Thu thập và xử lý tín hiệu đo lường trong hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí quyển PVTt

--- 25 Hình 2-10: Số liệu ghi của đầu đo và tín hiệu van chuyển dòng của ống nối được sử dụng để hiệu chỉnh thời gian nạp và cải thiện việc loại trừ khối lượng ban đầu và kết thúc cũng n

Bộ giáo dục và đào tạo

TRường đại học bách khoa hà nội

T«i xin cam ®oan luËn v¨n nµy lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña chÝnh b¶n th©n C¸c nghiªn cøu trong luËn v¨n nµy dùa trªn nh÷ng tæng hîp lý thuyÕt, tham kh¶o chuyªn nghµnh vµ hiÓu biÕt thùc tÕ cña t«i, kh«ng sao chÐp

T¸c gi¶ luËn v¨n

NguyÔn cao phóc

Mục lục

LờI GIớI THIệU - 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí kiểu PVTt - 3

1.1 Khái niệm về hệ thống chuẩn đo lường, phân loại chuẩn - 3

1.2 Khái niệm về hiệu chuẩn và dẫn xuất chuẩn - 5

1.2.1 Hiệu chuẩn (calibration) - 5

1.2.2 Tính liên kết chuẩn - 6

1.2.3 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn lưu lượng khí - 6

1.3 Giới thiệu về hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí - 9

1.3.1 Khái niệm - 9

1.3.2 Các thuật ngữ và định nghĩa - 9

Chương 2: Nguyên lý hoạt động và yêu cầu của hệ thống chuẩn kiểu PVTt - 12

2.1 Nguyên lý hoạt động -12

2.2 Thiết kế và hoạt động của hệ thống chuẩn PVTt -15

2.2.1 Bể nước - 17

2.2.2 Sự thay đổi khối lượng trong ống nối - 20

2.2.3 Các điều kiện trong thể tích ống nối - 22

2.2.4 Sự cận đối xứng của P(t) tại thời điểm bắt đầu và kết thúc 24

2.3 Các phương trình tính toán lưu lượng -26

Chương 3: chương trình điều khiển hệ thống chuẩn kiểu PVTt - 29

3.1 Giới thiệu chung -29

3.2 Phần cứng hỗ trợ điều khiển -29

3.2.1 Đặc điểm chung phần cứng - 29

3.2.2 Phối hợp các chức năng phần cứng - 32

3.3 Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển -32

3.3.1 Các sơ đồ thiết kế - 33

3.3.2 Phương pháp đấu nối đường dây - 36

3.3.2.1 Đấu nối sensor nhiệt độ, áp suất - 36

3.3.2.2 Một số sơ đồ đấu nối điển hình - 38

3.3.3 Các khối mô đun liên kết - 41

1 Khối nhập các thông số hiệu chuẩn cho từng loại sensor - 41

2 Khối khởi tạo bộ đếm thời gian - 42

3 Khối thiết lập đấu nối cho sensor áp - 42

4 Khối thiết lập đấu nối cho sensor nhiệt - 44

5 Khối thiết lập phương thức scan - 45

6 Khối hiển thị và chuyển đổi thông tin - 45

7 Khối chọn thông số cần kiểm tra trên 2 kênh - 46

8 Khối kiểm soát Start/Stop - 47

9 Khối nhận dữ liệu trước Start - 48

10 Khối nhận dữ liệu trong khoảng Start-Stop và thông số thời gian 48 11 Khối nhận dữ liệu sau Stop - 49

12 Khối xây dựng mảng 3D/2D & lưu trữ thông tin - 50

13 Khối tính toán lưu lượng khối lượng khí vào bình chuẩn

Qt(Kg/s) - 51

14 Khối tính toán lưu lượng khối lượng qua vòi phun tới hạn - 52

15 Khối tạo mảng 1D lưu kết quả tính toán - 53

3.3.4 Chức năng các hàm trong thư viện PVTt.lib - 53

3.3.4.1 Danh sách các hàm sử dụng trong thư viện - 53

3.3.4.2 Giải thích các hàm trong thư viện PVTt.lib - 55

1 Hàm Configurate_Pressure_channel - 55

2 Hàm Configurate_Temperature_channel.vi - 57

3 Hàm Configure Scan Mode.vi - 59

4 Hàm Mx+B_Scaling.vi - 60

5 Hàm Set_Scan_Unit.vi - 62

6 Hàm scan_channels.vi - 64

7 Hàm Moniter channels access mem.vi - 65

8 Hàm Reciever_Data.vi - 66

9 Hàm Check_Start_Stop.vi - 67

10 Hàm read_Serial.vi - 69

11 Hàm calculate_Average_Ros.vi - 71

12 Hàm PVTt_resuilt.vi - 72

13 Hàm tính venturi.vi - 74

14 Hàm Qvp(Kg/s).vi - 75

15 Hàm Re.vi - 76

16 Hàm Cd.vi - 77

17 Hàm tính khối lượng m(Kg).vi - 78

18 Hàm Create_array_1ds.vi - 79

19 Hàm Create_Array_3D.vi - 80

20 Hàm DATA_CHECK.vi - 83

21 Hàm write_to_Xls_1D.vi - 84

22 Hàm Write_to_xls_3D - 85

23 Hàm Hieuchuan.vi - 86

24 Hàm Check_Hieuchuan.vi - 87

25 Hàm WaveForm.vi - 88

3.3.5 Giao diện phần mềm - 89

3.3.6 Đóng gói phần mềm - 90

Chương 4: kết quả và đánh giá - 94

tài liệu tham khảo - 102

Tóm tắt luận văn - 103

danh Mục hình vẽ

Hình1-1: Sơ đồ phân loại chuẩn - 4

Hình 1-2: Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đơn vị đo khí - 8

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn vòi phun theo PVTt - 12

Hình 2-2: Sơ đồ bố trí các thiết bị chính của hệ thống chuẩn PVTt - 13

Hình 2-3: Bình chuẩn PVTt 5000L - 16

Hình 2-4: Sơ đồ các bình chứa của hệ thống PVTt, bể nước, đường dẫn nước và các thiết bị kiểm tra nhiệt độ - 17

Hình 2-5: Bình 50L và 1000 L được nhúng vào bể nước để kiểm soát nhiệt độ 18

Hình 2-6 Số liệu nhiệt độ của 14 đầu đo nhúng trong bể - 19

Hình 2-7: Sự cân bằng nhiệt độ và áp suất ngay sau khi bình 50 L được nạp với lưu lượng 25 L/min - 20

Hình 2-8: Số liệu thực nghiệm (25 L/min, bình 50 L) và mô hình nhiệt động cho hằng số thời gian bằng không và khác không - 23

Hình 2-9: Số liệu chồng của ống nối bám theo thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển dòng của bình 50 L tại lưu lượng 25 L/min biểu diễn tính đối xứng của van chuyển dòng Thời gian chuyển dòng khoảng 15ms - 25

Hình 2-10: Số liệu ghi của đầu đo và tín hiệu van chuyển dòng của ống nối được sử dụng để hiệu chỉnh thời gian nạp và cải thiện việc loại trừ khối lượng ban đầu và kết thúc cũng như độ không đảm bảo đo của ống nối - 26

Hình 3-1: Thiết bị Agilent HP34970A - 30

Hình 3-2: Thiết bị điều khiển chuyển dòng - 31

Hình 3-3: Thiết bị đếm thời gian - 31

Hình 3-4: Sơ đồ tổng quan thiết kế hệ thống - 33

Hình 3-5: Sơ đồ khối thiết kế phần mềm - 34

Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý Đo lường & Điều khiển cho Hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí kiểu PVTt - 35

Hình 3-7: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt 2 dây - 36

Hình 3-8: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt 4 dây - 37

Hình 3-9: Sơ đồ đấu nối sensor áp tín hiệu dòng - 37

Hình 3-10: Sơ đồ đấu nối sensor tín hiệu áp - 38

Hình 3-11: Sơ đồ đấu nối Thermocouple - 38

Hình 3-12: Sơ đồ đấu nối Wire Ohms / RTD / Thermistor - 39

Hình 3-13: Sơ đồ đấu nối DC Current / AC Current - 39

Hình 3-14: Sơ đồ đấu nối DC Voltage / AC Voltage / Frequency - 40

Hình 3-15: Sơ đồ đấu nối Wire Ohms / RTD - 40

Hình 3-16: Sơ đồ thiết kế giao diện nhập thống số hiệu chuẩn sensor - 41

Hình 3-17: Sơ đồ khởi tạo bộ đếm thời gian - 42

Hình 3-18: Sơ đồ thiết kế đấu nối cho sensor áp - 43

Hình 3-19: Sơ đồ thiết kế đấu nối cho sensor nhiệt - 44

Hình 3.20: Sơ đồ thiết lập phương thức Scan - 45

Hình 3-21: Sơ đồ hiển thị và chuyển đổi đơn vị - 46

Hình 3-22: Sơ đồ lựa chọn thông số cần kiểm tra trên 2 kênh - 46

Hình 3-23: Sơ đồ kiểm soát trạng thái Start/Stop - 47

Hình 3-24: Sơ đồ nhận dữ liệu trước Start - 48

Hình 3-25: Sơ đồ nhận dữ liệu trong khoảng Start/ Stop & nhận giá trị thời gian -48

Hình 3-26: Sơ đồ nhận dữ liệu sau Stop - 49

Hình 3-27: Sơ đồ xây dựng mảng 3D/2D & lưu trữ thông tin - 50

Hình 3-28: Sơ đồ tính toán lưu lượng khí vào bình chuẩn - 51

Hình 3-29: Sơ đồ tính toán lưu lượng khí qua vòi phun tới hạn - 52

Hình 3-30: Sơ đồ tạo mảng 1 D và lưu kết quả tính toán - 53

Hình 3-31: Sơ đồ thiết kế Hàm Configurate_Pressure_channel - 55

Hình 3-32: Sơ đồ thiết kế Hàm Configurate_Temprature_channel - 57

Hình 3-33: Sơ đồ thiết kế Hàm Configure Scan Mode.vi - 59

Hình 3-34: Sơ đồ thiết kế Hàm Mx+B_Scaling.vi - 61

Hình 3-35: Sơ đồ thiết kế Hàm Set_Scan_Unit.vi - 62

Hình 3-36: Sơ đồ thiết kế Hàm scan_channels.vi - 64

Hình 3-37: Sơ đồ thiết kế Hàm Moniter channels access mem.vi - 65

Hình 3-38: Sơ đồ thiết kế Hàm Reciever_Data.vi - 66

Hình 3-39: Sơ đồ thiết kế Hàm Check_Start_Stop.vi - 67

Hình 3-40: Sơ đồ thiết kế Hàm read_Serial.vi - 69

Hình 3-41: Sơ đồ thiết kế Hàm calculate_Average_Ros.vi - 71

Hình 3-42: Sơ đồ thiết kế Hàm PVTt_resuilt.vi - 73

Hình 3-43: Sơ đồ thiết kế Hàm tính venturi.vi - 74

Hình 3-44: Sơ đồ thiết kế hàm Qvp(Kg/s).vi - 75

Hình 3-45: Sơ đồ thiết kế Hàm Re.vi - 76

Hình 3-46: Sơ đồ thiết kế Hàm Cd.vi - 77

Hình 3-47: Sơ đồ thiết kế Hàm tính khối lượng khí - 78

Hinh 3-48: Sơ đồ thiết kế Hàm Create_array_1ds.vi - 79

Hình 3-49: Sơ đồ thiết kế Hàm Create_Array_3D.vi - 81

Hình 3-50: Sơ đồ thiết kế Hàm DATA_CHECK.vi - 83

Hình 3-51: Sơ đồ thiết kế Hàm write_to_Xls_1D.vi - 84

Hình 3-52: Sơ đồ thiết kế Hàm Write_to_xls_3D - 85

Hình 3-53: Sơ đồ thiết kế Hàm Hieuchuan.vi - 86

Hình 3-54: Sơ đồ thiết kế Hàm Check_Hieuchuan.vi - 87

Hình 3-55: Sơ đồ thiết kế Hàm WaveForm.vi - 88

Hình 3-56: Giao diện chính phần mềm điều khiển hệ thống chuẩn PVTt 89

Hình 3-57: Đóng gói phần mềm bước 2 - 91

Hình 3-58: Đóng gói phần mềm bước 4 - 92

Hình 3-59: Kết quả sản phẩm đóng gói phần mềm - 92

Hình 3-60: Phần kết quả hiển thị trên giao diện chính - 94

LờI GIớI THIệU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí, việc khai thác và sử dụng khí tự nhiên, khí hoá lỏng đang phát triển với tốc độ cao đã làm nhu cầu đo đếm khí ở nước ta hiện nay phát triển mạnh Với hoạt động của các dự án khí Nam Côn sơn, các nhà máy khu Điện - Đạm Phú Mỹ, nhà máy lọc dầu Dung quất cùng sự phát triển mạnh mẽ của các nghành công nghiệp khác thì nhu cầu đo đếm khí ngày càng trở thành cấp thiết

Để đáp ứng các yêu cầu kiểm định, hiệu chuẩn các thiết bị đo khí hiện nay, Trung tâm đo lường Việt nam đang xây dựng một hệ thống chuẩn đầu về

đo lưu lượng khí Hệ thống chuẩn này sẽ là chuẩn hàng đầu Việt nam có nhiệm vụ sao truyền tới các chuẩn thứ và chuẩn công tác phục vụ các nhu cầu

đo lường khí trong cả nước Với hệ thống chuẩn khí này, chúng ta có thể tiến hành sao truyền và dẫn xuất chuẩn cho các lưu lượng kế khí chuẩn có độ không đảm bảo đo u<0,1 % và lưu lượng tới 1000 m3/h của các Trung tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng khu vực 1, 2 và 3 hoặc các phòng thí nghiệm được uỷ quyền Ngoài ra, chúng ta có thể tiến hành đo, hiệu chuẩn cho các lưu lượng kế khí nhỏ như đồng hồ khí dân dụng, các lưu lượng khí sử dụng trong các phòng thí nghiệm, các đồng hồ khí lưu lượng lớn v.v Với các

đồng hồ đo khí có lưu lượng nhỏ hơn 250 m3/h người ta thường sử dụng hệ thống chuông khí chuẩn, còn với yêu cầu đo lưu lượng khí lớn hơn tới hàng ngàn m3/h ta phải sử dụng hệ thống chuẩn kiểu PVTt

Đề tài trong luận văn này là một trong những phần việc hoàn thiện của

hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí kiểu PVTt Sản phẩm của đề tài là một phần mềm thu thập và xử lý các tiếng hiệu đo lường thu được từ các cảm biến nhiệt

độ, áp suất, các tín hiệu từ các bộ vi xử lý khác trong hệ thống để tổng hợp, tính toán và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống Kết quả của quá

trình này sẽ cho ra các thông số đo hiện tại, sai số vòi phun và xuất ra file dữ liệu phục vụ lưu trữ và kiểm tra sau này

Sau một thời gian nghiên cứu và xây dựng, với sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp, chương trình đã hoạt động, cơ bản xử lý

được các yêu cầu đặt ra Tuy nhiên do hệ thống đang trong giai đoạn hoàn thiện, nhiều vấn đề kỹ thuật vẫn phát sinh, kinh nghiệm lập trình bằng Labview chưa nhiều, do đó chương trình vẫn còn nhiều điều khiếm khuyết phải giải quyết và bổ sung Cùng với cố gắng bản thân cũng như sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp, hy vọng trong thời gian tới chương trình sẽ được hoàn thiện hơn, phục vụ tốt cho hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí tại Việt nam

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đầu lưu

lượng khí kiểu PVTt

1.1 Khái niệm về hệ thống chuẩn đo lường, phân loại chuẩn

Theo TCVN 6165-1996, chuẩn đo lường, hay gọi tắt là chuẩn, được

định nghĩa như sau: “Chuẩn là vật đọ, phương tiện đo, mẫu chuẩn hoặc hệ thống đo để định nghĩa, thể hiện, duy trì hoặc tái tạo đơn vị hoặc một hay nhiều giá trị của đại lượng dùng để làm mốc so sánh”

Như vậy, chuẩn đo lường chính là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của

đơn vị đo lường theo định nghĩa Về bản chất, chuẩn cũng là các thiết bị đo lường, nhưng khác các thiết bị đo lường thông thường ở chỗ các thiết bị đo này không dùng cho các phép đo thực tế hàng ngày, nó chỉ dùng để đặc trưng cho đơn vị, để truyền đơn vị đến các chuẩn, phương tiện đo có độ chính xác thấp hơn, như dùng để kiểm định, hiệu chuẩn, đánh giá thiết bị đo và các phép

đo, để khắc độ thiết bị đo khi chế tạo Hệ thống chuẩn đo lường là cơ sở kỹ thuật quan trọng nhất để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết của phép đo trong phạm vi quốc gia và quốc tế

Có thể phân loại chuẩn theo độ chính xác hoặc mục đích sử dụng

Căn cứ vào độ chính xác có thể phân loại chuẩn thành chuẩn đầu, chuản thứ, chuẩn bậc I, bậc II

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 chuẩn khác của cùng đại lượng Khái niệm chuẩn đầu

được dùng như nhau đối với đại lượng cơ bản và cả đại lượng dẫn xuất

Chuẩn thứ: là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với chuẩn đầu của cùng đại lượng

Chuẩn bậc I: là chuẩn mà giá trị của nó đ−ợc ấn định bằng cách so sánh với chuẩn thứ của cùng đại l−ợng

Chuẩn bậc II: là chuẩn mà giá trị của nó đ−ợc ấn định bằng cách so sánh với chuẩn Bậc I của cùng đại l−ợng

Ta nhận thấy độ chính xác của chuẩn sẽ giảm dần từ chuẩn đầu đến chuẩn thứ, chuẩn bậc I, chuẩn bậc II do đó có thể sử dụng sơ đồ kim tự

tháp để minh hoạ cách phân loại chuẩn nêu trên (hình 1.1)

Chuẩn quốc tế: là chuẩn đ−ợc một hiệp định quốc tế để làm cơ sở ấn

định giá trị cho các chuẩn khác của đại l−ợng có liên quan trên phạm vi quốc tế

Chuẩn

đầu Chuẩn thứ Chuẩn bậc I

Chuẩn bậc N

Sai số

Chuẩn quốc gia: là chuẩn được một quyết định có tính chất quốc gia công nhận để là cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác có liên quan trong một nước

Chuẩn chính: là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường

có thể có ở một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó

đều được dẫn xuất từ chuẩn này

Chuẩn công tác: là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm tra vật đọ, phương tiện hoặc mẫu chuẩn Chuẩn công tác thường xuyên được hiệu chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn chính

1.2 Khái niệm về hiệu chuẩn và dẫn xuất chuẩn

1.2.1 Hiệu chuẩn (calibration)

Hiệu chuẩn được định nghiã là tập hợp các thao tác trong điều kiện quy

định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật độ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn Kết quả hiệu chuẩn cho phép hoặc xác định giá trị của đại lượng đo theo số chỉ hoặc xác định sự hiệu chính đối với số chỉ Hiệu chuẩn cũng có thể xác định các tính chất đo lường khác, ví dụ, như tác động của đại lượng ảnh hưởng đến phương tiện đo v.v Kết quả hiệu chuẩn được ghi trong một tài liệu thường được gọi là giấy chứng nhận hiệu chuẩn hoặc thông báo hiệu chuẩn Hiệu chuẩn là một hoạt động kỹ thuật cần thiết của mọi cơ sở sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu để biết được tình trạng của phương tiện đo trong quá trình sử dụng, bảo quản chúng, để từ

đó có biện pháp xử lý, hiệu chỉnh kịp thời phù hợp với mục tiêu sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu của mình

Như vậy, xét về mặt kỹ thuật, nội dung cơ bản của việc hiệu chuẩn chính là việc so sánh phương tiện đo với chuẩn để đánh giá sai số và các đặc trưng kỹ thuật, đo lường khác của nó

1.2.2 Tính liên kết chuẩn

Một đặc trưng quan trọng của việc hiệu chuẩn là phải đảm bảo tính

liên kết chuẩn (Traceability) của nó Tính liên kết chuẩn được định nghĩa

(TCVN 6165: 1996) là tính chất của kết quả đo hoặc giá trị của một chuẩn

mà nhờ đó có thể liên hệ tới những chuẩn đã định, thường là chuẩn quốc gia hay chuẩn quốc tế, thông qua một chuỗi so sánh không gián đoạn với những độ không đảm bảo xác định Chuỗi so sánh không gián đoạn được gọi là chuỗi liên kết chuẩn

Phép hiệu chuẩn có tính liên kết chuẩn (traceable calibration) đạt tới

được thì từng phương tiện đo và chuẩn trong một hệ thống thứ bậc từ thấp nhất đến cao nhất, mở rộng tới chuẩn quốc gia và chuẩn quốc tế, đều đã

được hiệu chuẩn một cách thích hợp Các kết quả hiệu chuẩn được thể hiện thành tài liệu đủ để cung cấp những thông tin cần thiết chỉ ra rằng tất cả các phép hiệu chuẩn đều đã được thực hiện một cách đúng đắn và mỗi phép hiệu chuẩn này là một mắt xích liên tục trong chuỗi so sánh không gián đoạn được gọi là chuỗi liên kết chuẩn như trên đã nói

Sơ đồ dẫn xuất chuẩn cũng đồng thời cho ta một hình ảnh cụ thể về tính liên kết chuẩn Các phương tiện đo cũng như các chuẩn đều được đặt vào một mắt xích tương ứng trong chuỗi liên kết chuẩn Kết quả cuối cùng là chúng

đều được nối (so sánh) với chuẩn quốc gia trực tiếp hay gián tiếp Có thể hình dung tính liên kết chuẩn như một dòng họ Chuẩn đo lường quốc gia chính là

"ông tổ" của một dòng họ các phép đo và phương tiện đo của một loại đại lượng tương ứng trong từng nước

1.2.3 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn lưu lượng khí

Để đảm bảo việc truyền đơn vị từ chuẩn đầu lưu lượng khí (hệ thống chuẩn PVTt) đến các chuẩn lưu lượng khác có độ chính xác thấp hơn, cũng

là để đảm bảo tính liên kết chuẩn cần thiết phải xây dựng các sơ đồ liên kết chuẩn

Trước hết, đơn vị được thể hiện bằng chuẩn đầu quốc gia, sau đó được truyền lần lượt đến các chuẩn chính ở các bậc khác nhau bằng việc hiệu chuẩn Tuỳ theo độ chính xác mà phương tiện đo được hiệu chuẩn bằng cách

so sánh với chuẩn công tác ở bậc chính xác này hay bậc chính xác khác Tương tự như vậy, chuẩn công tác cũng sẽ được hiệu chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn chính này hay chuẩn chính khác tuỳ theo độ chính xác của nó

Sơ đồ dẫn xuất chuẩn được trình bày trong hình 1.2

Hình 1-2: Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đơn vị đo khí

Chuông khí chuẩn Vn: (50,100, 1000) dm3 Q: (3-250) m3/h ; u ≤ 0,1 %

Chuẩn dung tích

Hệ thống hiệu chuẩn vòi phun theo PVTt Q: (50 -1000)m3/h ; u ≤ 0,1 %

Chuẩn công tác lưu lượng khí Q: (1 - 10 000) m3/h

u ≤ 0,2 %

Lưu lượng kế kiểu tuốc bin, hoặc

thể tích chuẩn Q: (50 - 10 000) m3/h ; u ≤ 0,2 %

Chuẩn công tác lưu

lượng khí Q: (0,015 - 20) m3/h ; u ≤ 0,2 %

CáC LƯU LƯợNG Kế CHUẩN HOặC CÔNG TáC TạI CáC CƠ Sở Sử DụNG, KINH DOANH, CƠ Sở SảN XUấT, VIệN NGHIÊN CứU…

KIểU : TUốC BIN, SIÊU ÂM, THể TíCH, CáNH QUạT, CON QUAY , TấM CHĂN, VòI PHUN

1.3 Giới thiệu về hệ thống chuẩn đầu lưu lượng khí

1.3.1 Khái niệm

Hệ thống chuẩn đầu về đơn vị đo khí là một hệ thống được xây dựng trên nhiều thiết bị chuẩn Tuỳ thuộc vào đối tượng đo và lưu lượng đo sẽ có thiết bị chuẩn đo khí phù hợp Hiện nay, chúng ta mới đang xây dựng hệ thống gồm hai loại chuẩn:

1 Chuẩn khí kiểu chuông với các chuông khí chuẩn dung tích 50L, 100L và 1000L có lưu lượng làm việc từ 1 đến 250m3/h, độ không đảm bảo đo u ≤ 0,1%

2 Chuẩn khí kiểu PVTt có lưu lượng làm việc từ 50 đến 1000m3/h, độ không đảm bảo đo u ≤ 0,1 %

Với hệ thống chuẩn này, có thể sử dụng để đảm bảo việc sao truyền chuẩn cho các lưu lượng chuẩn có lưu lượng làm việc từ 1 đến 10 000m3/h, độ không

đảm bảo đo u ≤ 0,2 % Các chuẩn này được trang bị cho các Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường khu vực hoặc các tổ chức, cơ sở được uỷ quyền kiểm định Các lưu lượng kế chuẩn này sẽ được sử dụng để kiểm định các đồng hồ đo khí gia đình, lưu lượng kế dùng cho y tế, các nhà máy công nghiệp, bảo vệ môi trường

1.3.2 Các thuật ngữ và định nghĩa

Đo áp suất:

Tại đầu ra áp suất thành ống (dùng để gắn đầu đo áp suất): đo tại lỗ ở thành ống có bờ viền bằng với mặt trong của ống dẫn Phương pháp đầu ra áp suất thành ống (tapping) chỉ ra áp suất tĩnh trong lỗ áp suất tĩnh tại điểm biên ống

- áp suất tĩnh của của khí: là áp suất thực của dòng khí có thể đo bằng cách gắn một áp kế vào đầu ra áp suất thành ống

Đo nhiệt độ:

- Nhiệt độ tĩnh của khí: là nhiệt độ thực của dòng khí

- Nhiệt độ khí trong ống: là nhiệt độ tồn tại trong dòng khí này được mang đến cuối dòng bởi một quá trình đẳng entropy

Chú ý: chỉ sử sụng giá trị nhiệt độ tĩnh tuyệt đối trong chuẩn quốc tế

Vòi phun tới hạn:

- Vòi phun venturi: sự giới hạn hội tụ và phân kỳ được đưa vào hệ thống dùng

để đo lưu lượng khí

- Cổ vòi phun: là khu vực mà đường kính của vòi phun là nhỏ nhất

- Vòi phun venturi tới hạn: là vòi phun venturi sử dụng để đo lưu lượng tới hạn

đặc trưng là đường kính cổ vòi ở điều kiện làm việc

- Số mũ đẳng entropy k : là tỷ số so sánh sự biến đổi áp suất tương ứng với sự biến đổi mật độ biến đổi đoạn nhiệt thuận nghịch (đẳng entropy)

- Hệ số phóng C: tỷ số giữa tốc độ thực và tốc độ lý tưởng có thể đạt được đối với dòng đẳng entropy một chiều trong những điều kiện đầu dòng giống nhau Hệ số này để hiệu chuẩn các tác động do độ cong dòng chảy và nhớt

Đối với các điều kiện thiết kế và lắp đặt vòi phun xác định trong chuẩn quốc

tế, C chỉ là một hàm của Reynolds

- Lưu lượng tới hạn: là lưu lượng cực đại đối với mỗi loại vòi phun venturi với các điều kiện đầu dòng xác định Khi đạt đến tốc độ tới hạn thì tốc độ tại cổ vòi phun tương đương với giá trị tốc độ âm thanh, là tốc độ khi có sự nhiễu loạn áp suất nhỏ lan truyền

- Hàm lưu lượng tới hạn C*: là hàm các tính chất nhiệt động của dòng một chiều đẳng entropy giữa lối vào và cổ vòi phun venturi Nó chỉ phụ thuộc vào loại khí và các điều kiện trong ống

- Hệ số dòng tới hạn của khí thực CR : là dạng biến đổi của C*, sẽ thuận tiện khi dùng cho hỗn hợp khí

C R =C * Z 1/2

Với: Z là hệ số nén

- Tỷ số áp suất tới hạn r*: là tỷ số giữa áp suát tĩnh tuyệt đối của khí ở cổ vòi và

áp suất tuyệt đối trong ống khi lưu lượng khí qua vòi là cực đại

- Tỷ số đối áp suất: là tỷ số áp suất tĩnh tuyệt đối đầu ra vòi phun và áp suất đầu dòng với tốc độ tới hạn

- Số Mach Ma1: (trong điều kiện đầu dòng tĩnh) là tỷ số tốc độ chất lưu trung bình trong ống và tốc độ âm thanh ở đầu vào vòi phun venturi

- Hệ số nén Z: là hệ số hiệu chuẩn sự sai lệch các qui luật hoạt động của khí thực so với khí lý tưởng ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định

Z=pM/ρRT

Với: R là hằng số phân tử gam khí : R=8,3143 J/(mol.K)

- Sai số: Xác định các dải giá trị trong đó tồn tại phép đo giá trị đúng với xác suất 95%

Chương 2: Nguyên lý hoạt động và yêu cầu của

hệ thống chuẩn kiểu PVTt

2.1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống PVTt được sử dụng như là chuẩn đầu lưu lượng khí để hiệu chuẩn các lưu lượng kế chuẩn như vòi phun tới hạn, lưu lượng kế chuẩn kiểu tuốc bin, lưu lượng kế chuẩn kiểu thể tích P,V,T,t là các thông số áp suất, thể tích, nhiệt độ và thời gian Các thông số này rất quan trọng trong quá trình đo và tính toán lưu lượng khí Cấp chính xác của hệ thống phụ thuộc vào khả năng thu nhận

và xử lý chính xác các thông tin này

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn vòi phun theo PVTt

Hệ thống PVTt bao gồm nguồn khí, các van chuyển dòng, bình chứa, bơm chân không, các đầu đo áp suất và nhiệt độ, vòi phun tới hạn venturi nhằm tách

đồng hồ được kiểm tra ra khỏi sự thay đổi áp suất trong đường ống nối phía sau

và bình Quá trình thực hiện phép đo lưu lượng bằng PVTt thực hiện theo các bước sau:

1 Khoá van của bình và thiết lập dòng chảy ổn định qua vòi phun tới hạn

2 Dùng bơm chân không hút khí ra khỏi bình (V T)

3 Chờ cho đến khi nhiệt độ và áp suất trong bình ổn định và ghi các giá trị ban đầu của bình (P T i,T T i) Các giá trị này được sử dụng để tính tỉ trọng và khối lượng ban đầu của khí trong bình (m T i )

4 Đóng van rẽ nhánh và khi mà cả hai van rẽ nhánh và van bình đóng

hoàn toàn thì bắt đầu ghi thời gian khởi động (t i) Tại thời điểm này ghi giá trị (P T i,T T i) Các giá trị này sẽ được sử dụng cùng với phương trình trạng thái của khí

và thể tích của ống nối (V I ) để tính khối lượng ban đầu của khí (m I i ) Ngay sau khi van rẽ nhánh được đóng kín, mở van bình

5 Chờ cho đến khi bình được nạp khí đến áp suất định trước (trong hệ

thống này là 100 kPa), và đóng van bình, ghi lại thời gian dừng (t f) Cùng lúc đó

đo áp suất và nhiệt độ (P T f , V T f ) và tính được giá trị kết thúc của khối lượng khí

ống nối (m I f) Mở van rẽ nhánh

6 Chờ cho đến khi bình ổn định đo PTf, VTf và suy ra mTf

Bằng phương trình cân bằng khối lượng cho thể tích của ống nối và bình

(xem thể tích tô đậm trong hình 2.2), ta có thể tính được lưu lượng khối lượng

trung bình trong khoảng thời gian được ghi :

Hình 2-2: Sơ đồ bố trí các thiết bị chính của hệ thống chuẩn PVTt

Vòi phun tới hạn Nguồn khí

Nếu bỏ qua thay đổi thể tích ở điều kiện ban đầu và kết thúc, ta có:

m& = [VT( ρTf -ρTi) + VI( ρIf -ρI i)] / (tf -ti) (2) Trong đó ρ là tỉ trọng của khí được xác định bằng phương trình trạng thái:

Trong đó Z là thông số nén, M là phân tử lượng và R là hằng số khí

Thời gian bắt đầu và kết thúc có thể được chọn tại bất cứ điểm nào khi mà

các điều kiện của ống nối được đo ngẫu nhiên Bởi vì ẩn trong biểu thức cơ sở

PVTt (2) có hai yêu cầu:

1 Việc đo tỉ trọng bắt đầu và kết thúc phải đồng thời với phép đo thời gian

bắt đầu và kết thúc

2 Không được phép xuất hiện bất cứ một nguồn hay lọt khí vào trong thể

tích được kiểm tra

Điều kiện thứ hai luôn được thoả mãn bởi trong suốt thời gian đo, van rẽ

nhánh được đóng hoàn toàn Không cần thiết phải xác định khối lượng của bình

đồng thời với thời gian bắt đầu, kết thúc bởi vì bình kín hoàn toàn và sẽ thuận lợi

hơn khi đo ở điều kiện ổn định Việc tự do chọn thời gian bắt đầu, kết thúc trong

khoảng thời gian chuyển cho phép chọn khoảng thời gian mà tỉ trọng ban đầu và

kết thúc trùng với nhau và như vậy độ lệch khối lượng (∆mI) trong ống nối sẽ

bằng không và sẽ rất thuận tiện khi loại bỏ một số độ không đảm bảo đo của ống

nối

m& = [ ( mTf -mTi) + ( mIf -mIi)] / (tf -ti) (1)

Biểu thức (2) và (3) là biểu thức cơ bản cho việc tính lưu lượng khối lượng của hệ thống PVTt và cũng là cơ sở của việc biểu diễn độ không đảm bảo đo Thành phần quan trọng nhất tham gia vào độ không đảm bảo đo của chuẩn lưu lượng khí là thể tích bình, tỉ trọng khí trong toàn bộ bình (cả hai đều sao truyền

đến độ không đảm bảo đo áp suất) và độ không đảm bảo đo liên quan đến phép

đo khối lượng trong đường ống nối

Chúng ta sử dụng lưu lượng thể tích L/min cho lưu lượng khí chuẩn của hệ thống PVTt Đơn vị lưu lượng L/min phản ánh thực tế rằng chuẩn PVTt làm việc trên toàn bộ dải đo lưu lượng thể tích không tính đến phân tử lượng của khí được

đo Chúng ta cũng sử dụng điều kiện tiêu chuẩn là 293,15 K và 101,325 kPa khi tính lưu lượng thể tích, vì vậy đơn vị lưu lượng thể tích tương ứng với “lít chuẩn trên phút” hay slm

2.2 Thiết kế và hoạt động của hệ thống chuẩn PVTt

Một trong những nguồn độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lưu lượng PVTt là đo nhiệt độ trung bình của khí trong bình, nhất là sau khi nạp Quá trình hút và nạp khí đẫn đến việc tăng, giảm nhịêt độ khí trong bình do có dòng chảy và hiện tượng động lực Cường độ của ảnh hưởng phụ thuộc vào lưu lượng Tuy vậy, nhiệt độ có thể tăng trong bình đoạn nhiệt tới 10 K hoặc lớn hơn Chính vì vậy, ngay sau khi hút hay nạp, có gradien nhiệt đáng kể trong bình chứa Đối với bình lớn, thời gian ổn định nhiệt của khí có thể kéo dài đến vài giờ Trong phương pháp này, để tránh mất nhiều thời gian cân bằng và các trở ngại đo nhiệt

độ trung bình của khí không đồng nhất bằng cách thiết kế một bình chứa có khả năng cân bằng nhiệt nhanh khí nạp được nhúng trong một bể chứa nước có thiết

bị khuấy và được cách nhiệt (Hình 2.3 và 2.4) Tuy nhiên đối với bình chuẩn

dung tích lớn phục vụ cho hiệu chuẩn lưu lượng lớn (đến hàng ngàn m3/h) việc

xây dựng bể nước sẽ rất khó khăn và tốn kém Do vậy người ta vẫn sử dụng cả mô hình cân bằng nhiệt “khô” và “ướt” đối với hệ thống chuẩn PVTt

Hình 2-3: Bình chuẩn PVTt 5000L

Hiện nay tại Trung tâm đo lường Việt nam đang xây dựng 2 hệ bình chuẩn PVTt theo kiểu này Một loại “khô” với bình chuẩn dung tích 5000 L để trong môi

trường không khí (hình 2.3) và một loại “ướt” với bình chuẩn 1000L để ngâm trong

bể nước Loại “ướt” được xây dựng theo mô hình của Viện Tiêu chuẩn và Công

nghệ Mỹ (NIST) (hình 2.4, 2.5) Sơ lược các phân tích lý thuyết và thực hành sau

đây được tiến hành bởi các nhà khoa học tại NIST, hiện chúng ta đang tiếp cận và xây dựng một mô hình tương tự tại Trung tâm đo lường Việt nam

Với loại bình ngâm nước, có hai bình chứa là 50 L và 1000 L Bởi vì sự cân bằng của thể tích 1000 L chậm hơn, do đó bình 1000 L bao gồm 8 hình trụ dài 2,5 m bằng thép inox dày 0,6 cm và có bán kính trong a=10 cm Do toàn bộ khí chỉ cách thành trong vòng 10 cm, nhiệt độ của khí được cân bằng khá nhanh

so với nhiệt độ của nước trong bể Sau khi nhiệt độ khí cân bằng với bể, thì nhiệt

độ của khí được xác định khá đơn giản bằng phép đo nhiệt độ của nước tuần hoàn Đặc biệt là phép đo nhịêt độ nước được thực hiện bới 14 đầu đo có độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 0,4 mK trong thời gian 20 phút cân bằng

Hình 2-4: Sơ đồ các bình chứa của hệ thống PVTt, bể nước, đường dẫn nước và các thiết bị kiểm tra nhiệt độ

2.2.1 Bể nước

Bể nước hình hộp có chiều dài 3,3 m, chiều rộng 1m và chiều cao 1m Các ống nối được đỡ bằng khung kim loại và được bao bằng một ống nối hình hộp bằng vật liệu policarbonat ống hộp bao cả bốn mặt dọc theo bó ống nối và hở hai

đầu ở một đầu ống nối nước được khuấy mạnh và nhiệt độ nước được điều nhiệt

để bằng với nhiệt độ của phòng (296,5 K) bằng cách sử dụng máy sấy nóng và

Mực nước

Bình chứa 50 L

Đường dẫn nước

Bình chứa 1000 L

Thiết bị làm nóng,lạnh và khuấy

đường ống nối nước lạnh tuần hoàn Cánh quạt đẩy nước dọc theo ống nối hộp Khi nước được đẩy đến đầu kia của ống nối hộp thì thoát ra ngoài và quay ngược trở lại ống hộp được bố trí cách thành bể chứa 10 cm

Hình 2-5: Bình 50L và 1000 L được nhúng vào

bể nước để kiểm soát nhiệt độ

Độ đồng đều và ổn định của nhiệt độ nước trong bể được đo bằng 14 đầu

đo nhiệt Các đầu đo nhiệt được bó lại tại một điểm trong bể và được đưa về

không Sau đó chúng được phân bố đều trong bể Hình 2.6 in các thông số nhiệt

độ của 14 đầu đo được ghi mỗi khoảng năm giây Hầu như tất cả các thông số

đều nằm trong ±1 mK quanh giá trị trung bình và độ lệch bình phương trung bình

là 0,4 mK Sự thay đổi nhiệt lớn nhất là khi nước bắt đầu vào hộp và biểu hiện sự khuấy không đều Thành của bể hấp thụ sự thay đổi này trước khi chúng lan tới

Bình 50 L

Bình 1000 L

Van đảo chiều lớn

Van đảo

chiều nhỏ

Thiết bị làm nóng, lạnh và khuấy

khí Do đó sau khi ổn định thì sự không đồng đều của nước bể và sự dao động nhiệt của khí nhỏ hơn ±1 mK (3 x10-6 T)

Hình 2-6 Số liệu nhiệt độ của 14 đầu đo nhúng trong bể

Theo mục tiêu đề ra, chúng ta phải ước lượng được hằng số thời gian (τgas) đặc trưng cho sự cân bằng của khí trong bình chứa sau khi nạp Giả thiết

sự truyền nhiệt theo ống nối dài vô hạn, đoạn nhiệt,“đặc” có bán kính là a đối với phương thức chậm nhất, đối xứng hướng kính, τgas = (a/2,405)2/DT, trong

đó DT là nhiệt dẫn của khí Đối với khí ni tơ, theo (1) ta có thời gian 80 s đối với bình 1000L Sự ước lượng τgas lớn tới mức mà có thể bỏ qua sự dẫn nhiệt đến

đầu bình và các hình thức dẫn nhiệt khác đều xảy ra nhanh hơn Các hằng số thời gian đối với nhiệt của khí chảy trong bình và các chỗ nóng, lạnh trên thành bình

đều được tính và có kết quả trong vòng một giây Do đó chúng ta có thể hy vọng rằng thời gian cân bằng của khí nạp sẽ bằng hoặc nhỏ hơn 80 s

Thời gian (phút)

Hình 2-7: Sự cân bằng nhiệt độ và áp suất ngay sau khi bình 50 L được nạp với lưu lượng 25 L/min

Sự cân bằng của khí nạp được quan sát bằng thực nghiệm khi sử dụng bình chứa như là nhiệt kế khí có thể tích không đổi Sau khi van bình được đóng, áp

suất khí được hiển thị như hình 2.7 Các kết quả phân tích chỉ ra rằng nhỏ hơn

τgas 60s đối với cả hai bình 50 L và 1000 L và chúng phù hợp với ước lượng

trước đó Hằng số thời gian đo được trong hình 2.7 chỉ ra rằng thời gian chờ 20

phút đảm bảo cho khí sẽ cân bằng với bể

Các ống nối giữa các bình cũng được ngâm hoàn toàn trong bể, do đó khí

sẽ nhanh chóng cân bằng với nước trong bể Tuy vậy nỗi hệ thống nạp khí đều có một thể tích khí nhỏ không đều nhiệt, thí dụ đó là khí trong ống nối từ van đảo chiều đến bình, trong các đầu đo áp v.v

2.2.2 Sự thay đổi khối lượng trong ống nối

Như đã được chỉ ra trong phần 1, thời gian bắt đầu ti và thời gian kết thúc tf

được sử dụng trong biểu thức (1) và (2) được đếm tại các điểm “nút cuối” khi cả

hai van bình và van rẽ nhánh đều đóng, có nghĩa là chúng ta sử dụng sự chuyển

tiếp có “điểm không chồng lên nhau” (hình 2.8)

Sự lựa chọn này có ưu điểm là loại khả năng đếm cân bằng khối lượng của các loại khí chảy qua vòi phun khi chuyển ra ngoài hay khi nạp Đáng tiếc là

việc này không cho phép xác định được m I

Phương án giải quyết sự thay đổi khối lượng trong ống nối bao gồm hai

điểm Điểm thứ nhất, theo thiết kế, thể tích của ống nối VI nhỏ hơn nhiều so với thể tích của bình VT (đối với hệ thống 50 L, VT/VI = 500; Đối với hệ thống 1000

L, VT/VI = 700 ) Như vậy, độ không đảm bảo đo của lưu lượng khối lượng bị ảnh

hưởng không đáng kể bởi độ không đảm bảo đo m I

f và m I i do cả hai đều nhỏ so với toàn bộ khối lượng của khí nạp Điểm thứ hai, chúng ta chọn ti ở gần cuối thời gian chuyển, và tf được chọn sao cho P(ti) = P(tf) Việc chọn lựa này được gọi là phương pháp “loại trừ khối lượng”: khi cả hai tỉ trọng ban đầu và kết thúc bằng nhau, ∆mI sẽ bằng không và chỉ cần lưu ý ∆mI như là một phần của độ không đảm bảo đo lưu lượng chứ không tham gia vào phép tính lưu lượng

Tính đối xứng của việc chuyển dòng và sự loại trừ khối lượng cũng có ích

đối với độ không đảm bảo đo do có sự tương quan lớn của độ không đảm bảo đo của phép đo áp suất và nhiệt độ cho ∆mI

Chúng ta tiến hành đánh giá phương án trên trong việc lựa chọn ti và tf cho cả hai chuẩn lưu lượng 50 L và 1000 L Để đánh giá hệ thống 50 L, chúng ta nạp các lưu lượng đồng nhất trong phạm vi 3 L/min đến 100 L/min vào cả hai bình 50

L và 1000 L, bình lớn được sử dụng như là chuẩn đối với bình nhỏ do độ không

đảm bảo đo của nó khá nhỏ tại dải lưu lượng này Để đánh giá hệ thống 1000 L, chúng ta nạp dòng đồng nhất vào bình 1000 L theo hai phương thức Theo phương thức thứ nhất, thể tích ống nối được giới hạn tại lúc bắt đầu và kết thúc bằng phương pháp thông thường Theo phương thức thứ hai, việc nạp được chia làm hai giai đoạn, làm tăng gấp đôi ∆mI và tính phân bố độ không đảm bảo đo của chúng

Các phép đánh giá chỉ ra rằng độ không đảm bảo đo của thể tích ống nối tỉ

lệ với lưu lượng lấy cơ sở là mô hình nhiệt động của áp suất và nhiệt độ chuyển tiếp làm cơ sở Nếu độ không đảm bảo đo của ống nối được cho là tăng theo thời gian nạp, độ không đảm bảo đo thay đổi theo lưu lượng khối lượng đối với bình

50 L là : u∆mI = 200x10-6m& Đối với bình 1000 L sự chuyển đổi đơn hay kép là thay đổi phép đo lưu lượng khoảng 75x10-6m&

Các điều kiện của thể tích ống nối trong thời gian chuyển được chứng minh bằng cả mô hình và thực nghiệm Thực nghiệm chỉ ra rằng T(t) và P(t) gần như không đổi trong thời gian chuyển lúc bắt đầu và kết thúc Cuối cùng chúng ta thấy rằng ∆mI không nhậy với tI, với giả thiết P(ti) = P(tf) được áp dụng ở gần cuối thời gian chuyển

2.2.3 Các điều kiện trong thể tích ống nối

Hình 2.8 biểu diễn sự phụ thuộc của thời gian vào nhiệt độ T(t) và áp

suất P(t) trong ống nối của hệ thống nhỏ tại lưu lượng đặc trưng ( m& = 25L/min; thời gian nạp là 82 s) Thời gian chuyển (τ = 0) được tính từ tham số lồi và mô hình nhiệt động được Wright và Johnson thiết lập (hai nhà khoa hoc tại Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Mỹ - NIST) Mô hình giả thiết lưu lượng khối

lượng m& tại lối vào ống nối là hằng số Mô hình bỏ qua sự truyền nhiệt giữa

khí với môi trường chung quanh và các điều kiện không đồng nhất thí dụ dòng khí phản lực vào trong ống nối

Hình 2-8: Số liệu thực nghiệm (25 L/min, bình 50 L) và mô hình nhiệt động cho hằng số thời gian bằng không và khác không

Trong hình 2.8, T(t) và P(t) được tính với giả thiết là van chuyển dòng

giảm tuyến tính lưu lượng cho tới không trong thời gian -0,02s < t < 0 Bằng thực nghiệm chung ta đo các giá trị T(t) và P(t) với tần số 3000 Hz (đường cong nhẵn) cũng được nêu trong hình 2.8 Sự khác nhau lớn nhất giữa đường cong đo được và thời gian được tính (τ = 0) với hằng số thời gian của các đầu đo T(t) và P(t)

Thực nhiệm

Mô hình Mô hình Mô hình

Thực nhiệm Mô hình Mô hình

Thời gian (s)

Thời gian (s)

Điều này chỉ ra sự thống nhất giữa đường cong thí nghiệm và mô hình khi mà thời gian được thống nhất

Trong hình 2.8, các đường cong được tính không thể hiện được quá trình

đóng van Vì vậy ngay cả các số liệu T(t) và P(t) của các đầu đo có chất lượng cao cũng không được sử dụng để đánh dấu sự kiện này Do đó, các khoảng thời gian ti và tf được chọn phải chắc chắn nằm trong khoảng thời gian chuyển dòng

Hình 2.8 cũng chỉ ra rằng các giá trị T(t) và P(t) đo được là hoàn toàn phù

hợp với mô hình Wright-Johnson đối với thể tích ống nối khi mà xác định được giới hạn của thời gian phản hồi của các đầu đo Tuy vậy điều này không đủ để tính một cách chính xác ρ(t) từ phép đo T(t) và P(t) bởi vì các phân đoạn của dòng khí được nạp khi mà van đóng không thể suy ra từ các phép đo Để thay thế, chúng ta phải dựa vào đầu đo áp suất để chon ti Đầu đo áp suất được ưu tiên hơn so với đầu đo nhiệt độ do chúng phản ứng nhanh hơn và hiển thị các giá trị trung bình của thể tích ống nối nhanh hơn là tại một điểm Chúng ta chọn ti ở gần cuối khoảng chuyển, khi mà các phép đo áp suất P(t) gần như tương tự như ở mô hình τ=0 ở chế độ này đạo hàm dP/dt có giá trị lớn và sự phụ thuộc của nó chủ yếu vào kích thước của van đóng Do sự phụ thuộc vào việc đóng van bị bỏ qua, chúng ta giả thiết rằng P(t) sẽ không đổi trong thời gian đóng - mở, nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại trừ khối lượng cũng như sự tương quan về độ không

đảm bảo đo của tỉ trọng lúc bắt đầu và kết thúc

2.2.4 Sự cận đối xứng của P(t) tại thời điểm bắt đầu và kết thúc

Hình 2.9 chỉ ra các số liệu được ghi của T(t) và P(t) tại thời điểm bắt đầu

và kết thúc của phép đo lưu lượng đơn Các số liệu được ghi với tần số 3000 Hz trong khoảng 500 ms và được in theo trục nằm ngang Nhiệt độ và áp suất tại thời

điểm bắt đầu thấp hơn một chút so với thời điểm kết thúc, tuy vậy cả hai bản ghi

đều trùng nhau trong khoảng thời gian chuyển dòng Điều này có nghĩa là thời gian phụ thuộc của tỉ trọng cũng gần như trùng nhau

Hình 2-9: Số liệu chồng của ống nối bám theo thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển dòng của bình 50 L tại lưu lượng 25 L/min biểu diễn tính đối xứng của van chuyển dòng Thời gian chuyển

dòng khoảng 15ms

Trong cả hai chiều chuyển động thể hiện trên hình 2.9, tín hiệu chuyển

dòng của van được ghi cùng với phép đo nhiệt độ và áp suất bằng một card thu

tín hiệu đặc biệt (hình 2.10) Tín hiệu chuyển dòng được điều chế từ một cặp

phôtô điot và một cờ gắn trên cần van và tạo ra một xung điện áp dương khi van

Bắt Kết thỳc

đóng Các tín hiệu của van được dùng để điều khiển bộ đếm thời gian tương ứng với thời gian nạp

Hình 2-10: Số liệu ghi của đầu đo và tín hiệu van chuyển dòng của ống nối được sử dụng để hiệu chỉnh thời gian nạp và cải thiện việc loại trừ khối lượng ban đầu và kết thúc cũng như độ không đảm bảo đo của ống nối

2.3 Các phương trình tính toán lưu lượng

Để tính toán được lưu lượng khí tại vòi phun và trong bình , ngoài các phương trình (1), (2), (3) tính khối lượng khí ở phần đầu ta còn một số phương trình tính toán khác cần sử dụng trong phần mềm

Công thức tính lưu lượng khối lượng khí qT tại bình:

qT = Vt t *Vo M *⎢⎣⎡⎜⎝⎛P Po2*T To2⎟⎠⎞ư⎜⎝⎛Po P1*To T1⎟⎠⎞⎥⎦⎤ (4)

Trong đó:

- P1 : áp suất bình chuẩn trước khi nạp khí (kg/m.s2)

Thời gian ∆t theo tín hiệu van

∆t cho áp suất đồng nhất của ống nối

- P2 : áp suất bình chuẩn sau khi nạp khí (kg/m.s2)

- P0 : ápsuất tiêu chuẩn (kg/m.s2)

- T1 : nhiệt độ bình chuẩn trước khi nạp khí (oK)

- T2 : nhiệt độ bình chuẩn sau khi nạp khí (oK)

- T0 : nhiệt độ tiêu chuẩn (273,15oK)

- t : thời gian từ lúc bắt đàu đến khi kết thúc nạp khí (s)

- Vt : thể tích danh định bình chuẩn (m3)

- V0: thể tích mol khí tại điều kiện tiêu chuẩn (22,4 m3/kmol)

- M: khối lượng mol (kg/kmol)

Công thức tính lưu lượng khối lượng tại vòi phun qm:

qm=

M T R

P C Cd A

- P : áp suất tiêu chuẩn

- T : là nhiệt độ trước vòi phun

Công thức tính số Reynolds :

3

10

*4,110

8,145

*

4Re

Chương 3: chương trình điều khiển hệ thống

chuẩn PVTt

3.1 Giới thiệu chung

Để vận hành được hệ thống chuẩn PVTt, có rất nhiều thiết bị trợ giúp Bên cạnh các thiết bị phần cứng cần phải có một chương trình phần mềm theo dõi và

điều khiển quá trình hoạt động của toàn hệ thống khi thực hiện các phép đo

Hỗ trợ phần cứng là các thiết bị như thiết bị Agilent, thiết bị điều khiển van chuyển dòng và bộ đếm thời gian Thiết bị Agilent sẽ truyền tín hiệu analog

từ sensor tới PC thông qua giao tiếp GPIB Giá trị thời gian được truyền qua giao tiếp cổng COM Những thông tin này sẽ làm đầu vào cho phần mềm xử lý bằng ngôn ngữ LabView

Phần mềm cần phải được thiết kế để tiếp nhận giá trị điện áp và điện trở từ các sensor, hiệu chuẩn các giá trị này thông qua bảng hiệu chuẩn Giao diện dễ nhìn, dễ thao tác với người sử dụng và quan trọng nó cho phép nhập thông số hiệu chẩn cho từng sensor khác nhau Sau đó phần mềm tính toán và hiển thị kết quả đo lưu lượng khối lượng trên hệ thống một cách trực quan và chính xác Các kết quả phải được lưu lại dạng file Excel để theo dõi và lưu trữ

3.2 Phần cứng hỗ trợ điều khiển

3.2.1 Đặc điểm chung phần cứng

a Thiết bị Agilent HP34970A (Hình 3.1)

Hình 3-1: Thiết bị Agilent HP34970A

• Là một thiết bị điện tử chuyên dụng, thường được sử dụng cho phòng thí nghiệm

• Có khả năng điều khiển thông thường

• Có khả năng phối hợp trở kháng và thu nhận dữ liệu từ các sensor tốt

• Giao tiếp người dùng đơn giản, dễ thực hiện trên thiết bị và trên PC

• Môi trường điều khiển, thu thập và xử lí số liệu có thể được lập trình bằng ngôn ngữ Labview, Visual basic, C++ và C#

b Thiết bị điều khiển chuyển dòng (Hình 3.2)

• Là một thiết bị điện tử chuyên dụng, được thiết kế riêng sử dụng trong

đo lường và điều khiển

• Khă năng điều khiển cao

• Khă năng thu nhận và xử lí số liệu thông thường

• Giao tiếp người dùng đơn giản trên cả PC và thiết bị

Hình 3-2: Thiết bị điều khiển chuyển dòng

c Thiết bị đếm thời gian: Sử dụng vi điều khiển 8051

Hình 3-3: Thiết bị đếm thời gian

3.2.2 Phối hợp các chức năng phần cứng

a Agilent HP34970A

• Thu nhận tín hiệu đồng bộ và dữ liệu từ thiết bị điều khiển chuyển dòng

• Thiết lập các thông số cho các kênh đầu vào

• Thu nhận dữ liệu từ các kênh đã thiết lập

• Hiển thị giá trị tức thời các kênh đã thiết lập

• Tính toán đưa ra thông tin về lưu lượng khối lượng và hệ số phóng Cd

• Lưu trữ dữ liệu chưa tính toán và đã tính toán vào file.xls

b Thiết bị điều khiển chuyển dòng

• Điều khiển 2 van chuyển dòng

• Gửi tín hiệu đồng bộ qua kênh số đến Agilent

c Thiết bị đếm thời gian

• Xác định thời diểm bắt đầu Start-Stop căn cứ vào độ mở của van

• Tính thời gian với độ phân dải ms

• Truyền giá trị thời gian thông qua giao tiếp COM

3.3 Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển

Sử dụng ngôn ngữ Labview lập trình dựa trên các yêu cầu về phần cứng hệ thống, ta có các bước tiến hành xây dựng phần mềm sau

- Thiết kế giao diện

- Thiết kế các Mô-đun chính:

• Mô-đun đầu vào: giao tiếp cổng COM

• Mô-đun thiết các lập thông số đầu vào cho các kênh ( áp suất, nhiệt độ,)

• Mô-đun hiển thị giá trị tức thời

• Mô-đun đồng bộ tín hiệu điều khiển