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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THANH THƠ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ BẰNG CƠNG NGHỆ CHÊNH ÁP DÙNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ-Máy kéo LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 i CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Họ Tên : ……………………………… Học hàm : ………………… Học vị : ……………………………… Chữ ký : Cán chấm nhận xét : Họ Tên : ……………………………… Học hàm : ……………………………… Học vị : ……………………………… Chữ ký : Cán chấm nhận xét : Họ Tên : ……………………………… Học hàm : ……………………………… Học vị : ……………………………… Chữ ký : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng năm Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” ii CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 27 tháng 10 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Thanh Thơ Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1980 Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo Phái: Nam Nơi sinh: Phú Yên MSHV: 09130417 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ BẰNG CƠNG NGHỆ CHÊNH ÁP DÙNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1.Tìm hiểu phương pháp đo lưu lượng thể tích dựa độ chênh áp 2.Mơ đặc tính làm việc đo lưu lượng khí dựa độ chênh áp điều kiện làm việc động đốt 3.Thiết kế đo lưu lượng khí dựa độ chênh áp phù hợp với ứng dụng động đốt Cân chuẩn thử nghiệm so sánh đo lưu lượng khí chế tạo III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/2010 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/2011 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Ngọc Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày … tháng … năm … TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí công nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” iii CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ LỜI CẢM ƠN - Suốt thời gian học cao học trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh tác giả lĩnh hội nhiều kiến thức quý báu Thầy Cô, làm sở cho tác giả nghiên cứu tiếp cận thêm nhiều lĩnh vực khoa học Tác giả chân thành cảm ơn đến cá nhân, tập thể hết lịng giúp đỡ tác giả hồn thành đề tài luận văn: - Xin cảm ơn thầy hướng dẫn - thầy Nguyễn Ngọc Dũng đưa đề tài, cho tác giả có điều kiện tiếp xúc với lĩnh vực nghiên cứu chuyên ngành Ô tơ, tận tình giúp đỡ tác giả q trình thực hồn thành luận văn - Xin cảm ơn thầy Trần Đăng Long công tác Phịng thí nghiệm trọng điểm động đốt Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, thầy hướng dẫn liên tục suốt trình phát triển hướng nghiên cứu, thầy không quản ngại thời gian sớm tối để giúp đỡ tác giả hồn thành q trình thí nghiệm,thử nghiệm, thu thập số liệu từ đo mà thầy tác giả phần chế tạo bo mạch điều khiển Chính bảo tận tình thầy sở nguồn động lực lớn giúp tác giả hoàn thành luận văn - Xin cảm ơn thầy cơng tác Phịng thí nghiệm trọng điểm động đốt Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, cộng tác viên, nghiên cứu viên Phòng tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả trình thử nghiệm đo kiểm - Xin cảm ơn quý Thầy Cô Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Giao Thông Trường Đại Học Bách Khoa trang bị cho tác giả kiến thức tảng giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp - Xin cảm ơn Giám Đốc Cơng ty TNHH O.T.E.C- Ơng Nguyễn Văn Lộc tạo điều kiện giúp đỡ tác giả theo học lớp cao học chun ngành Kỹ thuật Ơ tơ-máy kéo thời gian công tác công ty - Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Cơng Nghệ Ơ tô Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM, tạo điều kiện thời gian cho tác giả theo học lớp cao học chun ngành Kỹ thuật Ơ tơ-máy kéo - Xin cảm ơn ý kiến thiết thực chân tình thầy phản biện giúp tác giả hồn thiện nội dung luận văn - Xin cảm ơn gia đình vợ động viên, tạo điều kiện mặt tinh thần vật chất cho tác giả từ lúc theo học cao học đến hoàn thành luận văn cao học TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011 Học viên Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí công nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” iv CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, thiết bị đo ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt lĩnh vực động đốt trong, tất thông số như: lượng khơng khí nạp, lượng nhiên liệu, lưu lượng khí lọt, lượng khí xả…có tầm quan trọng định giúp điều khiển hay thử nghiệm động ngày hiệu Khi xác định mức độ tầm quan trọng việc đo lường này, tương đối dễ dàng để chọn một thiết bị đo lưu lượng để đáp ứng nhu cầu chúng ta, ví dụ cơng nghệ đo chênh áp (Differential Pressure), công nghệ đo kiểu từ trường (Magnetic), công nghệ siêu âm (Ultrasonic), Tuabin (Turbine) , thiết bị đo kiểu phao (Rotameter), ống Coriolis, thiết bị đo kiểu Karman (Vortex Shedding), công nghệ dây nhiệt số cơng nghệ khác có mặt thị trường Việc sử dụng cơng nghệ có độ xác cao như: ống Coriolis, cơng nghệ dây nhiệt, cơng nghệ siêu âm… có giá thành cao nhiều so với công nghệ chênh áp như: ống Venturi, ống Pitot, ống Orifice…Hơn nữa, ưu điểm cơng nghệ chênh áp hệ thống khơng có phận di chuyển nên không cần phải thường xuyên bảo trì kết cấu đơn giản Tuy nhiên, khuyết điểm thiết bị sử dụng công nghệ chênh áp bị giới hạn tầm đo Cuối cùng, mục tiêu đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị đo lưu lượng có độ xác, độ nhạy chấp nhận q trình sử dụng, dễ gia cơng chế tạo đặc biệt giá thành thấp nhiều so với thiết bị khác Với trợ giúp cơng cụ tính tốn phần mềm mơ ANSYS FLUENT VÀ ANSYS CFX giúp tiết kiệm thời gian tiền bạc việc tìm phương án chế tạo tối ưu đem lại hiệu cao cho việc nghiên cứu tương lai Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” v CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .ii  LỜI CẢM ƠN iii  TÓM TẮT LUẬN VĂN iv  MỤC LỤC HÌNH viii  MỤC LỤC BẢNG xi  Chương 1:  GIỚI THIỆU 1  1.1  Ứng dụng thiết bị đo lưu lượng động đốt 1  1.1.1  Ứng dụng điều khiển hoạt động động .1  1.1.2  Ứng dụng thử nghiệm động .1  1.2  Giới thiệu kỹ thuật đo lưu lượng 2  1.2.1  Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa nguyên tắc chênh áp .3  1.2.2  Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa nguyên tắc nhiệt 9  1.2.3  Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa nguyên tắc khí .11  1.2.4  Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa nguyên lý khác .13  1.2.5  So sánh phương án đo lưu lượng dựa nguyên lý chênh áp 20  1.3  Mục tiêu luận văn 21  1.3.1  Mục tiêu 21  1.3.2  Tóm tắt sơ nội dung thực luận văn .21  Chương 2:  CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ ĐO 23  2.1  Cấu trúc dụng cụ đo .23  2.1.1  Độ tin cậy thiết bị đo 23  2.1.2  Các đặc tính phương tiện đo 24  Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” vi CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng 2.1.3  HVTH: Hồ Thanh Thơ Cấu trúc phương tiện hệ thống đo lường 26  2.2  Phương pháp đo 28  2.3  Sai số phép đo gia công kết .29  2.3.1  Sai số phép đo 29  2.3.2  Gia công kết đo .31  Chương 3:  CHỌN PHƯƠNG ÁN .34  3.1  Yêu cầu kỹ thuật 34  3.2  Chọn phương án thiết kế 34  3.2.1  Điều kiện mô .40  3.2.2  Kết mô nhận xét 41  Chương 4:  THIẾT KẾ KỸ THUẬT 66  4.1  Thiết kế kỹ thuật ống Venturi 66  4.2  Thiết kế kỹ thuật hệ thống đo điện tử cho ống Venturi .66  4.2.1  Thiết kế kỹ thuật phần cứng cho hệ thống điện tử .66  4.2.2  Thiết kế kỹ thuật phần mềm cho hệ thống điện tử .68  Chương 5:  THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 69  5.1  Thiết kế công nghệ ống Venturi 69  5.1.1  Vật liệu chế tạo phương pháp gia công 69  5.1.2  Bản vẽ lắp ống Venturi 70  5.2  Thiết kế công nghệ hệ thống điện tử cho ống Venturi 71  5.2.1  Chọn cảm biến đo chênh áp 71  5.2.2  Thiết kế mạch điều khiển điện tử cho đo lưu lượng khơng khí nạp .72  5.2.3  Sơ đồ bố trí linh kiện bo mạch điều khiển đo .76  Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” vii CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ 5.3  Sai số hiệu chuẩn thiết bị đo 77  5.3.1  Sai số 77  5.3.2  Cân chỉnh (calibration) .77  Chương 6:  CÂN CHUẨN-KIỂM TRA-ĐÁNH GIÁ BỘ ĐO 79  6.1  Cân chuẩn đo 79  6.1.1  Phương pháp thực 79  6.1.2  Vị trí thực .79  6.1.3  Thiết bị sử dụng .79  6.1.4  Các bước thực 80  6.2  Kiểm tra - đánh giá đo chế tạo- LTAFM 83  6.2.1  Độ xác tồn dải đo 83  6.2.2  Độ xác mức đo 85  6.3  Đánh giá độ nhạy đo chế tạo-LTAFM 87  6.3.1  Đánh giá độ nhạy đo gắn mơ hình thí nghiệm 87  6.3.2  Đánh giá độ nhạy đo gắn xe Daewoo Lanos .88  Chương 7:  KẾT LUẬN 95  7.1  Kết luận 95  7.2  Hướng phát triển đề tài 95  Chương 8:  TÀI LIỆU THAM KHẢO 97  Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” viii CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ống Venturi 4  Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ống Orifice .6  Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý ống Nozzle 7  Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý ống Pitot 8  Hình 1.5 Thiết bị đo lưu lượng dây nhiệt 9  Hình 1.6 Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua – bin [7] 11  Hình 1.7 Mơ hình phân tích lực 12  Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo kiểu Karman .13  Hình 1.9 Quan hệ hệ số K số Reynolds 14  Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý ống Coriolis 15  Hình 1.11 Góc xoắn ống Coriolis 16  Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo kiểu điện từ 17  Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo lưu lượng kiểu phao .18  Hình 2.1 Mơ tả cấu trúc phương tiện đo 26  Hình 2.2 Mô tả cấu trúc hệ thống đo lường 27  Hình 3.1 Giao diện phần mềm Ansys CFX .35  Hình 3.2 Giao diện phần mềm Ansys Fluent 36  Hình 3.3 Mơ hình khối lưu chất ống Venturi 36  Hình 3.4 Mơ hình lưới ống Venturi 37  Hình 3.5 Mơ hình khối lưu chất ống Orifice 37  Hình 3.6 Mơ hình lưới ống Orifice 37  Hình 3.7 Mơ hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ .38  Hình 3.8 Mơ hình lưới ống phân kỳ - hội tụ 38  Hình 3.9 Mơ hình khối lưu chất ống Nozzle .38  Hình 3.10 Mơ hình lưới ống Nozzle 39  Hình 3.11 Mơ hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice .39  Hình 3.12 Mơ hình lưới ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice 39  Hình 3.13 Mơ hình khối lưu chất ống thẳng .40  Hình 3.14 Mơ hình lưới ồng thẳng 40  Hình 3.15 Kết mơ ống Venturi độ chênh áp 2000 (Pa) .42  Hình 3.16 Kết mô ống Venturi độ chênh áp 1200 (Pa) .43  Hình 3.17 Kết mơ ống Venturi độ chênh áp 200 (Pa) 44  Hình 3.18 Đồ thị đặc tính làm việc ống Venturi 44  Hình 3.19 Kết mơ ống Orifice độ chênh áp 2000 (Pa) 46  Hình 3.20 Kết mô ống Orifice độ chênh áp 1200 (Pa) 47  Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí công nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” ix CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Hình 3.21 Kết mơ ống Orifice độ chênh áp 200 (Pa) 48  Hình 3.22 Đồ thị đặc tính làm việc ống Orifice 49  Hình 3.23 Kết mô ống phân kỳ-hội tụ độ chênh áp 2000 (Pa) 50  Hình 3.24 Kết mô ống phân kỳ-hội tụ độ chênh áp 1200 (Pa) 51  Hình 3.25 Kết mơ ống phân kỳ-hội tụ độ chênh áp 200 (Pa) 52  Hình 3.26 Đồ thị đặc tính làm việc ống phân kỳ - hội tụ 53  Hình 3.27 Kết mơ ống Nozzle độ chênh áp 2000 (Pa) .54  Hình 3.28 Kết mơ ống Nozzle độ chênh áp 1200 (Pa) .55  Hình 3.29 Kết mô ống Nozzle độ chênh áp 200 (Pa) 56  Hình 3.30 Đồ thị đặc tính làm việc ống Nozzle 57  Hình 3.31 mơ ống phân kỳ-hội tụ + Ống Orifice độ chênh áp 2000(Pa) 58  Hình 3.32 Kết mô ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice độ chênh áp 1200 (Pa) 59  Hình 3.33 Kết mơ ống phân kỳ-hội tụ + Ống Orifice độ chênh áp 200 (Pa) 59  Hình 3.34 Đồ thị đặc tính làm việc ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice 60  Hình 3.35 Kết mô ống thẳng độ chênh áp 2000 (Pa) 61  Hình 3.36 Kết mô ống thẳng độ chênh áp 1200 (Pa) 62  Hình 3.37 Kết mơ ống thẳng độ chênh áp 200 (Pa) 63  Hình 3.38 Đồ thị đặc tính làm việc ống thẳng 64  Hình 3.39 Đồ thị so sánh đặc tính làm việc phương án 65  Hình 4.1 Bản vẽ kỹ thuật ống Venturi .66  Hình 4.2 Sơ đồ phần cứng hệ thống đo điện tử cho ống Venturi 67  Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật tính toán hệ thống đo điện tử 68  Hình 5.1 Ống venturi chế tạo 70  Hình 5.2 Bản vẽ lắp ống Venturi .70  Hình 5.3 Cấu tạo cảm biến áp suất đường ống nạp 71  Hình 5.4 Đặc tuyến cảm biến áp suất đường ống nạp 72  Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ổn áp +5VDC +8VDC 73  Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu từ cặp áp suất chênh áp 74  Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến áp suất khơng khí 74  Hình 5.8 Sơ đồ ngun lý mạch đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ khơng khí 74  Hình 5.9 Sơ đồ ngun lý mạch xuất tín hiệu analog .75  Hình 5.10 Sơ đồ ngun lý mạch đọc/xuất tín hiệu digital .75  Hình 5.11 Sơ đồ bố trí linh kiện bo mạch đo 76  Hình 5.12 Bo mạch điều khiển đo chế tạo 76  Hình 6.1 Gắn kết thiết bị 80  Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ” ... TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ BẰNG CƠNG NGHỆ CHÊNH ÁP DÙNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1.Tìm hiểu phương pháp đo lưu lượng thể... độ chênh áp 2000 (Pa) 46  Hình 3.20 Kết mô ống Orifice độ chênh áp 1200 (Pa) 47  Đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí công nghệ chênh áp dùng đo lường điều khiển động cơ? ??... đo 76  Hình 5.12 Bo mạch điều khiển đo chế tạo 76  Hình 6.1 Gắn kết thiết bị 80  Đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đo lưu lượng khí cơng nghệ chênh áp dùng đo lường điều