Báo cáo máy Đo tốc Độ gió và cảm biến tốc Độ gió dạng cốc

Máy đo tốc độ gió dạng cốc cup anemometer Cảm biến gió dạng cốc là một trong những loại cảm biến gió được sử dụng rộng rãi nhất.. Được phát minh lần đầu tiên bởi Ruby Sun tại Anh với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

- -

MÔN HỌC: TT ĐO LƯỜNG NĂNG LƯỢNG

BÁO CÁO MÁY ĐO TỐC ĐỘ GIÓ VÀ CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GIÓ

DẠNG CỐC

MÃ MÔN HỌC: EMPR311534 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Thành Công

DANH SÁCH NHÓM THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN

HỌC KÌ 1, NĂM HỌC: 2024-2025 Tên đề tài: Máy đo tốc độ gió và cảm biến tốc độ gió dạng cốc

1 22154010 Nguyễn Khắc Duy Hoàn thành

100%

2 22154033 Trần Quang Minh Hoàn thành

100%

3 22154049 Hàn Minh Thùy Hoàn thành

100%

Trưởng nhóm: Trần Quang Minh

ĐIỂM

Nhận xét của giáo viên:

………

……… ………

……… ………

……… ………

Ngày 29 tháng 11 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy Nguyễn

Thành Công vì đã dành thời gian, công sức và kiến thức vô giá của mình để hướng

dẫn cho chúng em Thông qua bộ môn “Thực tập Đo lường Năng lượng” giúp

chúng em hiểu rõ các phương pháp và công cụ đo lường năng lượng trong các hệ

thống điện và trong công nghiệp, đồng thời biết cách phân tích dữ liệu đo lường

để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng và đề xuất các biện pháp cải thiện

Những bài giảng của Thầy luôn đầy sinh động và thực tiễn, giúp chúng em hiểu

sâu sắc về lĩnh vực này và cảm thấy tự tin hơn khi bước vào con đường nghiên

cứu sau này

Dù đã nỗ lực hết mình trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em thừa nhận

rằng kiến thức của mình vẫn còn chưa hoàn thiện và khả năng áp dụng vào thực

tế còn nhiều hạn chế Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp quý báu, những

hướng dẫn, xem xét và góp ý chân thành từ Thầy để bài tiểu luận của chúng em

trở nên hoàn thiện hơn, phản ánh đúng tinh thần và nội dung của môn học

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Kết cấu đề tài 1

PHẦN NỘI DUNG 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ GIÓ 2

1.1 Giới thiệu 2

1.2 Phân loại 2

1.2.1 Máy đo tốc độ gió dạng cốc (cup anemometer) 2

1.2.2 Máy đo tốc độ gió dạng cánh quạt (propeller anemometer) 3

1.2.3 Máy đo tốc độ gió siêu âm (ultrasonic anemometer) 4

1.2.4 Máy đo tốc độ gió sử dụng công nghệ LIDAR 4

1.2.5 Máy đo tốc độ gió sử dụng công nghệ SODAR 5

1.2.6 Máy đo tốc độ gió dạng cộng hưởng âm thanh 5

1.2.7 Máy đo tốc độ gió dạng dây nhiệt 6

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GIÓ DẠNG CỐC 7

2.1 Cảm biến tốc độ gió dạng cốc: 7

2.2 Thông số kỹ thuật 8

2.3 Cách đo 8

2.3.1 Dùng Arduino để đọc giá trị điện áp 8

2.3.1 Dùng VOM để đọc giá trị dòng điện 12

2.4 Ưu điểm 13

2.5 Nhược điểm 13

2.6 Ứng dụng 13

CHƯƠNG 3: ĐỒNG HỒ ĐO TỐC ĐỘ GIÓ 14

3.1 Khái niệm 14

3.2 Cấu tạo 14

3.2.1 Màn hình hiển thị 15

3.3 Thông số kỹ thuật 15

3.4 Cách đo 16

3.5 Ưu điểm 17

3.6 Nhược điểm 17

3.7 Ứng dụng 17

PHỤ LỤC 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam, với tiềm năng gió dồi dào, đang ngày càng chú trọng đến việc khai thác năng lượng gió - một nguồn năng lượng sạch, bền vững Việc đo tốc độ gió đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Nhờ vào dữ liệu chính xác từ các cảm biến, đồng hồ đo; chúng ta có thể đánh giá hiệu quả tiềm năng gió tại từng địa điểm, từ đó xây dựng các trạm gió tối ưu Không chỉ thế, dữ liệu này còn được

sử dụng để điều khiển hoạt động của tuabin gió, đảm bảo năng suất điện cao nhất

và tuổi thọ lâu dài cho thiết bị Việc ứng dụng rộng rãi năng lượng gió không chỉ góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, mà còn bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích chi tiết cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của các thiết bị

thực tế

- Ứng dụng của thiết bị trong các lĩnh vực khác nhau

- Trau dồi kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng học tập nghiên cứu tài liệu học thuật và phân tích vấn đề

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu: Sổ tay hướng dẫn sử dụng, thông số kỹ thuật của hãng

- Quan sát trực quan

- Thử nghiệm chức năng: Thực hiện các thử nghiệm để kiểm tra chức năng, từng chế độ hoạt động của thiết bị

4 Kết cấu đề tài

Chương 1: Giới thiệu chung về cảm biến đo tốc độ gió

Chương 2: Cảm biến đo tốc độ gió dạng cốc

Chương 3: Đồng hồ đo tốc độ gió

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ GIÓ 1.1 Giới thiệu

Máy đo tốc độ gió là một thiết bị dùng để đo tốc độ gió, tức là khoảng cách

mà gió di chuyển trong một đơn vị thời gian Giúp người sử dụng đo được cường

độ, hướng và thay đổi của luồng gió trong một khu vực nhất định

Máy đo gió sớm nhất có nguồn gốc từ hàng trăm năm trước và được sử dụng để đo gió một cách sơ bộ Với sự cập nhật liên tục của công nghệ, máy đo gió hiện tại có thể cung cấp nhiều loại dữ liệu có độ chính xác cao Có nhiều loại thiết bị đo tốc độ gió khác nhau, dưới đây là một số loại thiết bị được sử dụng rộng rãi

1.2 Phân loại

1.2.1 Máy đo tốc độ gió dạng cốc (cup anemometer)

Cảm biến gió dạng cốc là một trong những

loại cảm biến gió được sử dụng rộng rãi nhất. Được

phát minh lần đầu tiên bởi Ruby Sun tại Anh với

thiết kế bốn cốc, sau đó John Patterson đã cải tiến

bằng cách loại bỏ một cốc và sử dụng ba cốcgiúp

tăng độ chính xác với sai số dưới 3% đối với tốc độ

gió 97km/h Máy đo gió ba cốc cũng có momen

xoắn ổn định hơn và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi tốc độ gió so với máy

đo gió bốn cốc Nhờ độ chính xác cao, máy đo gió ba cốc được tin cậy sử dụng trong các nghiên cứu và khảo sát về gió, đánh giá tài nguyên gió Ba cốc hình parabol hoặc bán cầu rỗng được bố trí nghiêng và cố định trên khung, hướng cùng một phía Khung và các cốc được gắn trên một trục có thể xoay tự do

Khi có luồng gió thổi qua, lực lúc này tác dụng lên cốc và quay quanh trục Tốc độ quay và tốc độ gió tỷ lệ thuận với nhau, gió càng mạnh thì cốc gió sẽ quay

càng nhanh và ngược lại, cốc sẽ quay chậm khi gió nhẹ Do đó bằng cách đo số lần cốc quay trong một khoảng thời gian nhất định cảm biến tính được tốc độ

1.2.2 Máy đo tốc độ gió dạng cánh quạt (propeller anemometer)

Một trong những dạng khác của máy đo vận

tốc cơ học là máy đo gió có dạng cánh quạt Khác

với máy đo gió của Robinson có trục quay thẳng

đứng, máy đo gió cánh quạt phải có trục song song

với hướng gió và do đó nó phải nằm ngang Hơn

nữa, vì gió có thể thay đổi theo hướng bất kì và trục

phải tuân theo sự thay đổi của nó, nên phải sử dụng

cánh gió hoặc một số phụ trợ khác để đo gió (wind

vane) Cảm biến gió dạng cánh quạt có thiết kế

tương tự như cánh quạt nhỏ, nguyên lí hoạt động dựa

trên chuyển động cơ học để đo tốc độ gió Khi có luồng gió thổi qua, cánh quạt quay với tốc độ tỷ lệ thuận với tốc độ gió Chuyển động quay của cánh quạt sau

đó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, từ đó tốc độ gió được tính toán Máy

đo gió cánh quạt hiện đại có thể đo cả tốc độ và hướng gió nhờ vào thiết kế kết hợp cánh quạt và phụ trợ đo hướng gió trên cùng một trục giúp đo được các phép

đo hướng gió và tốc độ gió chính xác Trong các môi trường có luồng không khí

ổn định, như trong các trụ thông gió của các hầm mỏ và tòa nhà, cung cấp kết quả

đo tốc độ gió chính xác và đáng tin cậy

Máy đo gió cánh quạt kết hợp đo

hướng gió

Máy đo gió kỹ thuật số dạng cánh

quạt

1.2.3 Máy đo tốc độ gió siêu âm (ultrasonic anemometer)

Cảm biến siêu âm là một

trong những loại cảm biến tiên tiến

nhất hiện nay, sử dụng sóng siêu

âm để đo tốc độ và hướng gió

Thiết bị này có nguyên lý hoạt

động dựa trên việc phát ra các sóng

siêu âm giữa các đầu dò và đo sự

thay đổi về thời gian truyền sóng từ

đó tính toán được tốc độ và hướng gió

Sóng siêu âm được phát ra theo nhiều hướng và khi gió thổi qua, thời gian truyền của sóng bị ảnh hưởng Bằng cách đo lường sự khác biệt về thời gian truyền sóng giữa các đầu dò, tốc độ và hướng gió được tính toán chính xác

1.2.4 Máy đo tốc độ gió sử dụng công nghệ LIDAR

LIDAR (Light Detection And Ranging)

là một công nghệ viễn thám quang học hoạt

động bằng cách phát ra các xung laser và đo

thời gian chúng phản xạ lại từ các vật thể

Công nghệ này có thể được triển khai ở cả mặt

đất và trên không, phụ thuộc vào các ứng dụng

khác nhau LIDAR đã được sử dụng trong

nhiều thập kỷ và có độ tin cậy cao

Công nghệ này có thể sử dụng ở nhiều dải bước sóng khác nhau: bức xạ trong vùng tử ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ; mỗi dải sóng tương tác với khí quyển một cách riêng biệt Qua việc nghiên cứu lựa chọn các quá trình tán xạ khác nhau, chúng ta có thể xác định được không chỉ thành phần khí quyển mà còn cả các thông số khác như tốc độ và hướng gió

Độ phân giải cao của hệ thống LiDAR được đảm bảo bởi khả năng duy trì chùm

tia laser với độ phân kỳ rất nhỏ, cho phép tập trung năng lượng vào một điểm nhỏ

ở khoảng cách xa hàng trăm mét

1.2.5 Máy đo tốc độ gió sử dụng công nghệ SODAR

SODAR (Sound Detection And Ranging)

là một công nghệ viễn thám trên mặt đất hoạt

động bằng cách truyền (qua loa) một xung âm

thanh hình Sin (thường là 50 ms) vào không khí,

sau đó lắng nghe các tín hiệu trả về trong một

khoảng thời gian ngắn, đo các sóng âm thanh bị

phân tán trở lại Nhờ vào cường độ và sự thay đổi

Doppler của xung âm thanh mà có thể xác định

tốc độ và hướng gió SODAR bao gồm bởi ba hoặc nhiều chùm tia ở các góc khác nhau so với phương thẳng đứng, cho phép thu được biên dạng gió thẳng đứng theo

ba chiều

1.2.6 Máy đo tốc độ gió dạng cộng hưởng âm thanh

Máy đo gió cộng hưởng âm thanh

là một dạng biến thể của máy đo gió siêu

âm Công nghệ cộng hưởng âm thanh cho

phép đo trong một khoang nhỏ, Nhờ tận

dụng hiện tượng cộng hưởng âm, các cảm

biến có thể được thiết kế với kích thước

nhỏ hơn đáng kể so với các cảm biến siêu âm thông thường Kích thước nhỏ của máy đo gió cộng hưởng âm thanh giúp chúng dễ dàng làm nóng, ngăn ngừa hiện tượng đóng băng và đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt

Máy đo gió cộng hưởng âm thanh là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống điều khiển tuabin gió và các ứng dụng đòi hỏi cảm biến nhỏ gọn và mạnh mẽ Khi

so sánh với các cảm biến cơ đã được hiệu chuẩn, độ chính xác của máy đo gió

cộng hưởng âm thanh có thể chưa đạt được mức tối ưu Đối với nhiều mục đích

sử dụng, điểm hạn chế này này được bù bằng tuổi thọ của cảm biến và thực tế là

nó không yêu cầu hiệu chuẩn lại sau khi cài đặt

1.2.7 Máy đo tốc độ gió dạng dây nhiệt

Máy đo gió dạng dây nhiệt hay còn gọi là cảm biến

đo gió kiểu dây nhiệt là thiết bị sử dụng một dây mảnh chỉ

vài micromet, được đốt nóng bằng điện đến nhiệt độ cao

hơn so với môi trường xung quanh và luồng không khí

chạy qua dây làm nguội dây Do điện trở của kim loại thay

đổi theo nhiệt độ của kim loại, nên sự biến thiên nhiệt độ

của dây tóc khi tiếp xúc với dòng khí sẽ dẫn đến sự thay

đổi tương ứng của điện trở, từ đó cho phép ta suy ra tốc độ

gió Trong hầu hết các trường hợp, để xác định hướng gió,

thiết bị thường cần kết hợp thêm với các cảm biến đo

hướng khác, chẳng hạn như cánh quạt gió

Máy đo gió dạng dây nhiệt có thể được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên phương pháp đo như CCA (máy đo gió dòng điện không đổi); CVA (máy

đo gió điện áp không đổi); CTA (máy đo gió nhiệt độ không đổi) và PWM (điều chế độ rộng xung)

Máy đo gió dạng dây nhiệt cực kỳ tinh vi, nhờ vào khả năng đáp ứng tần số cao và độ chính xác vượt trội, máy đo gió dạng dây nhiệt trở thành công cụ không thể thiếu trong việc nghiên cứu chi tiết các dòng chảy biến đổi nhanh, đặc biệt là các dòng chảy rối

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GIÓ DẠNG CỐC

2.1 Cảm biến tốc độ gió dạng cốc:

Cảm biến tốc độ gió dạng cốc bao gồm:

- Vỏ: được làm bằng hợp kim nhôm

- Bộ nhận gió: bao gồm ba cốc rỗng hình nón (hoặc hình parabol), được

làm bằng thép không gỉ

Ba cốc được cố định trên giá đỡ ở góc 120 độ với nhau để tạo thành bộ phận cảm biến Các bề mặt lõm của cốc rỗng đều theo một hướng Toàn bộ phần cảm ứng được lắp đặt trên một trục quay thẳng đứng Dưới tác động của gió, cốc gió quay quanh trục với tốc độ tỉ lệ thuận với tốc độ gió

- Dây cáp: vật liệu sợi carbon, một đầu là bốn dây, một đầu là phích cắm

Hình 1 Cảm biến tốc độ gió

2.3.1 Dùng Arduino để đọc giá trị điện áp

Đầu bốn dây của cáp được kết nối vào arduino theo sơ đồ dưới đây:

Hình 2 Sơ đồ kết nối của cảm biến tốc độ gió

- Dây màu đỏ: +12 đến 24V

- Dây màu đen: GND (nối đất)

- Dây màu vàng: Tín hiệu điện áp

- Dây màu xanh: Tín hiệu dòng điện

Đầu còn lại của sợi cáp gắn phích cắm vào cảm biến đo tốc độ gió

Khi gió thổi, các cốc sẽ quay quanh trục của rôto Tốc độ quay của các cốc

tỷ lệ thuận với tốc độ gió Sau đó bộ phận cảm biến (thường là một bộ phát xung hoặc một cảm biến từ) sẽ ghi lại số lần quay của rôto trong một khoảng thời gian nhất định Tín hiệu từ bộ cảm biến được truyền tới arduino, từ đó được chuyển đổi thành giá trị tốc độ gió

Cách đọc thông số của cảm biến từ phần mềm Arduino IDE:

Bước 1: Tiến hành thiết lập các kết nối để đảm bảo Arduino đã được kết nối với

máy tính

- Chọn loại Arduino sử dụng

- Chọn cổng kết nối

Bước 2: Viết chương trình đọc giá trị điện áp từ cảm biến từ đó suy ra tốc độ gió

Bước 3: Kiểm tra chương trình trước khi tải về Arduino

Bước 4: Tải chương trình về Arduino

- Giá trị đọc được từ Arduino được hiển thị trên màn hình

2.3.1 Dùng VOM để đọc giá trị dòng điện

Giá trị dòng điện của cảm biến sẽ được hiển thị trên màn hình của đồng hồ VOM

Hình 3 Kết nối thực tế

2.4 Ưu điểm

- Phạm vi đo gió rộng

- Độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt

- Giá thành rẻ và đa dạng về vật liệu, như hợp kim nhôm và polycarbonate

2.5 Nhược điểm

- Thiết kế cốc hiện tại chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và thử nghiệm, thiếu cơ

sở lý thuyết hoàn chỉnh Vì thế, rất khó để xác định độ tuyến tính của máy

đo gió có bị ảnh hưởng bởi các thông số cốc gió hay không

2.6 Ứng dụng

Sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như:

- Trong máy móc kỹ thuật: cần trục, cần cẩu bánh xích, cần cẩu tháp

- Hàng hải: đường sắt, cảng, bến cảng

- Nông nghiệp: chăn nuôi

- Khí tượng: dự báo thời tiết

- Xây dựng: lựa chọn vị trí xây dựng công trình

- Năng lượng tái tạo: tối ưu hóa hiệu quả sử dụng gió làm nguồn năng lượng

CHƯƠNG 3: ĐỒNG HỒ ĐO TỐC ĐỘ GIÓ 3.1 Khái niệm

Đồng hồ đo tốc độ gió là thiết bị dùng để đo tốc độ gió bằng cách sử dụng một cánh quạt quay

3.2 Cấu tạo

Đồng hồ đo tốc độ gió bao gồm:

Hình 5 Đồng hồ đo tốc độ gió Tenmars TM-414A

1 Phím HOLD và Recall (Giữ và Xem lại)

2 Phím ESC và Rec (Thoát và Ghi)

3 Phím đèn nền và thiết lập

4 Phím chọn xuống và nguồn

5 Phím Max, Min và AVG (Giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình)

6 Phím chọn lên và tự động tắt nguồn

7 Phím Enter và đổi đơn vị

8 Màn hình hiển thị: hiển thị các giá trị đo lường như tốc độ gió, nhiệt

3.2.1 Màn hình hiển thị

1 Màn hình chính

2 Màn hình phụ

3 Khu vực hiển thị biểu tượng chức năng

4 Chỉ báo pin yếu