Đánh giá độ không đảm bảo đo của Chuẩn đầu lưu lượng nước ở Việt nam Nguyễn Hồng Thái, Viện Đo lường Việt Nam Phan Nguyên Di, Học viện KTQS Mở đầu Hiện nay ở Việt nam có rất nhiều lưu
Trang 1Đánh giá độ không đảm bảo đo của Chuẩn đầu lưu lượng nước ở Việt nam
Nguyễn Hồng Thái, Viện Đo lường Việt Nam Phan Nguyên Di, Học viện KTQS
Mở đầu
Hiện nay ở Việt nam có rất nhiều lưu lượng kế có các cấp chính xác từ 0,2 – 5 được
đưa vào sử dụng để đo lưu lượng chất lỏng trong đường ống dẫn kín Việc tiến hành hiệu chuẩn, kiểm tra và kiểm định các lưu lượng kế này trước khi đưa vào sử dụng cũng như
định kỳ là cần thiết Từ trước tới nay chúng ta chưa xây dựng được hệ thống đo lưu lượng chuẩn để có thể tiến hành thử nghiệm các lưu lượng kế nói trên, do đó việc xây dựng một
hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước là cần thiết và cấp bách Nhưng để có cơ sở chứng minh
được tính khả thi của hệ thống cần phải ước lượng được độ không đảm bảo đo của toàn bộ
hệ thống và từ đó xác định được cấp chính xác cũng như yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc của các thiết bị đo cần phải được trang bị
1 Mô tả hệ thống :
Hình 1 là sơ đồ của một hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước
Nguồn lưu lượng chuẩn có phạm vi lưu lượng từ 1 - 200 m3/h được tạo ra từ bể tràn
đặt trên một độ cao khoảng 30m như sau : Cụm 02 máy bơm nước (1) có bơm nước từ bể chứa (14) qua đường ống dẫn nước (2) lên bể tràn (3) nhằm tạo ra một cột áp cố định Lượng nước được bơm lên luôn được đảm bảo 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 giữ ổn định, do đó áp suất ban đầu của dòng chảy xuống không bị thay đổi [1]
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 là 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 cột áp ổn định, do vậy mà lưu lượng của dòng chảy
được tạo ra từ bể tràn cũng là một lưu lượng ổn định, đây là một yêu cầu hết sức cần thiết cho một hệ thống chuẩn đầu lưu lượng Các lưu lượng kế cần được kiểm định hoặc hiệu
Trang 2chuẩn (8) được mắc nối tiếp với bộ lưu lượng kế chuẩn (7) Sau khi đi qua đoạn đo trên, nước chảy qua máng lật (9) trước khi vào bình chuẩn (10) có sai số <0,02%
1 Bơm nước ; 2 ống dẫn nước lên; 3 Bể tràn ; 4 Lưỡi tràn; 5 ống dẫn nước xuống; 6 Nắn dòng tiêu chuẩn; 7 Lưu lượng kế chuẩn ; 8 Lưu lượng kế cần hiệu chuẩn; 9 Máng lật; 10 Bình chuẩn; 11 Đường xả từ bình chuẩn và máng lật về bể nguồn; 13 ống dẫn nước từ bể tràn về bể nguồn; 14 Bể nguồn
Ngoài ra, tại thân các bình chuẩn, trên toàn bộ đoạn đo, tại các vị trí lắp lưu lượng
kế chuẩn và lưu lượng kế được hiệu chuẩn hay kiểm định, đều được gắn các cảm biến nhiệt
độ có sai số <0,20C để theo dõi và thu thập các tham số về nhiệt độ dùng cho việc tính toán lưu lượng chuẩn
11
3
4
5
6
8 7
14 10
9
1
2
13
Hình 1 Sơ đồ tổng thể hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước
12
Trang 3áp kế có cấp chính xác 0,1 được gắn tại lưu lượng kế chuẩn và lưu lượng kế được kiểm định hay hiệu chuẩn để theo dõi sự biến đổi áp suất trên đoạn đo và để bù độ dãn nở
do áp suất trong đường ống gây ra khi tính lưu lượng chuẩn
Nước sau khi sử dụng và tràn thừa được đưa về bể chứa (14) biến thành một chu trình kín
2 Mô tả phương pháp [5]:
Hình 2 Sơ đồ phương pháp dùng máng lật và bình chuẩn - Chảy ra
Hình 3 Sơ đồ phương pháp dùng máng lật và bình chuẩn - Chảy vào
Đường xả
Van
Lưu lượng kế
Bình chuẩn
Đường xả
Van
Lưu lượng kế
Bình chuẩn
Trang 4Chất lỏng kiểm định được điều chỉnh lưu lượng và chảy liên tục qua máng lật vào
đường xả ( hình 2 )
Khi có tín hiệu bắt đầu kiểm định, máng lật chuyển động lái dòng chất lỏng chảy vào bình chuẩn đồng thời khởi động bộ đếm thời gian ( hình 3 )
Khi có tín hiệu đầy chất lỏng từ bình chuẩn, máng lật lại được đảo chiều để chuyển dòng chất lỏng vào đường xả, bộ đếm thời gian được dừng lại Việc xác định lưu lượng
được tính theo tỉ số gữa thể tích chất lỏng trong bình chuẩn và thời gian chảy vào bình chuẩn
3 Phương pháp ước lượng độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lưu lượng nước
3.1 Lập mô hình toán học
Để có thể ước lượng được chính xác nhất độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lưu lượng chúng ta cần phải xác định độ không đảm bảo đo của từng đại lượng và sự liên quan của chúng tới kết quả đo Các đại lượng này được xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu và tính toán độ không đảm bảo đo của các hệ thống chuẩn đầu lưu lượng của các nước và tiêu chuẩn ISO [4] [6]
3.2 Xét các yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của lưu lượng bao gồm [2]:
1- Độ không đảm bảo đo của bình chuẩn
2- Độ không đảm bảo đo của bộ đếm thời gian
3- Độ không đảm bảo đo của máng lật
4- Độ không đảm bảo đo của nhiệt kế đo nhiệt độ nước tại bình chuẩn
5- Độ không đảm bảo đo của nhiệt kế đo nhiệt độ nước tại đoạn đo
6- Độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng của bay hơi và bọt nước gây ra bởi máng lật
7- Độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng của bọt khí trong đoạn ống đo
8- Độ không đảm bảo đo của chênh lệch áp suất giữa đoạn đo và bình chuẩn
9- Độ không đảm bảo đo do dao động lưu lượng
Ta có lưu lượng nước đi qua đoạn ống đo được tính bằng công thức sau :
( )1
t V
Q= dd
Trong đó V đđ là thể tích của nước chảy qua đoạn đo trong thời gian t
Ta có :
Trang 5Các ký hiệu và ý nghĩa :
bình chuẩn và 20oC
chuẩn và đoạn đo
Bảng 1 Ký hiệu và ý nghĩa
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bình chuẩn
K bc số hiệu chỉnh độ lệch của bình chuẩn là độ lệch giữa giá trị thực của bình chuẩn so với
giá trị danh nghĩa của bình chuẩn Giá trị thực của bình chuẩn là giá trị được xác định khi cân lượng nước cất được chứa tới vạch dấu của bình chuẩn và qui đổi về 20oC
Số hiệu chỉnh cho độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và 20 o C
K T20 =γb(20ưT bc) (3)
γb là hệ số dãn nở khối của vật liệu làm bình chuẩn
T bc là nhiệt độ đo được của chất lỏng chứa trong bình chuẩn và cũng là nhiệt độ của thành bình chuẩn
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và đoạn đo
K T =γn(T dd ưT bc) (4)
γb Hệ số dãn nở khối của nước
T dd Nhiệt độ trung bình đo được của nước tại đoạn đo
T bc Nhiệt độ đo được của nước chứa trong bình chuẩn
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bộ đếm thời gian
M
T T t
K =δ (5)
δT là sai số hệ thống của bộ đếm thời gian
T M là thời gian của phép đo ( thời gian nạp đầy nước vào bình chuẩn )
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của máng lật
M
cut cut
b a M
Kl v
v v M
Kl Kl ml
T
T q
q q T
T q
q q T
T T K
2
2 1 2
Trang 6TKl1(2) Thời gian trong lúc lưỡi gạt chuyển vị trí từ khi phát tín hiệu đo tới
lúc lưỡi đạt được vị trí giữa của tia để bắt đầu (hay kết thúc phép đo)
TKl Gía trị trung bình của TKl1và TKl2
Tcut Thời gian tia chất lỏng bị lưỡi gạt cắt ngang khi chuyển vị trí
qv1(2) Lưu lượng lúc bắt đầu (kết thúc) phép do
qa Phần lưu lượng chảy ngược lại khi lưỡi gạt nằm ở vị trí giữa tia
qb Phần lưu lượng chảy vào bình chuẩn khi lưỡi gạt nằm ở vị trí giữa tia
qcut = qa+ qb
Số hiệu chỉnh cho khả năng chịu nén của chất lỏng
Kp = χT(p0 - pFM) (7)
χT Hệ số chịu nén đẳng nhiệt của chất lỏng đo ở pFM
pFM áp suất trung bình tại vị trí đo trong một phép đo
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do sự bay hơi và bắn bụi nước
Kbh được coi là rất nhỏ do thời gian tiến hành phép đo ngắn ( < 120 giây ) và nhiệt độ của nước chỉ dao động trong khoảng từ 20 – 40 oC
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do bọt khí trong chất lỏng
KG= VGM+VGR1- VGR2 (8)
VGM Dung tích tổng thể của tất cả các bọt khí chảy qua tiết diện tại nơi đo
VGR1(2) Dung tích tổng thể của tất cả các bọt khí ở ống giữa khi bắt đầu và kết thúc
phép do
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do dao động lưu lượng
Độ lệch chuẩn của VM trong một loạt phép đo lưu lượng dưới những điều kiện lặp lại
1.3.3 Tổng hợp các đại lượng ảnh hưởng và sự đóng góp của chúng vào độ không
đảm bảo đo tổng thể
Theo phương trình (1) độ không đảm bảo đo lưu lượng phụ thuộc vào độ không đảm bảo đo của thể tích Vdd và thời gian t Do độ không đảm bảo đo mong muốn của hệ thống là 1.10-3 lớn hơn nhiều so với độ không đảm bảo đo của phép đo thời gian ( <1.10-5), chúng ta chỉ cần xét đến độ không đảm bảo đo của phép đo Vdd
Bảng 2 cho biết danh mục tất cả các đại lượng ảnh hưởng đến phép đo xi nằm trong mô-đun toán học biểu diễn quá trình đo theo phương trình (2) cũng như sự đóng góp của chúng vào độ không đảm bảo đo u(V) của kết quả đo Vdd
Dưới đây là cách tính giá trị tương đối, có nghĩa là với độ không đảm bảo chuẩn tương đối của các đại lượng ảnh hưởng u(xi)/xi và độ không đảm bảo đo tương đối của kết quả đo u(V)/V.
Sự đóng góp ui (V) / V.của đại lượng ảnh hưởng xi thứ i vào độ không đảm bảo tổng thể u(V)/Vcó giá trị là:
Trang 7
V
x u x
V V
V
i
)
(
δ
δ
= (9) Phương trình này được trình bày bảng 2, cột (2)
Bảng 2
Đặc trưng
(1)
Đại lượng
ảnh hưởng
x i
(2)
Độ không đảm bảo
đo tương đối
u i (V M )/V M
(3)
Độ không đảm bảo tương đối cho phép [u i (V M )/V M ] max
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của
bình chuẩn (Bình chuẩn 200 L ,
umax<20.10-5 )
Số hiệu chỉnh cho độ lệch phép đo do
chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn
và 20oC (Nhiệt kế 0-50oC, vạch chia
0,1oC, sai số 0,2oC)
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do
chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn
và đoạn đo (Nhiệt kế 0-50oC, vạch
chia 0,1oC, sai số 0,2oC)
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bộ
đếm thời gian ( Đồng hồ thời gian,
phân giải 0,001 s, sai số 0,01s )
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của
máng lật ( Đồng hồ thời gian, phân
giải 0,001 s, sai số 0,01s, thời gian
đóng < 0,15s, độ lệch điểm đóng mở
< 1 mm )
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do
chất lỏng bị nén ( áp kế 0-0,4 MPa,
sai số 0,001 MPa , áp suất lớn nhất
trong đường ống 0,25 MPa)
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do sự
bay hơi và bắn bụi nước ( Thử
nghiệm)
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do bọt
khí trong chất lỏng (Thử nghiệm
bằng máy hút khí )
Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do dao
động lưu lượng (thay đổi chiều cao
cột nước tại bể tràn ±3mm tại 25 m,
thay đổi nhiệt độ 0,2oC trong 1 phép
đo )
Bảng 2 ước lượng độ không đảm bảo đo của các đại lượng
Và lúc đó độ lệch chuẩn trung bình tương đối của kết quả đo Vdd được trình bày như sau:
∑
=
= n
1 i
2
) V
) V ( u
V
) V ( u
(10)
Trang 8Thay các giá trị lớn nhất về độ không đảm bảo đo của bình chuẩn, dung tích bình chuẩn, độ không đảm bảo đo của nhiệt kế, nhiệt độ môi trường và nước, độ không đảm bảo
đo cảu áp kế, áp suất của nước trong đường ống, độ không đảm bảo đo của bộ đếm thời gian , sai số cơ khí của máng lật vào các phương trình ở cột 2 bảng 2, ta có các kết quả của độ không đảm đo lớn nhất của từng đại lượng ở cột 3 bảng 2
Trên thực tế thì sự ảnh hưởng vào kết quả đo của từng đại lượng là khác nhau, thí dụ
ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hay ảnh hưởng của máng lật là lớn, trong đó ảnh hưởng của việc lẫn bọt khí trong nước hay tính nén của nước lại rất nhỏ
Theo bảng 2 tổng kết độ không đảm bảo đo của từng thành phần, chúng ta thấy các giá trị lớn nhất của độ không đảm bảo đo của từng đại lượng có ảnh hưởng tới độ không
đảm bảo đo của hệ thống
Ta có :
1 max
10 4 , 0 2
max
) ( )
=
=
=
∑n
V i
u V
V u
(11)
Nếu áp dụng phân bố chuẩn với xác suất tin cậy lấy bằng 95 % và hệ số phủ k = 2
ta có độ không đảm bảo đo mở rộng lớn nhất của hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước là :
max
10 8 , 0 )
(
=
V
V u k
kết luận
Từ (14) ta thấy hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước có khả năng đạt được độ không
đảm bảo đo < 0,1.10-3, độ không đảm bảo đo này cũng tương đương với độ không đảm bảo
đo của các hệ thống chuẩn đầu lưu lượng của các nước như Hàn quốc, Trung quốc
Công trình được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của Hội đồng khoa học tự nhiên
tài liệu tham khảo
1 Philip M Gerhart, Richard J Gross “Fluid Mechanics “- Addison Wesley Publishing Company -Năm 1985
2 “Cơ sở đo lường học “- Trung tâm đào tạo - Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Năm 1999
3 ISO 4006: 1991 “ Measurement of fluid flow in closed conduits - Vocabulary and symbols “
4 ISO 5168: 1978 “ Measurement of fluid flow - Estimation of uncertainty of a flow-rate measurement “
5 ISO 8316: 1987 “ Measurement of fluid flow in closed conduits - Method by collection of the liquid in a volumetric tank “
6 Guid to estimation of Uncertainty in measurement (GUM)-ISO-first edition -
1993
