Chuẩn lực: máy tải trọng chết, đòn bẩy, khuếch đại thủy lực, máy so sánh và gia tốc trọng trường

Bốn kiểu máy chuẩn lực: tải trọng chết, đòn bẩy, khuếch đại thủy lực, máy so sánh; cách tính lực từ quả cân, vì sao g tại Việt Nam lệch 0,25 % và chuỗi liên kết chuẩn lực.

Mọi load cell, cân điện tử, máy thử kéo nén hay cờ lê lực trong nhà máy đều phải được so với một thứ "biết chắc lực là bao nhiêu". Thứ đó là máy chuẩn lực. Khác với chiều dài hay khối lượng, lực không có vật mẫu cất trong tủ: lực chuẩn phải được tạo ra bằng quả cân và trọng trường, hoặc khuếch đại từ đó. Bài này giới thiệu bốn kiểu máy chuẩn lực, cách tính lực từ quả cân, vì sao gia tốc trọng trường tại Việt Nam quan trọng, chuỗi liên kết chuẩn của phép đo lực và những lưu ý khi dùng máy chuẩn lực.

1. Lực được định nghĩa và tạo ra thế nào

Lực là đại lượng dẫn xuất trong hệ SI: 1 newton (N) là lực làm vật 1 kg có gia tốc 1 m/s². Vì vậy lực chuẩn được tạo từ ba thứ có liên kết chuẩn riêng: khối lượng của quả cân (liên kết tới kilôgam, từ 2019 định nghĩa qua hằng số Planck), gia tốc trọng trường g tại nơi đặt máy (đo bằng trọng lực kế), và chiều dài hoặc diện tích khi có khuếch đại cơ học.

Đơn vị cũ kilôgam lực (kgf) bằng đúng 9,80665 N, tính với g chuẩn quy ước. Đây là nguồn nhầm lẫn lớn, sẽ thấy ở mục 3.

2. Bốn kiểu máy chuẩn lực

• Máy tải trọng chết (deadweight): quả cân đã biết khối lượng treo trực tiếp lên lực kế. Đây là chuẩn lực chính xác nhất, độ không đảm bảo tương đối cỡ 2·10⁻⁵ ở các viện đo lường quốc gia. Nhược điểm là cồng kềnh: muốn tạo 1 MN cần khoảng 100 tấn quả cân, nên máy tải trọng chết lớn chỉ có ở rất ít nơi.
• Máy khuếch đại đòn bẩy: quả cân đặt ở cánh tay dài, lực kế ở cánh tay ngắn; lực được nhân lên theo tỉ số L₁/L₂. Ít quả cân hơn nhưng phải xác định chính xác tỉ số cánh tay, ma sát ở dao tựa và độ võng của đòn. Quy trình hiệu chuẩn máy chuẩn lực kiểu cánh tay đòn trong nước là ĐLVN 77:2001.
• Máy khuếch đại thủy lực: quả cân đặt trên píttông nhỏ, áp suất dầu truyền sang píttông lớn ép lên lực kế; lực nhân theo tỉ số diện tích A₂/A₁. Tạo được lực vài MN. Nguồn sai số chính là ma sát píttông, nhiệt độ dầu và biến dạng xi lanh.
• Máy so sánh: lực kế chuẩn (đã hiệu chuẩn trên máy tải trọng chết) mắc nối tiếp với lực kế cần hiệu chuẩn; lực tạo bằng kích thủy lực hoặc vít me, giá trị lực đọc trên lực kế chuẩn. Gọn, nhanh, rẻ, nên phần lớn phòng hiệu chuẩn lực dùng kiểu này. Với lực rất lớn, ghép nhiều lực kế chuẩn song song (build-up).

3. Tính lực từ quả cân: trọng trường và lực đẩy không khí

Lực mà một quả cân tác dụng lên lực kế không phải m·g đơn thuần, vì không khí đẩy ngược lên quả cân:

F = m · g · (1 − ρ_kk / ρ_qc)

với ρ_kk là khối lượng riêng không khí (khoảng 1,2 kg/m³) và ρ_qc là khối lượng riêng vật liệu quả cân (khoảng 7950 kg/m³ với thép không gỉ). Lực đẩy không khí làm lực giảm khoảng 0,015 %, nhỏ nhưng không bỏ qua được với chuẩn cấp cao.

Điều lớn hơn nhiều là gia tốc trọng trường:

Việt Nam nằm gần xích đạo nên g nhỏ hơn g chuẩn 9,80665 m/s² khoảng 0,2–0,25 %. Một bộ quả cân 1000 kg ở TP.HCM chỉ tạo khoảng 9780 N, không phải 9807 N. Sai lệch 0,25 % lớn hơn cả sai số cho phép của lực kế cấp 0,5 hay cấp 1. Hậu quả thực tế:

• Dùng quả cân để kiểm tra load cell, cân treo, máy thử mà tính lực bằng g chuẩn sẽ cho sai số hệ thống khoảng 0,2–0,25 %.
• Cân điện tử hiệu chuẩn ở nơi khác (khác g) rồi chuyển đến nơi dùng sẽ chỉ sai theo tỉ lệ chênh lệch g, nên cân cấp chính xác cao phải hiệu chuẩn lại tại chỗ.
• Máy chuẩn lực tải trọng chết luôn dùng g đo bằng trọng lực kế ngay tại vị trí máy, vì công thức gần đúng còn sai lệch do địa hình và cấu trúc địa chất.

4. Chuỗi liên kết chuẩn của phép đo lực

Ở Việt Nam, chuẩn đo lường quốc gia về lực do Viện Đo lường Việt Nam (VMI) giữ. Từ đó, lực kế chuẩn của các phòng hiệu chuẩn được hiệu chuẩn theo ISO 376 (quy trình trong nước ĐLVN 56:1999, TCVN 10598:2014). Các lực kế chuẩn này lại dùng để hiệu chuẩn máy so sánh lực, kiểm định máy thử kéo nén (ISO 7500-1, ĐLVN 109:2002) và hiệu chuẩn load cell tại hiện trường.

ISO 376 đặt yêu cầu cho chính máy chuẩn lực dùng để hiệu chuẩn lực kế: độ không đảm bảo của lực tạo ra không quá 0,01 % khi hiệu chuẩn lực kế cấp 00, 0,02 % cho cấp 0,5, 0,05 % cho cấp 1 và 0,1 % cho cấp 2.

5. So sánh các kiểu máy

Với một phòng thí nghiệm hiệu chuẩn lực thông thường, máy so sánh dùng lực kế chuẩn cấp 00 hoặc 0,5 là lựa chọn kinh tế. Độ không đảm bảo của máy so sánh gồm: độ không đảm bảo của lực kế chuẩn (từ giấy chứng nhận), độ trôi của lực kế chuẩn giữa hai lần hiệu chuẩn, độ phân giải và ổn định của bộ chỉ thị, ảnh hưởng nhiệt độ, sai lệch do lệch tâm và gá lắp.

6. Những lưu ý khi dùng máy chuẩn lực

• Đúng tâm, đúng trục: lực lệch tâm hoặc nghiêng làm phát sinh mô men uốn, lực kế chỉ sai. Dùng đệm tì, khớp cầu, bộ gá đúng theo khuyến nghị của ISO 376 và của nhà sản xuất lực kế.
• Thời gian ổn định: sau mỗi cấp lực, chờ số chỉ ổn định (thường 30 giây trở lên) rồi mới đọc; với máy tải trọng chết, chờ quả cân hết dao động.
• Gia tải sơ bộ: gia tải tới lực lớn nhất ba lần trước khi đo để ổn định các mặt tiếp xúc, đúng như quy trình hiệu chuẩn lực kế.
• Nhiệt độ: giữ ổn định trong khoảng ±1 °C trong suốt phép đo, để lực kế cân bằng nhiệt với phòng ít nhất vài giờ trước khi hiệu chuẩn.
• Kéo và nén là hai phép hiệu chuẩn khác nhau: lực kế dùng cả hai chiều phải được hiệu chuẩn cả hai chiều.
• Không quá tải: quá tải dù ngắn có thể làm thay đổi đặc tính lực kế; mọi lần quá tải phải ghi lại và hiệu chuẩn lại.
• Quả cân cũng cần hiệu chuẩn: khối lượng quả cân thay đổi do mòn, bám bẩn, rỉ; giấy hiệu chuẩn khối lượng phải còn hiệu lực.

7. Những lỗi hay gặp

8. Xem thêm

• Cảm biến lực (load cell): cấu tạo, nguyên lý, cách chế tạo và tự đọc HX711 bằng ESP32.
• Cảm biến biến dạng (strain gauge): cấu tạo, nguyên lý, các loại, chế tạo và đo bằng ADS1115, ESP32.
• Các bài tiếp theo trong loạt: lực kế chuẩn theo ISO 376, kiểm định máy thử kéo nén theo ISO 7500-1, hiệu chuẩn load cell và bộ chỉ thị tại hiện trường.