C5 do luu luong khi

Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-1 Chương Đo lưu lượng khí 5.1 KHÁI QUÁT Mục đích đo lưu lượng khí Trong hoạt động động cơ, đo lưu lượng không khí giúp ta xác định thể tích khối lượng khơng khí động hút vào đơn vị thời gian, liên quan việc kiểm tra thành phần hỗn hợp cấp vào động cơ, việc đánh giá mức độ hồn thiện q trình nạp Xác định lưu lượng khơng khí thí nghiệm động đóng vai trị quan trọng Vì biết lượng khơng khí lượng nhiên liệu ta biết thành phần khí hỗn hợp, thành phần khí hỗn hợp ảnh hưởng đến q trình cháy cơng suất động Thành phần hỗn hợp cháy đánh giá thơng qua hệ số dư lượng khơng khí , đặc trưng cho độ đậm nhạt hỗn hợp Hệ số dư lượng khơng khí : = Gk G nl L (5.1) Trong đó: Gk_lưu lượng khơng khí (kg/s); Gnl_lưu lượng nhiên liệu (kgnl/s); L0_lượng khơng khí lí thuyết cần đốt cháy kgnl (kgnl/kg); Gk, Gnl phải đo trực tiếp động cơ, L0 xác định tùy theo thành phần nhiên liệu mà động sử dụng Tùy thuộc vào loại khí, điều kiện vật lý môi trường cần đo độ xác phép đo mà ta lựa chọn kiểu lưu lượng kế thích hợp Phân loại phương pháp đo lưu lượng khí Dụng cụ dùng để đo lưu lượng lưu lượng kế, có nhiều loại khác Người ta phân chia loại sau đây: - Đo lưu lượng sở chênh lệch áp suất dòng chảy - Đo lưu lượng máy đếm khí - Đo lưu lượng rotameter - Đo lưu lượng lưu lượng kế có độ chênh áp xác định không đổi - Đo lưu lượng cảm biến điện Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-2 Đặc điểm yêu cầu Dịng khí cấp vào động có tính chất chu kỳ nên dù động có nhiều xi lanh đến đâu, dịng khí vào động mang tính chất mạch động.Vì người ta phải đặt động dụng cụ đo bình cân Nếu đo trực tiếp khơng có bình cân bằng, sai số tính chất mạch động gây nên lên đến 30% Thể tích bình cân theo kinh nghiệm phải lớn gấp 200 lần thể tích cơng tác xi lanh động Có thể dập tắt mạch động, đảm bảo độ xác cần thiết phép đo, khơng q lớn làm thiết bị cồng kềnh Có thể tính qua số Hodgons: HO = Từ V  p pt qt V = HO (5.2) pt qt  p Trong đó: HO : Số Hodgons V : Thể tích bình cân (m3)  : Tần số dịng khí (1/s) p : Tổng tổn thất áp suất đường ống đo (bar) pt : Ap suất tuyệt đối trung bình bình cân (bar) qt : Lưu lượng trung bình dịng khí (m3/s) Ví dụ: Giải tốn tính thể tích bình cân Quan hệ số Hodgons với hệ số gián đoạn u sai số phép đo f Số liệu ban đầu: Động Diesel kỳ xi lanh , Vh = 6dm3, nmin = 300 v/phút nmax = 600 v/phút Góc mở sớm supáp nạp 1 = 10O; Góc động muộn supáp nạp 2 = 15O Sai số cho phép 1% Tổn thất áp suất qua đo số vòng quay 300 v/f, pbđ = 2mbar Đường kính đường ống nạp 100mm Hệ số ma sát ống  = 0,02 Giải: V = Ho pt qt  p a) Xác định số Hodgons: Trên đồ thị để xác định số Ho cần biết hệ số gián đoạn u 7200 − (1800 + 100 + 150 ) 515 u= = = 0,72 720 7200 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí Từ 5-3 u = 72% Ho = 1,1 f = 1%  b) Xác định áp suất tuyệt đối bình cân bằng: pt = p0 - pbđ - pđơ Trong đó: po: Áp suất mơi trường xung quanh = bar pbđ: Tổn thất áp suất qua đo -2m bar pđô: Tổn thất áp suất đường ống pdo =  l  C d  = 0,02; l = 500mm; d = mm;  = 1,19kg/m3 Phải tính C vận tốc khơng khí đường ống: C= Qt A Trong đó: Qt: Lưu lượng trung bình dịng khí A: Tiết diện ống 1 Qt = Vh n = 6.300 = 900dm3 / ph = 0, 015m3 / s 2 d 3,14.(0,1) = = 0,00785m 4 A= Từ đó: C= 0, 015 = 1,9m / s 0, 00785 pâäú= 0,02 c) 5001,19 1,92 = 0,21N / m = 0,21.10−5 bar 100 Qt = 0,015m3/s d) Tần số dịng khí = n 300 l l = = 150 = 2,5 2 ph s e) Tổng tổn thất áp suất p = p bd + pâä 1500 1500 = 2mbar+ 0,0021 = 2,006mbar 500 500 Kết quả: Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí V= 5-4 1,1.0,998.0,015 = 3,3m 2,5.0,002006 5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ Đo lưu lượng khí theo phương pháp chênh áp Có nhiều phương pháp đo lưu lượng khí nạp Tuy nhiên phương pháp phổ biến hay dùng đo lưu lượng cách đo chênh lệch áp suất Phương pháp dựa vào thay đổi vận tốc dòng chảy qua tiết diện hẹp ống dẫn, dẫn tới chênh lệch áp suất trước sau tiết lưu Về mặt cấu tạo, lưu lượng kế kiểu có ba dạng chính: Dạng tiết lưu: loại gồm mỏng, có khoang lỗ đồng trục với ống dẫn lưu chất Áp suất lấy trước sau tiết lưu Tuyère: Dựa vào nguyên lý tương tự phẳng thay màng định dạng để làm giảm bớt trở lực dòng chất lỏng Tiết diện hẹp màng (cổ) kéo dài thêm đoạn hình trụ để dẫn hướng dòng lưu chất Áp suất đo phía thượng lưu hạ lưu tuyère Venturi: Gồm hình nón hàn lại với đầu nhỏ chúng Ở tiết diện hẹp dụng cụ, tốc độ dòng lưu chất tăng lên áp suất giảm Áp suất đo phía trước cổ cổ Người ta thường dùng lưu lượng kế Venturi lưu lượng kế tiết lưu để đo lưu lượng khí Hình 5.1 Lưu lượng kế ống Ture V [m/s] Hình 5.2 Biến thiên vận tốc ống có tiết lưu Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-5 P [N/m2] L[m] Hình 5.3 Biến thiên áp suất ống có tiết lưu Hình 5.4 Sơ đồ tính tốn lưu lượng kế dùng tiết lưu Từ nguyên lý trên, phương trình tổng quát Becnuli xét hai mặt cắt 1-1 2-2 có kể đến tổn thất dịng chảy có dạng: v 22 v 12 ( − ) +  dp =    (5.3) Tương đương với: p1 - p2 = .( v 22 − v12 ) 2 (5.4) Kết hợp với phương trình liên tục: S1.v1 = S2.v2 (5.5) Ta có hệ phương trình sau:   (v22 − v12 )  p1 − p2 = 2  S v = S v 2  11 Trong đó: v1_vận tốc dòng chảy tiết diện 1_1 (m/s); Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-6 v2_vận tốc dòng chảy tiết diện 2_2 (m/s);  _khối lượng riêng khí (kg/m3); S1_diện tích tiết diện 1_1 (m2); S2_diện tích tiết diện 2_2 (m2);  _tổn thất lượng dòng chảy tiết diện;  dp _biến thiên áp suất chất khí từ tiết diện 1_1 đến tiết diện 2_2 (N/m ) Động Khơng khí Bình điều áp p Hình 5.5 Sơ đồ lắp đặt đo lưu lượng khí tiết lưu Khơng khí qua tiết lưu tạo nên độ sụt áp p độ sụt áp đọc áp kế chữ U Vì động làm việc theo chu kỳ, lượng khơng khí vào động theo kỳ tạo dao động áp suất làm cho việc đọc kết đo p xác Muốn giảm dao động áp suất ta đặt bình điều áp phía sau tiết lưu Khi đó, kỳ nạp động cơ, khơng khí từ bên vào động cơ, đồng thời động hút khơng khí từ bình điều áp làm cho áp suất bình điều áp giảm xuống Ở kỳ khác động cơ, động khơng cần khí nạp nữa, bình điều áp có áp suất thấp nên tiết tục hút khơng khí vào qua tiết lưu Như vậy, khơng khí qua tiết lưu liên lục giảm dao động áp suất Tại tiết lưu lượng phần biến thành xoáy lốc, phần biến thành nhiệt Do vậy, phải tính tốn hợp lý mặt kết cấu Để tính tốn người ta đưa hệ số co dòng chảy  xác định sau: = S2 S0 (5.6) S0_ tiết diện lỗ tiết lưu (m2); Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-7 S2_ tiết diện tiết diện bé dòng chảy 2_2(m2); Để biểu thị chênh lệch áp suất trước sau tiết lưu người ta đưa khái niệm độ mở m định nghĩa sau: m= S0 S1 (5.7) S0_diện tích lỗ tiết lưu (m2); S1_diện tích tiết diện 1_1(m2); Vận tốc dòng chảy sau tiết lưu là: v2 =  − m2   ( p1 − p2 ) (m/s) (5.8) Lưu lượng khí tính theo cơng thức sau: Qk = v2.S2 = .S0.v2; (5.9) Thay v2 từ công thức ta được:  Qk = .So ( p1 − p2 ) (m3/s) 2  − m  (5.10) Thực tế hệ số tổn thất lượng  hệ số co dịng chảy  khơng xác định phụ thuộc vào: trạng thái bề mặt ống, ma sát, phân bố vận tốc, hình dáng, độ sắc tiết lưu tình trạng vị trí đo áp suất Do đó, người ta đưa hệ số lưu lượng h với: h =   (5.11) − m2  Như vậy, ta có: Qk = h So  ( p1 − p2 ) (m3/s) (5.12) Trong : Qk _lưu lượng dịng khơng khí (m3/s); S0_tiết diện lỗ tiết lưu (m2);  _khối lượng riêng chất khí (kg/m3); p1_áp suất tiết diện 1_1 (N/m2); p2_áp suất tiết diện 2_2 (N/m2); Hệ số lưu lượng  h phụ thuộc đặc tính dịng chảy Thực chất phụ thuộc vào hệ số Reynol (Re): h = f ( R e ) Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí Với Re = v.d  5-8 (5.13) v_vận tốc trung bình (m/s); d_đường kính ống (m);  _độ nhớt động lực học chất khí (m2/s); Khi Re>Regh  h ln số Vì khơng khí chất chịu nén nên phương trình tổng quát vận tốc có dạng: v2 =  p  − m     p1  2/ k k −1   k   p   2.R.T1 −  k −  p1     (5.14) Do vậy, cơng thức tính lưu lượng phải tính đến tính chịu nén  chất khí: Qk =  h So  ( p1 − p2 ) (5.15) Khi Re>Regh h=const, với tiết lưu định lưu lượng dòng chảy viết lại sau: Qk = k p (5.16) k_hệ số phụ thuộc kết cấu tiết lưu p _chênh lệch áp suất; p = p − p Thực tế, từ công thức người ta lập bảng quan hệ lưu lượng khí Qk với chênh lệch áp suất p phụ thuộc vào độ mở m Như thí nghiệm ta cần đo chênh lêch áp suất p , sau tra bảng để tìm lưu lượng khơng khí Đo lưu lượng khí máy đếm khí Hình 5.6 Lưu lượng kế kiểu piston quay Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-9 Đây phương pháp đo có giới hạn đo lớn, độ xác khơng cao Loại phổ biến dùng để đo lưu lượng khơng khí loại khí khác máy đếm khí piston quay Dịng khí trước vào động cơ, qua máy đếm khí Chuyển động dịng khí làm quay roto Roto lắp lỏng vỏ, trục roto nối với đồng hồ đếm vòng Lưu lượng xác định: Q= nV (m3/s) t.i (5.17) Trong đó: V: Thể tích qua máy đếm sau vòng quay roto, số loại máy đếm (m3) n: Số vòng quay đọc đồng hồ đếm vòng t: Thời gian đo i: Tỷ số truyền trục roto trục đồng hồ đếm vịng Hình 5.7 Một số kiểu máy đếm khí Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-10 Đo lưu lượng rotameter hình Bộ phận dụng cụ đo ống thủy tinh có tiết diện thay đổi Thang chia vạch ống Trong ống có phao, khí dính vào phía làm phao dịch chuyển lên độ cao định, phao đứng yên vị trí mà lực tác dụng lên cân Độ cao phụ thuộc vào lưu lượng khí Phương pháp cho ta kết trực tiếp Do Df h Df Hình 5.8 Lưu lượng khí Rotameter Ta có phương trình cân lực (bỏ qua năng) Fn + Fd = G (5.18) Trong đó: Fn: Lực nâng; Fn = V  g Fd: Lực dòng chảy ; Fd = c  D 2f  v G: Trọng lượng phao ; G = Vf.g c: Hệ số cản dịng Df: Đường kính lớn phao Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-11 : Khối lượng riêng khí đo v: Vận tốc dịng chảy V: Thể tích phao f: Khối lượng riêng phao Từ phương trình lưu lượng: Q=v  ( Do2 − D 2f ) ta có: v = 4Q  Do2 − D 2f ( ) Thay vào phương trình cân lực V  g + c  D 2f  Q = V g 16Q (  D2 − D2 o f ) = V  f g (5.19) Do2 − D 2f  f ( − 1) 2c  Df (5.20) Thay Do = Df + 2htg Ta có:  tg   f Q = 4tg  h + h  V g ( − 1)   Df 2c    (5.21) Từ phương trình ta thấy lưu lượng thay đổi, chiều cao vị trí cân phao thay đổi Để có thang đo tuyến tính, người ta phải làm ống có dạng parabol Trên sở rotameter có tiết diện thay đổi, người ta chế tạo thêm cuộn cảm để đo điện Lưu lượng kế có độ chênh áp xác định khơng đổi h Hình 5.9 Lưu lượng kế độ chênh áp không đổi Nguyên lý phép đo dựa nguyên tắc, lưu lượng Q phụ thuộc vào tốc độ dịng khí tiết diện lưu thơng Q=v.S Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-12 Khi đo giữ ngun tốc độ dịng khí (độ chênh áp khơng đổi), lưu lượng phụ thuộc vào tiết diện lưu thông qua cửa Tổng diện tích cửa 1,2 tỷ lệ với lưu lượng Q Lưu lượng kế loại ứng dụng đo lưu lượng khí thải, lọt khí cacte Bình đồng thời bình cân bằng, phía có đàn hồi để dập tắt dao động Bình có từ đến 16 cửa vào Các cửa có nút tương ứng có tiết diện khác Trong q trình đo, tùy theo lưu lượng khí vào, người ta mở nút để khí qua cửa vào thích hơp cho độ chênh áp đọc áp kế không đổi Thông thường p = 25mm H2O 12,5mm H2O Lưu lượng kế dùng cảm biến điện Thiết bị đo lưu lượng khí điện xây dựng sở trao đổi nhiệt dây điện trở dịng khí làm mát dây điện trở (hình 5.10) sử dụng loại cánh có gắn biến trở (hình 5.11) Ngồi số động trước dùng loại lưu lượng kế dịng xốy sử dụng sóng siêu âm/ cảm biến quang (hình 5.12) Loại dậy nóng dựa theo ngun lý cảm biến điện trở nhiệt nói chương 2, loại cho phép xác định lưu lương khối lượng G Loại cánh dựa theo nguyên lý lưu lượng thay đổi, tốc độ dịng khí thay đổi dẫn đến lực tác dụng vào cánh thay đổi tương ứng, làm quay cánh, vị trí cánh xác định thông qua cảm biến kiểu biến trở Loại cảm biến sử dụng rông rãi cho động phun xăng hệ đầu Hình 5.10 Lưu lượng kế điện loại dây nóng Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-13 Hình 5.11 Lưu lượng kế kiểu điện loại biến trở a, b, Hình 5.11 Lưu lượng kế kiểu dịng xốy (a, song siêu âm; b, cảm biến quang) Lưu lượng kế kiểu dịng xốy sử dụng cảm biến siêu âm cảm biến quang để xác định tần số dao động dịng khí qua vật cản Trong tần số dao động tỷ lệ với tốc độ dòng khí, có nghĩa quan hệ tỷ lệ với lưu lượng Q Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Đo lưu lượng khí 5-14 Contents Chương Đo lưu lượng khí 5.1 KHÁI QUÁT 1 Mục đích đo lưu lượng khí Phân loại phương pháp đo lưu lượng khí Đặc điểm yêu cầu 5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ Đo lưu lượng khí theo phương pháp chênh áp Đo lưu lượng khí máy đếm khí Đo lưu lượng rotameter hình 10 Lưu lượng kế có độ chênh áp xác định không đổi 11 Lưu lượng kế dùng cảm biến điện 12 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN