

-

Đơn vị điện thế thực dụng là “von”, bằng 108 đơn vị điện thế của hệ CGSm.

-

Đơn vị cường độ dòng điện thực dụng là “ampe”, bằng 10-1 đơn vị cường độ dòng
điện của hệ CGSm.

-

Đơn vị điện dung thực dụng là “fara”, bằng 10-9 đơn vị điện dung của hệ CGSm.
Thừa số nhân của đơn vị điện trở và điện thế được lấy bằng 109 và 108 là để cho

đơn vị “ôm” và “von” xấp xỉ với điện trở của một cột thủy ngân dài 100 cm, tiết diện 1
mm² và sức điện động của pin chuẩn Daniell đã được dùng làm đơn vị điện trở và điện
thế lúc bấy giờ.
Hội nghị quốc tế lần thứ hai các nhà điện học năm 1889 đã quy định thêm 3 đơn vị
điện từ thực dụng nữa:
-

Đơn vị đo điện năng là “jun”, bằng 107 đơn vị điện năng của hệ CGSm.
12


-

Đơn vị công suất là “oát”, bằng 107 đơn vị công suất của hệ CGSm.

-

Đơn vị tự cảm “quadran” sau đổi tên là “henry”, bằng 109 đơn vị tự cảm của hệ
CGSm.
Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) và các Đại hội cân đo quốc tế (CGPM) sau này

đã quy định nhiều đơn vị điện từ thực dụng khác nữa như “vêbe” đo từ thông; “tesla”
đo cảm ứng từ; “simen” đo điện dẫn...
1.1.1.3 Các đơn vị điện từ quốc tế
Do những khó khăn trong việc thể hiện chính xác các đơn vị điện từ tuyệt đối thực
dụng theo quy định lý thuyết trên, nên Hội nghị quốc tế các nhà điện học lần thứ ba họp

năm 1893 ở Chicago đã công nhận các đơn vị điện từ quốc tế. Các đơn vị này khác các
đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng ở chỗ được định nghĩa qua chính các chuẩn để thể
hiện nó chứ không phải là qua các đơn vị tuyệt đối tương ứng. Hội nghị trên đã xây dựng
3 đơn vị quốc tế cơ bản là “ôm quốc tế” định nghĩa qua cột thuỷ ngân; “ampe quốc tế”
định nghĩa qua bình điện phân với dung dịch điện phân là nitrat bạc; “von quốc tế” được
định nghĩa qua pin chuẩn Clarca. Các đơn vị điện từ khác như “culông quốc tế”, “fara
quốc tế”.v.v. được dẫn xuất từ 3 đơn vị cơ bản này.
Để phân biệt các hệ đơn vị điện từ tuyệt đối xây dựng trên cơ sở các đơn vị độ dài,
khối lượng và thời gian; người ta gọi tập hợp các đơn vị “ôm quốc tế”, “ampe quốc tế”,
“von quốc tế” và các đơn vị dẫn xuất từ chúng là “các đơn vị điện từ quốc tế”.
Đại hội quốc tế các nhà điện học năm 1908 ở Luân đôn đã hoàn thành việc xây
dựng các đơn vị điện từ quốc tế và phân ranh giới rõ ràng giữa các đơn vị tuyệt đối thực
dụng và đơn vị quốc tế. Sau Hội nghị này, các đơn vị điện từ quốc tế đã được công nhận
ở nhiều nước và được sử dụng rộng rãi cho đến khi Uỷ ban cân đo quốc tế (CIPM) quyết
định ngừng sử dụng các đơn vị này bắt đầu từ 01/01/1948 và chuyển sang các đơn vị
điện từ tuyệt đối thực dụng với mối liên hệ sau:
1qt = 1,000 49 tđ
1Vqt = 1,000 34 Vtđ
13


Ký hiệu qt và tđ chỉ đơn vị quốc tế và đơn vị tuyệt đối.
1.1.1.4 Hệ MKSA
Cơ sở của hệ này đã được nhà bác học người Italia Giorgi nêu lên từ năm 1901,
nên hệ này còn có tên là “hệ Giorgi” do Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế đề nghị năm 1958.
Các đơn vị cơ bản của hệ MKSA là mét, kilôgam, giây và ampe. Trong hệ MKSA, lực
đo bằng niutơn, công và năng lượng đo bằng jun, công suất đo bằng oát. Các đơn vị cơ
như vậy hoàn toàn phù hợp với các đơn vị điện từ của hệ tuyệt đối thực dụng như ampe,
von, ôm, culông.v.v.... Hệ MKSA chính là phần đơn vị điện từ của Hệ đơn vị quốc tế
(SI), trong đó các đơn vị dẫn xuất được dẫn xuất qua các phương trình điện từ đã được

hợp lý hoá. Trong hệ MKSA hợp lý hoá hằng số điện môi trong chân không C 0 và hệ số
từ thẩm trong chân không 0 có giá trị:
C0 =

10⁷ F
4c² m

; 0 = 4 10⁷

H
m

với c là vận tốc của ánh sáng trong chân không.
1.1.1.5. Hệ đơn vị quốc tế SI
Hệ đơn vị quốc tế SI được thiết lập đầu tiên vào năm 1960 bởi Văn phòng cân đo
quốc tế gọi tắt là BIPM. Đến nay hệ đơn vị SI bao gồm 7 đại lượng cơ bản đó là:
- Mét (m) đơn vị đo độ dài
- Kilogam (kg) đơn vị đo khối lượng
- Giây (s) đơn vị đo thời gian
- Ampe (A) đơn vị đo cường độ dòng điện
- Kelvin (K) đơn vị đo nhiệt độ
- Mole (mol) đơn vị đo lượng vật chất
- Candela (Cd) đơn vị đo quang thông.
Đơn vị điện dung trong hệ đơn vị SI là đơn vị dẫn xuất, có tên gọi là Fara, ký
hiệu: F.

14


1.1.2 Đại lượng và đơn vị đo điện dung của hệ đơn vị quốc tế SI

Điện dung là đại lượng nói lên đặc tính khả năng tích điện trên hai bản cực của một tụ
điện khi đặt một hiệu điện thế đặt lên hai bản cực đó, được thể hiện là tỷ số giữa lượng
điện tích được nạp và hiệu điện thế đặt lên nó.
C

Q
U

9 

(1.1)

Trong đó C là ký hiệu điện dung, Q là lượng điện tích được nạp trên hai bản cực của tụ
điện (C), U là hiệu điện thế đặt lên hai bản cực đó (V).
Đơn vị diện dung trong hệ đơn vị quốc tế SI được gọi là Fara, ký hiệu là F [4]. Tên fara
được lấy theo tên của nhà khoa học J. Faraday để tôn vinh công lao của ông.
Tụ điện phẳng là tụ điện được cấu tạo từ hai bản cực phẳng dẫn điện đặt song song, giữa
hai bản cực đó là một lớp cách điện được gọi chung là lớp điện môi. Điện dung của tụ
điện phẳng tỷ lệ với hằng số điện môi của lớp cách điện và diện tích của bản cực và tỷ
lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản cực đó.
C

Trong đó:

 .A

(1.2)

d

ε là hằng số điện môi của lớp cách điện (F/m).
A là diện tích của bản cực (m2).
D khoảng cách giữa hai bản cực (m).

Trong thực tế tụ điện phẳng thường được sử dụng phổ biến trong cả lĩnh vực chuẩn cũng
như các tụ điện ứng dụng, vì vậy để đơn giản tụ điện phẳng sau đây được gọi tắt là tụ
điện.
Tụ điện đầu tiên được phát minh bời von Kleist và von Musschenbroek vào thế kỷ
18 và tụ điện được cải tiến bởi nhiều nhà khoa học khác trong đó có Faraday. Farady là
người đầu tiên thực hiện phép đo điện dung tương đối của hai tụ điện.
1.2 Chuẩn đơn vị điện dung
1.2.1 Khái niệm về chuẩn và phân loại chuẩn

15


Chuẩn đo lường là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của đơn vị đo theo định nghĩa.
Chuẩn được tạo thành từ một tập hợp các vật đọ tương tự nhau gọi là chuẩn nhóm.
Ví dụ chuẩn đơn vị điện dung (F) là một nhóm gồm 5 tụ chuẩn 100 pF, giá trị chuẩn fara
là giá trị trung bình của 5 tụ chuẩn đó. Chuẩn được tạo thành từ một tập hợp các chuẩn
với những giá trị được chọn một cách riêng biệt hoặc phối hợp với nhau để cung cấp một
dãy giá trị của các đại lượng cùng loại gọi là bộ chuẩn. Ví dụ bộ tụ chuẩn gồm các tụ
chuẩn có giá trị thập tiến đơn trị từ 1 pF đến 1 µF.
Có thể phân loại chuẩn theo độ chính xác hoặc mục đích sử dụng. Căn cứ theo độ
chính xác có thể phân loại như sau:
- Chuẩn đầu (primary standard): Là chuẩn được chỉ định hay thừa nhận rộng rãi
là có chất lượng về mặt đo lường cao nhất và các giá trị của nó được chấp nhận không
dựa vào các chuẩn khác của cùng đại lượng.
- Chuẩn thứ (secondary standard): Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng
cách so sánh với chuẩn đầu của cùng đại lượng.

- Chuẩn bậc I: Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với
chuẩn thứ của cùng đại lượng.
- Chuẩn bậc II: Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với
chuẩn bậc I của cùng đại lượng.v.v.
Căn cứ theo chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại:
- Chuẩn quốc tế (international standard): Là chuẩn được một hiệp định quốc tế
công nhận để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan
trên phạm vi quốc tế.
- Chuẩn quốc gia (national standard): Là chuẩn được một quyết định có tính chất
quốc gia công nhận để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác có liên quan trong
một nước.

16


- Chuẩn chính (reference standard): Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về
mặt đo lường có thể có ở một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở
đó đều được dẫn xuất từ chuẩn này.
- Chuẩn công tác (working standard): Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu
chuẩn hoặc kiểm tra vật đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn.
- Chuẩn so sánh (transfer standard): Là chuẩn được sử dụng như là một phương
tiện để so sánh các chuẩn.
Liên quan đến chuẩn đo lường còn có một khái niệm rất quan trọng, đó là tính
liên kết chuẩn đo lường (traceability).
Tính liên kết chuẩn đo lường được định nghĩa là tính chất của kết quả đo nhờ đó
kết quả có thể liên hệ tới mốc quy chiếu thông qua một chuỗi không đứt đoạn các phép
hiệu chuẩn được lập thành tài liệu, mỗi phép hiệu chuẩn đóng góp vào độ không đảm
bảo đo [10].
1.2.2 Các chuẩn đơn vị điện dung
1.2.2.1 Tụ điện tính toán (Calculable Capacitor hay Cross capacitor)

Tụ điện tính toán được tìm ra bởi Thompson và Lampard. Hai người đã chứng
minh được rằng với bốn thanh dẫn điện thẳng hình trụ khép kín đặt đối xứng trong chân
không thì điện dung chéo trung bình giữa các thanh dẫn được đưa ra bởi một hàm đơn
giản chỉ phụ thuộc vào hằng số điện môi trong chân không (ε0) và chiều dài của tụ tính
toán [3], cụ thể:
C

C1  C2  0 . F 3

( )
2
ln 2 m

Trong đó: ε0 = 8.854187817.10-12 F.m-1.

17

(1.3)


Hình 1.1. Cấu tạo của tụ điện tính toán[3].
Ống bảo vệ bao gồm hai ống dẫn điện đặt song song và chính giữa của các thanh dẫn,
một ống có thể điều chỉnh được vị trí. Trong thực tế chiều dài của tụ tính toán không
phải là chiều dài mà được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đầu ống bảo vệ được gọi
là khoang Fabry-Perot. Chiều dài của tụ tính toán được xác định bởi giao thoa quang học
sử dụng khoang Fabry-Perot.
Toàn bộ các phần tử của tụ điện tính toán được đặt trong chân không và chiều dài của tụ
tính toán được xác định nhờ một nguồn laser có bước sóng ổn định đi qua khoang FabryPerot nhờ một hệ gương. Nhờ đó ta có thể xác định chính xác chiều dài của tụ tính toán.
Đã có rất nhiều Viện Đo lường quốc gia của các nước đã chế tạo thành công tụ điện tính
toán. Đến thời điểm hiện tại tụ điện tính toán vẫn được sử dụng như chuẩn đầu của đơn

vị điện dung [3].
1.2.2.2 Tụ điện chuẩn Artifact
Tụ điện chuẩn artifact (sau đây gọi tắt là tụ chuẩn) thực chất là tụ điện phẳng. Tụ
chuẩn có cấu tạo từ hai bản cực phẳng diện tích A đặt cách nhau một khoảng cách d và
giữa hai bản cực là một lớp cách điện có hệ số điện môi ε rất ổn định. Đặc tính của tụ
chuẩn là:
- Độ ổn định cao hay độ biến thiên giá trị điện dung theo năm thấp.
- Hệ số nhiệt thấp
18


- Hệ số độ ẩm và áp suất thấp
- Chống rung tốt
- Giá trị cố định không tái tạo được.
Hiện nay hầu hết các phòng thí nghiệm quốc gia đều duy trì một nhóm tụ điện
chuẩn Artifact [7]. Giá trị của tụ điện chuẩn Artifact thường nằm trong phạm vi 0,01 pF
đến và 1 mF. Tụ điện chuẩn artifact thường được chế tạo theo dãy giá trị 1;2;3;4 (Ví dụ:
1 pF; 2 pF; 3 pF; 4 pF; 10 pF;20 pF....). Trong đó các giá trị chẵn như 1; 10; 100 ...
thường được sử dụng trong các nhóm chuẩn duy trì.

Hình 1.2. Tụ điện Artifact
Một số điện môi được dùng để chế tạo tụ điện chuẩn Artifact như: Fuse-Sillica;
Nitrogen (khí nitơ); không khí; dầu; Mica.... Các tụ điện chuẩn Artifact thường được đặt
trong bể khí hoặc bể dầu chuyên dụng để duy trì sư ổn định của nhiệt độ [7].
1.2.3 Vấn đề liên kết chuẩn
Truyền đạt chính xác độ lớn của đơn vị đo từ chuẩn cao nhất đến các phương tiện
đo thông dụng là biện pháp cơ bản để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết
của tất cả các phép đo trong từng nước và trên toàn thế giới. Đó chính là công việc dẫn
xuất chuẩn và truyền chuẩn. Hiệu chuẩn phương tiện đo là biện pháp quan trọng để đạt
tới mục tiêu này.

Hiệu chuẩn (calibration) được định nghĩa là tập hợp các thao tác trong điều kiện
quy định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương

19


tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật đọ, mẫu chuẩn và các giá trị
tương ứng thể hiện bằng chuẩn.
Kết hợp sự phân loại chuẩn và phương tiện đo theo độ chính xác và theo mục đích sử
dụng có thể tóm tắt bản chất kỹ thuật của việc hiệu chuẩn bằng sơ đồ dưới đây:
Bậc chính
xác
Bậc 0

Chuẩn Quốc Gia

PP so sánh

Chuẩn chính

Bậc I

PP so sánh

PP so sánh

Chuẩn chính

Chuẩn công tác
Bậc II

PP so sánh

PP so sánh

PP so sánh

Chuẩn chính

Chuẩn công tác

Phương tiện đo

Bậc III

Hình 1.3. Sơ đồ phân loại chuẩn
1.2.4 Vài nét về trình độ chuẩn quốc tế và hệ thống chuẩn điện dung của Việt Nam
Hiện nay trên thế giới tại các nước phát triển như Hoa Kỳ, Đức, Pháp, Nhật Bản,
Hàn Quốc, Australia, .... trình độ chuẩn về lĩnh vực đo lường điện dung đã đạt được
những thành tựu rất cao. Ở đó họ đã nghiên cứu chế tạo và duy trì hệ thống chuẩn đầu
20


về điện dung (Tụ điện tính toán) rất chính xác. Việc duy trì và dẫn xuất chuẩn điện dung
hiện nay đang được phát triển theo các hướng khác nhau. Các nước phát triển sau thì vẫn
đi theo lối mòn cũ đó là sử dụng tụ điện tính toán như chuẩn đầu. Tuy nhiên, một số
nước đi trước dường như đang nghiên cứu đi theo một hướng khác đó là phát triển Hiệu
ứng Hall xoay chiều hoặc điện trở xoay chiều tính toán sau đó sao truyền sang chuẩn
điện dung. Lý do bởi một phần do cấu tạo phức tạp của tụ điện tính toán cộng thêm với
việc tụ điện tính toán vẫn phải phụ thuộc vào kích thước hình học của các thanh dẫn.

Trong khi đó, nếu phát triển theo hướng Hiệu ứng Hall xoay chiều thì chuẩn điện dung
được xác định thông qua hằng số vật lý điều này phù hợp với xu thế hiện nay. Ngay cả
khi phát triển theo hướng điện trở xoay chiều tính toán thì việc chế tạo cũng đơn giản
hơn nhiều. Tất nhiên dù phát triển theo hướng nào thì trình độ chuẩn của các nước đó
cũng đang đạt đến mức độ rất cao.
Đối với hệ thống chuẩn Điện dung của Việt Nam hiện nay chưa đủ năng lực để
chế tạo cũng như vận hành những thiết bị phức tạp đòi hỏi công nghệ cao như tụ tính
toán, điện trở xoay chiều tính toán hay Hiệu ứng Hall xoay chiều do vậy một phương án
khả thi cho chúng ta đó là duy trì theo phương pháp nhóm chuẩn và thể hiện đơn vị Fara
dựa vào giá trị trung bình của nhóm chuẩn đó.

21


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT LĨNH VỰC ĐO ĐIỆN DUNG
2.1 Đo lường đại lượng Điện dung.
2.1.1 Lý thuyết chung
Điện dung là một thành phần quan trọng của tổng trở (Z) vì vậy lịch sử về đo lường
Điện dung gắn liền với đo lường tổng trở. Tổng trở là một thông số mạch quan trọng sử
dụng trong mạch điện, nó được định nghĩa là tổng hợp những phần tử cản trở dòng điện
xoay chiều ở một tần số nhất định. Vec tơ tổng trở bao gồm hai thành phần là thành phần
thực (điện trở) và thành phần ảo (điện kháng), trong đó điện dung thuộc thành phần điện
kháng. Sơ đồ vec tơ tổng trở được cho trong hình 2.1 [2].

Hình 2.1. Sơ đồ véc tơ tổng trở [2]
Z  R  jX

(2.1)

Z  R2  X 2

(2.2)

X
R

  tan 1 ( )

Trong đó:

(2.3)

Z là tổng trở, Ω
R là điện trở, Ω
X là điện kháng, Ω

22


θ là góc lệch pha, º
Điện kháng X được chia thành hai thành phần là cảm kháng XL là dung kháng XC:
X L  .L  2 . f .L
X C  (.C )  (2 . f .C )
1

Trong đó:

(2.4)
1

(2.5)

L là điện cảm, H
f là tần số, Hz
ω là tần số góc, rad

Vì vậy trong hầu hết phép đo Điện dung C thực chất là phép đo dung kháng X C tại tần
số f nhất định.
Trong mạch điện xoay chiều biên độ của véc tơ tổng trở được xác định theo định luận
Ohm:
Z 

V
I

( )

(2.6)

Trong đó: Z là biên độ véc tơ tổng trở, Ω.
V là biên độ véc tơ điện áp, V.
I là biên độ véc tơ dòng điện, A.



Và góc lệch pha θ được xác định là hiệu giữa pha của véc tơ điện áp V và pha của


véc tơ dòng điện I .

Tụ điện lý tưởng là tụ điện có giá trị điện dung không bị ảnh hưởng bởi các thành
phần ký sinh, lúc đó tụ điện lý tưởng được xem như một thành phần thuần điện kháng
mà không phụ thuộc vào tần số. Giá trị tụ điện lý tưởng được định nghĩa dựa vào mối
liên hệ toán học đại lượng vật lý được cho trong công thức 2.2.
Trong thực tế để tạo ra tụ điện lý tưởng là vô cùng khó vì vậy tụ điện thực tế luôn
bị ảnh hưởng bởi các thành phần ký sinh xung quanh nó, hình 2.2
giữa tụ điện lý tưởng và tụ điện thực tế.

23

[2]

cho ta sự so sánh