Xem mẫu
- khoa họckhoa
- công nghệ và đổi mới sáng tạo
học - công nghệ và đổi mới sáng tạo
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia
lĩnh vực góc phẳng tại Việt Nam
Bùi Quốc Thụ, Tống Công Dũng, Trần Nam Anh, Vũ Khánh Phan
Viện Đo lường Việt Nam
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc để đảm
bảo tính chính xác của phép đo góc cho cả nước là một nội dung
quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống đo lường quốc
gia. Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh
vực góc nhằm mục đích đảm bảo độ chính xác của các chuẩn
và phương tiện đo góc dùng trong tất cả các ngành kinh tế, kỹ
thuật của quốc gia là một nhiệm vụ cần thiết của ngành đo lường,
nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hàng hóa, đồng thời phục
vụ tốt nhiệm vụ đảm bảo đo lường cho các cơ sở trong cả nước
đối với lĩnh vực đo này.
Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực ra làm hai loại chính, phổ quát tất cả các chủng loại
góc chuẩn và phương tiện đo góc trong thực tế, đó là:
Góc là đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo + Chuẩn góc lớn, phạm vi góc đến 360o hoặc lớn
lường quốc tế SI và đã được quy định theo Luật Đo hơn 360o (chuẩn góc toàn vòng).
lường về đơn vị đo lường hợp pháp tại Việt Nam. + Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1o (chuẩn
Trong toán học và thực tế, số đo góc của một vòng góc nhỏ).
tròn gọi là góc đầy (Full Angle) cũng được coi là
chuẩn tự nhiên của góc phẳng (Natural Etalon) Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
có giá trị là 2π (360o) và sai số bằng không, do thường là chuẩn đầu, tức là chuẩn có độ chính xác
đó việc sử dụng vòng tròn khép kín làm cơ sở để cao mà giá trị của nó không dựa vào các chuẩn
thiết kế chuẩn, thiết bị đo góc có độ chính xác cao khác cùng đại lượng. Do đó, các chuẩn này phải
được liên kết đến định nghĩa đơn vị góc (Radian)
cũng được nhiều Viện đo lường quốc gia (National
trong hệ đơn vị quốc tế SI hoặc chuẩn tự nhiên của
Metrology Institutes - NMIs) của các nước trên thế
lĩnh vực góc là vòng tròn khép kín có giá trị độ lớn
giới và khu vực nghiên cứu, triển khai.
là 2π và không có sai số. Xây dựng hệ thống chuẩn
Các chuẩn góc có nhiều loại khác nhau, mẫu đo lường quốc gia lĩnh vực góc đồng thời cũng phải
chuẩn riêng biệt như căn mẫu góc, hoặc có thể là nghiên cứu phương pháp đánh giá, duy trì, liên kết
một phần của vòng tròn như đa diện góc (gọi là chuẩn.
chuẩn góc rời rạc); chuẩn góc dạng bàn quay phân
độ, đầu chia độ (gọi là loại chuẩn góc toàn vòng liên Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
tục). Nhiều loại chuẩn khác nhau nên việc dẫn xuất tại Việt Nam
đến các chuẩn yêu cầu hệ thống chuẩn phải đảm Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
bảo có đủ chuẩn phạm vi nhỏ và chuẩn toàn vòng. phải thực hiện được việc duy trì và dẫn xuất chuẩn
Hiện nay người ta chia các chuẩn góc thông dụng đo lường góc, từ các chuẩn thuộc hệ thống chuẩn đo
31
Số 4 năm 2020
- Khoa học - Công nghệ và đổi mới sáng tạo
Bộ tạo góc nhỏ
Hình 1. Hình 1.tạo
Sơ đồ bộ Sơgóc
đồnhỏ
bộđược
tạo xây
gócdựng.
nhỏ được xây dựng. Bộ tạo góc nhỏ
lường quốc gia, đơn vị góc được sao truyền xuống phản xạ (corner cube) H1 và H2 được gắn chặt vào
chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn cánh tay đòn, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với
đáp ứng nhu cầu của cơ sở. Nghiên cứu, xây dựng nhau tại bộ thu nhận tín hiệu đặt trong giao thoa
chuẩn đo Bộ chuẩn
lường quốcđầu gócvựcphẳng
gia lĩnh góc phảinhỏ
đảm sửbảodụngkếgiao
laser.thoa
Giao kế
thoalaser được
kế laser xácViện Đo lường
định được sự biến
Việt Nam
việc liên kết nghiên
chuẩn, đánh cứugiá thiết
đượckế độchế
chínhtạoxácđược
thiênthể
góchiện
thôngtrên
qua sựhình
thay1đổi cóquang
đặc lộtrưng
K1 và kỹ
K2,
của chuẩn, đảm bảo độ ổn định của chuẩn. Nghiên khi xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sự dịch chuyển
thuật:
cứu tìm hiểu về đo lường góc kết hợp với quy hoạch gương H1 và H2. Quang lộ K2 thay đổi một lượng
phát triển chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến bằng 1/2Lsinθ tương tự quang lộ K1 cũng thay đổi
- Phạm vi đo: ±30′
2020, Viện Đo lường Việt Nam đề xuất xây dựng hệ một lượng bằng 1/2Lsinθ. Giá trị sinθ sẽ tỷ lệ với
thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt lượng biến thiên quang lộ K1 -K2.
- Độ không đảm bảo đo: U=0,08″
Nam bao gồm:
Bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ sử dụng giao thoa
Chuẩn
+ Chuẩn góc nhỏgóccótoànphạmvòngvi đo ±30′, độ không kế laser được Viện Đo lường Việt Nam nghiên cứu
đảm bảo đo U=0,08″; thiết kế chế tạo được thể hiện trên hình 1 có đặc
Chuẩn góc toàn vòng được xây dựng dựa
trưng trên cở sở liên kết chặt chẽ giữa
kỹ thuật:
+ Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu
việc
gia sốsửcó dụng
độ phân nguyên
giải 0,1″,lýđộvòng
khôngtrònđảmkhép
bảo đokín (circle
- Phạmclosure)
vi đo: ±30′và phương thức chia độ
trên vòng tròn đó, bao gồm cả phương pháp xác
U=0,1″;
- Độđịnh
khôngđộ đảm chính
bảo đo:xácU=0,08″
của vạch chia.
+ Các chuẩn này phải được tích hợp thành hệ
thống đápChúng
ứng yêu tôicầuđãhiệu dựng chuẩn góc toànChuẩn
xâychuẩn; vòng góc dựatoàntrênvòng
cơ sở sử dụng đĩa chia
độ+dạng giacácsố phương
thiết kế theo kiểu thiết Chuẩn góc toàn vòng được xây dựng dựa trên
Xây dựng pháp sao truyền chuẩn.bị mã hóa đo góc quay (Rotary Encoder -
cơ sở liên kết chặt chẽ giữa việc sử dụng nguyên lý
RE) do đầu
Chuẩn hãng gócE-motionsystem,
phẳng nhỏ Inc của Nhật vòngBản nghiên
tròn khép cứu, closure)
kín (circle chế tạo. Hệ thống
và phương thức
thiết bị bao chia độ trên vòng tròn đó, bao gồm cả phương pháp
Để xây dựnggồmchuẩnđĩa gócchia độ kiểu
nhỏ, Viện giaViệt
Đo lường số 2 có 36.000 vạch chia được gắn với trục
xác định độ chính xác của vạch chia.
Nam đã
quay được phê
quanh duyệt sử
ổ quay thựcdụng
hiện đề tài khoa
đệm học Bearing) 5 thông qua cơ cấu dẫn động 6
khí (Air
cấp bộ “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu Chúng tôi đã xây dựng chuẩn góc toàn vòng dựa
là
góchệ chuyển
phẳng nhỏ”. động
Kết quảcơ củađiện
đề tàitửđãchính
chế tạoxác.
bộ Hệtrênthống
cơ sở đầu đọcđĩa
sử dụng 3 bao
chia độgồmdạng12giađầusố đọc
thiết
được bố trí xung quanh vành chia độ, thông qua hệ thống điện tử nội suy và xử lý
chuẩn góc phẳng nhỏ sử dụng giao thoa kế laser có kế theo kiểu thiết bị mã hóa đo góc quay (Rotary
sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1. Chùm tia Encoder - RE) do hãng E-motionsystem, Inc của
tín
laserhiệu
phát đo,
ra từvị trí góc
nguồn laserquay
ổn địnhcủatầnbàn
số (1)quay
qua 4 Nhật
gắn Bản
chặtnghiên
với trục quay
cứu, chế tạo.sẽ
Hệđược
thống xác định
thiết bị bao
chính xác (hình 2).
bộ tách tia (2) tách làm hai chùm tia có tần số là f1
gồm đĩa chia độ kiểu gia số 2 có 36.000 vạch chia
và f2. Tia f1 đi vào gương H1 (3), tia f2 đi vào gương được gắn với trục quay quanh ổ quay sử dụng đệm
H2 (4) thông qua gương góc 450 (5). Hai gương góc khí (Air Bearing) 5 thông qua cơ cấu dẫn động 6 là
32
Số 4 năm 2020
- khoa học - công nghệ và đổi mới sáng tạo
Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng được công nhận tại
Viện Đo lường Việt Nam có đặc trưng kỹ thuật sau:
hệ chuyển động cơ điện tử chính xác. Hệ thống đầu Chuẩn quốc gia góc phẳng nhỏ -
đọc 3 bao gồm 12 đầu đọc được bố trí xung quanh 1
V01.02.19.01
(Chuẩn góc nhỏ - Small Angle
vành chia độ, thông qua hệ thống điện tử nội suy Interferometer)
và xử lý tín hiệu đo, vị trí góc quay của bàn quay 4 1.1 Phạm vi đo ±30′
gắn chặt với trục quay sẽ được xác định chính xác 1.2 Độ phân giải
Độ không đảm
0,01′′
(hình 2). 1.3
bảo đo
U=0,08′′
Chuẩn quốc gia góc phẳng toàn vòng
- V01.02.19.02
2
(Chuẩn góc toàn vòng - Self Calibration
Measuring System)
±360°
2.1 Phạm vi đo Quay hai chi ều
thuận, nghịch
2.2 Độ phân giải 0,035′′
Độ không đảm
2.3 U=0,1′′
bảo đo
Hình
Hình 2. SơHình 2.
2. Sơ
Sơ đồ
đồ nguyên lý nguyên
đồ nguyên lýchuẩn
chuẩn lý chuẩn Chuẩn góc toàn vòng tại Viện
góc toàn góc
góctoàn
toàn vòng. Chuẩn gócChuẩn
toàn vòng
góc toàn
tại Viện
vòng Đo
tại Viện Đo
vòng. vòng. Đo lường Việt Nam.
lường Việt lường
Nam. Việt Nam. Ngày 13/2/2020, Bộ Khoa học và Công nghệ
đã ban hành QuyếtBộđịnh
Ngày 13/2/2020, Khoa họcsốvàlàCông258/QĐ-BKHCN
nghệ đã ban hành Quyết địnhphê số là
duyệt258/QĐ-BKHCN
chuẩn đochỉlường quốc
định cơ quan đượcgia, chỉđođịnh
giữ chuẩn tổgia
lường quốc chức
lĩnh vựcgiữ
góc
Một trong các biện pháp để đảm bảo đo lường là Phòng Đo lường độ dài (Viện Đo lường Việt Nam).
Một trong Một các2.trong
biện các
phápbiệnđể đảm phápbảo để đođảm lường
bảo đo đốilường
với cácđốichuẩn với các đo lường
chuẩn chuẩn quốc
làđo lường là gia lĩnh vực góc là Phòng Đo lường độ
đối Hìnhvới
HìnhSơ các
2. đồ đồchuẩn
Sơ nguyên lý chuẩn
nguyên đo lường là tiến hành hiệu chuẩn
lý chuẩn
tiến hànhtiến
hiệuhành
chuẩn hiệuđối chuẩn
với các
đối chuẩn
với các
đo chuẩn
lường
Chuẩn đó.
đo
Chuẩn lường
gócThông
toàn
góc đó.
thường
vòng
toàn Thông
vòngtại việc
Viện
tại thường
Đo
Viện hiệu
Đo dài
chuẩn
việc (Viện
hiệu chuẩnĐo lường Việt Nam).
đối gócvới
góc các
toàntoàn vòng.chuẩn đo lường đó. Thông thường việc
vòng.
lường ViệtViệt
lường Nam. Nam.
*
**
được thựcđược
hiện thực
bằng hiện
cách bằng
so sánh
cách vớiso
hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách so sánh vớichuẩn
sánh với
đo chuẩn
lường đo
có độ
lường chính có xác
độ chính
cao hơn
xácđể cao hơn để *
xác địnhxác
saichuẩn
số
định củasaicácđosốvạch
của
lường các
chia.cóvạch
Tuy độ chia.
nhiên Tuy
chính đối nhiên
với
xáccác đốichuẩn
cao vớihơn các
toàn đểchuẩn
vòng,
xáctoànđặc vòng,
biệt đặc biệt * lường
* lĩnh vực góc của Việt Nam tương đương
Hiện nay, trình độ chuẩn đo
chuẩn toàn
chuẩn
vòngtoàn
định sửsaidụng
vòngsố bộ
sử
củamã
dụng hóa
các bộgóc mãquay
vạch hóachia.
góc
có thể quay thực
Tuy cóhiệnthể thực
tự hiệu hiện chuẩntự hiệu
bằngchuẩn bằng
vớinhiên đối với với các chuẩn của các nước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực như Thái Lan,
là là Hiện
phân Hệ thống chuẩn đo lường quốcđo
nay, trình độ chuẩn lường lĩnh
được vực góc
MộtMột trong cáccác
trong biện pháp
biện để đảm
pháp để bảobảo
đảm đo đo
lường
lườngđốiđối cáccác
với chuẩn
chuẩn đo đolườnglường
cách sử cách
dụngcác sử
nguyêndụng lýnguyên
chuẩn vòng tròn
toàn lý vòng
vòng, khépđặctròn
kínbiệt
khép
bằngchuẩnkín
phương bằng pháp
toàn phương trungpháp
vòng bìnhtrung
sử phân bình Malaysia... gia lĩnh vực góc xây dựng theo
tiến hành
tiến hiệuhiệu
hành chuẩn đốiđối
chuẩn với cáccác
với chuẩn đo lường
chuẩn đo lường đó. đó.
ThôngThông thường
thường việc hiệuhiệu
việc chuẩncủa Việt
chuẩn Nam
dạng chuẩn đầu, tương
liên kết đương
trực tiếp đến với
chuẩn các
đầu lĩnh chuẩn
vực độ dài của
và chuẩn các
góc tự
đoạn bằngđoạn
nhau
dụngbằng(The bộnhau
Equal
mã (TheDivisionAverage
hóa Equal DivisionAverage
- EDA). - EDA).
đượcđượcthựcthực
hiệnhiện
bằngbằng sogóc
cáchcách sánh
so sánhquay
vớivới
chuẩn có
chuẩnđo thể
lường
đo thực
lườngcó độcó độ hiện
chính xáctự
chính caohiệu
xác hơnhơn
cao để đểnước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực như Thái
chuẩn
ChuẩnxácgócChuẩn
định
xác saibằng
toàn
định góc
vòng
số
sai của cách
số toàn
tạicác
các
của Viện
vòng
vạch sử Đo
chia.
vạch dụng
tại lường
Viện
Tuy
chia. nguyên
nhiên
Tuy Đo
Việt
đốilường
nhiên Nam
với
đối lýViệt
các
với vòng
có
chuẩn
các khảNam
chuẩn tròn
toànnăngvòng,
toàn khép
cóvòng,
tự
khả hiệu
đặc năng
đặc chuẩn
biệtbiệttự hiệu
Lan, chuẩn
Malaysia... Hệ thống chuẩn 5 đo lường quốc gia
thang đothang
góckín
chuẩncủa
đo
chuẩnbằng
toànchính
gócvòng
toàn phương
củahệ chính
thống
sử dụng
vòng sử bộ pháp
dụng hệ
và
mã mã
bộ thống
đưahóa
hóa trung
ragóc
góc và
đường
quay đưabình ra
cong
có thể
quay có phân
đường
thực
thể hiệu
hiệnhiện
thực đoạn
cong
tựchuẩn
hiệu hiệu
tự hiệu bằng
(hình
chuẩn chuẩn
chuẩn 3).
bằngbằngNhờ
(hình 3). Nhờ
lĩnh vực góc được xây dựng theo dạng chuẩn đầu,
đó hệ thống nhau
đócách
hệ
cócách
thống
khảsử
sử (The
năng
dụng dụng Equal
cónguyên
khả
đo góc
năng
nguyênlý vòngDivisionAverage
lývớiđođộ
vòng góc
tròn không
với
khép
tròn khép độ
đảm
kín không
bằng
kín bảo -đo
phương
bằng EDA).
đảm lên
phương bảo
phápđến
pháp đo0,1ʺ.
trung lên
trung đến
bìnhbình
phân 0,1ʺ.
phânliên kết trực tiếp đến chuẩn đầu lĩnh vực độ dài và
đoạnđoạnbằng nhau
bằng (The
nhau Equal
(The EqualDivisionAverage
DivisionAverage - EDA).
- EDA).
Chuẩn góc toàn vòng tại Viện Đo lường Việt Nam chuẩn góc tự nhiên, điều này giúp cho chúng ta
có Chuẩn
khả Chuẩnnăng
góc góc tự
toàntoàn
vòng hiệu
vòng tại chuẩn
tại Viện Đo Đo
Viện lường thang
lườngViệtViệt
Nam đo
Namcógóc
khả
có khả của
năng năng chính
tự hiệu
tự hiệu chuẩnhoàn toàn làm chủ được kỹ thuật trong lĩnh vực đo
chuẩn
hệthang
thang thống
đo đo
gócgóc và
của đưa
chính
của hệra
chính hệ đường
thống và đưa
thống cong
ra đường
và đưa hiệu
ra đường cong chuẩn
hiệuhiệu
cong chuẩn (hình
chuẩn(hình (hình NhờNhờlường góc phẳng, không cần thiết phải hiệu chuẩn
3).3).
3).
đó
Nhờhệ
đó thống
hệđó cóhệ
thống khả năng
có thống
khả đo góc
năng cógóc
đo với
khả độ không
với năng
độ khôngđảmđo bảogóc
đảm đo lên
bảo đovới đếnđến
lên 0,1ʺ.0,1ʺ.
độ không tại nước ngoài.
đảm bảo đo lên đến 0,1ʺ.
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh
vực góc phẳng tạo điều kiện cho việc tham gia thoả
thuận toàn cầu (MRA) về đo lường lĩnh vực góc xin
công nhận năng lực hiệu chuẩn (CMCs) các phép
hiệu chuẩn góc ?
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 3A.Hình
Đường3A. cong
Đường hiệucong
chuẩnhiệucủachuẩnHình
của 3B. ĐộHình
ổn 3B.
địnhĐộcủa
ổnchuẩn
định của toàn [1]góc
góc chuẩn Bùitoàn
Quốc Thụ (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ
chuẩn gócchuẩn
toàn vòng
góc toàn
tại Viện
vòngĐotạilường
Viện Việt
Đo lườngvòng
Việttại Viện
vòng
Đotại
lường
ViệnViệt
Đo lường chuẩn đầu góc phẳng nhỏ, Báo cáo tổng hợp đề tài.
Nam. Việt Nam.
Nam. Nam.
[2] Từ vựng quốc tế về Đo lường học - Khái niệm, thuật
ngữ chung và cơ bản, TCVN 6165 : 2009.
Hình 3A.3A.
Hình Đường
Đường congcong
hiệuhiệu
chuẩn củacủa Hình 3B. Độ ổn định của chuẩn góc toàn
chuẩn
Hình 3A. Đường cong hiệu Hình 3B.Độ
Độ ổnổn định
địnhcủacủa
chuẩn góc toàn
chuẩn góc góc
chuẩn toàntoàn
vòngvòng
tại Viện Đo lường
tại Viện ViệtViệt Hình
Đo lường vòng
3B.
tại Viện Đo lường Việt Nam.
chuẩn [3] W. Tyler Estler (1998), “Uncertainty Analysis for Angle
chuẩn
Nam. của chuẩn góc toàn vòng vòng tại Viện Đo lường Việt Nam.
góc toàn vòng tại Viện Đo lường Calibrations Using Circle Closure”, Journal of Reseache of
Nam. 4 4
tại Viện Đo lường Việt Nam. Việt Nam. the National Institute of Standards and Technology, 103(2).
[4] Tsukasa Watanabe, Hiroyuki Fujimoto, Tadashi
Hệ thống chuẩn đo lường Masuda (2005), “Self - Calibratable Rotary Encoder”,
4 4 quốc gia lĩnh vực góc Journal of Physics, 13, pp.240-245.
phẳng được công nhận tại Viện Đo lường Việt Nam
có đặc trưng kỹ thuật sau:
33
Số 4 năm 2020
nguon tai.lieu . vn