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

Bộ giáo dục và đào tạo
TRờng đại học bách khoa hà nội

*************

Thu thập và xử lý tín hiệu đo lờngTrong hệ
thống chuẩn đầulu lợng khí kiểu PVTt
Ngành: xử lý thông tin và truyền thông
mã số:

Nguyễn cao Phúc

Ngời hớng dẫn khoa học : Ts. Trịnh văn loan

Hà nội 2006


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của chính bản thân.
Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết, tham
khảo chuyên nghành và hiểu biết thực tế của tôi, không sao chép.

Tác giả luận văn

Nguyễn cao phúc


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Mục lục
LờI GIớI THIệU-------------------------------------------------------------------- 1
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đầu lu
lợng khí kiểu PVTt -------------------------------------- 3
1.1 Khái niệm về hệ thống chuẩn đo lờng, 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 lu lợng khí --------------------------------- 6
1.3 Giới thiệu về hệ thống chuẩn đầu lu lợng khí -------------------------- 9

1.3.1 Khái niệm ------------------------------------------------------------------- 9
1.3.2 Các thuật ngữ và định nghĩa ------------------------------------------- 9
Chơng 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 nớc ------------------------------------------------------------------- 17
2.2.2 Sự thay đổi khối lợng 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 phơng trình tính toán lu lợng----------------------------------------26

Chơng 3: chơng 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 Phơng pháp đấu nối đờng dây. ---------------------------------- 36

i


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 phơng thức scan ---------------------------------------- 45
6. Khối hiển thị và chuyển đổi thông tin ---------------------------------7. Khối chọn thông số cần kiểm tra trên 2 kênh ------------------------8. Khối kiểm soát Start/Stop -----------------------------------------------9. Khối nhận dữ liệu trớc Start------------------------------------------10. Khối nhận dữ liệu trong khoảng Start-Stop và thông số thời gian

45
46
47
48
48

11. Khối nhận dữ liệu sau Stop--------------------------------------------12. Khối xây dựng mảng 3D/2D & lu trữ thông tin -------------------13. Khối tính toán lu lợng khối lợng khí vào bình chuẩn
Qt(Kg/s). ----------------------------------------------------------------14. Khối tính toán lu lợng khối lợng qua vòi phun tới hạn-------------15. Khối tạo mảng 1D lu kết quả tính toán -----------------------------

49
50
51
52
53

3.3.4 Chức năng các hàm trong th viện PVTt.lib --------------------- 53
3.3.4.1 Danh sách các hàm sử dụng trong th viện---------------------- 53
3.3.4.2 Giải thích các hàm trong th 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

ii


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

10. Hàm read_Serial.vi ----------------------------------------------------- 69
11. Hàm calculate_Average_Ros.vi -------------------------------------- 71
12. Hàm PVTt_resuilt.vi ---------------------------------------------------13. Hàm tính venturi.vi-----------------------------------------------------14. Hàm Qvp(Kg/s).vi ------------------------------------------------------15. Hàm Re.vi ---------------------------------------------------------------16. Hàm Cd.vi ----------------------------------------------------------------

72
74
75
76
77

17. Hàm tính khối lợng m(Kg).vi ----------------------------------------18. Hàm Create_array_1ds.vi --------------------------------------------19. Hàm Create_Array_3D.vi---------------------------------------------20. Hàm DATA_CHECK.vi -----------------------------------------------21. Hàm write_to_Xls_1D.vi-----------------------------------------------

78
79
80
83
84

22. Hàm Write_to_xls_3D -------------------------------------------------23. Hàm Hieuchuan.vi----------------------------------------------------24. Hàm Check_Hieuchuan.vi--------------------------------------------25. Hàm WaveForm.vi -----------------------------------------------------

85
86
87
88

3.3.5 Giao diện phần mềm -------------------------------------------------- 89
3.3.6 Đóng gói phần mềm --------------------------------------------------- 90
Chơng 4: kết quả và đánh giá ------------------------------------- 94
tài liệu tham khảo --------------------------------------------------------- 102
Tóm tắt luận văn ----------------------------------------------------------- 103

iii


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 nớc, đờng dẫn nớc
và các thiết bị kiểm tra nhiệt độ. ------------------------------------- 17
Hình 2-5: Bình 50L và 1000 L đợc nhúng vào bể nớc 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 đợc nạp
với lu lợng 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 lu lợng 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
đợc sử dụng để hiệu chỉnh thời gian nạp và cải thiện việc loại
trừ khối lợng ban đầu và kết thúc cũng nh 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 lờng & Điều khiển cho Hệ thống chuẩn đầu
lu lợng khí kiểu PVTt ----------------------------------------------- 35
Hình 3-7: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt 2 dây ------------------------------------- 36

iv


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 phơng 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 trớc 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 & lu trữ thông tin------------------ 50
Hình 3-28: Sơ đồ tính toán lu lợng khí vào bình chuẩn---------------------- 51
Hình 3-29: Sơ đồ tính toán lu lợng khí qua vòi phun tới hạn --------------- 52
Hình 3-30: Sơ đồ tạo mảng 1 D và lu 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

v


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 lợng 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 bớc 2 ------------------------------------------ 91
Hình 3-58: Đóng gói phần mềm bớc 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

vi


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 nớc 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 lờng Việt nam đang xây dựng một hệ thống chuẩn đầu về
đo lu lợng 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 lờng khí trong cả nớc. Với hệ thống chuẩn khí này, chúng ta có thể tiến
hành sao truyền và dẫn xuất chuẩn cho các lu lợng kế khí chuẩn có độ
không đảm bảo đo u<0,1 % và lu lợng tới 1000 m3/h của các Trung tâm kỹ
thuật Tiêu chuẩn Đo lờng Chất lợng khu vực 1, 2 và 3 hoặc các phòng thí
nghiệm đợc uỷ quyền. Ngoài ra, chúng ta có thể tiến hành đo, hiệu chuẩn
cho các lu lợng kế khí nhỏ nh đồng hồ khí dân dụng, các lu lợng khí sử
dụng trong các phòng thí nghiệm, các đồng hồ khí lu lợng lớn v.v... Với các
đồng hồ đo khí có lu lợng nhỏ hơn 250 m3/h ngời ta thờng sử dụng hệ
thống chuông khí chuẩn, còn với yêu cầu đo lu lợng 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 lu lợng khí kiểu PVTt. Sản phẩm của đề tài là một phần
mềm thu thập và xử lý các tiếng hiệu đo lờng thu đợc 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

1


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

trình này sẽ cho ra các thông số đo hiện tại, sai số vòi phun và xuất ra file dữ
liệu phục vụ lu trữ và kiểm tra sau này.
Sau một thời gian nghiên cứu và xây dựng, với sự giúp đỡ của thầy
hớng dẫn và các bạn đồng nghiệp, chơng trình đã hoạt động, cơ bản xử lý
đợc 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 cha nhiều, do đó chơng trình vẫn còn nhiều điều khiếm khuyết
phải giải quyết và bổ sung. Cùng với cố gắng bản thân cũng nh sự giúp đỡ
của thầy hớng dẫn và các bạn đồng nghiệp, hy vọng trong thời gian tới
chơng trình sẽ đợc hoàn thiện hơn, phục vụ tốt cho hệ thống chuẩn đầu lu
lợng khí tại Việt nam.

2


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Chơng 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đầu lu
lợng khí kiểu PVTt

1.1 Khái niệm về hệ thống chuẩn đo lờng, phân loại chuẩn
Theo TCVN 6165-1996, chuẩn đo lờng, hay gọi tắt là chuẩn, đợc
định nghĩa nh sau: Chuẩn là vật đọ, phơng 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 lợng dùng để làm mốc so sánh.
Nh vậy, chuẩn đo lờng chính là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của
đơn vị đo lờng theo định nghĩa. Về bản chất, chuẩn cũng là các thiết bị đo

lờng, nhng khác các thiết bị đo lờng thông thờng ở chỗ các thiết bị đo
này không dùng cho các phép đo thực tế hàng ngày, nó chỉ dùng để đặc trng
cho đơn vị, để truyền đơn vị đến các chuẩn, phơng tiện đo có độ chính xác
thấp hơn, nh 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 lờng 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 đợc chỉ định hay đợc 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 chuẩn khác của cùng đại lợng. Khái niệm chuẩn đầu
đợc dùng nh nhau đối với đại lợng cơ bản và cả đại lợng dẫn xuất.
Chuẩn thứ: là chuẩn mà giá trị của nó đợc ấn định bằng cách so
sánh với chuẩn đầu của cùng đại lợng.

3


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Chuẩn bậc I: là chuẩn mà giá trị của nó đợc ấn định bằng cách so
sánh với chuẩn thứ của cùng đại lợng.
Chuẩn bậc II: là chuẩn mà giá trị của nó đợc ấn định bằng cách so
sánh với chuẩn Bậc I của cùng đại lợng...
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
đầu
Chuẩn thứ
Chuẩn bậc I

Chuẩn bậc N
Sai số

Hình1-1: Sơ đồ phân loại chuẩn
Số bậc N bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc yêu cầu của từng lĩnh vực đo.
Lĩnh vực độ dài có chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I,II...V
Ngoài ra, theo chức năng và mục đích sử dụng có thể phân loại chuẩn
thành: chuẩn quốc tế, chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác.
Chuẩn quốc tế: là chuẩn đợc một hiệp định quốc tế để làm cơ sở ấn
định giá trị cho các chuẩn khác của đại lợng có liên quan trên phạm vi
quốc tế.

4


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Chuẩn quốc gia: là chuẩn đợc 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 nớc.
Chuẩn chính: là chuẩn thờng có chất lợng cao nhất về mặt đo lờng

có thể có ở một địa phơng hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó
đều đợc dẫn xuất từ chuẩn này.
Chuẩn công tác: là chuẩn đợc dùng thờng xuyên để hiệu chuẩn
hoặc kiểm tra vật đọ, phơng tiện hoặc mẫu chuẩn. Chuẩn công tác thờng
xuyên đợc 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 đợc 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 lợng đợc chỉ bởi
phơng tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị đợc thể hiện bằng vật độ hoặc mẫu
chuẩn và các giá trị tơng ứng thể hiện bằng chuẩn. Kết quả hiệu chuẩn cho
phép hoặc xác định giá trị của đại lợng 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 lờng
khác, ví dụ, nh tác động của đại lợng ảnh hởng đến phơng tiện đo v.v...
Kết quả hiệu chuẩn đợc ghi trong một tài liệu thờng đợc 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 đợc
tình trạng của phơng 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.
Nh vậy, xét về mặt kỹ thuật, nội dung cơ bản của việc hiệu chuẩn
chính là việc so sánh phơng tiện đo với chuẩn để đánh giá sai số và các đặc
trng kỹ thuật, đo lờng khác của nó.

5


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

1.2.2 Tính liên kết chuẩn
Một đặc trng quan trọng của việc hiệu chuẩn là phải đảm bảo tính
liên kết chuẩn (Traceability) của nó. Tính liên kết chuẩn đợc 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, thờng 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 đợc
gọi là chuỗi liên kết chuẩn.
Phép hiệu chuẩn có tính liên kết chuẩn (traceable calibration) đạt tới
đợc thì từng phơng 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
đợc hiệu chuẩn một cách thích hợp. Các kết quả hiệu chuẩn đợc 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 đợc 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 đợc gọi là chuỗi liên kết chuẩn nh trên đã nói.
Sơ đồ dẫn xuất chuẩn cũng đồng thời cho ta một hình ảnh cụ thể về tính
liên kết chuẩn. Các phơng tiện đo cũng nh các chuẩn đều đợc đặt vào một
mắt xích tơng ứng trong chuỗi liên kết chuẩn. Kết quả cuối cùng là chúng
đều đợc nối (so sánh) với chuẩn quốc gia trực tiếp hay gián tiếp. Có thể hình
dung tính liên kết chuẩn nh một dòng họ. Chuẩn đo lờng quốc gia chính là
"ông tổ" của một dòng họ các phép đo và phơng tiện đo của một loại đại
lợng tơng ứng trong từng nớc.
1.2.3 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn lu lợng khí
Để đảm bảo việc truyền đơn vị từ chuẩn đầu lu lợng khí (hệ thống
chuẩn PVTt) đến các chuẩn lu lợng 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.

6


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Trớc hết, đơn vị đợc thể hiện bằng chuẩn đầu quốc gia, sau đó đợc
truyền lần lợt đến các chuẩn chính ở các bậc khác nhau bằng việc hiệu
chuẩn. Tuỳ theo độ chính xác mà phơng tiện đo đợc hiệu chuẩn bằng cách
so sánh với chuẩn công tác ở bậc chính xác này hay bậc chính xác khác.
Tơng tự nh vậy, chuẩn công tác cũng sẽ đợc 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 đợc trình bày trong hình 1.2

7


Luận văn cao học

Chuẩn độ dài
u 0,001%

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Chuẩn thời gian
u 0,0001%

Chuẩn dung tích

Chuẩn ống 20dm3
và 60 dm3
Q: (0,015 - 3,5) m3/h ; u 0,1 %

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

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

Chuẩn công tác lu
lợng khí
Q: (0,015 - 20) m3/h ; u 0,2 %

Chuẩn công tác lu lợng khí
Q: (1 - 10 000) m3/h
u 0,2 %

Lu lợng kế kiểu tuốc bin, hoặc
thể tích chuẩn
Q: (50 - 10 000) 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 ...
Lu lợng Q: (0,015 - 400.000) m3/h ; u (0,5 5) %

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

8


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

1.3 Giới thiệu về hệ thống chuẩn đầu lu lợng khí
1.3.1 Khái niệm
Hệ thống chuẩn đầu về đơn vị đo khí là một hệ thống đợc xây dựng trên
nhiều thiết bị chuẩn. Tuỳ thuộc vào đối tợng đo và lu lợng 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 lu lợng làm việc từ 1 đến 250m3/h, độ không đảm bảo đo u 0,1%.
2. Chuẩn khí kiểu PVTt có lu lợng 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 lu lợng chuẩn có lu lợng làm việc từ 1 đến 10 000m3/h, độ không
đảm bảo đo u 0,2 %. Các chuẩn này đợc trang bị cho các Trung tâm Kỹ thuật
Tiêu chuẩn Đo lờng khu vực hoặc các tổ chức, cơ sở đợc uỷ quyền kiểm định.
Các lu lợng kế chuẩn này sẽ đợc sử dụng để kiểm định các đồng hồ đo khí
gia đình, lu lợng kế dùng cho y tế, các nhà máy công nghiệp, bảo vệ môi
trờng ...
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. Phơng 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.
Chú ý: chỉ sử dụng giá trị áp suất tuyệt đối trong chuẩn quốc tế.
9


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

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 đợc 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 đợc đa vào hệ thống dùng
để đo lu lợng khí.
- Cổ vòi phun: là khu vực mà đờng kính của vòi phun là nhỏ nhất.
- Vòi phun venturi tới hạn: là vòi phun venturi sử dụng để đo lu lợng tới hạn.
Dòng khí:
- Lu lợng khí qm: là lợng khí đi qua vòi phun venturi trong một đơn vị thời
gian.
Chú ý: Trong chuẩn quốc tế, thuật ngữ này đợc đề cập nh là chuẩn lu

lợng khối lợng.
- Số Reynolds tại cổ vòi Red : là thông số không thứ nguyên đợc tính từ tốc độ
khí, mật độ khí ở cổ vòi và độ nhớt động học ở lối vào vòi phun. Kích thớc
đặc trng là đờng kính cổ vòi ở điều kiện làm việc.
- Số mũ đẳng entropy k : là tỷ số so sánh sự biến đổi áp suất tơng 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 tởng có thể đạt đợc 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.

10


Luận văn cao học

-

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Lu lợng tới hạn: là lu lợng 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 tơng đơng với giá trị tốc độ âm thanh, là tốc độ khi có sự nhiễu
loạn áp suất nhỏ lan truyền.

-

Hàm lu lợng 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.
CR=C*.Z1/2
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 lu lợng 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 lu 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 tởng ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định.
Z=pM/RT
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%.

11


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Chơng 2: Nguyên lý hoạt động và yêu cầu của

hệ thống chuẩn kiểu PVTt

2.1 Nguyên lý hoạt động
Hệ thống PVTt đợc sử dụng nh là chuẩn đầu lu lợng khí để hiệu
chuẩn các lu lợng kế chuẩn nh vòi phun tới hạn, lu lợng kế chuẩn kiểu tuốc
bin, lu lợng 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 lu lợng 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 đợc kiểm tra ra khỏi sự thay đổi áp suất trong đờng ống nối phía sau
và bình. Quá trình thực hiện phép đo lu lợng bằng PVTt thực hiện theo các
bớc sau:
1. Khoá van của bình và thiết lập dòng chảy ổn định qua vòi phun tới hạn.
12


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

2. Dùng bơm chân không hút khí ra khỏi bình (VT).
3. Chờ cho đến khi nhiệt độ và áp suất trong bình ổn định và ghi các giá trị
ban đầu của bình ( PTi , TTi ). Các giá trị này đợc sử dụng để tính tỉ trọng và khối
lợng ban đầu của khí trong bình ( mTi ).
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 (ti). Tại thời điểm này ghi giá trị
( PTi , TTi ). Các giá trị này sẽ đợc sử dụng cùng với phơng trình trạng thái của khí
và thể tích của ống nối (VI) để tính khối lợng ban đầu của khí (mIi ). Ngay sau
khi van rẽ nhánh đợc đóng kín, mở van bình.
5. Chờ cho đến khi bình đợc nạp khí đến áp suất định trớc (trong hệ
thống này là 100 kPa), và đóng van bình, ghi lại thời gian dừng (tf). Cùng lúc đó
đo áp suất và nhiệt độ (PTf, VTf ) và tính đợc giá trị kết thúc của khối lợng khí
ống nối (mIf). Mở van rẽ nhánh.
6. Chờ cho đến khi bình ổn định đo PTf, VTf và suy ra mTf.
Bằng phơng trình cân bằng khối lợng cho thể tích của ống nối và bình
(xem thể tích tô đậm trong hình 2.2), ta có thể tính đợc lu lợng khối lợng
trung bình trong khoảng thời gian đợc ghi :
VI
Van rẽ
Bình chứa

Nguồn khí

VT
Vòi phun tới hạn

Van bình

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

13


Luận văn cao học

m&

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

= [ ( mTf -mTi) + ( mI f -mIi)] / (tf -ti)

(1)

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

m&

= [VT( Tf -Ti) + VI( I f -I i)] / (tf -ti)

(2)

Trong đó là tỉ trọng của khí đợc xác định bằng phơng trình trạng thái:
=PM/ZRT

(3)

Trong đó Z là thông số nén, M là phân tử lợng và R là hằng số khí
Thời gian bắt đầu và kết thúc có thể đợc chọn tại bất cứ điểm nào khi mà
các điều kiện của ống nối đợc 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 đợc phép xuất hiện bất cứ một nguồn hay lọt khí vào trong thể
tích đợc kiểm tra.
Điều kiện thứ hai luôn đợc thoả mãn bởi trong suốt thời gian đo, van rẽ

nhánh đợc đóng hoàn toàn. Không cần thiết phải xác định khối lợng 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 nh vậy độ lệch khối lợng (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.
14


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

Biểu thức (2) và (3) là biểu thức cơ bản cho việc tính lu lợng khối lợng
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 lu
lợng 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 lợng trong đờng ống nối.
Chúng ta sử dụng lu lợng thể tích L/min cho lu lợng khí chuẩn của hệ
thống PVTt. Đơn vị lu lợng L/min phản ánh thực tế rằng chuẩn PVTt làm việc
trên toàn bộ dải đo lu lợng thể tích không tính đến phân tử lợng của khí đợc
đo. Chúng ta cũng sử dụng điều kiện tiêu chuẩn là 293,15 K và 101,325 kPa khi
tính lu lợng thể tích, vì vậy đơn vị lu lợng thể tích tơng 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 lu
lợng 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 tợng động lực. Cờng độ của ảnh hởng phụ thuộc vào lu lợng.
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
phơng 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 đợc nhúng trong một bể chứa nớc có thiết
bị khuấy và đợc cách nhiệt (Hình 2.3 và 2.4). Tuy nhiên đối với bình chuẩn
dung tích lớn phục vụ cho hiệu chuẩn lu lợng lớn (đến hàng ngàn m3/h) việc
15


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

xây dựng bể nớc sẽ rất khó khăn và tốn kém. Do vậy ngời ta vẫn sử dụng cả
mô hình cân bằng nhiệt khô và ớt đối với hệ thống chuẩn PVTt.

Hình 2-3: Bình chuẩn PVTt 5000L
Hiện nay tại Trung tâm đo lờng 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
trờng không khí (hình 2.3) và một loại ớt với bình chuẩn 1000L để ngâm trong
bể nớc. Loại ớt đợc xây dựng theo mô hình của Viện Tiêu chuẩn và Công
nghệ Mỹ (NIST) (hình 2.4, 2.5). Sơ lợc các phân tích lý thuyết và thực hành sau
đây đợc tiến hành bởi các nhà khoa học tại NIST, hiện chúng ta đang tiếp cận và
xây dựng một mô hình tơng tự tại Trung tâm đo lờng Việt nam.
Với loại bình ngâm nớc, 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 đợc cân bằng khá nhanh
16


Luận văn cao học

Nguyễn Cao Phúc - Lớp XLTT&TT 2004

so với nhiệt độ của nớc trong bể. Sau khi nhiệt độ khí cân bằng với bể, thì nhiệt
độ của khí đợc xác định khá đơn giản bằng phép đo nhiệt độ của nớc tuần
hoàn. Đặc biệt là phép đo nhịêt độ nớc đợc thực hiện bới 14 đầu đo có độ
không đảm bảo đo nhỏ hơn 0,4 mK trong thời gian 20 phút cân bằng.

Bình chứa 50 L
Thiết bị làm
nóng,lạnh và
khuấy

Mực
nớc
Bình chứa 1000 L
Đờng
dẫn nớc

Hình 2-4: Sơ đồ các bình chứa của hệ thống PVTt, bể nớc,
đờng dẫn nớc và các thiết bị kiểm tra nhiệt độ.
2.2.1 Bể nớc
Bể nớc hình hộp có chiều dài 3,3 m, chiều rộng 1m và chiều cao 1m. Các
ống nối đợc đỡ bằng khung kim loại và đợc 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 nớc đợc khuấy mạnh và nhiệt độ nớc đợc điều nhiệt
để bằng với nhiệt độ của phòng (296,5 K) bằng cách sử dụng máy sấy nóng và

17