Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Khái quát về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng 1. Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy- nguyên lý xây dựng và cấu trúc Trong đo lường pháp quyền, để đảm bảo sự thống nhất về phép đo ở phạm vi quốc gia và quốc tế, cần thiết phải có các chuẩn đo lường cho các đại lượng đo. Chuẩn đo lường lực là một chuẩn đo lường quan trọng trong hệ thống các chuẩn đo lường.
Theo đó, chuẩn đo lường lực là một loại phương tiện kỹ thuật thể hiện đơn vị (hoặc ước/bội) của lực với độ chính xác cao nhất có thể - thường được gọi là máy chuẩn lực (Force Standard Machine - FSM), được liên kết chuẩn với các chuẩn cấp cao hơn, và được dùng để sao truyền chuẩn cho các FSM cấp thấp hơn hay thiết bị đo hoặc thiết bị có liên quan đến đại lượng lực [5], [8], [36]. Ban đầu, FSM được xây dựng theo nguyên lý thể hiện trực tiếp Định luật 2 Newton, và thường được gọi là máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine - DW-FSM), trong đó lực được thiết lập qua mối quan hệ: F m g (1.1) Ở đây, F- véctơ lực tạo ra từ tải trọng, N; m - khối lượng của tải trọng, kg; còn g - véctơ gia tốc trọng trường nơi đặt tải trọng, m/s2 [5], [36]. Lực tạo ra từ tải trọng theo (1.1) được xét khi tải trọng đặt trong môi trường chân không. Tuy nhiên, trong thực tế tải trọng chỉ có thể đặt trong môi trường không khí, vì vậy lực được tạo ra từ DW-FSM sẽ là: m F mg a g mg 1 a (1.2) m m m Ở đây, thành phần g là lực đẩy của không khí theo Định luật Acsimet, với a m - khối lượng riêng của không khí, kg/m3; - khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải a m trọng, kg/m3.
Để đáp ứng yêu cầu thể hiện lực chuẩn có giá trị lớn, FSM có thể được xây dựng bằng kết hợp giữa hai nguyên lý tạo lực kiểu DW-FSM với khuếch đại đòn bẩy được gọi là máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM) như mô tả ở Hình 1. Giá trị lực tạo ra ứng với biểu thức: F F Q (1.3) và khi xét điều kiện thực tế hóa, sẽ là: F F mg 1 a Q LA (1.4) m Ở đây m - khối lượng của tải trọng; gđp - gia tốc trọng trường địa phương (tại nơi đặt tải trọng); ρa - khối lượng riêng của không khí; ρm - khối lượng riêng của vật liệu chế tạo quả cân tải trọng; QLA = l1/l2 - hệ số khuếch đại đòn bẩy, trong đó l1 - chiều dài của cánh tay đòn dài và l2 - chiều dài của cánh tay đòn ngắn. Sơ đồ nguyên lý tạo lực của LA-FSM. Cấu trúc của LA-FSM bao gồm 3 bộ phận chính: hệ tạo lực tải trọng, hệ khuếch đại đòn bẩy và hệ truyền lực đòn bẩy.
Trong đó, hệ khuếch đại đòn bẩy ban đầu được thực hiện trên cơ sở hệ đòn bẩy với trục tâm quay bằng dao-gối cơ học theo hai dạng: dao - vòng bi (Hình 1.2) và dao - gối phẳng (Hình 1. Việc kiểm soát sự cân bằng đòn bẩy được thực hiện thông qua các cơ cấu cơ học: kim chỉ - vạch khắc, nivo,. Và việc thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy được thực hiện bởi người vận hành máy. Khi sử dụng dao - vòng bi hoặc dao - gối phẳng, ưu điểm chính là đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống như: + Đối với dao - gối vòng bi, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tiếp xúc không đều, sự lệch tâm của trục truyền lực trong vòng bi, sự rơ rão mài mòn của vòng bi do tác động của lực và thời gian - đây cũng là các yếu tố khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng.
+ Đối với dao - gối phẳng, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tồn tại bán kính thực của mũi dao, đường tiếp xúc không ổn định, sự không phẳng của bề mặt gối, sự mài mòn do tác động của lực và thời gian, và do vậy chịu ảnh hưởng của lực ma sát - đây là các yếu tố rất khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối vòng bi. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối phẳng. + Việc kiểm soát trạng thái cân bằng đòn bẩy bằng cơ cấu cơ khí và quan sát bằng mắt, khó đảm bảo tính chính xác khi có tác động của các yếu tố ảnh hưởng.
Để khắc phục các nhược điểm này, từ những năm 1970, gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng được xây dựng theo nguyên lý bản lề đàn hồi có thể kiểm soát độ biến dạng đã được sử dụng thay cho gối tựa cơ khí (Hình 1. Giải pháp sử dụng gối điện tử theo nguyên lý bản lề đàn hồi được điều khiển theo độ biến dạng đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của dao - gối cơ học được chỉ ra ở trên, đồng thời tạo thuận lợi cho kiểm soát và thiết lập có điều khiển bằng điện tử đến trạng thái cân bằng đòn bẩy. KĐĐL - khuếch đại đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử Hình 1. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng.
a) b) KĐĐL - bộ khuếch đại đo lường; XL-CT - bộ xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử; 1- hệ tạo lực tải trọng; 2- hệ khuếch đại đòn bẩy; 3- gối điện tử; 4- hệ truyền lực. Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (a) và cấu trúc tổng thể của LA-FSM (b). Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và cấu trúc tổng thể của LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng có dạng như Hình 1. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM này được mô tả khái quát như Hình 1.
KBDCB - kênh biến dạng và cảm biến; BĐĐL - biến đổi đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị; ĐKĐC - tạo tín hiệu điều khiển động cơ; ĐCCB - động cơ cân bằng đòn bẩy, BTĐB - bàn trượt đòn bẩy. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. Theo đó, hệ trục tâm quay trong trường hợp này được tạo ra từ một phần tử đàn hồi (bản lề đàn hồi - BLĐH) có hình dạng phổ biến như trên Hình 1. Khi lân cận điểm tựa trục tâm quay (phần thon bóp - gọi là kênh biến dạng và cảm biến KBDCB) được lắp đặt các phần tử nhạy cảm với ứng suất biến dạng kiểu điện tử (thường là tem biến dạng), tín hiệu điện thu được sẽ cho phép phát hiện, kiểm soát sự có mặt và sự biến thiên của các lực hay moment lực tại trục tâm quay.
Như vậy, chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng là một LA-FSM mà trạng thái cân bằng được kiểm soát và thiết lập bằng một kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy dựa theo bài toán cân bằng moment lực. Độ chính xác của nó phụ thuộc vào khả năng xác định và thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy. Do luận án chỉ tập trung nghiên cứu về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng nên từ đây luận án sẽ gọi ngắn gọn tên chuẩn đo lường lực này là LA-FSM. Sai số và các ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM Từ công thức (1.4), sai số lý thuyết của LA-FSM gây ra do sự sai lệch của các tham số của hệ thống so với giá trị danh định có thể được xác định dưới dạng: - Sai số tuyệt đối: l1 l1 1 l l F g 1 a m m 1 a g mg 1 mg a1 đp đp a đp m 2 m 2 m 2 m 2 m 2 mg 1 a l1 mg 1 a 1 l (1.5) đp l đp l2 2 m 2 m 2 - Sai số tương đối: F m g đp l1 l 2 (1.5), cho thấy rõ mức sai lệch tạo lực gây ra do sai lệch của tham số hệ thống đối với LA-FSM lớn hơn QLA lần mức sai lệch của phần tạo lực DW-FSM.6), cho thấy rõ nguồn gốc phát sinh và mức độ đóng góp vào sai số chung của hệ thống từ các sai lệch của từng tham số.1 Các ảnh hưởng từ hệ tạo lực tải trọng + Ảnh hưởng từ khối lượng của tải trọng: Các tải trọng của LA-FSM đều được hiệu chuẩn, đảm bảo liên kết với chuẩn khối lượng quốc gia.
Sai lệch từ khối lượng của tải trọng bao gồm: - Độ lệch so với giá trị danh nghĩa, bởi vì không thể điều chỉnh khối lượng của các tải trọng theo đúng các giá trị khối lượng danh nghĩa. Với công nghệ chế tạo hiện nay, độ lệch tối đa là vào khoảng 3×10-6 [16], [38]. - Độ không đảm bảo đo, được xác định thông qua phép hiệu chuẩn các tải trọng. Tuỳ vào điều kiện của từng nước mà có các công bố khác nhau, nhưng tốt nhất hiện nay ở vào khoảng 2×10-6 [16], [38].
- Độ ổn định dài hạn của khối lượng trong nhiều năm, được lấy tương đương với 1×10-6/năm [16], [38]. Trong đó, độ lệch so với giá trị danh nghĩa và độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào khả năng công nghệ chế tạo và hiệu chuẩn được kiểm soát và đánh giá bằng phép kiểm định hoặc hiệu chuẩn. Còn độ ổn định theo thời gian được ước lượng qua thời gian sử dụng. Để thấy rõ mức độ ảnh hưởng của sai lệch của tham số này, ta có thể lấy ví dụ theo số liệu từ LA-FSM 1MN của Viện Đo lường Việt Nam (VMI) [71].
Khi đó, sai số tương đối đóng góp từ khối lượng của quả tải (tương ứng với lực 10 kN) với m = 1021,953121 kg, lượng hiệu chỉnh 2530 mg và sai lệch (lấy theo độ đảm bảo đo) Δm = 5110 mg, sẽ là: m 5110 5 10 6 (1.7) m m 1021953121 2530 + Ảnh hưởng từ gia tốc trọng trường địa phương: Sai lệch của gia tốc trọng trường gắn với sai số xác định gia tốc trọng trường tại vị trí đặt tải trọng theo vĩ độ, độ cao và khối lượng riêng của không khí và sự biến thiên theo thời gian.