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.