Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chuẩn đầu lưu lượng nước
Bộ quốc phòng Bộ giáo dục v đo tạo Học viện kỹ thuật quân sự nguyễn hồng thái tính toán, thiết kế v chế tạo hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc Chuyên ngành : Cơ học kỹ thuật Mã số : 62 52 02 01 Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2006 Công trình này đợc hoàn thành tại Học viện kỹ thuật quân sự h nội Ngời hớng 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 đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Vào hồi: giờ, ngày tháng năm 200 Có thể tìm hiểu luận án tại: Th viện Học viện Kỹ thuật Quân sự Th viện quốc gia danh mục công trình đ công bố của tác giả 1. Nguyễn Hồng Thái. ứng dụng chuẩn đầu đơn vị đo lu lợng nớc trong kiểm định và hiệu chuẩn các lu lợng kế Tạp chí hoạt động khoa học Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trờng 5/2002, trang 26-33 2. Nguyễn Hồng Thái. Chuẩn đầu về lu lợng ở Việt Nam Hội nghị Khoa học Kỹ thuật đo lờng 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 lu lợng nớc 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 lu lợng bằng phơng 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 lu lợng nớc 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 hởng của lắp đặt lu lợng kế sau các khuỷu cong và giải pháp sử dụng ổn dòng- Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Đo lờng Việt Nam lần thứ t 11/2005, trang 464-469 1 mở đầu Trớc nhu cầu cấp bách của việc quản lý các lu lợng kế đo nớc đợc nhập khẩu hoặc sản xuất trong nớc, việc đảm bảo đo lờng trong khai thác, kinh doanh và sử dụng nớc, quản lý môi trờng, thuỷ lợi và một số ngành kinh tế quan trọng khác, Trung tâm Đo lờng đã xây dựng dự án Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, đánh giá hệ thống chuẩn đầu lu lợng thể tích nớc. Dự án đã đợc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lờng Chất lợng phê duyệt và tôi đợc phân công làm chủ nhiệm dự án. Theo quyết định của Thủ tớng chính phủ số 14/2006/QĐ/TTg ngày 17 tháng 01 năm 2006, hệ thống chuẩn đầu lu lợng thể tích nớc đã đợc phê duyệt là chuẩn đo lờng quốc gia. 1. Tính cấp thiết của luận án Tại các Viện Đo lờng của các nớc nh Hoa kỳ, Nhật bản, CHLB Đức đều phải có một hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc nhằm đảm bảo việc sao truyền và liên kết chuẩn đạt đợc tính chính xác, thống nhất, nhằm đáp ứng đợc những yêu cầu trong nghiên cứu khoa học cũng nh của đời sống. Các nớc có hệ thống chuẩn đầu chỉ công bố kết quả đạt đợc và giữ bí mật về công nghệ chế tạo cũng nh phơng pháp, kết quả đánh giá. Trong khi đó tại các nớc trong khu vực ASEAN kể cả Việt nam, do điều kiện kinh tế và trình độ khoa học kỹ thuật, cho đến nay vẫn cha có nớc nào xây dựng đ ợc hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc. Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc của Việt nam cũng nh đo lu lợng nớc có tính cần thiết và mới. 2. nội dung nghiên cứu Nghiên cứu quy luật thuỷ lực của hệ thống bao gồm nguồn, đờng ống, máng lật và bình chuẩn. Nghiên cứu ảnh hởng của việc lắp đặt lên đờng đặc tính sai số của các lu lợng kế chuẩn. Nghiên cứu qui luật sai số của từng thành phần phơng pháp đánh giá độ không đảm bảo đo của hệ thống. 3. Phơng pháp nghiên cứu Về lý thuyết Tính toán thuỷ lực cho một số thành phần quan trọng của hệ thống nh 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. 2 Về thực nghiệm Lập mô hình và tiến hành thử nghiệm để đánh giá ảnh hởng của việc lắp đặt đối với sai số của lu lợng kế. Chế tạo và lắp đặt bình chuẩn, thiết bị chuyển dòng, hệ thống đờng 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 chơng và phần kết luận bao gồm 137, 5 bảng, 59 hình vẽ và đồ thị cùng 5 phần phụ lục. Chơng 1 - Tổng quan về đo lờng lu lợng và chuẩn đầu lu lợng. Chơng 2 - Tính toán, thiết kế hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc. Chơng 3 - Nghiên cứu dòng chảy trong ống. Ch ơng 4 - Đánh giá độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc. CHƯƠNG 1 tổng quan về ĐO LƯờNG LƯU LƯợNG V CHUẩN ĐầU LƯU LƯợNG 1. phơng pháp đo lu lợng chất lỏng trong đờng ống dẫn kín: Đo lu lợng chất lỏng Q trong đờng ống dẫn kín nghĩa là phải xác định lợng chất lỏng V chảy qua tiết diện của đờng ống đó trong một đơn vị thời gian t bằng các thiết bị đo lu lợng: Q = V/t Thiết bị đo lu lợng ( về sau gọi là lu lợng kế): là thiết bị dùng để chỉ thị lu lợng đợc đo. Đoạn ống đo : là đoạn ống đợc sản xuất đặc biệt nhằm thoả mãn các yêu cầu liên quan tới lu lợng kế chuẩn và lu lợng kế đợc kiểm định. Hiệu chuẩn: Tập hợp các thao tác trong điều kiện qui định để thiết lập mối liên quan giữa các giá trị đợc chỉ bởi phơng tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị đợc thể hiện bằng vật đọ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị tơng ứng thể hiện bằng chuẩn. 2 C huẩn Chuẩn đầu: là chuẩn đợc chỉ định hay đ ợc thừa nhận rộng rãi là có chất lợng về mặt đo lờng cao nhất và giá trị của nó đợc chấp nhận không dựa vào các đại lợng khác cùng đơn vị. 3 Chuẩn thứ: là chuẩn mà các giá trị của nó đợc ấn định bằng cách so sánh với chuẩn đầu của cùng đại lợng. Chuẩn công tác: là chuẩn đợc dùng thờng xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm tra vật đo, phơng tiện đo hoặc mẫu chuẩn. Phơng tiện đo: là phơng tiện đợc sử dụng để thực hiện các phép đo Sơ đồ liên kết chuẩn: Mối liên kết giữa chuẩn đầu, chuẩn thứ và phơng tiện đo ở mỗi nớc đợc 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 đợc 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 đợc đặt ở các trung tâm khu vực, hay các ngành có liên quan. Các chuẩn thứ đợc sử dụng để kiểm định hay hiệu chuẩn cho các phơng tiện đo đợc sử dụng trong lu thông, phân phối, mua bán hàng hoá và các mục đích khác. Sơ đồ liên kết chuẩn lu lợng nớc tại Việt Nam Việc xây dựng sơ đồ liên kết chuẩn lu lợng nớc 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 t của ngân sách Nhà nớc và đáp ứng đợc nhiệm vụ quản lý Nhà nớc đối với phơng tiện đo. Dựa vào các số liệu thống kê đã thu thập từ các báo cáo của ngành kinh doanh nớc sạch, cho tới năm 2010 số đồng hồ nớc đ ợc lắp đặt ở nớc ta sẽ vào khoảng trên 2 triệu chiếc, trong đó số đồng hồ có đờng kính dới 200mm chiếm đến 99% và một số lu lợng, lu tốc nớc đã và đang đợc sử dụng tại các phòng thí nghiệm, thuỷ văn, thuỷ lợi v.v Chuẩn thứ Chuẩn đầu Phơn g tiện đo 4 Để có thể kiểm định các đồng hồ nớc trên, chúng ta đã và đang xây dựng các hệ thống kiểm định tại các công ty kinh doanh nớc, các cơ sở chế tạo, lắp ráp đồng hồ nớc và đặc biệt là tại các Chi cục Tiêu chuẩn Đo lờng Chất lợng tại mỗi tỉnh thành giải quyết nhiệm vụ đảm bảo đo lờng pháp quyền trong kinh doanh nớc sạch. Các đơn vị này thờng sử dụng các đồng hồ chuẩn có cấp chính xác 0,2-0,5 % với số lợng ớc tính khoảng 500 chiếc với các loại đờng kính từ 15 - 200 mm và phạm vi làm việc từ 1-200m 3 /h. Ngoài ra còn có một số đồng hồ chuẩn đợc sử dụng ở các lĩnh vực kinh tế khác. Nếu chúng ta phải đa ra nớc ngoài hiệu chuẩn các đồng hồ chuẩn thì với giá hiệu chuẩn khoảng 500 USD cho một chiếc và chu kỳ hiệu chuẩn thông thờng 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 nớc với kinh phí khoảng 100.000USD (khoảng 1/10 kinh phí nếu phải mua của nớc ngoài) thì dự án sẽ có tính khả thi cao. Việc xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn đầu theo phơng pháp dung tích dựa trên khả năng chế tạo trong nớc các bình chuẩn dung tích lớn đến 3000L có độ không đảm bảo đo đến 0,02%. Phơng pháp khối lợng sẽ đợc 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 hởng đến thiết kế chung của hệ thống . Nh vậy việc xác định sơ đồ liên kết và sao truyền chuẩn đảm bảo nhu cầu hiệu chuẩn cho hầu hết các cỡ cũng nh chủng loại đồng hồ chuẩn đã và sẽ đợc sử dụng tại Việt Nam đến năm 2010. Việc tiến hành kiểm định hay kiểm tra, thử nghiệm mẫu đối với các phơng tiện đo thể tích, lu lợng hoặc lu tốc sẽ đợc tiến hành thông qua các đồng hồ chuẩn hoặc trực tiếp so sánh với hệ thống chuẩn đầu. Ngoài ra hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc còn đợc sử dụng để thực hiện việc so sánh liên phòng với các hệ thống chuẩn đầu của các nớc trong khu vực và trên thế giới. Do việc xác định dải đo cũng nh cấp chính xác của hệ thống chuẩn đầu cũng phải đáp ứng đợc nhu cầu so sánh liên phòng sẽ đợc tiến hành với các nớc trong khu vực nh Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v và các nớc công nghiệp phát triển nh CHLB Đức, Pháp hay Hoa Kỳ. 5 Sơ đồ liên kết chuẩn lu lợng nớc tại Việt Nam Đã có từ năm 2001 Sẽ đợc bổ sung (năm 2010) U là độ không đảm bảo đo tơng đối, 0 là sai số tơng đối Bình chuẩn hạn g I Tần số kế chuẩn hạng II Nhiệt kế chuẩn hạng I Các p hơn g tiện chuẩn đo lu lợng khối lợng nớc (Quả cân chuẩn, cân chuẩn) Các tỉ trọng kế chuẩn hạng I Lu tốc kế, lu lợn g kế o = 2 - 5 % Bộ các lu lợn g kế chuẩn 1 - 200 m 3 /h U = 0,2-0,5 % 1- 200 m 3 / h U = 0,1 % Chuẩn đầu Chuẩn thứ Phơng tiện đo 6 1.4 tổng quan các phơng pháp đo lu lợng Mục tiêu chủ yếu của hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc là đảm bảo việc sao truyền và liên kết chuẩn cho các lu lợng kế chuẩn thứ và chuẩn công tác. Do đó việc nghiên cứu các phơng pháp đo lu lợng cũng nh các loại lu lợng 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 u. Phơng pháp đo lu lợng theo nguyên lý chênh áp Phơng pháp đo lu lợng kiểu chảy bao Lu lợng kế kiểu tuốc bin Lu lợng kế xoáy Lu lợng kế điện từ Lu lợng kế siêu âm Lu lợng kế kiểu ống chuẩn phơng pháp dùng bình chuẩn và thiết bị chuyển dòng Kết luận chơng 1 Trong phần tổng quan này chúng ta thấy chuẩn đầu lu lợng có vị trí then chốt trong việc sao truyền chuẩn và kiểm định phơng tiện đo. Một trong những công việc quan trọng mà chúng tôi đã thực hiện đợc là xác định đợc sơ đồ liên kết chuẩn từ 2001 tới 2010. Sơ đồ này đã đợc phê duyệt và trong thời gian qua đã đợc sử dụng để giúp cho cơ quan quản lý Nhà nớc về Đo lờng là Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lờng định hớng cho việc đầu t có hiệu quả để phát triển các hệ thống chuẩn từ trung ơng đến địa phơng và đã đáp ứng đợc nhu cầu quản lý việc lu thông phân phối nớc tại các công ty kinh doanh nớc, giảm hao hụt, quản lý các đồng hồ nớc 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 nớc trong khu vực và trên thế giới, do đó chúng ta có thể thực hiện đợc 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 lu lợng kế chuẩn và lu lợng kế công tác đợc sử dụng ở nớc ta và trên thế giới sẽ là đối tợng đợc hiệu chuẩn hoặc kiểm định bằng hệ thống chuẩn đầu. 7 Chơng 2 Tính toán, thiết kế hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc 1. Lựa chọn phơng án Sau khi tìm hiểu các hệ thống chuẩn đầu của các nớc trên thế giới, nghiên cứu các công nghệ chế tạo cơ khí, điện tử cũng nh khả năng chế tạo của các cơ sở trong nớc, trình độ trang bị chuẩn thời gian, khối lợng, khối lợng riêng, độ dài và dung tích tại Việt Nam, chúng tôi đã lựa chọn phơng án xây dựng hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc dùng bình chuẩn và thiết bị chuyển dòng với phạm vi lu lợng làm việc là từ 1-200m 3 /h, độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 0,1%, có khả năng kiểm định và hiệu chuẩn các loại lu lợng kế, có khả năng thực hiện đợc các phép so sánh vòng giữa các tổ chức đo lờng quốc tế. 2. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý làm việc của hệ thống là xác định lu lợng trong đờng ống bằng cách tạo ra một dòng chảy trong ống kín có lu lợng ổn định (còn đợc gọi là lu lợng chuẩn), sau đó đo thể tích của nớc chảy qua đoạn ống đo bằng bình chuẩn và xác định thời gian chảy của lợng nớc trên bằng bộ đếm thời gian thông qua thiết bị chuyển dòng. Lu lợng chuẩn đợc tạo nh sau : Cụm máy bơm, bao gồm nhiều máy bơm có lu lợng làm việc khác nhau, (1) bơm nớc từ bể chứa (14) qua đờng ống dẫn nớc (2) lên bể tràn (3). Lu lợng nớc đợc bơm lên bể tràn luôn lớn hơn lu lợng cần đo (có các lu lợng kế kiểm tra lu lợng bơm lên của tổ bơm và điều khiển tự động các van hồi lu). Trong bể tràn nớc chảy qua một hệ thống nắn dòng đặc biệt để không tạo ra những xoáy cục bộ trong bể và mặt nớc trên bể luôn đợc ổn định tại lu lợng hiệu chuẩn lớn nhất của hệ thống. Lợng n ớc thừa sẽ tràn qua lỡi tràn (4) vào bể tràn (12) để thoát theo ống dẫn (13) xuống bể chứa (14), một vách ngăn và lới tách khí đợc bố trí giữa đờng lên và đờng về của nớc để tránh tạo bọt trong đờng hút của máy bơm và đồng thời làm cân bằng nhiệt độ trong bể. Nh vậy dòng nớc chảy vào ống dẫn (5), đi qua bộ nắn dòng (6) đến các lu lợng 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 lu lợng. Dòng chảy với lu lợng chuẩn đợc chảy qua một bộ các lu lợng kế chuẩn (7) đợc mắc song song để chỉ thị lu lợng làm việc tức thời của hệ thống. 8 Đoạn ống đo đợc 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 đợc ổn định không ảnh hởng tới sai số của đồng hồ. Trên đoạn ống đo, phía trớc đồng hồ chuẩn đợc lắp nhiệt kế để đo nhiệt độ của nớc và hiệu chỉnh về điều kiện tiêu chuẩn. Tổn hao áp của đồng hồ chuẩn đợc đo bằng các lỗ lấy áp suất trớc và sau đồng hồ, ngoài ra áp suất tĩnh cũng đợc 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 S ơ đồ tổng thể hệ thống chuẩn đầu lu lợn g 12 7 9 Nớc chảy vào bình chuẩn qua vòi phun và thiết bị chuyển dòng (9). Vòi phun có tác dụng làm dòng nớc trong đờng ống phun thành tia có dạng hình hộp mỏng và có tiết diện đều trớc khi chảy vào thiết bị chuyển dòng. Thiết bị chuyển dòng là một lỡi mỏng chuyển động để lái tia nớc vào bình chuẩn hoặc ra đờng xả. Ngoài ra thiết bị chuyển dòng còn có tác dụng nh một công tắc hành trình để đóng mở bộ đếm thời gian. Nớc từ bình chuẩn lại chảy vào bể chứa và tạo thành chu trình kín để lu lợng của bơm ổn định và tránh lãng phí. 3. Nguồn Nguồn nớc thành phần quan trọng của hệ thống chuẩn đầu bao gồm: bể nguồn, hệ thống bơm, bể ổn áp, đờng ống và các van điều khiển đã đợc chúng tôi tính toán và thiết kế dựa trên phơng trình thuỷ lực Becnuli. Bể nguồn đợc xây chìm ngay bên cạch phòng chuẩn đầu lu lợng. Bể nguồn có kích thớc dài ì rộng ì sâu = 4m ì 2,5m ì 2,5 m = 25 m 3 đợc chia làm ba khoang, khoang 1 cho đờng xả từ bể ổn áp, khoang 2 cho đờng hút của máy bơm và khoang 3 cho đờng xả từ bình chuẩn. Các khoang đợc ngăn bằng lới có tác dụng khử các bọt khí từ đờng xả và ngăn không cho lẫn vào đờng 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 đờng hút và đờng xả. hệ thống bơm bao gồm một bơm có lu lợng 50 m 3 /h tại chiều cao 30m, hai bơm có cùng lu lợng 150 m 3 /h tại chiều cao 30m. Bể ổn áp đợc chia làm hai khoang, khoang ngoài bao gồm đờng lên từ bơm và đờng xuống hiệu chuẩn, khoang trong là đờng tràn xả xuống bể uồn. Giữa hai khoang lắp lỡi tràn đợc điều chỉnh sao cho nớc tràn đều trên toàn bộ lỡi tràn. Chúng tôi đã đề xuất phơng án xây bể ổn áp đợc xây trên tầng nóc nhà 6 tầng gần phòng thí ghiệm, sàn bể có chiều cao 27 m. Bể có kích thớc dài ì rộng ì cao = 4 m ì 2,5 m ì 1,8 m = 18 m 3 . Kết quả thực nghiệm tại lu lợng bơm vào từ 30 đến 250m 3 /h, lu lợng tràn từ 2 đến 30m 3 /h, mực nớc trong bể luôn ổn định trong khoảng 2mm. 4. thiết bị chuyển dòng Thiết bị chuyển dòng (còn đợc gọi tắt là TBCD) là một thành phần quan trọng trong hệ thống chuẩn lu lợng, có chức năng chuyển dòng chảy quan đoạn đo vào đờng xả hay vào bình chuẩn và không làm thay đổi lu lợng 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 đợc chuyển từ đờng xả vào bình chuẩn. Sau đó 10 bình chuẩn đợc nạp chất lỏng, tiếp theo đó là lần quét thứ hai, chuyển dòng chảy về đờng xả. Trong các lần quét của TBCD, lu lợng vào bình chuẩn thay đổi từ không đến lu lợng toàn phần và lu lợng toàn phần về không . Do chỉ có một phần của lu lợng 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 lu lợng. Theo biểu đồ mô tả hoạt động của TBCD trên, một chiều là thời gian chảy và một chiều là lu lợng tức thời đợc nạp vào bình chuẩn Q C , và lu lợng xả Q B . Tại bất kỳ thời điểm nào trong qua trình chuyển, lu lợng hiệu chuẩn tổng luôn bằng tổng của lu lợng nạp và xả: Q T = Q C +Q B . Chu trình hiệu chuẩn có thể đợc chia làm ba kỳ riêng biệt: kỳ mở (t 0 t t 2 ), kỳ lu lợng 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 đợc khởi động. Trong kỳ mở, TBCD chuyển tia chất lỏng từ đờng xả vào bình chuẩn. Do đó lu lợng nạp tăng từ không đến lu lợng tổng, Q T . Một tín hiệu t 1 bắt đầu thời gian nạp đợc phát ra tức thời. Sau đó, là thời gian t 2 (cuối của kỳ mở) toàn bộ lu lợng hiệu chuẩn đợc chuyển vào bình chuẩn , lúc đó Q C =Q T . lu lợng nạp, Q C , trong kỳ mở đợc biểu diễn bằng đờng cong C 0 . Trong kỳ đóng, TBCD lại chuyển tia chất lỏng từ bình chuẩn vào đờng xả; do đó lu lợng nạp thay đổi từ Q T về không. B iểu đồ lu lợng nớc chuyển vào và ra bình chuẩn theo thời gian T 0 t A t 1 Q C B 2 t Time C 0 Q T T T T M C D t 3 t 4 c C C t 5 Q B Thời g ian 11 Đờng cong C C biểu diễn quá độ của dòng nạp trong kỳ đóng. Một tín hiệu t 4 chỉ thị việc dừng thời gian nạp đợc phát ra tức thời. điều khiển thiết bị chuyển dòng Chu trình chảy vào Tại thời điểm không đo, TBCD quay về phía đờng xả, nớc từ vòi phun đập vào lỡi của TBCD và đi vào đờng xả để về bể nguồn. Khi có tín hiệu bắt đầu phép đo, cụm điều khiển 1 kéo thanh trợt 1 và làm quay TBCD. Tại thời điểm lỡi của TBCD gần chạm vào tia nớc 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 lỡi của TBCD đi qua điểm giữa của vòi phun thì cặp tế bào quang điện đo thời gian nớc chảy vào bình chuẩn phát ra tín hiệu để khởi động bộ đếm thời gian của phép đo lu lợng. Lỡi của TBCD quay tiếp cho đến khi nào đi qua toàn bộ tia nớc 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 TBQĐ TBQĐ Đờng xả Vào bình chuẩn Tâm quay Chu trình chảy vào 12 Chu trình chảy ra Khi bình chuẩn đợc nạp đầy, có tín hiệu từ cảm biến nớc đặt trong bình chuẩn phát ra, nguồn chính của cụm điều khiển 2 đợc đóng làm cho cụm điều khiển 2 kéo thanh trợt 1 và làm quay TBCD. Tại vị trí lỡi của TBCD gần chạm vào tia nớc 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 lu lợng. Lỡi của TBCD quay tiếp cho đến khi nào đi qua toàn bộ tia nớc 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 v thiết bị chuyển dòng Vòi phun Vòi phun là thiết bị tạo dòng nớc trong đờng ống đo thành một tia nớc mảnh, đều và liên tục để phun vào lỡi gạt của máng lật. Đóng Mở Đo thời gian lật Đo thời gian chảy vào bình chuẩn ( Dừng đo ) Cụm điều khiển 1 Cụm điều khiển 2 TBQĐ TBQĐ Đờng xả Vào bình chuẩn Tâm quay Chu trình chảy ra 13 Do đó khi máng lật chuyển động việc chuyển hớng dòng chảy ra và vào bình chuẩn sẽ nhanh hơn, khoảng thời gian lu lợng đợc 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 hởng tới lu lợng của nớc trong đờng ống. + Tổn thất áp của dòng chảy đi qua vòi phun phải nhỏ + Tia nớc từ vòi phun phải thẳng, liên tục và không bắn toé. + bốn vòi phun đợc thiết kế cho 04 bình chuẩn là 2000L; 500L;200 và 50L tơng ứng với 04 dải lu lợng làm việc là : 40-200m 3 /h; 10- 50m 3 /h; 4-20m 3 /h và 1-5m 3 /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 lu lợng 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 đợc tính theo quãng đờng hiệu dụng của lỡi gạt và không làm tăng tổn thất áp tại lu lợng lớn nhất. Thiết bị chuyển dòng TBCD phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật nh đợc nêu sau: - thời gian chuyển dòng < 36ms tại lu lợng làm việc lớn nhất, - chuyển động song song với cạnh dài của vòi phun, - chia đều lu lợng của vòi phun, - khởi động và dừng bộ đếm thời gian tại điểm giữa của hành trình . - bốn TBCD đợc thiết kế cho 04 bình chuẩn là 2000L; 500L;200 và 50L tơng ứng với 04 dải lu lợng làm việc là : 40-200m 3 /h; 10- 50m 3 /h; 4-20m 3 /h và 1-5m 3 /h với thời gian làm việc tơng 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 nớc. Các bình chuẩn đợc sử dụng để xác định trực tiếp thể tích của nớc hiệu chuẩn, do đó chúng cần phải có độ chính xác cao. Sai số tơng đối của bình chuẩn phải nhỏ hơn 0,02% [15]. Dung tích của bình chuẩn phải tơng ứng với thời gian đo nhỏ nhất tại lu lợng lớn nhất của dải đo tơng ứng. Do đó ứng với bốn dải đo là 40-200m 3 /h; 10-50m 3 /h; 4-20m 3 /h và 1-5m 3 /h và thời gian đo nhỏ nhất là 36s, ta có dung tích của các bình chuẩn tơng ứng là 2000L, 500L, 200L và 50L. Dung tích của bình chuẩn tại 20 0 C đợc xác định bằng tỷ số giữa khối lợng của nớc cất và khối lợng riêng của nớc cất, sau đó 14 hiệu chính độ nổi do quả cân và nớc cất chiếm chỗ trong không khí và hiệu chính dung tích của bình chuẩn về nhiệt độ 20 0 C. Kết luận chơng 2 Chơng 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 nh thiết bị chuyển dòng, bình chuẩn để làm cơ sở cho việc thiết kế, xây dựng và lắp đặt. Các kết quả thực nghiệm nh lu lợng lớn nhất của hệ thống, chuyển động của dòng chảy và mực nớc 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 đợc xây dựng và giải quyết đúng đắn. Chuyển động của TBCD đợc 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 đợc lu lợng đối xứng có tác dụng giảm sai số của phép xác định lu lợng. 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 lu lợng làm việc tối u đã làm đơn giản việc tính toán và thiết kế các vòi phun, TBCD và bình chuẩn do có thể áp dụng định luật tơng tự thuỷ lực. Các kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng các đờng thoát khí, vị trí bố trí các cảm biến mực nớc trong bình chuẩn là phù hợp và có tác dụng không làm bắn bọt nớc và mức nớc luôn nằm trong phạm vi thang đo của bình chuẩn. Trong chơng 2 cũng đa ra đợc phơng pháp xác định dung tích của bình chuẩn để đám bảo sai số nhỏ hơn 0,02%. Chơng 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 hởng của vật cản cục bộ trên đờng ống nh cút cong, cút cong kép không cùng mặt phẳng, tê cút, ống thu hay gioăng tới sai số của lu lợng 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 đợc chiều dài tối thiểu của đoạn ống thẳng sau các vật cản cục bộ và trớc lu lợng kế để sai số của lu lợng kế không bị ảnh hởng bởi các nhiễu dòng chảy do vật cản cục bộ gây ra . 15 Tại Trung tâm Đo lờng Việt Nam, khi tiến hành xây dựng hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết các ảnh hởng 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 lu lợng kế và các phơng pháp đợc áp dụng trên thế giới để loại bỏ các ảnh hởng do lắp đặt, đồng thời chúng tôi cũng đã tiến hành các phép thử để khẳng định việc lắp đặt các lu lợng kế không gây ảnh hởng đến sai số của chúng cũng nh tiến hành áp dụng các phơng pháp sử dụng các loại ổn dòng loại bó ống, đĩa đục lỗ hay lới và định vị các đoạn thẳng trớc lu lợng kế để giảm và loại bỏ các ảnh hởng của việc lắp đặt đến sai số của lu lợng kế. Trong chơng này chúng tôi sẽ chỉ đề cập đến ảnh hởng của khuỷu cong đơn và khuỷu cong kép không cùng mặt phẳng, hai loại khuỷu cong này đều phải lắp đặt trên hệ thống đờng ống và theo các tài liệu công bố, chúng có ảnh hởng đáng kể đến sai số của lu lợng 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 trớc lu lợng kế để loại bỏ các ảnh hởng của các khuỷu cong trên. Xây dựng và thử nghiệm mô hình thuỷ lực của đờng ống Để đánh giá đợc một cách chính xác các ảnh hởng của việc lắp đặt tới sai số của lu lợng kế chuẩn cần phải có hệ thống hiệu chuẩn với các thiết bị có độ chính xác cao để có thể phát hiện đợc sự thay đổi rất nhỏ của sai số, thông th ờng đến 0,05%, các thiết bị đợc sử dụng bao gồm: + đờng ống đợc có đờng kính 50 mm và làm bằng inox có độ nhám bề mặt 3m (độ nhám tơng đối là 6x10 -3 % so với đờng kính). Bao gồm nhiều đoạn thẳng có chiều dài khác nhau: 3, 10, 30, 80, 100 lần đờng kính, khuỷu cong đơn 90 o , khuỷu cong kép 90 o không cùng mặt phẳng, ổn dòng loại bó 19 ống và bó 7 ống, vận tốc kế đợc sử dụng là ống pi tô có đờng kính thân 2,5 mm, cấp chính xác 0,5, lu lợng kế đợc sử dụng là đồng hồ tuốc bin đờng kính danh định 50mm. + hệ thống chuẩn đợc dùng để xác định sai số của các lu lợng 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%, + lu lợng đợc thử nghiệm từ 20 đến 25 m 3 /h, tơng ứng với số Reynold là 1,25*10 5 đến 1,56*10 5 . Tính chất của dòng chảy sau khuỷu Các mô hình lý thuyết đợc xây dựng để mô tả đặc tính thủy lực của dòng chảy trong ống sau các khuỷu để giải thích sự thay đổi đờng đặc tính sai số của lu lợng kế theo lu lợng. Một trong những 16 nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi của sai số là sự mất đối xứng của các prôphin vận tốc theo các hớng thẳng đứng, nằm ngang và sự xuất hiện các xoáy loại I và loại II. Để có thể xác định đợc sự xuất hiện và cờng độ của các loại xoáy này, chúng tôi đã tiến hành các phép đo prôfin vận tốc lu lợng của dòng chảy. Khuỷu đơn Các kết quả đo đợc 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 nh 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 hởng đáng kể tới đờng đặc tính sai số của các loại lu lợng kế kiểu tốc độ nh đồng hồ tuốc bin, siêu âm hay điện từ Khuỷu kép không cùng mặt phẳng Theo các kết quả đo đợc, khi hai khuỷu nằm sát nhau ( s =0, có nghĩa là không có đoạn thẳng giữa chúng), xoáy lõi đơn (ở đây đợc định nghĩa là loại I) đợc tạo ra. Các phân bố này chỉ ra rằng, đối với đờng ống ngay sau khuỷu thì: góc xoáy có giá trị khoảng 20 o ở gần thành ống và ở vùng gốc gần với tâm đờng ống thì góc xoáy có giá trị gần bằng không, có nghĩa là chỉ có ít hoặc không có xoáy. Các ảnh hởng của khuỷu cong tới sai số của lu lợng kế Lu lợng kế kiểu tiết lu Sai số bị suy giảm từ -0,1% đến -0,5% khi lắp gần khuỷu đơn với các và có xu hớng tăng từ 0,1% đến 0,4% khi lắp gần khuỷu kép không cùng mặt phẳng với khoảng cách tơng ứng là 20 và 2,5 lần đờng kính. Lu lợng kế tuốc bin Các kết quả đã chỉ ra rằng, đờng đặc tính của đồng hồ tuốc bin bị dịch lên từ 0,3 đến 2% khi mà nó đợc lắp trong khoảng cách 90 lần đờng kính cách khuỷu kép không cùng mặt phẳng. Khi đồng hồ đợc lắp gần khuỷu đơn, đờng đặc tính bị dịch xuống và nhỏ hơn 0,3% trong phạm vi 20 lần đờng kính cách khuỷu. á p dụng cơ cấu ổn dòng Để cải thiện đờng đặc tính của các loại đồng hồ trên có thể sử dụng cơ cấu ổn dòng đợc lắp giữa đồng hồ và khuỷu có thể cải thiện đáng kể đờng đặc tính của đồng hồ . Các cơ cấu ổn dòng này có các kích thớc 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 [...]... dòng loại 19 ống và đối với khuỷu kép không cùng mặt phẳng thì lắp ổn dòng loại 7 ống ở phía sau sẽ đạt đợc hiệu quả cao hơn Với thiết kế cho hệ thống chuẩn đầu, chúng tôi đã tận dụng đợc tối đa diện tích sẵn có và đảm bảo việc loại trừ các ảnh hởng của việc lắp đặt tới đặc tính sai số của các lu lợng kế đợc hiệu chuẩn Với hệ thống đờng ống của chuẩn đầu lu lợng nớc đợc thiết kế và chế tạo, chúng tôi... đến kết luận về các kết quả và đóng góp của luận án nh sau: Hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc lần đầu tiên đợc thiết kế và chế tạo ở Việt Nam, do đó nhiều vấn đề cần phải giải quyết về lý thuyết cũng nh thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm đã khẳng định đợc các mô hình thuỷ lực đợc lựa chọn và giải quyết đúng hớng Luận văn đã đa ra đợc mô hình đo cho từng thành phần quan trọng của hệ thống nh bình chuẩn và. .. xin phê duyệt chuẩn Quốc gia của Trung tâm Đo lờng và đã kết luận hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc đáp ứng đầy đủ các yêu cầu để đợc công nhận là chuẩn Quốc gia Theo quyết định của Thủ tớng chính phủ số 14/2006/QĐ/TTg ngày 17 tháng 01 năm 2006, hệ thống chuẩn đầu lu lợng thể tích nớc đã đợc phê duyệt là chuẩn đo lờng quốc gia Đây là chuẩn Quốc gia duy nhất trong 10 chuẩn Quốc gia đợc chế tạo tại Việt... lắp sau ổn dòng này đều có đờng đặc tính bị dịch xuống áp dụng đối với hệ thống chuẩn đầu Do điều kiện mặt bằng xây dựng hệ thống chuẩn bị giới hạn, chúng tôi đã tính toán, thiết kế đờng ống theo phụ lục1 Với cấu trúc này chúng tôi đã lắp đặt các đồng hồ chuẩn loại tuốc bin để chỉ thị lu lợng có đờng kính danh định 200mm,100mm và 50 mm trên các nhánh đờng kính 100mm và 50 mm của đoạn ngoặt lại có chiều... đợc xác định bằng thiết bị đếm xung, thiết bị chuyển dòng đợc sử dụng để khởi động và dừng thiết bị đếm xung Nh vậy chúng ta có thể xác định các yếu tố ảnh hởng đến độ không đảm bảo của hệ thống chuẩn đầu lu tốc thể tích và lu lợng kế chuẩn bao gồm : 1- Độ không đảm bảo của bình chuẩn, 2- Độ không đảm bảo của thời gian, 3- Độ không đảm bảo của nhiệt kế đo nhiệt độ nớc tại bình chuẩn và đoạn đo, 4- Độ... đoạn đo và bình chuẩn, udpR Độ không đảm bảo tơng đối tổng hợp của hệ thống chuẩn Uc Độ không đảm bảo tơng đối chuẩn mở rộng của hệ thống chuẩn Ue 24 1ữ5 % 0,0080 4ữ20 % 0,0070 10ữ50 % 0,0140 40ữ200 % 0,0181 0,0258 0,0226 0,0218 0,0224 0,00055 0,00055 0,00055 0,00055 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0270 0,0229 0,0266 0,0315 0.0540 0.0459 0.0531 0.0631 Bảng tổng kết độ không đảm bảo của hệ thống chuẩn đầu lu... và thiết bị chuyển dòng cũng nh toàn bộ hệ thống và từ đó bằng thực nghiệm đã tiến hành xây dựng các quy trình đo để có thể đánh giá độ không đảm bảo đo của từng thiết bị cũng nh toàn bộ hệ thống Hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc đợc đa vào hoạt động đã đáp ứng ngay đợc nhu cầu cấp bách của nền kinh tế quốc dân Cho đến nay hầu hết các lu lợng kế đo nớc ở Việt Nam đều có thể đợc kiểm định trớc khi đa vào... đảm bảo đo đã đợc Hội đồng phê duyệt chuẩn Quốc gia công nhận và làm cơ sở để trình Thủ tớng chính phủ phê duyệt chuẩn Quốc gia độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc trên toàn dải đo đều có giá trị . lợng và chuẩn đầu lu lợng. Chơng 2 - Tính toán, thiết kế hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc. Chơng 3 - Nghiên cứu dòng chảy trong ống. Ch ơng 4 - Đánh giá độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn đầu. tác đợc sử dụng ở nớc ta và trên thế giới sẽ là đối tợng đợc hiệu chuẩn hoặc kiểm định bằng hệ thống chuẩn đầu. 7 Chơng 2 Tính toán, thiết kế hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc 1. Lựa chọn. các đồng hồ chuẩn hoặc trực tiếp so sánh với hệ thống chuẩn đầu. Ngoài ra hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc còn đợc sử dụng để thực hiện việc so sánh liên phòng với các hệ thống chuẩn đầu của các