Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

Học viện kỹ thuật quân sự

nguyễn hồng thái

tính toán, thiết kế vμ chế tạo

hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

Chuyên ngành : Cơ học kỹ thuật

Mã số : 62 52 02 01

Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2006

Học viện kỹ thuật quân sự – hμ nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TS Phan Nguyên Di

2 TS Nguyễn Văn Kiều

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự

Vào hồi: giờ, ngày tháng năm 200

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự Thư viện quốc gia

1 Nguyễn Hồng Thái ứng dụng chuẩn đầu đơn vị đo lưu lượng

nước trong kiểm định và hiệu chuẩn các lưu lượng kế – Tạp chí hoạt

động khoa học Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường 5/2002, trang

26-33

2 Nguyễn Hồng Thái Chuẩn đầu về lưu lượng ở Việt Nam – Hội

nghị Khoa học Kỹ thuật đo lường Việt Nam lần thứ ba 10/2001, trang

421-424

3 Nguyễn Hồng Thái, Phan Nguyên Di Đánh giá độ không đảm

bảo đo của Chuẩn đầu về lưu lượng nước ở Việt Nam – Tuyển tập báo

cáo Hội thảo toàn quốc lần thứ nhất về cơ điện tử 9/2002, trang

379-386

4 Nguyễn Hồng Thái Development of Critical Venturi Nozzles for

Primary Standards of Gas Flow – Proceeding sai số the International

syposium on dynamics and control isdc 9/2003, page 291-301

5 Nguyễn Hồng Thái Đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm

Tạp chí Khoa học và kỹ thuật số 102/2003 Học viện Kỹ thuật quân

sự, trang 12-16

6 Nguyễn Hồng Thái Cải tiến hoạt động của cơ cấu chuyển dòng

trong hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước – Tuyển tập Công trình

khoa học Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ bảy 12/2002, trang

436-443

7 Nguyễn Hồng Thái Nghiên cứu ảnh hưởng của lắp đặt lưu lượng

kế sau các khuỷu cong và giải pháp sử dụng ổn dòng- Hội nghị Khoa

học Kỹ thuật Đo lường Việt Nam lần thứ tư 11/2005, trang 464-469

mở đầu

Trước nhu cầu cấp bách của việc quản lý các lưu lượng kế đo

nước được nhập khẩu hoặc sản xuất trong nước, việc đảm bảo đo lường

trong khai thác, kinh doanh và sử dụng nước, quản lý môi trường, thuỷ

lợi và một số ngành kinh tế quan trọng khác, Trung tâm Đo lường đã

xây dựng dự án “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, đánh giá

hệ thống chuẩn đầu lưu lượng thể tích nước” Dự án đã được Tổng cục

Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng phê duyệt và tôi được phân công làm

chủ nhiệm dự án

Theo quyết định của Thủ tướng chính phủ số 14/2006/QĐ/TTg

ngày 17 tháng 01 năm 2006, hệ thống chuẩn đầu lưu lượng thể tích nước

đã được phê duyệt là chuẩn đo lường quốc gia

1 Tính cấp thiết của luận án

Tại các Viện Đo lường của các nước như Hoa kỳ, Nhật bản,

CHLB Đức đều phải có một hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước nhằm

đảm bảo việc sao truyền và liên kết chuẩn đạt được tính chính xác,

thống nhất, nhằm đáp ứng được những yêu cầu trong nghiên cứu khoa

học cũng như của đời sống Các nước có hệ thống chuẩn đầu chỉ công

bố kết quả đạt được và giữ bí mật về công nghệ chế tạo cũng như

phương pháp, kết quả đánh giá

Trong khi đó tại các nước trong khu vực ASEAN kể cả Việt

nam, do điều kiện kinh tế và trình độ khoa học kỹ thuật, cho đến nay

vẫn chưa có nước nào xây dựng được hệ thống chuẩn đầu lưu lượng

nước

Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn đầu lưu lượng

nước của Việt nam cũng như đo lưu lượng nước có tính cần thiết và mới

2 nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu quy luật thuỷ lực của hệ thống bao gồm nguồn,

đường ống, máng lật và bình chuẩn

Nghiên cứu ảnh hưởng của việc lắp đặt lên đường đặc tính sai số

của các lưu lượng kế chuẩn

Nghiên cứu qui luật sai số của từng thành phần phương pháp

đánh giá độ không đảm bảo đo của hệ thống

3 Phương pháp nghiên cứu

Về lý thuyết

Tính toán thuỷ lực cho một số thành phần quan trọng của hệ

thống như nguồn, bể tràn, thiết bị chuyển dòng và bình chuẩn

Lập mô hình toán học để xác định độ không đảm bảo đo của bình

chuẩn và hệ thống

Về thực nghiệm

Lập mô hình và tiến hành thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của việc lắp đặt đối với sai số của lưu lượng kế

Chế tạo và lắp đặt bình chuẩn, thiết bị chuyển dòng, hệ thống

đường ống, bể nguồn, bể ổn áp, hệ thống bơm

Thử nghiệm xác định độ không đảm bảo đo của bình chuẩn, thiết

bị chuyển dòng và cả hệ thống

3 kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu, luận án gồm 4 chương và phần kết luận bao gồm 137, 5 bảng, 59 hình vẽ và đồ thị cùng 5 phần phụ lục

Chương 1 - Tổng quan về đo lường lưu lượng và chuẩn đầu lưu lượng Chương 2 - Tính toán, thiết kế hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước Chương 3 - Nghiên cứu dòng chảy trong ống

Chương 4 - Đánh giá độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

CHƯƠNG 1 tổng quan về ĐO LƯờNG LƯU LƯợNG

Vμ CHUẩN ĐầU LƯU LƯợNG

1 phương pháp đo lưu lượng chất lỏng trong đường ống dẫn kín:

Đo lưu lượng chất lỏng Q trong đường ống dẫn kín nghĩa là phải xác

định lượng chất lỏng V chảy qua tiết diện của đường ống đó trong một

đơn vị thời gian t bằng các thiết bị đo lưu lượng:

Q = V/t

Thiết bị đo lưu lượng ( về sau gọi là lưu lượng kế): là thiết bị dùng để

chỉ thị lưu lượng được đo

Đoạn ống đo: là đoạn ống được sản xuất đặc biệt nhằm thoả mãn các

yêu cầu liên quan tới lưu lượng kế chuẩn và lưu lượng kế được kiểm

định

Hiệu chuẩn: Tập hợp các thao tác trong điều kiện qui định để thiết lập

mối liên quan giữa các giá trị được chỉ bởi phương tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật đọ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị

tương ứng thể hiện bằng chuẩn

2 Chuẩn Chuẩn đầu: là chuẩn được chỉ định hay được thừa nhận rộng rãi là có

chất lượng về mặt đo lường cao nhất và giá trị của nó được chấp nhận không dựa vào các đại lượng khác cùng đơn vị

Chuẩn thứ: là chuẩn mà các giá trị của nó được ấn định bằng cách so

sánh với chuẩn đầu của cùng đại lượng

Chuẩn công tác: là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc

kiểm tra vật đo, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn

Phương tiện đo: là phương tiện được sử dụng để thực hiện các phép đo

Sơ đồ liên kết chuẩn:

Mối liên kết giữa chuẩn đầu, chuẩn thứ và phương tiện đo ở mỗi

nước được thể hiện qua sơ đồ liên kết chuẩn Trong sơ đồ này chúng ta

thể hiện vị trí của chuẩn đầu là duy nhất và có độ không đảm bảo đo

nhỏ nhất, chuẩn này được sử dụng để hiệu chuẩn cho các chuẩn thứ có

độ không đảm bảo đo lớn hơn

Các chuẩn thứ có thể là chuẩn công tác hay so sánh và được đặt ở

các trung tâm khu vực, hay các ngành có liên quan Các chuẩn thứ được

sử dụng để kiểm định hay hiệu chuẩn cho các phương tiện đo được sử

dụng trong lưu thông, phân phối, mua bán hàng hoá và các mục đích

khác

Sơ đồ liên kết chuẩn lưu lượng nước tại Việt Nam

Việc xây dựng sơ đồ liên kết chuẩn lưu lượng nước có ý nghĩa rất

quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân do phải song song giải quyết

hai bài toán là hiệu quả đầu tư của ngân sách Nhà nước và đáp ứng được

nhiệm vụ quản lý Nhà nước đối với phương tiện đo

Dựa vào các số liệu thống kê đã thu thập từ các báo cáo của ngành

kinh doanh nước sạch, cho tới năm 2010 số đồng hồ nước được lắp đặt ở

nước ta sẽ vào khoảng trên 2 triệu chiếc, trong đó số đồng hồ có đường

kính dưới 200mm chiếm đến 99% và một số lưu lượng, lưu tốc nước đã

và đang được sử dụng tại các phòng thí nghiệm, thuỷ văn, thuỷ lợi v.v

Chuẩn thứ Chuẩn đầu

Phương tiện đo

Để có thể kiểm định các đồng hồ nước trên, chúng ta đã và đang xây dựng các hệ thống kiểm định tại các công ty kinh doanh nước, các cơ sở chế tạo, lắp ráp đồng hồ nước và đặc biệt là tại các Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng tại mỗi tỉnh thành giải quyết nhiệm vụ đảm bảo đo lường pháp quyền trong kinh doanh nước sạch Các đơn vị này thường sử dụng các đồng hồ chuẩn có cấp chính xác 0,2-0,5 % với số lượng ước tính khoảng 500 chiếc với các loại đường kính từ 15 - 200

/h Ngoài ra còn có một số đồng hồ chuẩn được sử dụng ở các lĩnh vực kinh tế khác

Nếu chúng ta phải đưa ra nước ngoài hiệu chuẩn các đồng hồ chuẩn thì với giá hiệu chuẩn khoảng 500 USD cho một chiếc và chu kỳ hiệu chuẩn thông thường là một năm thì kinh phí hàng năm phải bỏ ra là 250.000 USD

Mặt khác nếu chúng ta tự nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong nước với kinh phí khoảng 100.000USD (khoảng 1/10 kinh phí nếu phải mua của nước ngoài) thì dự án sẽ có tính khả thi cao

Việc xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn đầu theo phương pháp dung tích dựa trên khả năng chế tạo trong nước các bình chuẩn dung tích lớn đến 3000L có độ không đảm bảo đo đến 0,02% Phương pháp khối lượng sẽ được thay thế sau năm 2010 khi chúng ta có khả năng trang bị cân chuẩn lớn đến 5 tấn, việc thay thế cân chuẩn sẽ không ảnh hưởng đến thiết kế chung của hệ thống

Như vậy việc xác định sơ đồ liên kết và sao truyền chuẩn đảm bảo nhu cầu hiệu chuẩn cho hầu hết các cỡ cũng như chủng loại đồng hồ chuẩn đã và sẽ được sử dụng tại Việt Nam đến năm 2010

Việc tiến hành kiểm định hay kiểm tra, thử nghiệm mẫu đối với các phương tiện đo thể tích, lưu lượng hoặc lưu tốc sẽ được tiến hành thông qua các đồng hồ chuẩn hoặc trực tiếp so sánh với hệ thống chuẩn đầu Ngoài ra hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước còn được sử dụng để thực hiện việc so sánh liên phòng với các hệ thống chuẩn đầu của các nước trong khu vực và trên thế giới Do việc xác định dải đo cũng như cấp chính xác của hệ thống chuẩn đầu cũng phải đáp ứng được nhu cầu

so sánh liên phòng sẽ được tiến hành với các nước trong khu vực như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v và các nước công nghiệp phát triển như CHLB Đức, Pháp hay Hoa Kỳ

Sơ đồ liên kết chuẩn lưu lượng nước tại Việt Nam

Đã có từ năm 2001

Sẽ được bổ sung (năm 2010)

U là độ không đảm bảo đo tương đối, δ0 là sai số tương đối

Bình chuẩn hạng I Tần số kế chuẩn hạng II

Nhiệt kế chuẩn hạng I

Các phương tiện chuẩn đo lưu lượng khối lượng nước (Quả cân chuẩn, cân chuẩn) Các tỉ trọng kế chuẩn hạng I

Lưu tốc kế, lưu lượng kế

δo = 2 - 5 %

Bộ các lưu lượng kế chuẩn

1 - 200 m3/h U = 0,2-0,5 %

1- 200 m3 / h

U = 0,1 %

1.4 tổng quan các phương pháp đo lưu lượng

Mục tiêu chủ yếu của hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước là đảm bảo việc sao truyền và liên kết chuẩn cho các lưu lượng kế chuẩn thứ và chuẩn công tác Do đó việc nghiên cứu các phương pháp đo lưu lượng cũng như các loại lưu lượng kế là cần thiết để đảm bảo việc lựa chọn nguyên lý làm việc, khả năng hiệu chuẩn, độ chính xác của hệ thống chuẩn đầu là tối ưu

Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp Phương pháp đo lưu lượng kiểu chảy bao

Lưu lượng kế kiểu tuốc bin Lưu lượng kế xoáy

Lưu lượng kế điện từ Lưu lượng kế siêu âm Lưu lượng kế kiểu ống chuẩn phương pháp dùng bình chuẩn và thiết bị chuyển dòng

Kết luận chương 1

Trong phần tổng quan này chúng ta thấy chuẩn đầu lưu lượng có

vị trí then chốt trong việc sao truyền chuẩn và kiểm định phương tiện

đo

Một trong những công việc quan trọng mà chúng tôi đã thực hiện

được là xác định được sơ đồ liên kết chuẩn từ 2001 tới 2010 Sơ đồ này

đã được phê duyệt và trong thời gian qua đã được sử dụng để giúp cho cơ quan quản lý Nhà nước về Đo lường là Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường định hướng cho việc đầu tư có hiệu quả để phát triển các hệ thống chuẩn từ trung ương đến địa phương và đã đáp ứng được nhu cầu quản

lý việc lưu thông phân phối nước tại các công ty kinh doanh nước, giảm hao hụt, quản lý các đồng hồ nước từ khâu nhập khẩu, kiểm định ban

đầu, định kỳ và giải quyết các tranh chấp kinh tế, kỹ thuật

Việc xây dựng sơ đồ liên kết chuẩn cũng phù hợp với trình độ của các nước trong khu vực và trên thế giới, do đó chúng ta có thể thực hiện

được các phép so sánh trong khu vực để tiến tới công nhận lẫn nhau về

kế quả đo thử nghiệm tạo điều kiện cho việc hội nhập

Để phát huy hiệu quả sử dụng của hệ thống chuẩn đầu, phần tổng quan cũng liệt kê tất cả các loại lưu lượng kế chuẩn và lưu lượng kế công tác được sử dụng ở nước ta và trên thế giới sẽ là đối tượng được hiệu chuẩn hoặc kiểm định bằng hệ thống chuẩn đầu

Chương 2 Tính toán, thiết kế

hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

1 Lựa chọn phương án

Sau khi tìm hiểu các hệ thống chuẩn đầu của các nước trên thế

giới, nghiên cứu các công nghệ chế tạo cơ khí, điện tử cũng như khả

năng chế tạo của các cơ sở trong nước, trình độ trang bị chuẩn thời gian,

khối lượng, khối lượng riêng, độ dài và dung tích tại Việt Nam, chúng tôi

đã lựa chọn phương án xây dựng hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước

dùng bình chuẩn và thiết bị chuyển dòng với phạm vi lưu lượng làm việc

là từ 1-200m3

/h, độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 0,1%, có khả năng kiểm

định và hiệu chuẩn các loại lưu lượng kế, có khả năng thực hiện được các

phép so sánh vòng giữa các tổ chức đo lường quốc tế

2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc của hệ thống là xác định lưu lượng trong đường

ống bằng cách tạo ra một dòng chảy trong ống kín có lưu lượng ổn định

(còn được gọi là lưu lượng chuẩn), sau đó đo thể tích của nước chảy qua

đoạn ống đo bằng bình chuẩn và xác định thời gian chảy của lượng nước

trên bằng bộ đếm thời gian thông qua thiết bị chuyển dòng

Lưu lượng chuẩn được tạo như sau : Cụm máy bơm, bao gồm nhiều

máy bơm có lưu lượng làm việc khác nhau, (1) bơm nước từ bể chứa

(14) qua đường ống dẫn nước (2) lên bể tràn (3) Lưu lượng nước được

bơm lên bể tràn luôn lớn hơn lưu lượng cần đo (có các lưu lượng kế

kiểm tra lưu lượng bơm lên của tổ bơm và điều khiển tự động các van

hồi lưu) Trong bể tràn nước chảy qua một hệ thống nắn dòng đặc biệt

để không tạo ra những xoáy cục bộ trong bể và mặt nước trên bể luôn

được ổn định tại lưu lượng hiệu chuẩn lớn nhất của hệ thống

Lượng nước thừa sẽ tràn qua lưỡi tràn (4) vào bể tràn (12) để thoát

theo ống dẫn (13) xuống bể chứa (14), một vách ngăn và lưới tách khí

được bố trí giữa đường lên và đường về của nước để tránh tạo bọt trong

đường hút của máy bơm và đồng thời làm cân bằng nhiệt độ trong bể

Như vậy dòng nước chảy vào ống dẫn (5), đi qua bộ nắn dòng (6)

đến các lưu lượng kế chuẩn (7) là dòng chảy có áp suất tĩnh tại đầu vào

ổn định đây là một yêu cầu hết sức cần thiết cho hệ thống chuẩn đầu

lưu lượng

Dòng chảy với lưu lượng chuẩn được chảy qua một bộ các lưu lượng kế

chuẩn (7) được mắc song song để chỉ thị lưu lượng làm việc tức thời của

hệ thống

Đoạn ống đo được sử dụng để hiệu chuẩn cho các đồng hồ chuẩn (8) Đoạn ống này phải có chiều dài, độ bóng cần thiết để dòng chảy trong ống được ổn định không ảnh hưởng tới sai số của đồng hồ

Trên đoạn ống đo, phía trước đồng hồ chuẩn được lắp nhiệt kế để

đo nhiệt độ của nước và hiệu chỉnh về điều kiện tiêu chuẩn Tổn hao áp của đồng hồ chuẩn được đo bằng các lỗ lấy áp suất trước và sau đồng

hồ, ngoài ra áp suất tĩnh cũng được đo để đảm bảo đồng hồ chuẩn làm việc trong miền áp suất cho phép

11

3

4

5

6 8

14 10

9

1

2 13

Sơ đồ tổng thể hệ thống chuẩn đầu lưu lượng

12

7

Nước chảy vào bình chuẩn qua vòi phun và thiết bị chuyển dòng

(9) Vòi phun có tác dụng làm dòng nước trong đường ống phun thành

tia có dạng hình hộp mỏng và có tiết diện đều trước khi chảy vào thiết bị

chuyển dòng Thiết bị chuyển dòng là một lưỡi mỏng chuyển động để

lái tia nước vào bình chuẩn hoặc ra đường xả Ngoài ra thiết bị chuyển

dòng còn có tác dụng như một công tắc hành trình để đóng mở bộ đếm

thời gian Nước từ bình chuẩn lại chảy vào bể chứa và tạo thành chu

trình kín để lưu lượng của bơm ổn định và tránh lãng phí

3 Nguồn

Nguồn nước thành phần quan trọng của hệ thống chuẩn đầu bao

gồm: bể nguồn, hệ thống bơm, bể ổn áp, đường ống và các van điều

khiển đã được chúng tôi tính toán và thiết kế dựa trên phương trình thuỷ

lực Becnuli

Bể nguồn được xây chìm ngay bên cạch phòng chuẩn đầu lưu

lượng Bể nguồn có kích thước dài ì rộng ì sâu = 4m ì 2,5m ì 2,5 m =

25 m3

được chia làm ba khoang, khoang 1 cho đường xả từ bể ổn áp,

khoang 2 cho đường hút của máy bơm và khoang 3 cho đường xả từ

bình chuẩn Các khoang được ngăn bằng lưới có tác dụng khử các bọt

khí từ đường xả và ngăn không cho lẫn vào đường hút của máy bơm

Việc phân chia bể nguồn thành từng khoang còn có tác dụng tạo dòng

chảy trong bể và làm cân bằng nhiệt độ giữa đường hút và đường xả

/h tại chiều cao 30m, hai bơm có cùng lưu lượng 150 m3

/h tại chiều cao 30m

Bể ổn áp được chia làm hai khoang, khoang ngoài bao gồm

đường lên từ bơm và đường xuống hiệu chuẩn, khoang trong là đường

tràn xả xuống bể uồn Giữa hai khoang lắp lưỡi tràn được điều chỉnh sao

cho nước tràn đều trên toàn bộ lưỡi tràn Chúng tôi đã đề xuất phương

án xây bể ổn áp được xây trên tầng nóc nhà 6 tầng gần phòng thí ghiệm,

sàn bể có chiều cao 27 m Bể có kích thước dài ì rộng ì cao = 4 m ì 2,5

m ì 1,8 m = 18 m3

Kết quả thực nghiệm tại lưu lượng bơm vào từ 30

đến 250m3

/h, lưu lượng tràn từ 2 đến 30m3

/h, mực nước trong bể luôn ổn

định trong khoảng ±2mm

4 thiết bị chuyển dòng

Thiết bị chuyển dòng (còn được gọi tắt là TBCD) là một thành

phần quan trọng trong hệ thống chuẩn lưu lượng, có chức năng chuyển

dòng chảy quan đoạn đo vào đường xả hay vào bình chuẩn và không

làm thay đổi lưu lượng dòng chảy qua đoạn đo Trong một chu kỳ hiệu

chuẩn, TBCD thực hiện hai lần quét qua dòng hiệu chuẩn Lần quét thứ

nhất, dòng hiệu chuẩn được chuyển từ đường xả vào bình chuẩn Sau đó

bình chuẩn được nạp chất lỏng, tiếp theo đó là lần quét thứ hai, chuyển dòng chảy về đường xả Trong các lần quét của TBCD, lưu lượng vào bình chuẩn thay đổi từ “không “ đến lưu lượng toàn phần và lưu lượng toàn phần về “không “ Do chỉ có một phần của lưu lượng toàn phần chảy vào bình chuẩn khi chuyển dòng quét, sai số của TBCD biểu thị độ không đảm bảo đo của thời gian nạp chất lỏng Sai số này đóng góp

đáng kể vào độ không đảm bảo đo của phép đo lưu lượng

Theo biểu đồ mô tả hoạt động của TBCD trên, một chiều là thời gian chảy và một chiều là lưu lượng tức thời được nạp vào bình chuẩn

Q C , và lưu lượng xả Q B Tại bất kỳ thời điểm nào trong qua trình chuyển,

lưu lượng hiệu chuẩn tổng luôn bằng tổng của lưu lượng nạp và xả: Q T

= Q C +Q B Chu trình hiệu chuẩn có thể được chia làm ba kỳ riêng biệt: kỳ mở

(t 0≤ t ≤ t 2 ), kỳ lưu lượng không đổi (t 2≤ t ≤ t 3 ), và kỳ đóng (t 2≤ t ≤ t 5)

thời gian t 0 là bắt đầu kỳ mở và biểu thị thời điểm được khởi động Trong kỳ mở, TBCD chuyển tia chất lỏng từ đường xả vào bình chuẩn

Do đó lưu lượng nạp tăng từ không đến lưu lượng tổng, Q T Một tín hiệu

t 1 bắt đầu thời gian nạp được phát ra tức thời Sau đó, là thời gian t 2 (cuối của kỳ mở) toàn bộ lưu lượng hiệu chuẩn được chuyển vào bình chuẩn ,

lúc đó Q C =Q T lưu lượng nạp, Q C, trong kỳ mở được biểu diễn bằng

đường cong C 0 Trong kỳ đóng, TBCD lại chuyển tia chất lỏng từ bình

Biểu đồ lưu lượng nước chuyển vào và ra bình chuẩn theo thời gian

T

0 t

A

t1

QC

B

2

C 0

Q

T

T T T

M C

D

c

C

C

t5

Q B

Thời gian

Đường cong CC biểu diễn quá độ của dòng nạp trong kỳ đóng Một tín

hiệu t 4 chỉ thị việc dừng thời gian nạp được phát ra tức thời

điều khiển thiết bị chuyển dòng

Chu trình chảy vào

Tại thời điểm không đo, TBCD quay về phía đường xả, nước từ

vòi phun đập vào lưỡi của TBCD và đi vào đường xả để về bể nguồn

Khi có tín hiệu bắt đầu phép đo, cụm điều khiển 1 kéo thanh

trượt 1 và làm quay TBCD

Tại thời điểm lưỡi của TBCD gần chạm vào tia nước thì cặp tế

bào quang điện (TBQĐ) đo thời gian lật phát ra tín hiệu để khởi động bộ

đếm thời gian lật vào của TBCD Vào lúc lưỡi của TBCD đi qua điểm

giữa của vòi phun thì cặp tế bào quang điện đo thời gian nước chảy vào

bình chuẩn phát ra tín hiệu để khởi động bộ đếm thời gian của phép đo

lưu lượng Lưỡi của TBCD quay tiếp cho đến khi nào đi qua toàn bộ tia

nước từ vòi phun cặp tế bào quang điện đo thời gian lật phát ra tín hiệu

để ngừng bộ đếm thời gian lật vào và cắt nguồn nuôi chính của cụm

điều khiển 1

Mở Đóng

Đo thời gian lật Đo thời gian chảy vào bình chuẩn (Bắt đầu đo)

Cụm điều khiển 1 Cụm điều khiển 2

Tâm quay

Chu trình chảy vào

Chu trình chảy ra

Khi bình chuẩn được nạp đầy, có tín hiệu từ cảm biến nước đặt trong bình chuẩn phát ra, nguồn chính của cụm điều khiển 2 được đóng làm cho cụm điều khiển 2 kéo thanh trượt 1 và làm quay TBCD Tại vị trí lưỡi của TBCD gần chạm vào tia nước thì cặp tế bào quang điện đo thời gian lật phát ra tín hiệu để khởi động bộ đếm thời gian lật ra của TBCD Lúc TBCD đi qua điểm giữa của vòi phun thì cặp tế bào quang

điện đo thời gian chảy phát ra tín hiệu để dừng bộ đếm thời gian của phép đo lưu lượng Lưỡi của TBCD quay tiếp cho đến khi nào đi qua toàn bộ tia nước từ vòi phun thì cặp tế bào quang điện lại phát ra một tín hiệu điện để ngừng bộ đếm thời gian lật ra

thiết kế vòi phun vμ thiết bị chuyển dòng

Vòi phun

Vòi phun là thiết bị tạo dòng nước trong đường ống đo thành một tia nước mảnh, đều và liên tục để phun vào lưỡi gạt của máng lật

Đóng Mở

Cụm điều khiển 1 Cụm điều khiển 2

Tâm quay

Chu trình chảy ra

Do đó khi máng lật chuyển động việc chuyển hướng dòng chảy ra và

vào bình chuẩn sẽ nhanh hơn, khoảng thời gian lưu lượng được đo biến

thiên theo thời gian rất nhỏ và ổn định

Yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với vòi phun là :

+ Dòng chất lỏng đi qua vòi phun phải ổn định, không gây ra các dao

động cục bộ làm ảnh hưởng tới lưu lượng của nước trong đường ống

+ Tổn thất áp của dòng chảy đi qua vòi phun phải nhỏ

+ Tia nước từ vòi phun phải thẳng, liên tục và không bắn toé

+ bốn vòi phun được thiết kế cho 04 bình chuẩn là 2000L; 500L;200 và

/h; 10-50m3

/h; 4-20m3

/h và 1-5m3

/h

Bằng các thí nghiệm thực tế với các dạng vòi phun khác nhau

[6], chúng tôi chọn loại vòi phun có hai cạnh bên thẳng và có hai mặt

chính dạng nón cong theo hình elip là loại có hệ số lưu lượng lớn nhất

0,85 đến 0,90 và dòng chất lỏng đi qua nó tạo thành các luồng song

song Chiều rộng của vòi phun được tính theo quãng đường hiệu dụng

của lưỡi gạt và không làm tăng tổn thất áp tại lưu lượng lớn nhất

Thiết bị chuyển dòng

TBCD phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như được nêu sau:

- thời gian chuyển dòng < 36ms tại lưu lượng làm việc lớn nhất,

- chuyển động song song với cạnh dài của vòi phun,

- chia đều lưu lượng của vòi phun,

- khởi động và dừng bộ đếm thời gian tại điểm giữa của hành trình

- bốn TBCD được thiết kế cho 04 bình chuẩn là 2000L; 500L;200

/h; 10-50m3

/h; 4-20m3

/h và 1-5m3

/h với thời gian làm việc tương ứng từ 180 giây đến 36 giây

Bình chuẩn

Yêu cầu chung

Đồng thời với việc xác định thời gian hiệu chuẩn còn phải xác

định thể tích hiệu chuẩn của nước Các bình chuẩn được sử dụng để xác

định trực tiếp thể tích của nước hiệu chuẩn, do đó chúng cần phải có độ

chính xác cao Sai số tương đối của bình chuẩn phải nhỏ hơn 0,02%

[15] Dung tích của bình chuẩn phải tương ứng với thời gian đo nhỏ nhất

tại lưu lượng lớn nhất của dải đo tương ứng Do đó ứng với bốn dải đo là

/h; 10-50m3

/h; 4-20m3

/h và 1-5m3

/h và thời gian đo nhỏ nhất

là 36s, ta có dung tích của các bình chuẩn tương ứng là 2000L, 500L,

200L và 50L

C được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng của nước cất và khối lượng riêng của nước cất, sau đó

hiệu chính độ nổi do quả cân và nước cất chiếm chỗ trong không khí và hiệu chính dung tích của bình chuẩn về nhiệt độ 200

C

Kết luận chương 2

Chương 2 đề cập đến việc tính toán các thông số cơ bản của nguồn dòng bao gồm: bể nguồn, bơm và bể tràn, và các thiết bị có vai trò quan trọng như thiết bị chuyển dòng, bình chuẩn để làm cơ sở cho việc thiết

kế, xây dựng và lắp đặt

Các kết quả thực nghiệm như lưu lượng lớn nhất của hệ thống, chuyển động của dòng chảy và mực nước trong bể ổn áp là hoàn toàn phù hợp với thông số tính toán lý thuyết đã chứng tỏ rằng bài toán thuỷ lực đã được xây dựng và giải quyết đúng đắn

Chuyển động của TBCD được phân tích và đánh giá chi tiết để có thể tính toán và thiết kế theo đúng yêu cầu đặt ra Nguyên lý chia dòng chảy của TBCD để có được lưu lượng đối xứng có tác dụng giảm sai số của phép xác định lưu lượng Ngoài ra, vị trí của công tắc chuyển mạch

đếm thời gian cần phải nằm giữa hành trình chuyển dòng chảy của TBCD

Việc xác định các dải lưu lượng làm việc tối ưu đã làm đơn giản việc tính toán và thiết kế các vòi phun, TBCD và bình chuẩn do có thể

áp dụng định luật tương tự thuỷ lực

Các kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng các đường thoát khí,

vị trí bố trí các cảm biến mực nước trong bình chuẩn là phù hợp và có tác dụng không làm bắn bọt nước và mức nước luôn nằm trong phạm vi thang đo của bình chuẩn

Trong chương 2 cũng đưa ra được phương pháp xác định dung tích của bình chuẩn để đám bảo sai số nhỏ hơn 0,02%

Chương 3

Nghiên cứu dòng chảy trong ống Mục đích của nghiên cứu dòng chảy trong ống dẫn

Nghiên cứu dòng chảy trong ống và các ảnh hưởng của vật cản cục bộ trên đường ống như cút cong, cút cong kép không cùng mặt phẳng, tê cút, ống thu hay gioăng tới sai số của lưu lượng kế có ý nghĩa thiết thực đối với việc tính toán, thiết kế đoạn ống đo của hệ thống chuẩn đầu, cụ thể là xác định được chiều dài tối thiểu của đoạn ống thẳng sau các vật cản cục bộ và trước lưu lượng kế để sai số của lưu lượng kế không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu dòng chảy do vật cản cục bộ gây ra

Tại Trung tâm Đo lường Việt Nam, khi tiến hành xây dựng hệ

thống chuẩn đầu lưu lượng nước, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết các

ảnh hưởng của việc lắp đặt khuỷu cong đơn, khuỷu cong kép không

cùng mặt phẳng, tê cút, ống thu, gioăng và các loại van đối với sai số

của lưu lượng kế và các phương pháp được áp dụng trên thế giới để loại

bỏ các ảnh hưởng do lắp đặt, đồng thời chúng tôi cũng đã tiến hành các

phép thử để khẳng định việc lắp đặt các lưu lượng kế không gây ảnh

hưởng đến sai số của chúng cũng như tiến hành áp dụng các phương

pháp sử dụng các loại ổn dòng loại bó ống, đĩa đục lỗ hay lưới và định

vị các đoạn thẳng trước lưu lượng kế để giảm và loại bỏ các ảnh hưởng

của việc lắp đặt đến sai số của lưu lượng kế

Trong chương này chúng tôi sẽ chỉ đề cập đến ảnh hưởng của

khuỷu cong đơn và khuỷu cong kép không cùng mặt phẳng, hai loại

khuỷu cong này đều phải lắp đặt trên hệ thống đường ống và theo các tài

liệu công bố, chúng có ảnh hưởng đáng kể đến sai số của lưu lượng kế

so với các loại van, ống thu hay gioăng Ngoài ra chúng tôi cũng trình

bày và phân tích các kết quả thử nghiệm đối với việc áp dụng các loại ổn

dòng loại bó 19 ống và 7 ống kết hợp với đoạn ống thẳng trước lưu

lượng kế để loại bỏ các ảnh hưởng của các khuỷu cong trên

Xây dựng và thử nghiệm mô hình thuỷ lực của đường ống

Để đánh giá được một cách chính xác các ảnh hưởng của việc lắp đặt tới

sai số của lưu lượng kế chuẩn cần phải có hệ thống hiệu chuẩn với các

thiết bị có độ chính xác cao để có thể phát hiện được sự thay đổi rất nhỏ

của sai số, thông thường đến 0,05%, các thiết bị được sử dụng bao gồm:

+ đường ống được có đường kính 50 mm và làm bằng inox có độ

% so với đường kính)

Bao gồm nhiều đoạn thẳng có chiều dài khác nhau: 3, 10, 30, 80, 100

lần đường kính, khuỷu cong đơn 90o, khuỷu cong kép 90o không cùng

mặt phẳng, ổn dòng loại bó 19 ống và bó 7 ống, vận tốc kế được sử dụng

là ống pi tô có đường kính thân 2,5 mm, cấp chính xác 0,5, lưu lượng kế

được sử dụng là đồng hồ tuốc bin đường kính danh định 50mm

+ hệ thống chuẩn được dùng để xác định sai số của các lưu lượng

kế bao gồm có bình chuẩn 500 L cấp chính xác 0,02 , thiết bị chuyển

dòng và bộ đếm thời gian có sai số <0,01%,

/h, tương ứng với số Reynold là 1,25*105

đến 1,56*105

Tính chất của dòng chảy sau khuỷu

Các mô hình lý thuyết được xây dựng để mô tả đặc tính thủy lực

của dòng chảy trong ống sau các khuỷu để giải thích sự thay đổi đường

đặc tính sai số của lưu lượng kế theo lưu lượng Một trong những

nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi của sai số là sự mất đối xứng của các prôphin vận tốc theo các hướng thẳng đứng, nằm ngang và sự xuất hiện các xoáy loại I và loại II Để có thể xác định được sự xuất hiện và cường độ của các loại xoáy này, chúng tôi đã tiến hành các phép

đo prôfin vận tốc lưu lượng của dòng chảy

Khuỷu đơn

Các kết quả đo được theo đã chỉ ra rằng sự phân bố của vận tốc trung bình và rối sẽ suy giảm theo khoảng cách sau khuỷu tuỳ theo loại xoáy, số Reynold và độ nhám Theo đồ thị 3.5 chúng ta thấy rằng vận tốc rối không thay đổi đáng kể về dạng phân bố cũng như giá trị tại các

vị trí sau khuỷu cong

Đối với dòng chảy sau khuỷu cong đơn prôphin vận tốc đứng bị thay đổi

rõ rệt và sẽ ảnh hưởng đáng kể tới đường đặc tính sai số của các loại lưu lượng kế kiểu tốc độ như đồng hồ tuốc bin, siêu âm hay điện từ

Khuỷu kép không cùng mặt phẳng

Theo các kết quả đo được, khi hai khuỷu nằm sát nhau (s=0, có nghĩa là không có đoạn thẳng giữa chúng), xoáy lõi đơn (ở đây được định nghĩa

là loại I) được tạo ra Các phân bố này chỉ ra rằng, đối với đường ống ngay sau khuỷu thì: góc xoáy có giá trị khoảng ±20o

ở gần thành ống và

ở vùng gốc gần với tâm đường ống thì góc xoáy có giá trị gần bằng không, có nghĩa là chỉ có ít hoặc không có xoáy

Các ảnh hưởng của khuỷu cong tới sai số của lưu lượng kế Lưu lượng kế kiểu tiết lưu

Sai số bị suy giảm từ -0,1% đến -0,5% khi lắp gần khuỷu đơn với các và

có xu hướng tăng từ 0,1% đến 0,4% khi lắp gần khuỷu kép không cùng mặt phẳng với khoảng cách tương ứng là 20 và 2,5 lần đường kính

Lưu lượng kế tuốc bin

Các kết quả đã chỉ ra rằng, đường đặc tính của đồng hồ tuốc bin bị dịch lên từ 0,3 đến 2% khi mà nó được lắp trong khoảng cách 90 lần đường kính cách khuỷu kép không cùng mặt phẳng Khi đồng hồ được lắp gần khuỷu đơn, đường đặc tính bị dịch xuống và nhỏ hơn 0,3% trong phạm

vi 20 lần đường kính cách khuỷu

Để cải thiện đường đặc tính của các loại đồng hồ trên có thể sử dụng cơ cấu ổn dòng được lắp giữa đồng hồ và khuỷu có thể cải thiện đáng kể

đường đặc tính của đồng hồ Các cơ cấu ổn dòng này có các kích thước hình học khác nhau, khả năng ổn dòng có thể phụ thuộc vào loại dòng chảy trong ống và hình dáng ống

Loại bó 19 ống