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

..

MỤC LỤC

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

3

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

4

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

5

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

7

Chƣơng 1: TỔNG QUAN…….….………...…………………..…….……......

11

1.1

Khái niệm cơ bản về đo lƣờng 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

Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DUY TRÌ
HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG 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 phƣơng pháp duy trì chuẩn.........................................................

44

Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DẪN XUẤT
HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY
CHIỀU...............................................................................................................

58

3.1.

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

58

3.2.

Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Nguồn chuẩn điện áp xoay chiều

59

1


(Standard AC Calibrator)...................................................................................
3.3. Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn (AC
Measurement Standard).....................................................................................

66

Chƣơng 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

2


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 tơi rất nhiều trong q trình nghiên cứu và thực hiện luận văn và đã
cho tôi những ý kiến q báu trong q trình thực hiện. Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc
đến TS Yaowaret Pimsut – Viện Đo lường Thái Lan (NIMT), người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tơi 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, Ơng trưởng
phịng Đo lường Điện – VMI đã tạo điều kiện về mặt thời gian và kinh phí để tơi được
theo học khố học 2013-2015 này.
Và cuối cùng tơi xin dành tất cả lịng 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 tơi, những người bạn ln sát cánh bên tôi, các đồng nghiệp đã quan tâm
giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này.
Trong khoảng thời gian không dài tơi đã nỗ lực và cố gắng để hồn thành luận
văn tốt nghiệp này, song chắc chắn không thể tránh khỏi những sai xót. Vì vậy, tơi 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.

3


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 khơng 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 tốn kết quả đo.........................................................................

65

4


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 phƣơng 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 cơng 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 lƣờng 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 phƣơng 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 nƣớc ngồi tới chuẩn quốc gia....................

45

Hình 2.5. Sơ đồ dẫn xuất chuẩn quốc gia trong nƣớc theo quy hoạch trình
Thủ tƣớng 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...........................................................................

5

47


Hình 2.7 Minh họa cách so sánh vịng tìm giá trị diff từ một chuẩn đã biết..

48

Hình 2.8. Sơ đồ đo so sánh vịng và kết quả nhận đƣợc.................................

49

Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống đo/ hiệu chuẩn hai SJTC đƣợc thiết lập tại phòng
Đo lƣờng điện- Viện đo lƣờng 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. Vơn mét xoay chiều chuẩn FLUKE 5790A....................................

67

Hình 3.5. Sơ đồ hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn.................................

68

6


MỞ ĐẦU
Đo lƣờng với tƣ cách của một khoa học đa ngành và liên ngành đã, đang và sẽ tiếp
tục có những ảnh hƣởng sâu sắc đến nhiều mặt của xã hội. Đo lƣờng đƣợc hình thành và

phát triển từ những u cầu có tính khoa học, xã hội và thƣơng mại. Các phƣơng pháp đo
lƣờng với độ chính xác cao góp phần đảm bảo tính lành mạnh trong thƣơng mại địa
phƣơng và quốc tế, và bảo vệ quyền lợi đa bên của cộng đồng nhà sản xuất và ngƣời tiêu
dùng. Bên cạnh đó, các địi hỏi khoa học khắt khe thúc đẩy vai trị của đo lƣờng trên mọi
khía cạnh phục vụ sự phát triển của nhân loại và đóng góp mạnh mẽ vào cơng cuộc tìm
hiểu, khám phá thế giới tự nhiên của lồi ngƣời. Rõ ràng khơng có sự địi hỏi cao nhất
khả dĩ về đo lƣờng thì cơng nghiệp vi điện tử sẽ khơng thể tiếp tục thu nhỏ kích thƣớc
của các “chip”, tƣơng tự, cơng nghệ dẫn đƣờng tốt hơn và đo áp lực tốt hơn dẫn tới quyết
định các đƣờng bay quốc tế trở nên tốt hơn, và giúp các động cơ hoạt động hiệu quả hơn,
qua đó tiết kiệm đƣợc nhiên liệu và cải thiện chi phí cơng nghiệp. Cơng nghiệp với cơng
nghệ nano đòi hỏi kỹ thuật đo lƣờng bề mặt tốt hơn và chính xác hơn trên các khoảng
cách cỡ nano. Steven Chu, ngƣời nhận giải Nobel đã nói: “Đo lƣờng 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 nƣớc công nghiệp đã xây dựng viện đo lƣờng
Quốc gia, nói chung dựa trên mơ hình của Viện vật lý kỹ thuật Hoàng gia Đức đƣợc xây
dựng năm 1887. Lợi ích kinh tế của một Viện quốc gia nhƣ vậy hầu nhƣ ngay lập tức đã
đƣợc thừa nhận. Ở Anh, hội vì sự tiến bộ của khoa học nƣớc Anh đã khẳng định rằng nếu
khơng có một viện quốc gia tập trung vào đo lƣờng thì khả năng cạnh tranh của công
nghiệp nƣớc Anh sẽ trở nên yếu kém, ngay sau đó Anh đã thành lập Phịng thí nghiệm
Vật lý quốc gia (NPL) năm 1900, tiếp theo sau Mỹ cũng thành lập Cục tiêu chuẩn quốc
gia (NBS) năm 1901.

7


Cho đến ngày nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có Viện đo lƣờng hoặc
một cơ quan chuyên trách về đo lƣờng, với hai nhiệm vụ chính trong sứ mệnh của mình
là: thỏa mãn các nhu cầu của cơng nghiệp về đo lƣờng chính xác qua việc tiêu chuẩn hóa
và hiệu chuẩn- kiểm định các phƣơng 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 lƣờng và đại lƣợng; định nghĩa các đơn vị; hình thành bội số và ƣớc
số. Việc thực hiện các đơn vị của hệ phải đảm bảo đƣợc các yếu tố: Đảm bảo các đơn vị
không thay đổi theo thời gian và có thể tái tạo lại đƣợc; Đƣợc tái tạo ở mọi nơi trên thế
giới; và có thể chuyển giao cho ngƣời sử dụng mà sai số không đáng kể. hệ SI ban đầu
dựa trên 6 đại lƣợng (khối lƣợng, độ dài, thời gian, dòng điện, nhiệt độ nhiệt động lực và
cƣờng độ sáng), sau đó “lƣợng chất”- mole đƣợc bổ xung vào năm 1971. Ƣu thế của hệ
SI là gần nhƣ tất cả các đại lƣợng vật lý và hóa học có thể diễn đạt trong một tổ hợp các
đơn vị cơ bản của SI.
Để phép đo đƣợc thực hiện đúng, trƣớc tiên phƣơng tiện đo phải đƣợc đảm bảo
chính xác và tin cậy. Hiệu chuẩn và kiểm định phƣơng tiện đo là những hoạt động đo
lƣờng quan trọng nhất đồng thời cũng là hữu hiệu nhất để đạt đƣợc tiêu chí đó. Trong đo
lƣờng công nghiệp là công tác hiệu chuẩn thƣờng xuyên các phƣơng tiện đo, trong đo
lƣờng pháp định là công tác kiểm định định kỳ các phƣơng tiện đo theo quy định.
VIM:2007 định nghĩa về hiệu chuẩn nhƣ sau: Hiệu chuẩn là hoạt động trong
những điều kiện quy định, bƣớc thứ nhất là thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại
lƣợng có độ khơng đảm bảo đo do chuẩn đo lƣờng cung cấp và các số chỉ tƣơng ứng với
độ không đảm bảo đo kèm theo, và bƣớc thứ hai là sử dụng thông tin này thiết lập mối
liên hệ để nhận đƣợc kết quả đo từ số chỉ. Nhƣ vậy phép hiệu chuẩn đƣợc thực hiện để có
thể đƣa ra tuyên bố về sự đúng đắn của kết quả đo đƣợc thực hiện bởi phƣơng tiện đo đã
đƣợc dẫn xuất đo lƣờng từ chuẩn đo lƣờng 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

8


quan hệ giữa giá trị của đại lƣợng đƣợc chỉ bởi phƣơng tiện đo và các giá trị tƣơng ứng
thể hiện bằng chuẩn đo lƣờng. Giấy chứng nhận hiệu chuẩn của phƣơng tiện đo đƣa ra sai
lệch hoặc số hiệu chính của số đo cùng với độ khơng đảm bảo đo. Tập hợp những giá trị
đó đặc trƣng cho mối liên hệ giữa kết quả đo với đơn vị đo tƣơng 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 lƣờng chính là sự thể
hiện cụ thể độ lớn của đơn vị đo lƣờng theo định nghĩa của đơn vị; và Chuẩn đo lường
quốc gia (national measurement standards) là chuẩn được cơng 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”.
Nhƣ vậy, trong phạm vi một nƣớc, chuẩn đo lƣờng 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 lƣờng.
Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về phê
duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lƣờng quốc gia đến năm 2020, với mục tiêu phát
triển chuẩn đo lƣờng quốc gia theo hƣớng hiện đại, đạt trình độ các nƣớc 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 lƣờng của
13 chuẩn đo lƣờng quốc gia đã đƣợc phê duyệt và đầu tƣ mới 12 chuẩn đo lƣờng quốc gia
trong đó có Chuẩn đo lƣờng điện áp xoay chiều. Với nhiệm vụ đƣợc giao đó, phịng Đo
lƣờng điện viện đo lƣờng Việt Nam đã đầu tƣ nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn đo
lƣờng quốc gia về lĩnh vực điện áp xoay chiều với mục tiêu hoàn thành tốt các yêu cầu
đƣợc giao. Đây cũng là nội dung chính trong luận văn tốt nghiệp này của tơi. Luận văn
bao gồm 4 chƣơng.
Chƣơng 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 đƣợc Viện đo lƣờng Việt

9


Nam lựa chọn đầu tƣ trang bị để lập hồ sơ xin công nhận làm Chuẩn quốc gia lĩnh vực
điện áp xoay chiều.
Chƣơng 2: Nghiên cứu và xây dựng phương pháp duy trì hệ thống chuẩn đo
lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều đƣa ra các nghiên cứu chi tiết từ đó tiến tới

xây dựng hồn chỉnh phƣơng 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.
Chƣơng 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
đƣa ra các phƣơng pháp hiệu chuẩn các chuẩn chính điện áp xoay chiều hiện đang là
chuẩn chính của các phịng thí nghiệm lớn trong cả nƣớc là Nguồn điện áp chuẩn xoay
chiều và vôn mét xoay chiều chuẩn, sử dụng chuẩn đo lƣờng quốc gia điện áp xoay chiều.
Chƣơng 4: Đánh giá, kết luận và đề xuất trình bày các kết quả của việc nghiên
cứu, xây dựng và đánh giá các phƣơng pháp, đƣa ra hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài;
đồng thời cũng đƣa ra các kiến nghị cụ thể cho định hƣớng phát triển chuẩn đo lƣờng
quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều trong giai đoạn tiếp theo.

10


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1

Khái niệm cơ bản về đo lƣờng điện áp xoay chiều

1.1.1 Đại lƣợng điện áp:
Điện áp (hiệu điện thế) U giữa 2 điểm của một dây dẫn trong trƣờng tĩnh điện E là
tổng năng lƣợng (công sinh ra dƣới 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 đƣờng
của cƣờng độ điện trƣờng từ điểm đầu đến điểm cuối của dây dẫn.
r2

U=

 E.dr

(1.1)

r1

Trong đó E là cƣờng độ điện trƣờng có giá trị bằng lực tĩnh điện F chia cho điện tích q
(đƣợc tính từ biểu thức: F = E.q)
1.1.2 Điện áp xoay chiều:
Điện áp xoay chiều là điện áp có chiều và cƣờng độ biến thiên theo thời gian. Điện
áp xoay chiều thƣờng đƣợc tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều hoặc đƣợc biến đổi từ
nguồn điện một chiều bởi một mạch điện tử nghịch lƣu.
Định luật cảm ứng điện từ Faraday là cơ sở cho việc chuyển đổi năng lƣợng từ cơ
năng sang điện năng để tạo ra dòng điện xoay chiều: Khi cho một cuộn dây chuyển động
tƣơng đối trong từ trƣờng 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, ngƣời ta làm cho cuộn dây quay tròn bên trong từ trƣờng. Khi cuộn dây quay trịn, nó
cắt các đƣờng sức từ và sinh ra một điện áp ở hai đầu cuộn dây. Khi mặt phẳng của
khung dây song song với đƣờng sức từ nó cắt nhanh qua đƣờng sức từ nhƣng khi cuộn
dây quay thêm 90 độ và nó vng góc với các đƣờng sức từ thì chuyển động của cuộn
11


dây là tiếp tuyến với từ trƣờng và không tạo ra điện áp ở hai đầu dây. Khi cuộn dây đi
qua điểm này, nó cắt qua từ trƣờng theo hƣớng ngƣợc lại và tạo ra điện áp có dấu âm.
Cuối cùng tổng hợp lại chúng ta thấy điện áp đƣợc tạo ra bởi máy phát điện nhƣ vậy biến
thiên theo hàm số sin. Dịng điện mang dạng sóng hình sin nhƣ vậy thƣờng đƣợc gọi là
dòng điện xoay chiều (Alternating Current- AC). Phƣơng 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, thƣờng đƣợc 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 phƣơng trình điện áp xoay chiều điều hịa dạng hàm sin đơn giản nhƣ 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 đƣợc định nghĩa là:

12


(1.4)

Vậy quan hệ giữa giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của biên độ điện áp xoay

chiều là:
(1.5)

√

Giá trị trung bình Vavg của biên độ điện áp xoay chiều đƣợc định nghĩa là:

(1.6)

Vậy quan hệ giữa giá trị trung bình và giá trị cực đại của biên độ điện áp xoay
chiều là:
(1.7)
Hình dƣới đây biểu thị mối quan hệ độ lớn các giá trị biên độ kể trên với điện áp
xoay chiều hình sin điều hịa

13


Hình 1.1. Mối quan hệ giữa các giá trị biên độ điện áp xoay chiều
Trong lĩnh vực Đo lƣờng 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 Vơn.
Vơn là hiệu điện thế giữa hai điểm của một vật dẫn mang dịng điện một chiều
khơng đổi có giá trị 1 Ampe, và công suất tiêu tán trên vật dẫn giữa hai điểm đó bằng 1
t. Vơn là một đơn vị dẫn xuất trong hệ SI, là đơn vị của điện thế, hiệu điện thế và sức
điện động. Nó đƣợc lấy theo tên của nhà bác học ngƣời Ý Alessandro Volta (1745–
1827), ngƣời 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

trƣng cho độ phân tán của các giá trị có thể quy cho một cách hợp lý là giá trị của đại
lƣợng đo
Độ không đảm bảo đo bao gồm rất nhiều thành phần. Một số thành phần có thể đƣợc
đánh giá từ phân bố xác suất thống kê của một chuỗi các kết quả đo và có thể đƣợc đặc
trƣng bởi độ lệch chuẩn thực nghiệm, các thành phần này đƣợc gọi là độ không đảm bảo

14


đo loại A. Các thành phần khác có thể đƣợc đánh giá từ các phân bố mật độ xác suất dựa
trên thực nghiệm hoặc các thông tin khác đƣợc gọi là độ khơng đảm bảo loại B
Có thể hiểu rằng kết quả của phép đo là ƣớc lƣợng tốt nhất giá trị của đại lƣợng đo và tất
cả các thành phần độ không đảm bảo đo, bao gồm cả những khả năng phát sinh từ các
ảnh hƣởng hệ thống, ví dụ nhƣ 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 lƣợng 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 lƣờng điện.

Nguyên lý cơ bản của chuẩn này là điện áp xoay chiều (trong dải tần số từ 10 Hz tới 1
MHz) đƣợc suy ra từ giá trị chuẩn điện áp một chiều tƣơng ứng. Chuẩn điện áp một chiều
đƣợc xây dựng từ hiệu ứng Josephson có độ khơng 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 lƣợng điện áp xoay
chiều. Có hai cách để làm việc này (đƣợc miêu tả ở hình 1.2)

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

15

-

Cách 1: Tổng hợp trực tiếp sóng điện áp xoay chiều (dạng sóng sin) bằng cách sử

dụng những bộ chuyển đổi số- tƣơng tự (D/A Converter) có độ chính xác cao.
-

Cách 2: So sánh công suất điện tạo ra bởi đại lƣợng 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 cơng suất đƣợc xem nhƣ một chuẩn chính và cả hệ
thống chuẩn dựa trên nguyên lý đó đƣợc 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 đƣợc 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 lƣợng điện xoay
chiều và một chiều ở mức 0,1 ppm (part per million- phần triệu), và đƣợc sử dụng làm
chuẩn đầu về điện áp xoay chiều ở hầu hết các phịng thí nghiệm chuẩn đo lƣờng quốc
gia trên thế giới.
Theo lịch sử phát triển của các công nghệ chuẩn điện áp xoay chiều trên thế giới
đƣợc mô tả ta nhận thấy chuẩn Thermal converter đƣợc 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
đƣợc phát triển làm chuẩn AC-DC transfer là: Single Junction Thermal Converter
(SJTCs), MultiJunction Thermal converter (MJTC), thin-film MJTC và Semiconductor
RMS sensor. Dƣới đây ta sẽ tập trung nghiên cứu về 4 loại này. Tuy nhiên với cơng nghệ
điện tử và máy vi tính cực kỳ phát triển hiện nay, độ chính xác của phƣơng pháp tổng
hợp dạng sóng đã tăng lên vƣợt 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 đƣợc 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 đƣợc phát triển, ngƣời ta mong
đợi sẽ đạt đƣợc độ chính xác ngang với chuẩn hiệu ứng Josephson. Một nghiên cứu cũng
rất quan trọng nữa là phƣơng pháp “Fast-Reversed DC” (FRDC), cũng dựa trên cơng
nghệ tổng hợp dạng sóng, có khả năng cho ta đo đƣợc hiệu ứng điện- nhiệt của một bộ
Thermal converter là phần tử chính của chuẩn AC-DC difference. Phƣơng pháp này đƣợc

16


coi là tổng hợp công nghệ của phƣơng pháp chuyển đổi điện-nhiệt và phƣơng 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
lƣờng Việt Nam, tôi đề xuất chọn hƣớng xây dựng hệ thống chuẩn điện áp xoay chiều
dựa trên cơ sở AC-DC Transfer Standard và loại chuẩn Single Junction Thermal
Converter. Dƣới đây ta sẽ đi sâu phân tích đặc điểm của các loại chuẩn này.
- Nguyên lý của AC-DC Transfer Standard.
Nhƣ đã nói đến ở phần trƣớc, trong lĩnh vực đo lƣờng điện giá trị điện áp xoay chiều
đƣợc định nghĩa bởi giá trị hiệu dụng của tín hiệu xoay chiều điều hịa hình sin:
(

)

√ ∫ * ( )+

(1.8)

Theo định nghĩa này, chúng ta có thể tìm cách so sánh giá trị điện áp xoay chiều
chƣa 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 lƣợt cho đại lƣợng một chiều và xoay chiều cấp vào bộ phận phát nhiệt

(heater) của Thermal- Converter thì nhiệt lƣợng (jun) tỏa ra trong hai trƣờng hợp sẽ đƣợc
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 dƣới đây sẽ mô tả kỹ hơn cấu
tạo của thiết bị chuẩn này.
Do vậy khi lƣợng điện áp một chiều và xoay chiều có công suất phát nhiệt bằng
nhau đƣợc cấp vào một Thermal-converter lý tƣởng thì điện áp ra của cặp nhiệt ngẫu
trong hai trƣờng hợp phải bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế chế tạo thì điện áp đầu ra
cặp nhiệt ngẫu của Thermal-converter bị ảnh hƣởng bởi đặc tính tần số của bộ phận phát
nhiệt. Đặc tính Sai lệch chuyển đổi “AC-DC transfer difference” là đại lƣợng cơ bản của
Chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC transfer standard, và đƣợc định nghĩa bởi biểu thức
sau:

17


|

(1.9)

Ở đây đại lƣợng EDC và EAC là giá trị điện áp một chiều đầu ra của cặp nhiệt ngẫu khi ta
đặt vào Thermal-converter điện áp một chiều VDC và VAC. Trong trƣờng hợp của một
Thermal-converter lý tƣởng (AC-DC =0) ta đƣợc điện áp ra EAC = EDC khi điện áp đặt vào
bằng nhau (VDC = VAC). Và nếu cần một lƣợng điện áp xoay chiều lớn hơn lƣợng điện áp
một chiều đặt vào để cho ra cùng một giá trị điện áp ở đầu ra cặp nhiệt ngẫu thì khi đó
Thermal converter có giá trị AC-DC transfer difference dƣơng.
Để đo đƣợc 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 lƣợng AC-DC difference đƣợc xem là đại lƣợng quan trọng bậc nhất

trong lĩnh vực chuẩn điện áp xoay chiều, và thuật ngữ “AC-DC transfer standard” nhiều
khi đƣợc dùng thay thế cho thuật ngữ “chuẩn điện áp xoay chiều”.
1.3.

Các loại Thermal- Converter

Nhƣ đã kể trên theo lịch sử phát triển của chuẩn điện áp xoay chiều, đã có 4 loại
Thermal- Converter đƣợc 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 đƣợc ra đời vào thập kỷ 50 của thế kỷ trƣớc bởi hai
nhà khoa học đầu tiên là Hermach và Schrader khi họ cơng bố các nghiên cứu của mình
về “Chế tạo một Single-Junction thermal converter và phƣơng pháp đo gián tiếp nhờ cặp
nhiệt ngẫu” (năm 1952)

18


Chuẩn AC-DC transfer standard với độ chính xác 1ppm đã đƣợc xây dựng tại Viện đo
lƣờng Hoa Kỳ (NIST) vào thập niên 60, sử dụng SJTC. Cấu trúc của một SJTC tiêu biểu
đƣợc mơ tả ở hình 1.1. Một bộ phát nhiệt (heater) là một dây kim loại nhỏ nhƣ sợi tóc, và
một cặp nhiệt ngẫu (thermocouple) đƣợc đặt vào trong một vỏ thủy tinh hút chân không.
Cặp nhiệt đƣợc 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 nhƣ 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 đƣợc điện áp một chiều với độ phân giải lên tới nV để đạt đƣợc 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
đƣợc 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 đƣợc phát triển từ khoảng thập kỷ 70 tới thập kỷ 80 của thế kỷ trƣớc, MJTC đƣợc
thiết kế để giảm hiệu ứng nhiệt-điện, là nguyên nhân chính gây ra sai lệch AC-DC ở tần

19


số xung quanh 1 kHz. Cấu trúc của một MJTC kiểu Wilkins, phát triển tại Phịng thí
nghiệm PTB- Đức đƣợc mơ 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 đƣợc chế tạo ở dạng một đơi dây xoắn nhằm mục đích bù
hiệu ứng nhiệt-điện bậc 1. Trong thiết kế của phòng thí nghiệm PTB, ngƣời 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 đƣợc
giảm xuống, và mức độ AC-DC difference tốt hơn 0,1 pm có thể đạt đƣợc. 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 nhƣợc 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 đƣợc
sử dụng rộng rãi ở rất nhiều phịng thí nghiệm quốc gia làm chuẩn chính về AC-DC
transfer.

20

1.3.3. Thin-Film (Planar) MJTC
Gần đây một loại MJTC khác đƣợc nghiên cứu phát triển sử dụng công nghệ màng mỏng
(thin-film). Cấu trúc của một MJTC màng mỏng đƣợc phát triển tại phịng thí nghiệm
PTB đƣợc mơ tả ở hình 1.5. Bộ phận phát nhiệt và điểm Hot-junction của cặp nhiệt đƣợc
tạo bởi màng SiO2/Si3N4, và điểm Cold-junction của cặp nhiệt đƣợc tạo bởi đế Silic. Loại
MJTC này ra đời từ thành quả phát triển của công nghệ màng mỏng , và ƣu 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 đƣợc kỳ vọng sẽ thay thế cho các loại thermal-converter truyền thống đang
đƣợc sử dụng trong tƣơng 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 đƣợc 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 thƣơng mại chuẩn AC-DC transfer standard FLUKE 792A sử dụng loại sensor
này đƣợc cho là có độ chính xác tốt hơn 1 ppm.

21


1.4.

Nguồn gốc của giá trị sai lệch AC-DC difference

Xét một SJTC, có ba ngun nhân chính gây ra giá trị sai lệch AC-DC difference nhƣ
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 trƣờng hợp MJTC của PTB, hiệu ứng này đƣợc
làm giảm đi đáng kể nhờ có sự phân bố đồng đều của nhiệt độ trên bộ phận phát nhiệt,
ảnh hƣởng của nó có thể ƣớc lƣợng đƣợc chỉ ở cỡ dƣới 0,1 pmm.
-

Thứ hai là đặc tính đáp ứng tần số cao: Ở dải tần số cao trên 10 kHz, các ảnh

hƣởng của hiệu ứng bề mặt và điện dung ký sinh lên mạch điện xoay chiều bắt đầu trở
nên đáng kể. Với loại SJTC ngƣời ta kết hợp thêm với một điện trở đặc biệt 1k dạng
metal-film, thì ảnh hƣởng 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 tƣợng quán tính nhiệt
tăng, ảnh hƣởng 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
đƣợc 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
đƣợc giảm xuống dƣới 1ppm trong dải tần 100 Hz tới 10 kHz cho nên hiệu ứng nhiệt-

22


điện phát huy ảnh hƣởng 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 lƣờng Việt Nam.
Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về phê

duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lƣờng 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 lƣờng Việt
Nam đã đề xuất đầu tƣ 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 mơ tả hình ảnh bên ngồi của bộ chuẩn đo lƣờng này.

23


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)

24


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.
Nhƣ vậy các Thermal Element (tức các SJTC) nếu làm việc một mình thì chỉ cung
cấp đƣợc 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 đƣợc các dải điện áp làm việc của bộ chuẩn này mở rộng từ 1 V tới 1200 V
nhƣ mô tả trong bảng dƣới đây:

25