Ảnh hưởng của attenuator lên độ chính xác của phép đo

Nội dung text: Ảnh hưởng của attenuator lên độ chính xác của phép đo

1. ẢNH HƯỞNG CỦA ATTENUATOR LÊN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHÉP ĐO I. TÓM TẮT Trong thực tế đo lường cao áp người ta không thể đo trực tiếp mà phải dùng bộ phân áp. Kết quả đo trung thực, chính xác luôn là mong muốn khi thực hiện các phép đo. Sự méo dạng của tín hiệu ra được ghi lại trên thiết bị đo vì những lý do như cấp chính xác của thiết bị đo, thao tác đo, môi trường đo và các kết nối trung gian Attenuator là thiết bị được sử dụng để ghép nối giữa bộ biến đổi đo với thiết bị đo và nó làm cho tín hiệu bị suy giảm đồng thời gây ra méo dạng tín hiệu. Mức độ suy giảm biên độ và méo dạng sóng phụ thuộc vào tần số tín hiệu, thông số, cấu trúc bộ attenuator. Sự suy giảm biên độ và méo dạng tín hiệu được cải thiện bằng các thử nghiệm mô phỏng trên Matlab và khảo sát phương trình hàm truyền đa biến với các thông số tham gia có xét đến các phần tử ký sinh, với hàm mục tiêu minimize của sai lệch. Nhằm tạo ra sự hòa hợp khi ghép nối bộ phân áp cao áp với thiết bị đo. II. NỘI DUNG 1. TÍN HIỆU PHỔ BỘ BIẾN ĐỔI CAO ÁP Với các giá trị R = 500 40000; C = 50*10-12F  600*10-12F; -12 -12 -12 -12 C1=75*10 F 450*10 F; C2 =1*10 F  12*10 F; n = 10000 Trong đó: R: giá trị điện trở của bộ phân áp; C: điện dung ký sinh dọc bộ phân áp C1: điện dung ký sinh của bộ phân áp với đất C2: điện dung ký sinh của bộ phân áp với cực cao áp n: số phần chia đều trên bộ phân áp Phổ biên độ - tần số Dac tinh bien do-tan so khi thay doi R xet den C, C1, C2 Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C xetden C, C1, C2 1 1 0.9 0.95 0.8 1 0.7 0.9 2 6 0.6 3 0.85 ) )  0.5 4  H(j 5 H(j 0.8 0.4 6 0.3 0.75 1 0.2 0.7 0.1 0 0 2 4 6 8 0.65 10 10 10 10 10 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình1. Đặc tính biên độ - tần số, R thay đổi Hình2. Đặc tính biên độ - tần số, C thay đổi 1
2. Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C1 xetden C, C1, C2 Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C2 xetden C, C1, C2 1 1 1 0.99 0.95 0.98 ) )   0.97 H(j H(j 0.9 0.96 1 6 6 0.95 0.85 0.94 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 3. Đặc tính biên độ - tần số, C1 thay đổi Hình 4. Đặc tính biên độ - tần số, C2 thay đổi Phổ pha – tần số Dac tinh pha-tan so khi thay doi R xetden C, C1, C2 0 Dac tinh pha-tan so khi thay doi C xetden C, C1, C2 0 -0.02 -0.005 6 6 -0.04 1 1 -0.01 -0.06 -0.08 -0.015 -0.1 Pha(Radian) -0.12 Pha(Radian) -0.02 -0.14 -0.16 -0.025 -0.18 -0.03 -0.2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 5. Đặc tính pha - tần số, thay đổi R Hình 6. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C Dac tinh pha-tan so khi thay doi C1 xetden C, C1, C2 Dac tinh pha-tan so khi thay doi C2 xetden C, C1, C2 0 0 1 -0.01 -0.005 -0.02 -0.01 -0.03 -0.04 -0.015 6 1 Pha(Radian) Pha(Radian) -0.05 -0.02 -0.06 -0.025 -0.07 6 -0.08 -0.03 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 7. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C1 Hình 8. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C2 2
3. 2. ATTENUATOR VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ LÊN TÍN HIỆU PHỔ Lượng Lượng Chuyển đổi Attenuator Mạch đo Chỉ thị vào đo lư ờng ra Hình 9. sơ đồ khối mạch hệ thống đo Attenuator cơ sở Attenuator hình  và hình T thường được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ cao, và nó được thể hiện trong hình 10 và hình 11 tương ứng. Do hai attenuator điện trở đơn giản nên được sử dụng rộng rãi. Hình 10. Attenuator hình  Hình 11. Attenuator hình T Hình 12. Attenuator hình ┐ Hình 13. Attenuator hình Г r ATTENUATOR ĐIỆN TRỞ ra ra a 1 2 n Sơ đồ mạch điện Attenuator điện trở m ra được trình bày ở hình 14 và hàm truyền U1 U 2 của nó được xác định theo (1) 2 ra U2 m.ra m W(j) k 1 (1) 1 ra U1 n.ra m.ra n m - ra là các điện trở phần tử của attenuator - m và n là số phần tử trong nhánh và là Hình 14: Mạch nguyên lý Attenuator điện trở các số nguyên dương, W(j) không phụ Ca Ca Ca thuộc vào f → k = const (2) 1 2 n m Ca ATTENUATOR ĐIỆN DUNG U1 U2 Sơ đồ mạch điện Attenuator điện dung được 2 Ca 1 trình bày ở hình 15 và hàm truyền của nó Ca được xác định theo (3) Hình 15. Attenuator điện dung 3
4. 1 U 2 1 1 1 m W(j) m. n. m. k 1 (3) U1 Ca .p Ca .p C a .p n m - Ca là các điện dung phần tử của attenuator; - p là toán tử Laplace (p = j) - m và n là số phần tử trong nhánh và là các số nguyên dương. W(j) không phụ thuộc vào f → k = const (4) nhưng trong thực tế thì không có attenuator thuần trở, cũng không có attenuator thuần trở ATTENUATOR DUNG – TRỞ Sơ đồ mạch điện Attenuator dung - trở được trình ở hình 16 - Ra1; Ra2; Ca1; Ca2 là các điện trở, điện dung phần tử của attenuator Hàm truyền của bộ attenuator: U Z W(j) 2 a 2 (5) Hình 16: Attenuator dung- trở U1 Za1 Za 2 X jY Y W(j) a a arctg a ; (6) a (7) Va Xa trong đó Xa = PaMa + QaNa (8) Ya = QaMa - PaNa (9) 2 2 2 2 Va = Ma Na (10) Pa = R a 2 R a1R a 2Ca1Ca 2 (11) 2 Qa = R a 2 (R a1Ca1 R a 2Ca 2 ) (12) Ma = (Ra1 Ra2) Ra2Ca2Ra1Ra2(Ca2 Ca1) (13) Na = [R a 2Ca 2 (R a1 R a 2 ) R a1R a 2 (Ca 2 Ca1 )] (14) * Hàm truyền của hệ G(j) = H(j) W(j) G(j) = H(j) W(j) (15) Góc pha của hệ  a (16) Phổ biên độ - tần số Dac tinh bien do-tan so khi thay doi R xet den C, C1, C2 co them Attenuator Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C Co them Attenuator 0.7 0.7 0.6 0.65 0.6 0.5 1 2 0.55 6 0.4 3 ) )  4  0.5 G(j 5 G(j 0.3 6 0.45 0.2 0.4 1 0.1 0.35 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 17. Đặc tính biên độ - tần số Hình 18. Đặc tính biên độ - tần số R thay đổi khi có thêm Attenuator R thay đổi khi có thêm Attenuator 4
5. - Khi có thêm Attenuator đáp ứng giảm xuống, đồng thời giá trị R nhỏ bị méo dạng. - Khi có thêm Attenuator biên độ giảm xuống, đồng thời bị méo dạng. - Vùng méo dạng nhiều khi f = (101.5 – 107.5) Hz - Khi f > 107.5Hz: Đáp ứng lập trạng thái ổn định mới. Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C1 xetden C, C1, C2 Dac tinh bien do-tan so khi thay doi C2 xetden C,C1,C2 co Attenuator 0.75 0.7 0.7 0.65 0.65 0.6 0.6 ) )   G(j G(j 0.55 0.55 1 1 0.5 6 0.5 0.45 0.4 0.45 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 10 10 6 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 19 . Đặc tính biên độ - tần số, Hình 20. Đặc tính biên độ - tần số, C1 thay đổi khi có thêm Attenuator C1 thay đổi khi có thêm Attenuator - Khi C1 thay đổi và có thêm Attenuator biên độ giảm xuống - Vùng thay đổi nhanh khi f = (102.5 – 105.8) Hz, - Khi f > 105.8 Hz: Đáp ứng lập trạng thái ổn định mới. - Khi C2 thay đổi và có thêm Attenuator biên độ giảm xuống, đồng thời đường đặc tính méo dạng, vùng méo dạng khi f = (101.7 – 105.8) Hz - Khi f > 105.8 Hz: Đáp ứng lập trạng thái ổn định mới. Phổ pha - tần số Dac tinh pha-tan so khi thay doi R co them Attenuator Dac tinh pha-tan so khi thay doi C co them Attenuator 0 0 6 -0.02 -0.02 1 6 -0.04 -0.04 1 -0.06 -0.06 -0.08 -0.08 -0.1 -0.12 Pha(Radian) Pha(Radian) -0.1 -0.14 -0.12 -0.16 -0.14 -0.18 -0.16 -0.2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 21. Đặc tính pha - tần số, thay đổi R Hình 22. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C khi có thêm bộ Attenuator khi có thêm bộ Attenuator - Khi R càng tăng thì dải đáp ứng càng giảm sự ảnh hưởng của bộ Attenuator - Khi có thêm bộ Attenuator góc lệch pha tăng lên về độ lớn (- 0.027→ - 0.16) - Với R=(0,5  40)K thì đáp ứng méo dạng phức tạp nhất với R=0,5K 5
6. - Khi C càng tăng thì dải đáp ứng càng giảm sự ảnh hưởng của bộ Attenuator - Khi có thêm bộ Attenuator dải tần số bị ảnh hưởng tạo ra góc lệch pha tăng lên (102-108)→ (100-108). - Với R=(0,5  40)K thì đáp ứng méo dạng phức tạp nhất với R = 0,5K Dac tinh pha-tan so khi thay doi C1 co them Attenuator 0 Dac tinh pha-tan so khi thay doi C2 co them Attenuator 0 -0.02 -0.02 1 1 -0.04 -0.04 6 -0.06 -0.06 6 -0.08 -0.08 Pha(Radian) -0.1 Pha(Radian) -0.1 -0.12 -0.12 -0.14 -0.14 -0.16 -0.16 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 23. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C 1 Hình 24. Đặc tính pha - tần số, thay đổi C2 khi có thêm bộ Attenuator khi có thêm bộ Attenuator - Khi C1,C2 thay đổi và có thêm bộ Attenuator giá trị góc dịch pha giảm 0 7 - C1 tăng nhỏ tín hiệu méo dạng càng giảm. Trong dải f =10  10 góc dịch có trị số 3 lớn nhất tại f =10 . Khi C2 thay đổi và có thêm bộ Attenuator hầu hết các đường đặc tính ta đang xét đều bị méo dạng, Góc dịch pha tăng khi có thêm bộ Attenuator 3% →15%. - Bằng các thử nghiệm mô phỏng trên Matlab và khảo sát phương trình hàm truyền đa biến với các thông số tham gia có xét đến các phần tử ký sinh, với hàm mục tiêu minimize của sai lệch. Phổ tín hiệu biến thiên nhiều nhất và phức tạp tại lân cận f = 104Hz * Phổ biên độ - tần số khi Ra1Ca1<< Ra2Ca2 Dac tinh bien do-tan so 1 0.9 0.8 G H 0.7 Ss Ghi chú ) 0.6  n = 10000; R = 20000 0.5 -12 ),G(j  C = 450*10 0.4 -12 -12 H(j C1 = 300*10 ; C2 = 2*10 0.3 Ra1 = 1; Ra2 = 200 0.2 -12 Ca1 = 1*10 0.1 -12 Ca2 = 1*10 0 0 2 4 6 8 10 10 10 10 10 f(Hz) Hình 25. Đặc tính biên độ - tần số khi Ra1 Ca1 << Ra2Ca2 Bảng 1. Các tham số phổ đặc tính H: Trước attenuator; G: Sau attenuator biên độ - tần số khi Ra1 Ca1 << Ra2Ca2 Ss: Sai số phần trăm giữa H và G 6
7. Với các giá trị trên cho ta thấy phổ biên độ - tần số giảm mạnh với f=(103105,2)Hz. 5,2 Khi f >10 Hz thì đường đặc tính xác lập giá trị ổn định mới. Với Ra1 << Ra2 hoặc Ra1Ca1 << Ra2Ca2 thì ảnh hưởng của Attenuator là không đáng kể, tức là phổ biên độ - tần trước và sau Attenuator sai số không quá 0,5%. * Phổ pha - tần số, với Ca1, Ca2 có giá trị pF Dac tinh pha-tan so Dac tinh Sai So 0 0 -0.01 -50 -100 -0.02 G -150 -0.03 -200 -0.04 -250 Pha(Radian) -0.05 -300 H Saiso phan tram -0.06 -350 -0.07 -400 -0.08 -450 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 6 7 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) f(Hz) Hình 26. Đặc tính pha - tần số trước và sau Hình 27. Đặc sai số phần trăm attenuator với các giá trị tham số n = 10000; pha - tần số trước và sau attenuator Với giá trị của Ca1, Ca2- 12càng nhỏ thì-12 ảnh hưởng-12 của Attenuator càng giảm. khi giá trị R = 20000;C = 450*10 ; C1 = 300*10 ; C2 = 2*10 -12 -12 của C a1 R, a1C = a250; ở R ma2 =ức 50; v Càia1 =pF 2*10 thì đư; Ca2ờng = 2*10 tính trước và sau Attenuator sai số là không đáng kể với f < 1.000.000 Hz III. KẾT LUẬN Trong bài báo này đã trình bày tín hiệu phổ trước và sau attenuator. Phân tích ảnh hưởng của nó đến phổ tín hiệu đo và các thông số mang tính chất tối ưu cũng đã được tìm ra bằng mô phỏng matlab và khảo sát phương trình hàm truyền đa biến. - Các Attenuator thuần trở hoặc thuần dung chỉ làm giảm biên độ mà không làm méo dạng tín hiệu được thể hiện ở công thức (2) và (4). Vì thế giá trị thực của tín hiệu là giá trị đo được nhân với hệ số của attenuator. - Với những trường hợp đã xét thì hầu như các phổ biến thiên nhiều trong vùng tần số từ 10 đến 107 Hz, ngoài dải tần số này tín hiệu phổ thay đổi nhỏ hoặc không đáng kể. - Khi có thêm bộ Attenuator dung - trở tham gia vào mạch làm biên độ giảm và gây 4 ra méo dạng tín hiệu. đa phần tín hiệu bị méo dạng mạnh ở lân cận giá trị f = 10 . - Khi thay đổi các thông số Ra1, Ra2, Ca1, Ca2 của bộ Attenuator ta nhận thấy + Tín hiệu phổ biên độ - tần số trước và sau attenuator càng dần trùng nhau khi Ra1 << Ra2, Ca1 << Ca2 hoặc Ra1Ca1 << Ra2Ca2. + Tín hiệu phổ pha - tần số trước và sau attenuator càng dần trùng nhau khi Ca1, Ca2 rất nhỏ (pF) hoặc rất lớn (F). 7
8. IV . TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ho Van Nhat Chuong. Calculating effective frequency spectrum of measuring equipments for non-preodic standard voltage impulses with high accuracy. Oct.21 – Oct.23, 2009, IFOST 2009, Ho Chi Minh City University of Technology. [2] IEC 60-1, 60-2. High voltage test techniques, Measuring system. [3] Build Your Own Custom Attenuators (Broadband And Precision). 1234 Francisco Street, Torrance, CA 90502/Tel: 310-515-5330 Fax: 310-515-0068 [4] HVD- High Voltage Divider – AttenuatorAppNote [5] V.0. Brjezitskii, V. V. Kopshin, V. N. Kikalo, G. V. Gerasimenko, Ho Van Nhat Chuong, "Frequency characteristics method development", 11th International Symposium on High Voltage Engineering, pp. 168-171, 1999. [5] J. F. James, A Student’s Guide to Fourier Transforms with Applications in Physics and Engineering - Third Edition, Cambridge University Press, 2011. [6] Attenuator Design Reference Manuals – Attenuator basics [7] IEC 60990:1999, Methods of measurement of touch current and protective conductor current, International Electrotechnical Commission, 1999. [8] Attenuator Design Reference Manuals, attenuator_basics, attenuatorAppNote [9] IEC 60601-1:2008, Medical electrical equipment - Part 1 - General requirements for basic safety and essential performance, 2008. [10] Alan S. Morris, Measurement & Instrumentation Principles, Butterworth-Heinemann, Great Britain, 2001. Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện PGS-TS. Hồ Văn Nhật Chương Phạm Đức Phát 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.