Tài liệu Đánh giá độ không đảm bảo đo của chuẩn đầu lưu lượng nước ở Việt Nam docx

Đánh giá độ không đảm bảo đo của Chuẩn đầu lu lợng nớc ở Việt nam Nguyễn Hồng Thái, Viện Đo lờng Việt Nam Phan Nguyên Di, Học viện KTQS Mở đầu Hiện nay ở Việt nam có rất nhiều lu lợng kế có các cấp chính xác từ 0,2 5 đợc đa vào sử dụng để đo lu lợng chất lỏng trong đờng ống dẫn kín. Việc tiến hành hiệu chuẩn, kiểm tra và kiểm định các lu lợng kế này trớc khi đa vào sử dụng cũng nh định kỳ là cần thiết. Từ trớc tới nay chúng ta cha xây dựng đợc hệ thống đo lu lợng chuẩn để có thể tiến hành thử nghiệm các lu lợng kế nói trên, do đó việc xây dựng một hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc là cần thiết và cấp bách. Nhng để có cơ sở chứng minh đợc tính khả thi của hệ thống cần phải ớc lợng đợc độ không đảm bảo đo của toàn bộ hệ thống và từ đó xác định đợc cấp chính xác cũng nh yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc của các thiết bị đo cần phải đợc trang bị. 1. Mô tả hệ thống : Hình 1 là sơ đồ của một hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc. Nguồn lu lợng chuẩn có phạm vi lu lợng từ 1 - 200 m 3 /h đợc tạo ra từ bể tràn đặt trên một độ cao khoảng 30m nh sau : Cụm 02 máy bơm nớc (1) có bơm nớc từ bể chứa (14) qua đờng ống dẫn nớc (2) lên bể tràn (3) nhằm tạo ra một cột áp cố định. Lợng nớc đợc bơm lên luôn đợc đảm bảo 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 giữ ổn định, do đó áp suất ban đầu của dòng chảy xuống không bị thay đổi [1]. Lợng nớc 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 là 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 cột áp ổn định, do vậy mà lu lợng của dòng chảy đợc tạo ra từ bể tràn cũng là một lu lợng ổn định, đây là một yêu cầu hết sức cần thiết cho một hệ thống chuẩn đầu lu lợng. Các lu lợng kế cần đợc kiểm định hoặc hiệu chuẩn (8) đợc mắc nối tiếp với bộ lu lợng kế chuẩn (7). Sau khi đi qua đoạn đo trên, nớc chảy qua máng lật (9) trớc khi vào bình chuẩn (10) có sai số <0,02%. 1. Bơm nớc ; 2. ống dẫn nớc lên; 3. Bể tràn ; 4. Lỡi tràn; 5. ống dẫn nớc xuống; 6. Nắn dòng tiêu chuẩn; 7. Lu lợng kế chuẩn ; 8. Lu lợng kế cần hiệu chuẩn; 9. Máng lật; 10. Bình chuẩn; 11. Đờng xả từ bình chuẩn và máng lật về bể nguồn; 13. ống dẫn nớc 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 lu lợng kế chuẩn và lu lợng kế đợc hiệu chuẩn hay kiểm định, đều đợc gắn các cảm biến nhiệt độ có sai số <0,2 0 C để theo dõi và thu thập các tham số về nhiệt độ dùng cho việc tính toán lu lợng chuẩn. 11 3 4 5 6 8 7 14 10 9 1 2 13 H ình 1. Sơ đồ tổng thể hệ thống chuẩn đ ầ u lu lợng nớc 12 áp kế có cấp chính xác 0,1 đợc gắn tại lu lợng kế chuẩn và lu lợng kế đợc 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 đờng ống gây ra khi tính lu lợng chuẩn. Nớc sau khi sử dụng và tràn thừa đợc đa về bể chứa (14) biến thành một chu trình kín. 2. Mô tả phơng pháp [5]: Hình 2. Sơ đồ phơng pháp dùng máng lật và bình chuẩn - Chảy ra Hình 3. Sơ đồ phơng pháp dùng máng lật và bình chuẩn - Chảy vào Đờng xả Van Lu l ợ n g kế Bình chuẩn Đờng xả Van Lulợng kế Bình chuẩn Chất lỏng kiểm định đợc điều chỉnh lu lợng và chảy liên tục qua máng lật vào đờng 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 đợc đảo chiều để chuyển dòng chất lỏng vào đờng xả, bộ đếm thời gian đợc dừng lại . Việc xác định lu lợng đợc tính theo tỉ số gữa thể tích chất lỏng trong bình chuẩn và thời gian chảy vào bình chuẩn. 3. Phơng pháp ớc lợng độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lu lợng nớc 3.1. Lập mô hình toán học Để có thể ớc lợng đợc chính xác nhất độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lu lợng chúng ta cần phải xác định độ không đảm bảo đo của từng đại lợng và sự liên quan của chúng tới kết quả đo. Các đại lợng này đợc xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu và tính toán độ không đảm bảo đo của các hệ thống chuẩn đầu lu lợng của các nớc và tiêu chuẩn ISO [4] [6]. 3.2. Xét các yếu tố ảnh hởng đến độ không đảm bảo đo của lu lợng 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 nớc tại bình chuẩn 5- Độ không đảm bảo đo của nhiệt kế đo nhiệt độ nớc tại đoạn đo 6- Độ không đảm bảo đo do ảnh hởng của bay hơi và bọt nớc gây ra bởi máng lật 7- Độ không đảm bảo đo do ảnh hởng 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 lu lợng Ta có lu lợng nớc đi qua đoạn ống đo đợc tính bằng công thức sau : ( ) 1tVQ dd = Trong đó V đđ là thể tích của nớc chảy qua đoạn đo trong thời gian t Ta có : () ddbbbhomlTTbcdd VKKKKKKKKVV + + + + + + + ++= 120 1 (2) Các ký hiệu và ý nghĩa : Ký hiệu Đơn vị ý nghĩa V m 3 Thể tích của nớc trong bình chuẩn t s Thời gian nớc chảy vào bình chuẩn K bc - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bình chuẩn K T20 - Số hiệu chỉnh cho độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và 20 o C K T - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và đoạn đo K t - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bộ đếm thời gian K ml - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của máng lật K p - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do chất lỏng bị nén K bh - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do sự bay hơi và bắn bụi nớc K bb - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do bọt khí trong chất lỏng V dd - Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do dao động lu lợng 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 đợc xác định khi cân lợng nớc cất đợc chứa tới vạch dấu của bình chuẩn và qui đổi về 20 o C. Số hiệu chỉnh cho độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và 20 o C ( ) bcbT TK = 20 20 (3) b là hệ số dãn nở khối của vật liệu làm bình chuẩn T bc là nhiệt độ đo đợc 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 ( ) bcddnT TTK = (4) b Hệ số dãn nở khối của nớc T dd Nhiệt độ trung bình đo đợc của nớc tại đoạn đo T bc Nhiệt độ đo đợc của nớc chứa trong bình chuẩn Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bộ đếm thời gian M T T t K = (5) T là sai số hệ thống của bộ đếm thời gian T M là thời gian của phép đo ( thời gian nạp đầy nớc vào bình chuẩn ) Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của máng lật M cut cut ba M Kl v vv M KlKl ml T T q qq T T q qq T TT K 2 2121 + + = (6) T M Thời gian đo T Kl1(2) Thời gian trong lúc lỡi gạt chuyển vị trí từ khi phát tín hiệu đo tới lúc lỡi đạt đợc vị trí giữa của tia để bắt đầu (hay kết thúc phép đo). T Kl Gía trị trung bình của T Kl1 và T Kl2 T cut Thời gian tia chất lỏng bị lỡi gạt cắt ngang khi chuyển vị trí q v1(2) Lu lợng lúc bắt đầu (kết thúc) phép do q v Lu lợng trung bình trong thời gian đo q a Phần lu lợng chảy ngợc lại khi lỡi gạt nằm ở vị trí giữa tia q b Phần lu lợng chảy vào bình chuẩn khi lỡi gạt nằm ở vị trí giữa tia. q cut = q a + q b Số hiệu chỉnh cho khả năng chịu nén của chất lỏng K p = T (p 0 - p FM ) (7) T Hệ số chịu nén đẳng nhiệt của chất lỏng đo ở p FM p FM áp suất trung bình tại vị trí đo trong một phép đo po áp suất khí quyển Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do sự bay hơi và bắn bụi nớc K bh đợc coi là rất nhỏ do thời gian tiến hành phép đo ngắn ( < 120 giây ) và nhiệt độ của nớc chỉ dao động trong khoảng từ 20 40 o C Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do bọt khí trong chất lỏng K G = V GM +V GR1 - V GR2 (8) V GM Dung tích tổng thể của tất cả các bọt khí chảy qua tiết diện tại nơi đo V GR1(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 lu lợng Độ lệch chuẩn của V M trong một loạt phép đo lu lợng dới những điều kiện lặp lại 1.3.3 Tổng hợp các đại lợng ảnh hởng và sự đóng góp của chúng vào độ không đảm bảo đo tổng thể Theo phơng trình (1) độ không đảm bảo đo lu lợng phụ thuộc vào độ không đảm bảo đo của thể tích V dd 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 V dd . Bảng 2 cho biết danh mục tất cả các đại lợng ảnh hởng đến phép đo x i nằm trong mô-đun toán học biểu diễn quá trình đo theo phơng trình (2) cũng nh sự đóng góp của chúng vào độ không đảm bảo đo u(V) của kết quả đo V dd . Dới đây là cách tính giá trị tơng đối, có nghĩa là với độ không đảm bảo chuẩn tơng đối của các đại lợng ảnh hởng u(x i )/x i và độ không đảm bảo đo tơng đối của kết quả đo u(V)/V . Sự đóng góp u i (V) / V . của đại lợng ảnh hởng x i thứ i vào độ không đảm bảo tổng thể u(V)/V có giá trị là: V xu x V V Vu i i i )( . )( = (9) Phơng trình này đợc trình bày bảng 2, cột (2) Bảng 2 Đặc trng (1) Đại lợng ảnh hởng x i (2) Độ không đảm bảo đo tơng đối u i (V M )/V M (3) Độ không đảm bảo tơng đối cho phép [u i (V M )/V M ] max Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo của bình chuẩn . (Bình chuẩn 200 L , u max <20.10 -5 ) K bc u(K bc ) 20.10 -5 Số hiệu chỉnh cho độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và 20 o C. (Nhiệt kế 0-50 o C, vạch chia 0,1 o C, sai số 0,2 o C) K T20 u(K T20 ) 5.10 -5 Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do chênh lệch nhiệt độ của bình chuẩn và đoạn đo. (Nhiệt kế 0-50 o C, vạch chia 0,1 o C, sai số 0,2 o C) K T u(K T ) 5.10 -5 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 ) K t u(Kt) 1.10 -5 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 ) K ml u(K ml ) 15.10 -5 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 đờng ống 0,25 MPa) K p u(K p ) 1.10 -5 Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do sự bay hơi và bắn bụi nớc ( Thử nghiệm) K bh u(K bh ) 3.10 -5 Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do bọt khí trong chất lỏng (Thử nghiệm bằng máy hút khí ) K bb u(K bb ) 2.10 -5 Số hiệu chỉnh độ lệch phép đo do dao động lu lợng (thay đổi chiều cao cột nớc tại bể tràn 3mm tại 25 m, thay đổi nhiệt độ 0,2 o C trong 1 phép đo ) V dd u( V dd ) 30.10 -5 Bảng 2. ớc lợng độ không đảm bảo đo của các đại lợng Và lúc đó độ lệch chuẩn trung bình tơng đối của kết quả đo V dd đợc trình bày nh sau: = = n 1i 2 ) V )V(u ( i V )V(u (10) Thay 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 trờng và nớc, độ không đảm bảo đo cảu áp kế, áp suất của nớc trong đờng ống, độ không đảm bảo đo của bộ đếm thời gian , sai số cơ khí của máng lật vào các phơng trình ở cột 2 bảng 2, ta có các kết quả của độ không đảm đo lớn nhất của từng đại lợng ở cột 3 bảng 2 . Trên thực tế thì sự ảnh hởng vào kết quả đo của từng đại lợng là khác nhau, thí dụ ảnh hởng của sự thay đổi lu lợng hay ảnh hởng của máng lật là lớn, trong đó ảnh hởng của việc lẫn bọt khí trong nớc hay tính nén của nớc 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 lợng có ảnh hởng tới độ không đảm bảo đo của hệ thống. Ta có : 3 1 max 10.4,0 2 max )( )( = = = n i V V i u V Vu (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 lu lợng nớc là : 3 max 10.8,0 )( . = = V Vu kU E (12) kết luận Từ (14) ta thấy hệ thống chuẩn đầu lu lợng nớc có khả năng đạt đợc độ không đảm bảo đo < 0,1.10 -3 , độ không đảm bảo đo này cũng tơng đơng với độ không đảm bảo đo của các hệ thống chuẩn đầu lu lợng của các nớc nh Hàn quốc, Trung quốc Công trình đợc 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 lờng học - Trung tâm đào tạo - Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lờng Chất lợng - 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. . 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 nớc tại bình chuẩn 5- Độ không đảm bảo. bảo đo của nhiệt kế đo nhiệt độ nớc tại đo n đo 6- Độ không đảm bảo đo do ảnh hởng của bay hơi và bọt nớc gây ra bởi máng lật 7- Độ không đảm bảo đo do