TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 10953-4:2015 (API 4.6:1999) VỀ HƯỚNG DẪN ĐO DẦU MỎ – HỆ THỐNG KIỂM CHỨNG – PHẦN 4: PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY XUNG

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 10953-4:2015

HƯỚNG DẪN ĐO DẦU MỎ – HỆ THỐNG KIỂM CHỨNG – PHẦN 4: PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY XUNG

Guidelines for Petroleum measurement – Proving systems – Part 4: Pulse interpolation

Lời nói đầu

TCVN 10953-4:2015 được xây dựng trên cơ sở tham khảo API 4.6:1999 Manual of Petroleum measurement Standard – Chapter 4: Proving systems – Section 6: Pulse interpolation.

TCVN 10953-4:2015 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 30 Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

HƯỚNG DẪN ĐO DẦU MỎ – HỆ THỐNG KIỂM CHỨNG – PHẦN 4: PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY XUNG

Guideline for petroleum measurement – Proving systems – Part 4: Pulse interpolation

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp đo thời gian kép của nội suy xung, bao gồm các yêu cầu về vận hành hệ thống và các phép thử thiết bị, được áp dụng cho kiểm chứng đồng hồ.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

API Chapter 4 Manual of Petroleum measurement standard – Chapter 4: Proving system – Section 3: Small volume provers (Tiêu chuẩn hướng dẫn đo dầu mỏ – Chương 4: Hệ thống kiểm chứng – Bình chuẩn dung tích nhỏ)

API Chapter 12 Manual of Petroleum measurement standard – Chapter 12: Calculation of petroleum quantities using dynamic measurement methods and volumetric correction factors – Part 3: Proving reports (Tiêu chuẩn hướng dẫn đo dầu mỏ – Chương 12: Tính đại lượng đo sử dụng phương pháp đo động và hệ số hiệu chính thể tích – Báo cáo kiểm chứng)

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1. Tín hiệu cảm biến (detector signal)

Sự thay đổi trạng thái của công tắc hoặc tín hiệu khác để bắt đầu và kết thúc bộ đếm hoặc bộ tính thời gian của chuẩn và xác định thể tích được hiệu chuẩn của chuẩn.

3.2. Đo thời gian kép (double-chronometry)

Kỹ thuật nội suy xung sử dụng để tăng mức độ phân biệt các xung đầu ra của lưu lượng kế được phát hiện giữa các tín hiệu cảm biến của chuẩn. Kỹ thuật này được thực hiện bởi việc phân tích những xung này thành một số nguyên của số xung cộng với một phần lẻ của một xung bằng cách sử dụng hai bộ đếm thời gian tốc độ cao kết hợp với cổng logic, được điều khiển bởi các tín hiệu cảm biến và các xung của lưu lượng kế.

3.3. Độ phân biệt của lưu lượng kế (flowmeter discrimination)

Số đo lượng tăng nhỏ nhất của thay đổi số xung trên một đơn vị thể tích của thể tích đang được đo.

3.4. Tần số (Frequency)

Số lần lặp lại, hoặc chu kỳ của tín hiệu thay đổi theo chu kỳ (ví dụ: các xung, điện áp xoay chiều hoặc dòng điện) xảy ra trong chu kỳ 1 s. Số lần lặp lại đó, hoặc số chu kỳ, xảy ra trong chu kỳ một giây được biểu thị bằng Hz.

3.5. Sự liên tục xung của đồng hồ (meter pulse continuity)

Độ lệch của chu kỳ giữa các xung của lưu lượng kế, được tính theo phần trăm của một chu kỳ xung đầy đủ.

3.6. Đồng hồ không có bộ phận quay (nonrotating meter)

Thiết bị đo có xung đầu ra không dẫn xuất từ sự quay của bộ phận cơ khí được dẫn động bởi dòng chảy. Chẳng hạn như lưu lượng kế kiểu vortex, tiết lưu, vòi phun, siêu âm và lưu lượng kế kiểu điện từ là các thiết bị đo mà tín hiệu đầu ra (tín hiệu để tính toán lưu lượng hoặc thể tích kiểm chứng) được dẫn xuất từ một vài đặc tính không phải của bộ phận quay mà tỉ lệ với lưu lượng.

3.7. Chu kỳ của xung (pulse period)

Giá trị nghịch đảo của tần số xung. Chẳng hạn như tần số xung của một lưu lượng kế là 2 Hz, thì chu kỳ của xung đó là 1/2 s.

3.8. Bộ phận tạo xung (pulse generator)

Thiết bị điện tử mà có thể được lập trình để phát ra một lượng xung điện áp với một tần số hoặc chu kỳ thời gian chính xác.

3.9. Nội suy xung (pulse interpolation)

Bất kỳ một kỹ thuật nào toàn bố số xung được đếm giữa hai sự kiện (chẳng hạn như tín hiệu thay đổi giữa hai lần đóng công tắc cảm biến) và bất cứ phần lẻ nào còn lại của xung giữa hai sự kiện cũng được tính.

3.10. Đồng hồ dạng quay (rotating meter)

Bất kỳ một thiết bị đo nào mà tín hiệu xung đầu ra được dẫn xuất từ việc quay của bộ phận cơ khí được dẫn động bởi dòng chảy. Ví dụ đồng hồ tuốc bin và đồng hồ thể tích là những thiết bị đo mà tín hiệu ra được dẫn xuất từ chuyển góc liên tục của bộ phận được dòng chảy chuyền động.

3.11. Tỷ số tín hiệu và nhiễu (signal-to-noise ratio)

Tỷ số biên độ của tín hiệu điện và độ nhiễu của tín hiệu đó.

4. Đo thời gian kép nội suy xung

Phép đo thời gian kép nội suy xung yêu cầu phải đếm toàn bộ số xung nguyên của lưu lượng kế, N_m – được tạo ra trong một lần kiểm chứng và đo các khoảng thời gian T₁ và T₂. T₁ là khoảng thời gian giữa xung đầu tiên của lưu lượng kế sau khi tín hiệu đầu tiên của cảm biến được kích thích và xung lưu lượng kế đầu tiên sau tín hiệu của cảm biến đầu tiên và cuối cùng. T₂ là khoảng thời gian giữa tín hiệu đầu tiên và cuối cùng.

Bộ tính xung hoặc bộ đếm thời gian được bắt đầu và kết thúc bởi các tín hiệu cảm biến của chuẩn hoặc giữa các cảm biến. Các khoảng thời gian T₁ (tương ứng với số xung N_m) và khoảng thời gian T₂ (tương ứng với số xung đã được nội suy, N₁) được đo bằng đồng hồ chính xác. Số xung đã được nội suy được tính như sau:

N₁ = N_m(T₂/T₁)

Việc sử dụng kỹ thuật đo thời gian kép trong các kiểm chứng đồng hồ yêu cầu độ phân biệt của các khoảng thời gian T₁ và T₂ phải lớn hơn ± 0,01 %. Do vậy chu kỳ thời gian của T1 và T2 phải lớn hơn ít nhất 20 000 lần so với chu kỳ chuẩn Tc của đồng hồ được sử dụng để đo khoảng thời gian. Tần số đồng hồ, Fc phải đủ lớn để đảm bảo rằng cả T1 và T2 được tích lũy tối thiểu 20 000 xung đồng hồ trong quá trình kiểm chứng. Điều này không khó có thể đạt được, vì các công nghệ điện tử hiện tại được sử dụng cho nội suy xung thường sử dụng các tần số đồng hồ trong dải MHz.

4.1. Điều kiện sử dụng

Các điều kiện sau đây được áp dụng để đo thời gian kép nội suy xung:

4.1.1. Số lượng xung được nội suy, N₁, sẽ không là một số nguyên. Vì vậy N1 được làm tròn như trong API 12.2.3.

4.1.2. Các phương pháp nội suy xung đều được dựa trên giả định rằng lưu lượng thực không thay đổi trong chu kỳ giữa các xung liên tiếp của đồng hồ và mỗi xung đại diện cho cùng một thể tích. Để giả định này có giá trị, những dao động với chu kỳ ngắn của lưu lượng trong quá trình kiểm chứng phải được giảm thiểu.

4.1.3. Do thiết bị nội suy xung bao gồm các bộ tính và bộ đếm thời gian tốc độ cao nên thiết bị này phải được lắp đặt theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất, phải giảm thiểu những nguy cơ dẫn đến số đếm xung không tin cậy gây ra bởi sự nhiễu về điện xảy ra trong kiểm chứng. Tỷ số tín hiệu và nhiễu của toàn bộ hệ thống phải đủ cao để đảm bảo các tín hiệu nhiễu điển hình về điện được loại trừ. Thông tin chi tiết hơn xem trong API 5.4 và API 5.5 và các phần khác của API Chương 4.

4.2. Yêu cầu hoạt động của lưu lượng kế

Các lưu lượng kế được kiểm chứng và tạo ra các xung cho hệ thống nội suy xung phải đáp ứng yêu cầu sau;

a) Nếu tốc độ lặp xung tại một lưu lượng ổn định không được duy trì trong giới hạn đưa ra tại API 4.3 thì lưu lượng kế chỉ có thể được sử dụng với hệ thống nội suy xung với mức chính xác tổng thấp hơn. Trong trường hợp này nên xem xét lại về đánh giá của độ chính xác hiệu chuẩn hoặc tăng số các lần kiểm chứng/ kết hợp với các kỹ thuật lấy trung bình.

b) Tính liên tục về xung của đồng hồ trong các lưu lượng kế kiểu quay phải phù hợp với các yêu cầu trong API 4.3. Xung lưu lượng kế tạo ra có thể được quan sát bằng máy hiện song (oscilloscope) mà thời gian cơ sở được cài đặt tới giá trị nhỏ nhất của một chu kỳ đầy đủ, để kiểm tra tính liên tục về xung của lưu lượng kế.

c) Độ lặp lại của các lưu lượng kế không có bộ phận quay sẽ là một hàm của tốc độ thay đổi tần số xung tại lưu lượng ổn định. Để áp dụng các kỹ thuật nội suy xung cho các lưu lượng kế không có bộ phận quay thì tính liên tục về xung của lưu lượng kế phải phù hợp với API 4.3 đã duy trì độ chính xác hiệu chuẩn.

d) Kích cỡ và hình dạng của xung tạo ra bởi các lưu lượng kế phải phù hợp với sự thể hiện của hệ thống nội suy xung. Nếu cần, tín hiệu phải được khuếch đại và định hình trước khi đi vào hệ thống nội suy xung.

5. Phép thử với thiết bị điện tử

Sự thao tác chính xác của phép nội suy xung điện tử có tính quyết định để duy trì độ chính xác kiểm chứng. Một phép thử về trường chức năng phải được thực hiện định kỳ để đảm bảo thiết bị đang vận hành đúng. Điều này có thể được thực hiện đơn giản bằng cách tính toán thủ công để kiểm tra rằng thiết bị tính toán đúng số xung nội suy, hoặc nếu cần, tiến hành tất cả các phép thử chứng nhận trong Điều 6.

6. Yêu cầu về phép thử chức năng hoạt động

Trong thực tiễn thường sử dụng bộ vi xử lý dựa trên máy tính lưu lượng có chức năng nội suy xung. Máy tính lưu lượng phải có chức năng hiển thị dữ liệu hoặc in ra dữ liệu báo cáo thể hiện đầy đủ các giá trị của tất cả các tham số và các biến cần thiết để kiểm tra sự vận hành đúng của hệ thống bằng tính thủ công. Những tham số và các biến này phải bao gồm nhưng không giới hạn: thời gian T₁, T₂, số nguyên số lượng các xung của lưu lượng kế N_m và xung nội suy được tính toán N₁.

Sử dụng chức năng hiển thị dữ liệu được trang bị, bộ phận này phải được thử nghiệm về mặt chức năng bằng cách thực hiện tuần tự các lần kiểm chứng và phân tích dữ liệu hiển thị hoặc dữ liệu in ra.

7. Chứng chỉ thử nghiệm

Chứng chỉ thử nghiệm phải được nhà sản xuất máy tính lưu lượng thực hiện trước khi chuyển giao thiết bị và nếu cần, bởi người sử dụng theo danh mục chủ yếu, hoặc thỏa thuận công nhận lẫn nhau giữa các bên liên quan. Chứng chỉ thử nghiệm này không loại trừ các phép thử khác mà phải thực hiện trong lắp đặt thực tế.

Sơ đồ khối của chứng chỉ thử nghiệm thiết bị được nêu trong Hình A.2.

Một bộ tạo xung có khả năng điều chỉnh, được chứng nhận và dẫn xuất với độ không đảm bảo đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng 0,001 % được cài đặt để tạo ra tín hiệu tần số đầu ra F_m, mô phỏng một dãy xung của lưu lượng kế. Tín hiệu này được nối tới đầu vào máy tính lưu lượng.

Một bộ tạo xung thứ hai đã được điều chỉnh, chứng nhận và được dẫn xuất, có độ không đảm bảo đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng 0,001 % có khả năng cũng được cài đặt để tạo ra một xung đầu ra được chia tách bởi chu kỳ thời gian T₂, mô phỏng tín hiệu của cảm biến công tắc. Tín hiệu này được nối tới các đầu vào máy tính lưu lượng.

Hàm nội suy xung cũng quan trọng hơn khi có ít xung đồng hồ được thu thập giữa các công tắc cảm biến đặt chu kỳ xung của bộ tạo xung thứ 2 để đưa ra thời gian thể tích T₂ bằng thời gian được tạo ra bởi cảm biến chuẩn ở lưu lượng kiểm chứng nhanh nhất mong đợi.

Chức năng nội suy xung có tính quyết định hơn khi một số ít xung thời gian được thu thập giữa các công tắc cảm biến. Cài đặt tần số đầu ra của bộ tạo xung thứ nhất để tạo ra tần số bằng với lưu lượng kế mà có số xung thấp nhất trên một đơn vị thể tích được thử nghiệm với thiết bị tại lưu lượng thử cao nhất được mong đợi.

Chức năng nội suy xung có tính quyết định hơn khi một số ít xung thời gian được thu thập giữa các công tắc cảm biến. Cài đặt tần số đầu ra của bộ tạo xung thứ hai để tạo ra thể tích theo thời gian, T₂, bằng thời gian được tạo bởi cảm biến của chuẩn tại lưu lượng kiểm chứng mong muốn lớn nhất.

VÍ DỤ: Một ví dụ của Mỹ: Một bình chuẩn dung tích nhỏ với dung tích cơ sở là 0,81225 barrels sẽ được sử dụng để kiểm chứng đồng hồ turbine (với hệ số K 1000 xung/barrel) tại lưu lượng lớn nhất là 3000 barrels/giờ

Khoảng thời gian cho 0,81225 barrels tại lưu lượng 3000 barrels/giờ là:

T₂ = 3000 x 0,81225/3600 = 0,676875 s

Tần số lưu lượng kế F_m tạo ra bởi lưu lượng kế tại lưu lượng 3000 barrels/giờ là:

F_m = 3000 x 1000/3600 = 833 33333 Hz

Xung nội suy của lưu lượng kế được tính toán đơn giản bằng cách lấy tần số mô phỏng F_m của lưu lượng kế nhân với thời gian mô phỏng theo thể tích T₂

N₁ = 833 33333 x 0,676875 = 564,0625

Kiểm tra các kết quả chỉ thị hay in ra bởi máy tính lưu lượng, đảm bảo rằng chúng phải nằm trong phạm vi ± 0,01 % của giá trị tính toán.

Nếu có thể để lựa chọn tần số mô phỏng F’_m bằng đúng bội số của thời gian T’₂, bằng cách tạo ra sự đồng bộ giữa các xung mô phỏng của lưu lượng kế và tín hiệu của các công tắc hành trình. Trong trường hợp này sẽ cần thay đổi hoặc tần số mô phỏng của lưu lượng kế F’_m hoặc chu kỳ mô phỏng T₂ của tín hiệu công tắc hành trình để đảm bảo rằng các xung được nội suy sẽ bao gồm cả phần lẻ của xung.

8. Thử nghiệm để được cấp giấy chứng nhận của nhà sản xuất

Thử nghiệm cấp giấy chứng nhận phải được thực hiện tại một số các điều kiện mô phỏng. Những điều kiện này phải bao gồm phạm vi của thiết thiết bị của thời gian theo thể tích của chuẩn, T₂, và tần số xung của lưu lượng kế, F_m. Khi được yêu cầu, nhà sản xuất phải đưa ra giấy chứng nhận thử nghiệm chi tiết về giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của thời gian theo thể tích, T₂, tần số của lưu lượng kế, F_m, mà thiết bị có thể chấp nhận theo thiết kế.

Nếu thiết bị điện tử nội suy xung được thử nghiệm và kiểm định bằng cách sử dụng thiết bị và quy trình đã trình bày, thì có thể sử dụng trong quá trình kiểm chứng lưu lượng kế với độ tin cậy mà sẽ đóng góp vào độ không đảm bảo tổng hợp một độ không đảm bảo nhỏ hơn ± 0,01 % trong phạm vi tần số tín hiệu xung được thử nghiệm.

PHỤ LỤC A

(tham khảo)

Tính toán xung nội suy

A.1. Giới thiệu chung

Phương pháp đo thời gian kép của nội suy xung được nêu trong Điều 4. Hình A.1 là sơ đồ của các tín hiệu điện yêu cầu cho kỹ thuật này. Kỹ thuật này đưa ra những dữ liệu số học được yêu cầu để giải đáp phần phân số của một xung đơn nguyên của lưu lượng kế. Kỹ thuật đo thời gian kép nội suy xung yêu cầu sử dụng ba bộ đếm điện sau: CTR-N_m để đếm số xung nguyên của lưu lượng kế; CTR-T1 đếm thời gian yêu cầu để tích lũy các xung nguyên của lưu lượng kế; CTR-T2 để đếm thời gian giữa các tín hiệu của cảm biến tín hiệu để xác định thể tích dịch chuyển của chuẩn.

Kỹ thuật đo thời gian kép giảm tổng số các xung nguyên của lưu lượng kế thông thường yêu cầu cho thể tích dịch chuyển ít hơn 10 000 để vẫn đạt được độ không đảm bảo của độ phân biệt là 0,02 % (giá trị trung bình là ± 0,01 %) cho một lần kiểm chứng.

Các hướng dẫn về độ phân biệt của thời gian/xung yêu cầu được trình bày trong Điều 4 và sẽ được sử dụng kết hợp với một chuẩn được thiết kế phù hợp về các tham số kích thước đã được nêu trong API 4.3.

Các ví dụ trong A.2 là phù hợp với các hướng dẫn trong Điều 4, mỗi ví dụ đại diện cho từng trường hợp dữ liệu xác định và không phải đại diện cho tất cả các phương pháp nội suy xung.

Hình A. 1 – Sơ đồ điều chỉnh thời gian kép của nội suy xung

Hình A.2 – Thiết bị thử chứng nhận đối với thời gian kép của nội suy xung

A.2. Ví dụ

A.2.1. Ví dụ 1 – Tính toán nội suy xung

Các dữ liệu đầu vào như sau:

F_c là tần số đồng hồ sử dụng để đo khoảng thời gian, tính theo Hz > (20 000 x N₁) x F_m

F_m là tần số xung đầu ra của lưu lượng kế (giá trị lớn nhất để phân tích) (= 520 Hz).

N_m là tổng số lượng xung nguyên của lưu lượng kế, (= 200 x (CRT-N_m).

N₁ là số xung của lưu lượng kế đã được nội suy; (= (T2/T1) x N_m)

T₁ là khoảng thời gian để đếm số xung nguyên của lưu lượng kế (N) tính bằng giây (s);

(= 2,43914 x (CTR-T1))

T₂ là khoảng thời gian giữa tín hiệu cảm biến thứ nhất và thứ hai (tương ứng thể tích chuẩn);

(= 2,43917 x (CTR-T2))

Nếu yêu cầu độ không đảm bảo của phép nội suy xung tốt hơn ± 0,01 %, thì:

CHÚ THÍCH: Chu kỳ của đồng hồ là nghịch đảo của tần số, T=1/F. Vì vậy chu kỳ của một xung đồng hồ là T=1/100 000 Hz hay 0,00001 s. Độ phân biệt của đồng hồ là 0,00001/2,43914 hoặc 0,0004 %. Yêu cầu giá trị Fc và yêu cầu độ phân biệt trong Điều 4 vì vậy sẽ được thỏa mãn.

Tính toán giá trị nội suy xung:

N₁ = (2,43917/2,43914) x (200)

= (1,00001) x (200)

= 200,002

A.2.2. Ví dụ 2 – Tính toán giá trị trong giấy chứng nhận

Sử dụng các thiết bị như trong Hình A.2, áp dụng các dữ kiện sau:

Dữ liệu mô phỏng

F’_m là tần số xung của bộ phát số một mô phỏng xung đồng hồ tính bằng Hz.

= 233 000.

T’₂ là chu kỳ xung của bộ phát xung số hai mô phỏng tín hiệu cảm biến theo giây (s)

= 1,666667

Các dữ liệu quan sát tại máy tính lưu lượng:

N_m là số xung nguyên của lưu lượng kế

= 388.

T₁ là số xung đồng hồ tích lũy trong quá trình đếm số xung nguyên của lưu lượng kế (Nm)

= 166 523

T₂ là số xung đồng hồ tích lũy trong quá trình mô phỏng thể tích kiểm chứng

= 166 666.

CHÚ THÍCH: Cả T₁ và T₂ đều tích hơn 20 000 xung đồng hồ, thỏa mãn yêu cầu về độ phân biệt được quy định trong Điều 4.

So sánh các kết quả:

N’₁ là xung nội suy tính được dựa trên chứng nhận của các bộ phát xung

= F’_m x T₂

= 233 x 1,666667

= 388 33341

N1 là số xung nội suy được quan sát trên máy tính chuẩn

= Nm (T2/T1)

= 388 x (166666/166523)

= 338 3319

Sự chấp nhận về chứng nhận thử nghiệm yêu cầu giữa N’₁ và N₁ phải tốt hơn ± 0,01 % nên:

(N’₁ – N₁)/N’₁ < 0,0001

(388 33341 – 388 33319) / 388 33341 = 0,0000005

Kết quả của thử nghiệm thiết bị phù hợp với kết quả tính toán dựa trên dữ liệu lên máy tạo xung có liên kết chuẩn 0,00005 % thì loạt thử nghiệm chứng nhận được chấp nhận.

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] API Chapter 5: Manual of Petroleum measurement Standard – Metering (Tiêu chuẩn hướng dẫn đo dầu mỏ – Phép đo).