14 Nhà sản xuất cung cấp dữ liệu vận tốc không khí theo độ chênh lệch cột nước Hình 9: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo áp kế theo độ chênh lệch áp suất theo nhà sản suất... Bảng 3: Đối chiếu
MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Giới thiệu phương pháp đo vận tốc dòng khí (không nén được) qua ống pitot thông qua
Sử dụng bảng đo cột áp nước, xác định chênh lệch áp suất
Sử dụng cảm biến áp suất FreeScale MPXV5004DP
THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
2.1 Ống khí động (hầm gió) có các đặc trưng tiêu biểu:
(2) Vận tốc tối đa của không khí trong tiết diện khảo sát là 38 m/s (137 km/h)
(4) Tiết diện khảo sát kín có kích thước 400 mm (c) x 500 mm (r) x 1000 mm
Hình 1: Ống khí động hở tại PTN KTHK tại
2.2 Ống pitot: làm bằng thép không gỉ, có bố trí các lỗ đo áp suất tĩnh và toàn phần Đầu ống pitot hình bán cầu, đường kính ống 8 mm, chiều dài ống pitot trong tiết diện khảo sát 450 mm (insertion length)
Hình 2: Bố trí ống pitot trong ống khí động
2.3 Cảm biến áp suất: loại FreeScale MPXV5004DP, đo áp suất toàn phần và áp suất tĩnh, có thể đo vận tốc tối đa 80 m/s, kết nối với máy tính thông qua cổng USB Đây là loại cảm biến đã được hiệu chỉnh tín hiệu điện áp và áp suất với sai số là 1.5% với vận tốc nhỏ hơn 40 m/s và sai số là 2.5 % với vận tốc lớn hơn 40 m/s Sử dụng phần mềm SensorToolBox của nhà cung cấp Freescale, người sử dụng có thể xác định được một cách nhanh chóng và chính xác vận tốc của dòng khí
Hình 4: Cảm biến áp suất FreeScale MPXV5004DP Hình 3: Các loại cảm biến đo áp suất Freescale
Hình 5: Biểu đồ đặc tính của cảm biến áp suất
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 6: Mô hình đo vận tốc bằng ống pitot
Ống pitot đo áp suất toàn phần po và áp suất tĩnh p Xác định độ chênh lệch áp suất này thông qua áp kế sử dụng chiều cao cột chất lỏng (nước) bằng công thức:
Vận tốc dòng khí được xác định thông qua phương trình Bernoulli, phương trình (năng lượng, động lượng) cơ bản của dòng chuyển động không nén được, bỏ qua ma sát :
𝜌 𝑘𝑘 = 1.225 𝑘𝑔/𝑚 3 : khối lượng riêng không khí
𝜌 𝑛ướ𝑐 = 1000 𝑘𝑔/𝑚 3 : khối lượng riêng của nước
∆ℎ: độ chênh lệch chiều cao giữa 2 cột nước
𝑝 0 : áp suất toàn phần (total pressure)
𝑝: áp suất tĩnh (static pressure)
+ Biểu thức trên chỉ áp dụng cho lưu chất không nén được
+ Nước được xem như lưu chất không nén được
+ Chất khí được xem là lưu chất không nén được nếu vận tốc chuyển động có số Mach nhỏ hơn 0.3.
TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Bước 1: Vận hành ống khí động (hầm gió)
Mở công tắc nguồn chính
Mở công tắc trên hộp điều khiển: Main Switch, inverter: ON
Điều chỉnh vận tốc nhỏ hay lớn thông qua điều chỉnh tần số quay của quạt
Bước 2: Lắp đặt ống pitot với bảng áp kế cột nước, phân biệt rõ cột nào tương ứng với áp suất toàn phần và áp suất tĩnh
Chú ý: Thêm hoặc tháo bớt nước để nước nằm ở vạch 0
Bước 3: Lắp đặt ống pitot với cảm biến đo áp suất Khởi động chương trình thu nhận tín hiệu của cảm biến Freescale (SensorToolBox)
Chú ý: Phải bật công tắc trên mạch và cắm đúng 2 ống pitot vào cảm biến
(có thể kiểm tra bằng cách sử dụng 2 tần số khác nhau xem sự thay đổi của
Bước 4: Ở mỗi vận tốc của dòng khí, cần thời gian chờ khoảng 30 s – 60 s để dòng ổn định trước khi lấy số liệu Có thể quan sát mức độ ổn định của dòng thông qua độ dao động của cột nước của áp kế
Chú ý: File lưu nằm trong thư mục Datalog dưới dạng file Excel
1 SV phụ trách điều khiển tốc độ dòng khí trong ống khí động từ nhỏ đến lớn Tần số tối đa 40 Hz
2 SV ghi chép lại số liệu từ bảng cột áp tại mỗi tần số khác nhau
2 SV thực hiện lấy dữ liệu trên phần mềm SensorToolBox cho cảm biến Freescale (Error! Reference source not found.), lưu file và xử lý số liệu.
BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Đo vận tốc từ áp kế cột nước
Thay đổi tần số hầm gió, mỗi bước 5Hz
Quan sát sự thay đổi của chiều cao cột nước trong ống chữ U
Đợi đến khi nước trong ống ổn định, ghi lại giá trị
Chú ý: Thước đo trên áp kế đã nhân đôi sẵn, do đó số đọc được trên thước đo chính là Δh
Sử dụng công thức sau để tính ∆𝑝
Công thức tính vận tốc
Bảng 1: Số liệu đo từ áp kế cột nước
Hình 7: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo độ chênh lệch áp suất
Hình 8: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số
5.1.2.Tiến hành đối chiếu thực nghiệm với dữ liệu của nhà sản xuất
Nhà sản xuất cung cấp dữ liệu vận tốc không khí theo độ chênh lệch cột nước
Nhiệt độ phòng lúc tiến hành thí nghiệm vào khoảng 30 0 C nhưng dữ liệu nhà sản xuất chỉ có 20 0 c và 40 0 C nên ta sẽ lấy trung bình của hai giá trị này
Hình 9: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo áp kế theo độ chênh lệch áp suất theo nhà sản suất
Bảng 2: Vận tốc trung bình từ dữ liệu nhà sản xuất
Tiến hành đối chiếu với thực nghiệm:
STT Tấn số quạt (Hz)
Bảng 3: Đối chiếu số liệu đo từ áp kế giữa thực nghiệm với thống số của nhà sản suất
Hình 10: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo chênh lệch áp suất giữa thực nghiệm và nhà sản suất
Hình 11: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số giữa thực nghiệm và nhà sản suất
Từ bảng đối chiếu, ta thấy sai số lớn nhất là 6.55% và nhỏ nhất là 0.05% và sai số trung bình 2.47% d (hoàn toàn nhấn chìm trong nước) và 5 khối lượng cho mực nước y < d (một phần chìm trong nước) o Ghi lại các số liệu cho sự giảm các khối lượng trên đĩa cân bằng
5 BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng số liệu thí nghiệm:
Khối lượng thêm vào (kg)
Bảng 8: Số liệu cho 2 trường hợp: Ngập hoàn toàn và ngập một phần
Hình 21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm 1 phần theo thực nghiệm và lý thuyết
Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm toàn phần theo thực nghiệm và lý thuyết
Có sự tương quan giữa lý thuyết và thực nghiệm
Những nguyên nhân gây sai số:
- Khối lượng riêng của nước lý thuyết là 1000 kg/m 3 Tuy nhiên, thực tế khối lượng riêng của nước không phải 1000 kg/m 3 Vì nước không tinh khiết và nhiệt độ môi trường thay đổi làm khối lượng riêng của nước thay đổi
- Khi đổ nước vào, một phần chất lỏng bám vào góc phần tư và cánh tay đòn Khi đó, một phần chất lỏng này gây ra moment làm sai số kết quả tính toán
- Mặc dù trục được sản xuất với độ chính xác cao Tuy nhiên vẫn còn lực ma sát trục cản trở chuyển động của trục
- Độ chính xác của các dụng cụ đo
- Trong quá trình đọc kết quả, do hiện tượng mao dẫn, hiện tượng khúc xạ ánh sáng và sinh viên đặt mắt ở vị trí không đúng, kết quả đọc chiều sâu của cột nước không chính xác tuyệt đối
Theo những nguyên lý cơ bản về mặt lý thuyết đã được học và về mặt thực tiễn đã chứng minh: o Mực nước tăng càng cao, khoảng cách giữa phương của lực tác dụng và pivot càng ngắn lại Vì vậy, cánh tay đòn ngắn lại để chống lại moment cản trên cánh tay cân bằng Để giữ hệ cân bằng, ta phải tăng lực lên – nếu hệ ở trạng thái cân bằng mà cánh tay đòn ngắn hơn thì lực phải bổ sung một torque – M = F.s o Khi mực nước xuống thấp, lực tăng lên theo công thức: 𝑭 = 𝝆𝒈𝒉𝑨 để giữ mực nước
Tóm lại: o Mực nước càng tăng lên, phương của lực thuỷ tĩnh càng tăng o Vật thể nhấn chìm càng sâu, lực chống sinh ra lại nó càng lớn
BẢNG SỐ LIỆU ĐO TỪ THỰC NGHIỆM CÓ CHỮ KÝ CỦA GVHD