Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng công nghệ chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ” TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, thiết bị đo được ứng dụng phổ b
GIỚI THIỆU
Ứng dụng của các thiết bị đo lưu lượng trên động cơ đốt trong
1.1.1 Ứng dụng trong điều khiển hoạt động của động cơ Động cơ đốt trong ngày nay phần lớn đều được trang bị bộ ECU (Electronic Control Unit) là bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm, nhằm điều khiển toàn bộ quá trình làm việc của động cơ, như thời gian phun nhiên liệu, thời gian đánh lửa… nhằm làm tối ưu quá trình làm việc của động cơ phù hợp với từng chế độ tải Để ECU biết được từng chế độ làm việc của động cơ đòi hỏi phải có những thiết bị đo hay còn gọi là cảm biến, trong đó thiết bị đo lưu lượng không khí nạp có vai trò quan trọng, quyết định đến lượng phun nhiên liệu của động cơ điều này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất, tính kinh tế và tiêu hao nhiên liệu của động cơ
1.1.2 Ứng dụng trong thử nghiệm động cơ
Trong thử nghiệm động cơ đốt trong, các thông số như lưu lượng không khí nạp, lưu lượng nhiên liêu vào động cơ, lượng khí lọt hay lượng khí xả ra khỏi động cơ có vai trò quan trọng Vì chúng sẽ giúp chúng ta tính toán và tối ưu các quá trình hoạt động cho động cơ nhằm tăng công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ Do vậy, vấn đề đo lưu lượng chính xác sẽ giúp quá trình cải tiến động cơ tốt hơn Chính vì vậy ngày nay các bộ đo lưu lượng được phát triển và cải tiến có khả năng đo lưu lượng có độ chính xác rất cao để hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong ngành động cơ đốt trong và một số lĩnh vực công nghiệp khác Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Tuy nhiên ở Việt Nam chúng ta do điều kiện kinh tế và công nghệ còn một số hạn chế cho nên chúng ta chỉ yêu cầu các bộ đo lưu lượng có kết cấu đơn giản, giá thành thấp và công nghệ chế tạo đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu về độ chính xác, và độ nhạy cần thiết trong quá trình đo.
Giới thiệu các kỹ thuật đo lưu lượng
• Cơ sở chung cho các thiết bị đo lưu lượng
Lưu chất là các môi trường vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại dưới những điều kiện nhiệt độ, áp suất, thể tích được xác định bởi các định luật nhiệt động học
Dưới tác dụng của lực bên ngoài, ví dụ sự chênh lệch áp suất, lưu chất sẽ chuyển động, chuyển động này được đặc trưng bởi dòng chảy với các thông số: vận tốc, khối lượng riêng, áp suất và nhiệt độ ở các điểm khác nhau của chất lưu, độ nhớt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt lượng riêng…Thông số thường cần quan tâm nhất của sự chuyển động này là vận tốc và lưu lượng của chất lưu, khi đó thường xem các thông số còn lại là không đổi Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn
Lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo được chính xác thể tích và lưu lượng các chất Việc đo lưu lượng là một phần thiết yếu trong mọi quá trình công nghiệp và trong các ngành công nghệ Đo lưu lượng đóng một vai trò vô cùng quan trọng cũng như việc đo nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng…
Trong việc đo lưu lượng, ta cần phân biệt:
Lưu lượng được tính bằng sự di chuyển thể tích trên đơn vị thời gian:
Qv = V/t (m 3 /s) Lưu lượng được tính bằng sự di chuyển khối lượng trên một đơn vị thời gian:
Qm = m/t (kg/s) Khi biết tỉ trọng ρ của môi trường cần đo thì hai loại lưu lượng trên được tính bằng phương trình: Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Qm = Qv.ρ Lưu lượng tức thời: được tính theo công thức:
Q = dV/ dt Với V là thể tích của chất lưu
Lưu lượng trung bình được tính theo công thức:
Qtb=V.(t2-t1) Với (t2 − t1) là khoảng thời gian đo
Trong quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp hoá chất, chế biến, điện năng… lưu lượng tính bằng khối lượng cần biết nhưng cũng khó đo đạc hơn Trong một hệ thống khép kín, lưu lượng tính bằng khối lượng thì cố định trong khi đó lưu lượng tính bằng thể tích thay đổi theo nhiệt độ và áp suất
Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất hoá lý và các yêu cầu công nghệ, do đó mà ta có nhiều phương pháp đo lưu lượng dựa trên những nguyên lý khác nhau Để thích ứng với các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp, người ta đã phát triển rất nhiều phương pháp đo lưu lượng chất lỏng, hơi nước, chất khí…
1.2.1 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh áp 1.2.1.1 Ống Venturi
Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc đo lưu lượng dựa trên sự thay đổi áp suất như hình 1.1, khi lưu chất chuyển động qua vị trí có tiết diện hẹp sẽ làm cho vận tốc tăng lên và động thời làm cho áp suất tĩnh giảm xuống Từ độ chênh áp đó, chúng ta có thể tính lưu lượng qua ống Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ống Venturi
- Công thức tính toán Phương trình Bernoulli :
P1 ; P2 : áp suất của dòng lưu chất v1 ; v2 : vận tốc của dòng lưu chất ρ : khối lượng riêng của lưu chất h 1 2 −
∑ : tổn thất trên đường ống Áp dụng phương trình Bernoulli cho ống Venturi (bỏ qua tổn thất trên đường ống), ta được phương trình sau :
P P h h g g g g ρ + + = ρ + + (1.2) Giả sử vận tốc dòng lưu chất có biên dạng đều Theo phương trình liên tục, ta có :
Q = A = A (1.3) Kết hợp phương trình (1.2) và (1.3) ta được : Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Lưu lượng thể tích thực tế nhỏ hơn so với lý thuyết khoảng 2 - 40% tùy thuộc theo điều kiện hình học thực tế Chính vì vậy, phương trình (3) được viết lại với hệ số lưu lượng Cd (discharge coefficent) như sau :
= A (A2: là diện tích thu hẹp và A1: là diện tích của đường vào) Lưu lượng khối lượng:
Chú ý : Hệ số C d được xác định theo thực nghiệm, thường nằm trong khoảng từ 0.90 ÷ 0.98 và thay đổi tùy theo hệ số Re [11]
- Nguyên lý làm việc : nguyên lý làm việc của ống Orifice được thể hiện ở hình
1.2 (Tương tự như ống Venturi) Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ống Orifice
- Công thức tính toán Lưu lượng qua ống Orifice: (bỏ qua tổn thất)
Hệ số vận tốc: v _ thuc ly thuyet
Hệ số co hẹp của ống orifice (tra theo thực nghiệm): c co hep orifice
Hệ số lưu lượng = Hệ số vận tốc x Hệ số co hẹp: C d = C C v c Khi đó, ta được lưu lượng tính toán như sau:
Bảng 1.1 Bảng tra hệ số lưu lượng C d cho ống Orifice [12]
Hệ số lưu lượng Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Số Reynolds - Re Tỷ số
- Nguyên lý làm việc : nguyên lý làm việc của ống Orifice được thể hiện ở hình
1.3 (Tương tự như ống Venturi)
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý ống Nozzle - Công thức tính toán
Lưu lượng qua ống Nozzle:
Lưu lượng thể tích thực tế nhỏ hơn so với lý thuyết khoảng 2 - 40% tùy thuộc theo hình dạng hình học thực tế Chính vì vậy, phương trình trên được viết lại với hệ số lưu lượng Cd (discharge coefficent) như sau:
= A (A2: là diện tích thu hẹp và A1: là diện tích của đường vào) Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Bảng 1.2 Bảng tra hệ số lưu lượng C d cho ống Nozzle [13]
Số Reynolds - Re Tỷ số
Dòng khí đi qua ống Pitot sẽ được đo áp suất tĩnh và động ở những vị trí khác nhau như hình 1.4 Căn cứ vào sự sai lệch giữa áp suất tĩnh và áp suất động chúng ta sẽ tính ra được lưu lượng vào ống Pitot
Dòng chảy Điểm dừng Áp suất tĩnh Ps Áp suất Pt tuyệt đối h
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý ống Pitot - Công thức tính toán Áp dụng công thức Bernoulli để tính vận tốc của dòng khí qua ống pitot: Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” v2
P h Const g g ρ + + = Vận tốc tại điểm dừng v 0= và z 1 =z 2 Khi đó ta có : Áp suất tuyệt đối = Áp suất động + Áp suất tĩnh (Stagnation pressure = Dynamic pressure + Static pressure)
(1.12) pt : áp suất rẽ nhánh ( áp suất tổng ) ps : áp suất tĩnh v : vận tốc dòng ρ : khối lượng riêng
1.2.2 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt 1.2.2.1 Thiết bị đo lưu lượng bằng dây nhiệt
Người ta dùng một dòng điện cố định để cung cấp nhiệt lượng cho đầu đo nhiệt chủ động (Active RTD) còn đầu đo tham chiếu sẽ đo nhiệt độ của dòng môi chất làm giá trị tham chiếu Khi tốc độ dòng môi chất tăng lên thì đầu đo nhiệt chủ động sẽ được làm mát và do đó dẫn đến ΔT sẽ giảm kéo theo ΔR và ΔU đầu ra sẽ giảm đi
Hình 1.5 Thiết bị đo lưu lượng bằng dây nhiệt - Công thức tính toán Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” Đối với phương pháp đo bằng dây nhiệt, kết quả đo được chính xác sự thay đổi khối lượng riêng của dòng chảy theo thời gian
Năng lượng nhiệt do nguồn cung cấp cho dây nhiệt bằng với lượng nhiệt trao đổi giữa dây nhiệt và lưu chất Ta có:
I : dòng điện cung cấp cho dây nhiệt
Rw : điện trở của dây nhiệt
Tw ,T f :lần lượt là nhiệt độ của dây nhiệt và lưu chất h : hệ số trao đổi nhiệt của dây nhiệt
Aw : diện tích bề mặt tiếp xúc của dây nhiệt Điện trở dây nhiệt được tính toán như sau :
R = R ⎡ ⎣ + α T − T ⎤ ⎦ (1.14) α : là hệ số nhiệt của điện trở
: điện trở tham chiếu ở nhiệt độ tham chiếu T Ref
Hệ số trao đổi nhiệt h được xác định theo định luật King : h a b= + V f c (1.15)
Hệ số a, b, c là các hệ số xác định được trong quá trình hiệu chuẩn (calibration) và c ~ 0.5
Kết hợp phương trình (1.13) và (1.15) ta được:
Từ đó, ta xác định được vận tốc Vf của dòng chảy như sau:
⎩ ⎭ (1.17) Lưu lượng khi đó được xác định: Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
1.2.3 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ khí 1.2.3.1 Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua-bin
Khi dòng khí chạy vào sẽ va đập và cánh tua-bin làm cho cánh tua-bin quay
Tùy theo vận tốc của dòng khí nhanh hay chậm sẽ làm cho cánh tua-bin quay nhanh hay chậm Trên vỏ của thiết bị có gắn cảm biến để tính số vòng quay của tua-bin và từ đó tính ra được lưu lượng vào thiết bị
Hình 1.6 Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua – bin [7]
1 – Mặt bích; 2 – Thân tua – bin; 3 – Cảm biến; 4 – Cánh rotor; 5 – Moay-ơ;
Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu và thiết kế bộ đo lưu lượng thể tích khí ứng dụng trong thử nghiệm và điều khiển động cơ đốt trong: lưu lượng không khí nạp, lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ, lưu lượng khí thải, lưu lượng khí lọt, lưu lượng khí thải hồi lưu Bộ đo lưu lượng cần đảm bảo độ chính xác, độ nhạy phù hợp, độ bền cao và đặc biệt là chỉ gây ra trở lực nhỏ trong hệ thống
1.3.2 Tóm tắt sơ bộ nội dung thực hiện của luận văn
Tìm hiểu các phương pháp đo lưu lượng khác nhau, đưa ra những ưu và nhược điểm của các phương pháp Tiếp theo, chúng ta căn cứ theo yêu cầu đặt ra và sẽ chọn phương pháp đo lưu lượng phù hợp như: giá thành rẻ, dễ chế tạo, hệ số cản thấp … Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Tìm hiểu về các yêu cầu kỹ thuật, các vấn đề về độ chính xác, độ nhạy và độ bền của bộ đo lưu lượng
Tìm hiểu về đặc điểm, tính chất của các dòng lưu chất trong động cơ đốt trong
Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng lưu chất FLUENT và phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng trên FLUENT
Bước tiếp theo, chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng các phương án trong kỹ thuật đo dựa trên nguyên tắc chênh áp: ống Venturi, ống Orifice, ống Nozzle, ống phân kỳ - hội tụ Sau khi mô phỏng, chúng ta sẽ tiến hành so sánh các phương án về hệ số cản, độ chính xác, độ chênh áp, độ tuyến tính, độ nhạy Trên cơ sở so sánh đặc tính làm việc của các phương án sẽ chọn ra phương án phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đặt ra và một trong các yêu cầu là thiết kế bộ đo lưu lượng cho xe có dung tích máy nhỏ hơn hoặc bằng 2 (lít) và số vòng quay lớn nhất 7200 (vòng/phút)
Thiết kế nguyên lý một bộ đo lưu lượng dựa trên độ chênh áp phù hợp với các ứng dụng trên động cơ đốt trong
Thiết kế & chế tạo một bộ đo lưu lượng không khí dùng cho động cơ xăng 04 xilanh (động cơ xe Daewoo-Lanos) Thực hiện cân chuẩn bộ đo lưu lượng với bộ đo lưu lượng chuẩn Sensy-flowmeter của hãng ABB Kiểm tra và đánh giá hoạt động của bộ đo lưu lượng trên động cơ xe Daewoo-Lanos Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ ĐO
Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo
Để chọn đúng phương tiện đo cho ứng dụng cụ thể hãy xây dựng hệ thống trang thiết bị đo cần có sự hiểu biết tốt về cấu trúc và các đặc tính của chúng cũng như những căn cứ về kỹ thuật và công nghệ để đáp ứng yêu cầu và mục đích sử dụng
Ngày nay các phương tiện đo lường có ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số và vi xử lý đang chiếm ưu thế trong các phép đo và đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, trong sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật công nghệ
Công nghệ đo lường hiện nay gồm các thiết bị chính: Chuyển đổi sơ cấp, chuyển đổi chuẩn hoá, hệ thống thu thập dữ liệu đa năng (loại kênh dẫn hoặc không dây), bộ vi xử lý với máy tính và phần mềm ứng dụng
Nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả phương tiện đo trong các phép đo có ý nghĩa quyết định trong công tác đo lường và là yếu tố cơ bản nhất để có được kết quả đo theo mong muốn
2.1.1 Độ tin cậy của thiết bị đo Độ tin cậy của phương tiện đo lường giữ một vai trò quan trọng trong việc cấu thành phương tiện đo đó
Thông thường độ tin cậy của thiết bị đo được xác định bởi khả năng làm việc tin cậy của phương tiện trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian qui định và phụ thuộc tính chất nội tại của phương tiện đo:
-Trình độ kỹ thuật công nghệ của nhà sản xuất
-Độ tin cậy của các linh kiện, các phần tử trong phương tiện đo
-Các dụng cụ đo được chế tạo có kết cấu đơn giản hay phức tạp
-Điều kiện làm việc của phương tiện đo có phù các tiêu chuẩn hay điều kiện cho phép hay không của nhà chế tạo
-Trình độ hiểu biết và kỹ năng thực hành của người sử dụng
Do vậy để nâng cao độ tin cậy của phương tiện đo cần có những biện pháp tích cực trong thiết kế chế tạo, trong quản lý sử dụng và trong vận hành phải quan tâm Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” tới các yếu tố như điều kiện môi trường, đào tạo cán bộ và nhân viên lành nghề
Duy trì đều đặn chế độ bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ
2.1.2 Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo
2.1.2.1 Sai số của phương tiện đo
Các đại lượng cần đo đều có một giá trị thực của nó, giá trị thực không phụ thuộc vào phương pháp đo, phương tiện nhận biết chúng, đó là giá trị mà phép đo cố gắng đạt được
Kết quả đo không những phụ thộc vào bản thân đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Phương pháp đo, phương tiện đo, người đo, điều kiện môi trường thực hiện phép đo
Một trong những đặc trưng kỹ thuật cơ bản của các phương tiện đo là sai số của thiết bị phải đảm bảo duy trì trong thời gian xây dựng, sai số của phương tiện đo thể hiện dưới các dạng sau:
Là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn không đổi hay thay đổi có quy luật sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được
Là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến động của môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ) sai số này còn gọi là sai số phụ
Tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo đó
Trong đó: - là giá trị cực đại của thang đo Δ m - là sai số tuyệt đối cực đại
- là sai số ngẫu nhiên tính theo % Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
2.1.2.2 Độ nhạy của phương tiện đo Độ nhạy cho biết khả năng làm việc của phương tiện đo đối với đại lượng cần đo Phương tiện đo có độ nhạy càng cao càng tốt Đặc trưng cho độ nhạy của phương tiện đo là ngưỡng nhạy của phương tiện cho biết khả năng mà thiết bị có thể phân biệt được giá trị nhỏ nhất của đại lượng đo
=Δ Δ (2-2) Trong đó: S – là độ nhạy
– là sự thay đổi của đại lượng vào
– là sự thay đổi của đại lượng ra Ngưỡng nhạy được xác định:
Khi ΔY= 0 thì ΔX tiến tới một giá trị α (ΔX = α)
Nếu S không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính Lúc đó thang đo sẽ được khắc độ đều
2.1.2.3 Hệ số cản của phương tiện đo
Trong các thiết bị đo hạn chế hệ số cản trên phương tiện là điều kiện hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn: Tăng khả năng làm việc của thiết bị, kéo dài tuổi thọ, tăng độ chính xác của kết quả đo
Hiện nay trong công nghệ đo nhờ áp dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công nghệ chế tạo các phương tiện đo có tổn hao cực kỳ nhỏ
2.1.2.4 Độ tác động nhanh Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đo trên chỉ thị Đối với dụng cụ tương tự (analog) thời gian này khoảng 4 giây Đối với dụng cụ số (digital) có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong một giây
Sử dụng máy tính có thể đo và ghi lại với tốc độ nhanh hơn nhiều Mở ra khả năng thực hiện các phép đo lường thống kê
2.1.2.5 Thời gian đo của thiết bị đo
Phương pháp đo
Phương pháp đo là trình tự Lôgic các thao tác được mô tả một cách tổng quát để thực phép đo, phương pháp đo là sự thể hiện của nguyên lý đo và phương tiện đo Khoa học công nghệ càng phát triển sẽ có nhiều phương pháp được áp dụng và có khả năng loại trừ bớt các sai số đảm bao kết quả đo có độ chính xác cao
Phương pháp đo so sánh với vật chuẩn được sử dụng nhiều trong các phép đo hiện nay, phương pháp có ưu điểm:
- Cho kết quả có độ chính xác cao
- Có khả năng loại trừ sai số hệ thống
- Có ý nghĩa cao trong thực tiễn bởi vì chế tạo một vật chuẩn có độ chính xác cao sẽ dễ dàng hơn chế tạo một phương tiện đo có cùng cấp chính xác
Trong kiểm định, thường sử dụng phương pháp so sánh vi sai và phương pháp chỉ zêzô.
Sai số của phép đo và gia công kết quả
chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Với phương pháp biến đổi thẳng độ chính xác thấp nhưng có ưu điểm là đơn giản do đó thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp được ứng dụng để đo và kiểm tra các quá trình sản xuất
2.3 Sai số của phép đo và gia công kết quả
2.3.1 Sai số của phép đo Ước lượng sai số của phép đo là việc làm cần thiết sau khi thực hiện phép đo, khi thực hiện phép đo ta sẽ nhận được kết quả của phép đo (kết quả đo) Kết quả đo phản ánh trình độ nhận thức của con người, kết quả đo không những phụ thuộc vào đại lượng đo mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp đo, phương tiện đo, người đo, điều kiện đo
Như vậy kết quả đo (Xđ) và giá trị thực (Xt) của đại lượng cần đo có sự sai khác gọi là sai số của phép đo, nghĩa là: ΔX = Xđ - Xt Giá trị thực được lấy bằng giá trị thực quy ước, là giá trị được tìm trong thực nghiệm rất gần với giá trị thực có thể chấp nhận được, trong phép đo là giá trị trung bình của n lần đo
Kết quả đo thường được làm tròn theo sai số của phép đo Khi làm tròn kết quả đo người ta căn cứ vào bậc có nghĩa của sai số, tuân thủ theo quy định làm tròn số của TCVN 1517 – 74
Theo quy luật xuất hiện sai số được phân thành một số loại chính sau:
Là sai số không đổi hoặc thay đổi theo một quy luật xác định khi đo lặp lại cùng một đại lượng, quy luật này không phụ thuộc vào số lần đo nhiều hay ít Nghiên cứu sai số ngẫu nhiên cho ta cơ sở để quyết định có thể bỏ qua hoặc loại trừ
Sai số hệ thống có nhiều song có thể phân thành một số nhóm sau:
- Do phương tiện đo gây nên là một trong những thành phần sai quan trọng của phép đo Nguyên nhân gây ra sai số này trước hết là do cấu trúc của phương tiện đo Vì vậy trong thiết kế người ta cố gắng khắc phục, tuy nhiên cũng không thể loại trừ được Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Sai số do phương tiện còn do quá trình công nghệ chế tạo ra phương tiện đó
Trong quá trình sử dụng các bộ phận chi tiết của phương tiện, già hoá, hư hỏng
Sau một thời gian các phương tiện không còn giữ được những đặc trưng đo lường như ban đầu, cũng gây nên sai số
- Do lắp đặt phương tiện đo, sai số này ít gây nguy hiểm song nếu không chú ý thì có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo
- Do phương pháp đo, sai số này thường trong những trường hợp ít hiểu biết về lĩnh vực đo lường hoặc trong lĩnh vực nghiên cứu không tìm được giải pháp tối ưu của phương pháp đo Sai số này còn gọi là sai số lý thuyết
- Sai số do chủ quan của người đo
Nhìn chung việc phát hiện sai số hệ thống rất phức tạp và khó khăn, song khi đã phát hiện được thì việc loại trừ không mấy khó khăn Để loại trừ sai số hệ thống quá trình đo người ta thường sử dụng một số biện pháp sau:
- Phân tích lý thuyết để xác định sai số hệ thống
- Kiểm tra dụng cụ trước khi đưa vào sử dụng
- Chỉnh không trước khi tiến hành đo
- Tiến hành phép đo bằng các phương pháp đo khác nhau
- Sử dụng phương pháp thế trong khi đo
- Sử dụng phương pháp bù có giá trị ngược dấu
- Sử dụng phương pháp hoán vị
- Sử dụng phương pháp đối xứng
Trong thực tế không thể loại trừ hoàn toàn sai số hệ thống, mà ta chỉ có thể làm giảm trong một phạm vi cho phép
Là sai số xuất hiện một cách ngẫu nhiên không theo một quy luật nào khi ta tiến hành phép đo nhiều lần với một đại lượng Chúng ta không thể xác định được giá Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” trị và dấu của chúng, bởi vì sự xuất hiện của các tác động ngẫu nhiên trong mỗi lần đo không giống nhau cũng như không thể xác định được chúng
Trong quá trình đo chúng ta không thể biết trước sai số ngẫu nhiên xảy ra ở những lần đo nào nhưng nếu tiến hành phép đo lặp lại nhiều lần ta sẽ thấy chung xuất hiện theo một quy luật nào đó Do vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên đến kết quả đo là nghiên cứu tính chất tập hợp các giá trị nhận được từ một dãy lần đo lặp lại
Nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có nhiều và cũng không thể xác định được chúng Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên có nhiều phương pháp, trong đo lường học thường sử dụng toán học lý thuyết xác xuất thống kê và được dựa trên các giả thuyết sau:
- Các sai số ngẫu nhiên có cùng một giá trị (độ lớn) thì có cùng một xác xuất
- Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá giá trị nào đó thì xác xuất coi như bằng không
Là sai số vượt quá sai số mong đợi trong điều kiện nhất định một cách rõ rệt
Thường là những hư hỏng trầm trọng của phương tiện, do thao tác nhầm của người đo
Sai số thô thường ít xảy ra song rất dễ bị nhầm với sai số của hệ thống và sai số ngẫu nhiên
Loại trừ sai số thô đơn giản bằng sự thận trọng, bằng sử dụng các phương tiện hoàn hảo v.v nhưng đôi khi cũng khó thực hiện
2.3.2 Gia công kết quả đo
Kết quả đo lường thử nghiệm phải được công bố theo sai số và độ tin cậy, kết quả một phép đo được xác định theo biểu thức sau:
Trong đó: Xđ- Giá trị đúng của phép đo Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
X - Là giá trị trung bình của n lần được lặp trong phép đo Δ - Là sai số của phép đo
Như vậy độ chính xác của kết quả đo sẽ phụ thuộc vào sai số của phép đo với một độ tin cậy nhất định
Với quan niệm như vậy sai số của kết quả quan trắc cũng được xem là đại lượng ngẫu nhiên nhận những giá trị Δi khác nhau ở những lần quan trắc khác nhau và chúng tuân theo qui luật phân bố chuẩn, được đặc trưng bằng kỳ vọng toán M(x) và phương sai D(x)
M(x) = Xđ = μ D(x) = δ Để ước lượng được giá trị kỳ vọng toán μ và trung bình phương δ của hàm phân bố quan trắc, dựa vào kết quả của n lần đo lặp lại ta có:
Nếu kết quả đo không có sai số thì: Xđ Vì vậy kết quả quan trắc của mỗi lần đo sẽ phân tán quanh giá trị đo trung bình
Gọi độ lệch của mỗi lần đo Xi so với giá trị trung bình là , ta có:
Sai số dư có tính chất:
-Tổng tất cả các số dư bằng không
-Tổng các bình phương của chúng có giá trị nhỏ nhất 2
∑ = Sai số dư được dùng để kiểm tra kết quả đo
Khi đó độ lệch thực nghiệm S, đặc trưng cho sự phân tán của kết quả quan trắc so với được xác định:
(2-4) Lý thuyết đã chứng minh khi số lần đo tăng lên vô hạn thì giá giá trị trung bình của n lần đo tiến dần tới kỳ vọng toán μ và độ lệch chuẩn thực nghiệm S tiến dần tới δ Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
CHỌN PHƯƠNG ÁN
Yêu cầu kỹ thuật
Trong phạm vi của luận văn, tác giả thiết kế bộ đo lưu lượng đảm bảo những yêu cầu sau:
- Có dung tích khoảng 2 lít
- Số vòng quay lớn nhất là 7200 (vòng/phút)
- Đường kính cổ nạp: 55 mm (Tham khảo xe LANOS - DEAWOO) Lưu lượng không khí tính bằng thể tích đi qua cánh bướm ga:
Trong đó : Vi: dung tích 1 xy lanh η v : hiệu suất nạp bằng thể tích, có giá trị thay đổi từ 0-1 n: số vòng quay động cơ
- Lưu lượng thể tích tối đa của thiết bị (tương ứng η v =1)
- Hệ số cản và tổn thất áp suất nhỏ
- Độ tuyến tính, độ nhạy cao
- Đảm bảo giữ các kích thước của hệ thống nạp khí của xe khi lắp bộ đo lưu lượng thể tích
- Kích thước nhỏ gọn, dễ gia công chế tạo và độ bền cao.
Chọn phương án thiết kế
Trong tất cả các phương án vừa nêu trên, phương án của thiết bị đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt, thiết bị đo kiểu Karman, ống Coriolis thiết bị Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” đo kiểu điện từ v.v… có độ chính xác và độ nhạy cao tuy nhiên khó gia công và có giá thành cao Đối với thiết bị đo lưu lượng kiểu cơ khí có tầm đo cao tuy nhiên quá trình gia công sẽ gặp khó khăn do cần phải chế tạo các chi tiết cần phải có độ chính xác
Tóm lại, các phương pháp vừa nêu trên nếu chúng có độ chính xác cao thì giá thành đắt hay chế tạo sẽ gặp khó khăn Chính vì vậy, phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc chênh áp là một phương pháp phù hợp đối với các thiết bị không cần có độ chính xác cao, có giá thành thấp, chế tạo đơn giản nhưng chúng vẫn đáp ứng được các yêu cầu nhất định về độ nhạy, độ chính xác và độ tuyến tính của quá trình đo Do đó, phương án cuối cùng mà tác giả chọn trong đề tài của mình là các thiết bị đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh áp
Tuy nhiên trong các phương án của công nghệ chênh áp, tác giả bỏ qua mô phỏng cho trường hợp của ống Pitot do ống Pitot nếu bị các chất bụi bẩn bám vào các lỗ trên đường ống đo áp suất sẽ dẫn đến quá trình đo của ống Pitot sẽ bị giảm mạnh Mặt khác, để lắp ống Pitot thì đường kính của ống phải đủ lớn để lắp vào, nếu không ống Pitot sẽ trở thành tác nhân gây cản trở trên đường ống nạp Để mô phỏng và so sánh các phương án trên, tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy Ansys CFX và Ansys Fluent
Hình 3.1 Giao diện phần mềm Ansys CFX Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.2 Giao diện phần mềm Ansys Fluent
- Xây dựng mô hình Các mô hình Venturi, Orifice, Nozzle và ống phân kỳ- hội tụ được xây dựng đồng dạng về kích Trong đó ống Venturi, tác giả chọn kích thước ống với góc vào 21 0 , góc ra 7 0 và đường kính chỗ co hẹp bằng 0.75 đường kính vào, vì việc chọn các kích thước trên sẽ làm cho tổn thất là nhỏ nhất Từ đó làm cở sở cho việc xây dựng các mô hình còn lại trên cơ sở đồng dạng về kích thước
Hình 3.3 Mô hình khối lưu chất ống Venturi Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.4 Mô hình lưới ống Venturi
Hình 3.5 Mô hình khối lưu chất ống Orifice
Hình 3.6 Mô hình lưới ống Orifice Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.7 Mô hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ
Hình 3.8 Mô hình lưới ống phân kỳ - hội tụ
Hình 3.9 Mô hình khối lưu chất ống Nozzle Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.10 Mô hình lưới ống Nozzle
Hình 3.11 Mô hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice
Hình 3.12 Mô hình lưới ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” ỉ55
Hình 3.13 Mô hình khối lưu chất ống thẳng
Hình 3.14 Mô hình lưới ồng thẳng
3.2.1 Điều kiện mô phỏng 3.2.1.1 Lưu chất sử dụng
Lưu chất sử dụng trong mô phỏng là không khí ở 25 0 C với các thông số như sau
Bảng 3.1 Bảng thông số của không khí ở 25 o C
Khối lượng phân tử kg/kmol] 28.96
Khối lượng riêng [kg/m 3 ] 1.185 Hệ số giãn nở do nhiệt [1/K] 0.003356 Hệ số nhớt động học [kg/m.s] 1.831e-05
3.2.1.2 Điều kiện biên đầu vào và điều kiện đầu ra
Theo yêu cầu kỹ thuật, lưu lượng lớn nhất được hút vào động cơ là 120 (l/s) ở tốc độ 7200 vòng/phút Do vậy trong quá trình tính toán và chạy thử bằng phần mềm Ansys, đối với ống Venturi ta thiết lập giá trị áp suất vào và áp suất đầu ra chênh lệch nhau 2000 Pa thì sẽ đảm bảo lưu lượng Từ đó, lấy độ chênh lệch áp suất Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” tổng này áp dụng để mô phỏng cho các mô hình ống Orifice, ống Nozzle và ống phân kỳ - hội tụ để so sánh các phương án với nhau
Bảng 3.2 Bảng điều kiện biên áp suất cho các mô hình Điểm Áp suất vào
(Pa) Áp suất ra (Pa) Độ sụt áp (Pa)
3.2.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét 3.2.2.1 Ống Venturi Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 2000 (Pa)
Kết quả mô phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 2000 Pa cho thấy áp suất tĩnh lớn nhất xuất hiện tại đầu vào của ống Venturi p = 101312 Pa và áp suất tĩnh tại điểm co hẹp p = 95753 Pa , vận tốc lớn nhất tại chỗ co hẹp v 109 m/s= Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 1200 (Pa)
Kết quả mô phỏng tại độ chênh áp 1200 Pa, áp suất tĩnh lớn nhất tại đầu vào 101317 p = Pa , tại chỗ co hẹp áp suất tĩnh nhỏ nhất p = 97980 Pa và vận tốc lớn nhất là v 85 / = m s Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.17 Kết quả mô phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 200 (Pa)
Kết quả mô phỏng tại độ chênh áp 200 Pa, áp suất tĩnh tại đầu vào 101327 p = Pa , tại chỗ co hẹp áp suất tĩnh nhỏ nhất p = 100766 Pa và vận tốc lớn nhất v 35 / = m s
Hình 3.18 Đồ thị đặc tính làm việc của ống Venturi - Nhận xét kết quả Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Từ đồ thị ta thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 5.5 kPa thì lưu lượng lớn nhất qua ống Venturi Qmax = 123 (lít/s) và hệ số cản Cmax = 2500 Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 550 Pa ÷ 5550 Pa thì lưu lượng Q tăng từ 40 l/s ÷ 123 l/s (tăng 3 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3.5 lần Nếu độ chênh áp giữa đầu vào và chỗ co hẹp ngày càng tăng thì lưu lượng qua ống tăng theo nhưng đồng thời làm cho hệ số cản của ống Venturi cũng tăng theo, nguyên nhân là do khi tăng độ chênh áp sẽ làm cho các lốc xoáy xuất hiện ngày càng nhiều và làm tăng hệ số cản
Chú ý: Trở lực đường ống ΔP'/ Qcho chúng ta biết mức độ cản lưu lượng của ống, tỷ số này càng lớn thì mức độ cản lưu lượng càng lớn
P P P Δ = − Với: P1 và P3 lần lượt là áp suất ở ngõ vào và ngõ ra của ống
P P P Δ = − Với: P1 và P2 lần lượt là áp suất ở ngõ vào và vị trí co hẹp của ống Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.19 Kết quả mô phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 2000 (Pa)
Kết quả mô phỏng ống Orifice tại độ chênh áp 2000 Pa, áp suất tĩnh tại đầu vào của ống p = 101324 Pa , tại vị trí co hẹp áp suất tĩnh p = 98745 Pa và vận tốc lớn nhất v 73 / = m s Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 1200 (Pa)
Kết quả mô phỏng ống Orifice tại độ chênh áp 1200 Pa, áp suất tĩnh tại đầu vào của ống p = 101328 Pa , tại vị trí co hẹp áp suất tĩnh p = 99764 Pa và vận tốc lớn nhất v 56 / = m s Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 3.21 Kết quả mô phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 200 (Pa)
THIẾT KẾ KỸ THUẬT
Thiết kế kỹ thuật ống Venturi
Theo tài liệu tham khảo, tác giả thiết kế ống Venturi theo tiêu chuẩn [9] với góc vào 21 0 , góc ra 7 0 và các kích thước khác được trình bày như hình :
Hình 4.1 Bản vẽ kỹ thuật ống Venturi
Thiết kế kỹ thuật hệ thống đo điện tử cho ống Venturi
4.2.1 Thiết kế kỹ thuật phần cứng cho hệ thống điện tử Để xác định lưu lượng qua ống Venturi ta cần hệ thống điện tử để hiển thị kết quả Sơ đồ phần cứng của hệ thống đo được mô tả như hình dưới : Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 4.2 Sơ đồ phần cứng hệ thống đo điện tử cho ống Venturi
Trong sơ đồ trên, ý nghĩa của các tín hiệu vào và tín hiệu ra như sau
Analog input 1 : Tín hiệu cảm biến áp suất P0.
Analog input 2 : Tín hiệu cảm biến nhiệt độ T0.
Analog input 3 : Tín hiệu cảm biến độ chênh áp ∆P Digital input 1 : Tín hiệu cảm biến số vòng quay động cơ ne.
Analog output 1 : xuất dữ liệu lưu lượng trung bình khi đo theo thời gian 0.02s (50Hz)
COM : cổng kết nối máy tính Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
4.2.2 Thiết kế kỹ thuật phần mềm cho hệ thống điện tử
Thay đổi ngõ ra Output 2
Thay đổi ngõ ra Output 1 Đúng
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật tính toán hệ thống đo điện tử Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
Thiết kế công nghệ ống Venturi
5.1.1 Vật liệu chế tạo và phương pháp gia công
- Chọn vật liệu chế tạo ống Venturi: thép Carbon thường CT3 Ngoài ra chúng ta còn có thể sử dụng các loại vật liệu thông dụng khác để chế tạo ống Venturi như: nhôm, gang, nhựa…
Bảng 5.1 Bảng thành phần hóa học của thép CT3 Hàm l ượ ng Thành ph ầ n ph ầ n tr ă m theo kh ố i l ượ ng
- Phương pháp gia công Để gia công ống Venturi, chúng ta sử dụng phương pháp gia công tiện Đầu tiên, ta cố định một đầu để tiện mặt trong và mặt ngoài (nếu cần) của ống Sau khi hoàn thành tiện một phần mặt trong của ống Venturi, ta tiến hành tiện côn cho góc vào và góc ra cho ống Tiếp theo chúng ta sẽ tiến hành tạo ren sau khi đã hoàn thành Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” các công đoạn tiện mặt trong và mặt ngoài cho ống Cuối cùng, ta sẽ định vị ống Venturi để gia công 2 lỗ trích áp suất, mài và đánh bóng
Hình 5.1 Ống venturi được chế tạo
5.1.2 Bản vẽ lắp ống Venturi
Trong phần thiết kế công nghệ ống Venturi, chúng ta sẽ lắp đặt ống Venturi với ống nạp của động cơ và vị trí lắp cảm biến nhiệt độ T0, cảm biến áp suất P0
Hình 5.2 Bản vẽ lắp ống Venturi Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Thiết kế công nghệ hệ thống điện tử cho ống Venturi
5.2.1 Chọn cảm biến đo chênh áp Để đo độ chênh áp trong ống Venturi, ở đây tác giả sử dụng 2 cảm biến đo áp suất trong đường ống nạp Đây là loại cảm biến được dùng cho hệ thống EFI kiểu D để cảm nhận áp suất đường ống nạp sau đó gửi tín hiệu ra chân PIM ECU động cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệu PIM này
Khoảng chênh lệch áp suất trên 2 cảm biến chính là độ chênh áp trong ống Venturi
Hình 5.3 Cấu tạo của cảm biến áp suất đường ống nạp
Gồm một chíp silic kết hợp với một buồng chân không được gắn vào bộ cảm biến này Một phía của chip này thông với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thông với buồng chân không bên trong Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ống nạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi Một thay đổi về áp suất của đường ống nạp sẽ làm cho hình dạng của chip silic này thay đổi, và trị số điện trở của chíp này dao động theo sự biến dạng này Tín hiệu điện áp mà IC biến đổi từ sự dao động của giá trị điện trở này gọi là tín hiệu PIM Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 5.4 Đặc tuyến cảm biến áp suất đường ống nạp
5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển điện tử cho bộ đo lưu lượng không khí nạp
Mạch đo bộ đo lưu lượng không khí nạp bao gồm các khối mạch chính sau:
- Mạch đo tín hiệu analog
- Mạch xuất tín hiệu analog
- Mạch đọc/xuất tín hiệu digital
- Mạch vi điều khiển đa năng
Chức năng: tạo nguồn điện ổn định +5VDC và +8VDC cho toàn bộ mạch đo từ nguồn điện +12VDC
- IC ổn áp LM7805 và LM7808 được sử dụng vì chất lượng ổn áp tốt, giá thành rẻ và rất thông dụng
- Điện áp +12VDC sau khi qua IC LM7808 tạo ra điện áp ổn định +8VDC cung cấp cho các IC khuếch đại thuật toán (op-amp); và là điện áp ngõ vào cho IC LM7805 tạo ra điện áp ổn định +5VDC cung cấp cho vi điều khiển, IC logic và các cảm biến Do điện áp ngõ ra cực đại của op-amp không vượt quá Vcc – 1,5VDC, việc sử dụng nguồn +8VDC cho phép ngõ vào và ngõ ra của các op- amp làm việc trong toàn dải 0 +5VDC Ngoài ra, sử dụng nguồn +8VDC để Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” tạo ra nguồn +5VDC sẽ giúp giảm tổn hao nhiệt trên IC LM7805, so với trường hợp sử dụng trực tiếp nguồn +12VDC
- Các tụ điện được sử dụng để lọc nhiễu và tăng tính ổn áp khi dòng tải biến thiên nhanh
- Các diode được sử dụng để bảo vệ trong trường hợp đấu nhầm cực tính nguồn điện
Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ổn áp +5VDC và +8VDC
5.2.2.2 Mạch đo tín hiệu analog
Chức năng: khuếch đại tín hiệu sai lệch từ cặp cảm biến áp suất chênh áp, đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến áp suất và nhiệt độ không khí Điện áp từ khối mạch đo tín hiệu analog sẽ được đưa đến các ngõ vào analog của vi điều khiển
- Các IC op-amp LM358 được sử dụng trong khối mạch này vì giá thành thấp, thông dụng, độ trôi nhiệt thấp, sử dụng nguồn đơn
- Mạch khuếch đại dụng cụ (instrumentation amplifier) được sử dụng để khuếch đại tín hiệu sai lệch từ cặp cảm biến áp suất chênh áp Mặc dù, mạch khuếch đại dụng cụ sử dụng nhiều op-amp hơn mạch khuếch đại vi sai thông thường, ưu điểm của mạch này là việc thay đổi hệ số khuếch đại chỉ cần thực hiện thông qua biến trở R9 duy nhất thay vì phải thay đổi trên 04 biến trở Quan hệ điện áp ngõ và và ra được thể hiện qua công thức sau:
- Mạch đọc tín hiệu từ cảm biến áp suất và nhiệt độ không khí là các mạch đệm điện áp thông thường Điện trở R11 kết hợp với cảm biến nhiệt độ kiểu điện trở nhiệt sẽ tạo thành cầu phân áp, điện áp AI1 sẽ tỉ lệ với nhiệt độ cần đo Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
- Các cặp điện trở và tụ điện R14 – C9, R15 – C10, R29 – C5, R12 – C7, R13 – C8 tạo thành các mạch lọc thông thấp, triệt tiêu các nhiễu điện từ
Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu từ cặp áp suất chênh áp
Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến áp suất không khí
Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ không khí
5.2.2.3 Mạch xuất tín hiệu analog
Chức năng: tạo tín hiệu điện áp analog 0 +5VDC tỉ lệ với kết quả 0 100% toàn tầm đo
- Vi điều khiển phát ra chuỗi xung điều rộng (PWM – pulse width modulation) với độ rộng xung (duty cycle) tỉ lệ với điện áp ngõ ra mong muốn Chuỗi xung điều rộng được chuyển thành tín hiệu analog nhờ mạch lọc thông thấp R16 – Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
C17 Mạch đệm điện áp dùng IC op-amp LM358 được dùng để phối hợp trở kháng với mạch đo bên ngoài
Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu analog
5.2.2.4 Mạch đọc/xuất tín hiệu digital
Chức năng: đọc/xuất tín hiệu digital theo mức điện áp TTL để mở rộng tính năng của bộ đo
- IC 74HC24 được sử dụng trong khối mạch này vì giá thành thấp, thông dụng, dễ dàng tạo ra 04 kênh đọc digital và 04 kênh xuất digital
- Dãy đèn LED được sử dụng để báo trạng thái của các ngõ vào và ra digital này
DIO5 DO1 +PWM2/+DAC2/DIO3
-PWM1/-DAC1/DIO0 DI5 +PWM1/+DAC1/DIO1 xINT2
Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc/xuất tín hiệu digital
5.2.2.5 Mạch vi điều khiển đa năng
Chức năng: đọc tín hiệu analog từ khối mạch đo analog, tính toán – xử lý, xuất kết quả ra ngõ ra analog và giao tiếp với thiết bị khác (kể cả PC) bằng chuẩn RS232
- Vi điều khiển dsPIC30F4011 được sử dụng vì tính thông dụng, tích hợp sẵn các module biến đổi analog-to-digital 10bit, module điều rộng xung vuông (PWM) 15bit, tốc độ xử lý nhanh (max 40MIPS), hỗ trợ xử lý tín hiệu số Thực tế, có thể sử dụng các vi điều khiển khác có giá thành thấp hơn, tài nguyên ít hơn, vừa Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” đủ dùng cho bộ đo lưu lượng không khí Tuy nhiên, vi điều khiều sử dụng trong bộ đo này được gia công trên 1 board đa năng do PTNTĐ Động Cơ Đốt Trong phát triển, dễ dàng sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau khi được kết hợp với các khối mạch thích hợp, và bộ đo lưu lượng không khí là một trong những ứng dụng như vậy
5.2.3 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch điều khiển của bộ đo
Hình 5.11 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch bộ đo
Hình 5.12 Bo mạch điều khiển của bộ đo được chế tạo Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Sai số và hiệu chuẩn thiết bị đo
Sau một thời gian hoạt động, thiết bị sẽ bị sai số do các điều kiện bên ngoài tác động vào như: nhiệt độ và áp suất môi trường, điện áp…Do vậy chúng ta cần phải hiệu chỉnh thiết bị (calibration) Thiết bị chuẩn phải có độ chính xác gấp 3 lần so với thiết bị cần được hiệu chỉnh
Bằng phương pháp bình phương cực tiểu, ta tìm được hàm xấp xỉ cho đường đặc tính làm việc của ống Venturi Q = f ( ) Δ P
Tính sai số toàn tầm tính từ số liệu mô phỏng
Lắp bộ đo lưu lượng chuẩn trước ống Venturi Tiến hành đo để lấy dữ liệu (∆P;Q) Khi đó ta được bảng số liệu sau:
Bảng 5.2 Bảng mẫu để lấy số liệu Độ chênh áp ∆P (Pa) Lưu lượng Q (l/s)
Xây dựng đường cong xấp xỉ từ bảng số liệu trên theo phương pháp bình phương cực tiểu
Từ (1) ta có hệ phương trình sau :
⎪⎩ Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Rút gọn phương trình trên ta được :
Giải hệ phương trình trên ta được: A, B, C, D Thế giá trị ∆P vào hàm xấp xỉ Q ( ) Δ P = + A B ( ) Δ + P C ( ) Δ P 2 + D ( ) Δ P 3 Khi đó ta được bảng giá trị sau:
Bảng 5.3 Bảng mẫu lấy tham số bộ đo sau khi có hàm xấp xỉ Độ chênh áp ∆P
Tìm sai số trung bình
= ∑ − Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
CÂN CHUẨN-KIỂM TRA-ĐÁNH GIÁ BỘ ĐO
Cân chuẩn bộ đo
Dùng phương pháp so sánh với vật chuẩn
Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Động cơ đốt trong của Đại Học Bách Khoa TP.HCM
- Bộ đo lưu lượng mới chế tạo (tạm đặt tên: Bộ đo LTAFM)
- Bộ đo lưu lượng chuẩn (sensy flow P) của hãng ABB Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
- Quạt hút gió chuyên dụng, có gắn biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt hút nhằm điều chỉnh lưu lượng hút
- Máy vi tính để lấy tín hiệu từ bộ đo LTAFM thông qua cổng RS232
- Xe DAEWOO Lanos, để kiểm tra và đánh giá tính thực tế của bộ đo
- Bước 1: Gắn các thiết bị thành một hệ thống khép kín theo thứ tự: Bộ đo lưu lượng chuẩn - Bộ đo LTAFM - Quạt hút gió chuyên dụng Sau đó cung cấp điện cho các thiết bị, và kết nối máy tính với bo mạch điều khiển của bộ đo LTAFM bằng cổng RS232
Hình 6.1 Gắn kết các thiết bị
- Bước 2: Tiến hành lấy số liệu để xây dựng đặc tuyến – Q Ứng với một giá trị lưu lượng Qi trên bộ đo chuẩn, thì ta sẽ nhận được một giá trị điện áp Vi trên bộ đo LTAFM Chúng ta lấy nhiều điểm, giữa 2 điểm lưu lượng chênh nhau khoảng 2.5 kg/h, tại mỗi điểm ta sẽ lấy 10 giá trí điện áp khác nhau Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Và để tăng độ chính xác cho đặc tuyến , thì tác giả tiến hành lấy số liệu trong 3 buổi của một ngày, sau đó gọp lại để xây dựng đặc tuyến (xem phụ lục 1)
Hình 6.2 Giao diện chương trình để lấy thông số
- Bước 3 : Xây dựng đặc tuyến
Theo lý thuyết ta có công thức (1.4) tính lưu lượng của ống venturi:
Trong đó tất cả các tham số đều là hằng số xác định được, loại trừ
Vậy đây là một hàm Q v theo ΔP v ( )
Bình phương 2 vế ta được
P f Q a Q b Q c Δ = = + + : Đây là hàm bậc 2 của ΔPtheo Q v Mà ứng với một giá trị ΔPta có một giá trị của điện áp V, từ đó suy ra V là một hàm bậc 2 theo biến Q v
V = f Q = a Q + b Q + c Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Theo thực tế, ứng với bảng thông số đo được ta dễ dàng vẽ được đồ thị đặc tuyến V = f Q( ) v
Hình 6.3 Đặc tuyến quan hệ giữa lưu lượng Q và điện áp V
Ta thấy đồ thị xây dựng từ thông số thực tế cũng có dạng một đường cong bậc hai Để xây dựng phương trình đường cong xấp xỉ mô tả mối quan hệ V-Q ta có thể dùng một trong hai phương pháp:
- Một là dùng phương pháp bình phương cực tiểu như đã trình bày trong mục 5.3
- Hai là dùng phần mềm MATLAB Ở đây tác giả dùng phần mềm MATLAB để xây dựng phương trình đường cong xấp xỉ mô tả mối quan hệ V-Q của bộ đo LTAFM Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.4 Đồ thị đường cong xấp xỉ V-Q
Vậy ta có phương trình đường cong xấp xỉ Q-V của bộ đo LTAFM
- Bước 4: Bây giờ khi đã có phương trình đường cong xấp xỉ, ta tiến hành nạp phương trình này vào bộ xử lý của bộ đo LTAFM, để từ giá trị điện áp V bộ đo sẽ cho ra giá trị của lưu lượng tương ứng.
Kiểm tra - đánh giá bộ đo chế tạo- LTAFM
6.2.1 Độ chính xác trên toàn dải đo
Ta tiến hành lấy thông số lưu lượng trên bộ đo chuẩn ABB và thông số lưu lượng trên bộ đo LTAFM tương ứng tại nhiều mức lưu lượng khác nhau (phụ lục
2) Từ đó xem độ chính xác của bộ đo chế tạo LTAFM
Với x i là giá trị chênh lệch của lưu lượng 2 bộ đo tại mức đo thứ i
AF i LT M i ABBi x =Q −Q Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
- Tính kì vọng của giá trị chênh lệch giữa lưu lượng bộ đo chuẩn (ABB) và lưu lượng bộ đo chế tạo(LTAFM):
- Phương sai của giá trị chênh lệch giữa lưu lượng bộ đo chuẩn (ABB) và lưu lượng bộ đo chế tạo(LTAFM):
- Hàm mật độ xác suất:
= Ứng với 1 giá trị x ta có 1 giá trị ϕ t d ( )x , từ đó ta vẽ được hàm mật độ xác suất
Hình 6.5 Đồ thị hàm mật độ xác suất trên toàn dải đo Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Nhận xét : Qua đồ thị hàm mật độ xác suất trên toàn dải đo, giá trị đo được tuân theo quy luật phân phối chuẩn nghĩa là giá trị tập trung quanh giá trị kì vọng (1.44454321) có mật độ cao hơn hẳn so với những khu vực khác, điều này cho thấy bộ đo cho giá trị chính xác
6.2.2 Độ chính xác ở một mức đo Để đánh giá độ chính xác của bộ đo chế tạo- LTAFM so với bộ đo chuẩn-ABB, ta tiến hành lấy nhiều giá trị lưu lượng trên hai bộ đo ở một vận tốc hút cố định của quạt, thông số cụ thể xem phụ lục 3
- Hàm mật độ xác suất:
= Ứng với 1 giá trị x ta có 1 giá trị ϕ( )x , từ đó ta vẽ được hàm mật độ xác suất Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.6 Đồ thị hàm mật độ xác suất ở một mức lưu lượng Nhận xét: Giá trị chênh lệch lưu lượng đo được tập trung quanh giá trị kì vọng (0.4) với mật độ cao, từ đó cho thấy bộ đo cho ra giá trị có độ ổn định ở mức cao
So sánh độ chính xác gi ữ a đ o trên toàn d ả i và đ o ở m ộ t đ i ể m
Qua hai đồ thị của hàm mật độ ta có nhận xét :
- Độ chênh lệch giá trị trong trường hợp đo trên toàn giải lớn hơn độ chênh lệch khi đo trên một giải
- Mật độ tại giá trị kì vọng khi đo trên 1 mức cao hơn hẳn so với khi đo trên toàn dải
- Khi đo trên toàn dải đo thì chúng ta đo cả những vị trí lưu lượng thấp, mà theo như đường cong xấp xỉ bộ đo (hình 6.4) thì trong khoảng lưu lượng từ 0-80 và từ 160-250(kg/h) thì đường cong xấp xỉ không được khớp với đường đặc tuyến Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ” bộ đo Nghĩa là tại những vị trí này sẽ có 1 đường cong xấp xỉ khác Nhưng vì ta lấy theo 1 đường cong xấp xỉ chung cho cả đặc tuyến bộ đo, vì vậy giá trị đo được tại những vị trí đó có độ chênh lệch khá lớn và độ chính xác cũng rất kém
- Chíp sử dụng để chuyển tín hiệu từ analog sang digital là loại 10 bít, nghĩa là trong khoảng từ 0-5V ta có 1024(2 10 24)nấc, mỗi nấc tương ứng
5 4.881024= mV, chính vì vậy khi đo ở những vùng thấp độ chênh áp không lớn dẫn đến điện áp ra không đủ lớn, bộ đo chỉ nhận được những giá trị lá bội số của 4.88mV, còn những giá trị nhỏ hơn thì bộ đo không nhận biết được Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến sai số của bộ đo.
Đánh giá độ nhạy của bộ đo chế tạo-LTAFM
6.3.1 Đánh giá độ nhạy của bộ đo khi gắn trên mô hình thí nghiệm
Cách thực hiện : Gắn các thiết bị thành một hệ thống khép kín theo thứ tự : Bộ đo LTAFM có gắn van nhằm thay đổi lưu lượng qua bộ đo - Quạt hút gió chuyên dụng được điều khiển tốc độ bằng biến tần, cung cấp điện cho các thiết bị , và kết nối máy tính với mạch điều khiển bộ đo LTAFM bằng cổng RS232 Sau đó tiến hành lấy số liệu Để thấy được độ nhạy của bộ đo ta cố tình điều khiển cho lưu lượng dòng khí qua bộ đo thay đổi nhanh theo thời gian ở dạng hình sin, hoặc hình bậc thang( bằng cách điều khiển van đóng mở) Tiến hành thu số liệu và vẽ đồ thị Q-t dựa trên số liệu đó để đánh giá độ nhạy của bộ đo, số liệu cụ thể xem phụ lục 4 Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.7 Đồ thị mô ta sự thay đổi tức thời lưu lượng theo thời gian
Qua đồ thị chúng ta cũng có thể thấy độ nhạy của bộ đo: cho dù lưu lượng đi qua bộ đo thay đổi theo bất kì đặc tuyến nào, ở bất kì mức lưu lượng nào, thì luôn có dữ liệu gửi về theo từng mức thay đổi đó
6.3.2 Đánh giá độ nhạy của bộ đo khi gắn trên xe Daewoo Lanos
Chúng ta gắn bộ đo LTAFM vào trước ống góp nạp của động cơ, kết nối mạch điều khiển của bộ đo với máy tính Sau đó lấy các tín hiệu từ: cảm biến vị trí cánh bướm ga, âm (-) acquy, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến tốc độ xe của động cơ để đưa vào mạch điều khiển của bộ đo Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.8 Kết nối bộ đo LTAFM vào động cơ DAEWOO Lanos Để đánh giá độ nhạy của bộ đo thì ta kiểm tra sự phụ thuộc của tín hiệu đưa về máy tính và sự thay đổi của tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga, tín hiệu động cơ, tín hiệu tốc độ của xe ta cần thực hiện ở 2 trường hợp:
- Khi tốc độ động cơ, tốc độ xe không đổi, chỉ thay đổi vị trí bướm ga (nhờ vào hệ thống rulo dẫn động bánh xe chủ động của bệ thử nghiệm động cơ)
- Khi tốc độ động cơ và tốc độ xe thay đổi theo sự thay đổi của bướm ga – trường hợp xe chạy thực tế trên đường
6.3.2.1 Độ nhạy của bộ đo khi tốc độ động cơ, tốc độ xe không đổi, chỉ thay đổi vị trí bướm ga
Ta tiến hành đo ở 3 mức tốc độ của động cơ: thấp, trung bình, cao Ứng với từng mức tốc độ ta tiến hành thay đổi độ mở của bướm ga của động cơ, từ đó xem độ nhạy của bộ đo bằng cách so sánh đồ thị tín hiệu đưa về của bộ đo LTAFM có đồng dạng với tín hiệu độ mở của bướm ga không Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.9 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ động cơ 1600v/p
Hình 6.10 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ động cơ 2210v/p Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.11 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ động cơ 3800v/p Nhận xét: Qua 3 đồ thị trên chúng ta có thể kết luận:
- Bộ đo có thể đáp ứng với điều kiện đóng mở phức tạp của cánh bướm ga, như đóng mở với tần số cao và ở những vị trí bất kì
- Phạm vi lưu lượng đáp ứng của bộ đo là rất rộng
- Giá trị lưu lượng đo được ở số vòng quay cao thì có độ chính xác cao hơn
Kết luận độ nhạy của bộ đo được đảm bảo- tín hiệu điện áp gửi về sẽ thay đổi ngay lập tức khi có sự thay đổi vị trí cánh bướm ga Điều này cho thấy khả năng thực tiễn có thể ứng dụng bộ đo trong điều khiển động cơ
6.3.2.2 Độ nhạy của bộ đo khi tốc độ động cơ, tốc độ xe thay đổi theo sự thay đổi vị trí bướm ga
Trong trường hợp đo tĩnh như trên thì dòng khí đi qua bộ đo vào động cơ chủ yếu là do sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài động cơ (sự hút ở thì nạp) Và vận tốc dòng khí phụ thuộc chủ yếu vào sự đóng mở của cánh bướm ga
Trong trường hợp này thì độ nhạy của bộ đo có thể đảm bảo được như đã nêu ở trên Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Vậy đặt giả thiết khi xe chuyển động trên đường (nghĩa là cả 3 tín hiệu tốc độ động cơ, tốc độ xe, vị trí bướm ga thay đổi liên tục), lúc này vận tốc dòng khí qua bộ đo không chỉ phụ thuộc vào vị trí cánh bướm ga, mà còn phụ thuộc vào quán tính dòng khí đi vào do sự đóng mở không có tính chu kì của xupáp nạp, và bản thân dòng khí trước khi đi qua bộ đo gió đã có một áp suất ban đầu (áp suất này do lực cản của không khí gây nên vì vậy chúng phụ thuộc vào vận tốc của xe) Vậy trong trường hợp này độ nhạy của bộ đo có còn đảm bảo không? Để trả lời câu hỏi này tác giả đã tiến hành lấy số liệu tương ứng của cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ, và giá trị lưu lượng do bộ đo gửi về khi xe chuyển động Sau đó tiến hành vẽ chúng trên đồ thị để nhận xét đánh giá độ nhạy của bộ đo
Tuy nhiên vì điều kiện thời gian không cho phép nên tác giả chỉ cho xe chuyển động trên bệ thử nghiệm động cơ, lúc này để tạo áp suất ban đầu của dòng khí thì đã dùng một quạt công suất lớn để tạo dòng khí thổi vào xe Đề tài: “Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o b ộ đ o l ư u l ượ ng khí b ằ ng công ngh ệ chênh áp dùng trong đ o l ườ ng và đ i ề u khi ể n độ ng c ơ ”
Hình 6.12 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng- vị trí bướm ga-tốc độ động cơ khi xe chuyển động Qua đồ thị trên ta có nhận xét:
- Khi bướm ga thay đổi vị trí thì lưu lượng cũng thay đổi theo điều này cho thấy bộ đo lưu lượng vẫn đảm bảo độ nhạy
- Khi nhả chân ga để sang số (bướm ga đóng hoàn toàn), lúc này lưu lượng khí có sự tăng đột biến sau đó mới giảm, điều này có thể lý giải: do quán tính dòng khí nên khi bướm ga đóng hoàn toàn thì tốc độ dòng khí chưa giảm ngay mà cần có thời gian mới giảm
