2. Các giải pháp đề ra để nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập
2.3. Mạch chuyển đổi, thiết bị chỉ thị và ghi
2.3.1. Mạch chuyển đổi
Như chúng ta đều biết hầu hết tín hiệu mà chúng ta thường gặp trong khoa học và kỹ thuật là tín hiệu tương tự . Tức tín hiệu là các hàm của biến liên tục như thời gian hoặc khơng gian và thường cho ta giá trị liên tục trên một khoảng.
Chúng ta hồn tồn cĩ thể xử lý trực tiếp các tín hiệu này nhờ các hệ thống xử lý tín hiệu tương tự như là bộ lọc hay bộ phân tích tần số tương tự. Tuy nhiên cĩ một số điểm hạn chế khi xử lý với tín hiệu tương tự như : Tín hiệu tương tự khĩ trong việc điều chỉnh ,khĩ lưu trữ tín hiệu ... Tuy nhiên thì bộ xử lý tín hiệu số khắc phục được điều này và vì vậy mà thơng thường người ta sẽ chuyển một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý.
Hình 2.35. Mơ phỏng nguyên lý của bộ chuyển đổi A/D và D/A.
− Lấy mẫu tín hiệu
Lấy mẫu là quá trình chuyển từ một tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian sang tín hiệu rời rạc theo thời gian bằng cách "lấy mẫu" tức là lấy giá trị của tín hiệu tại những thời điểm cho trước . Lưu ý khoảng thời gian lấy giữa 2 lần lấy mẫu liên tiếp là như nhau.
Như vậy nếu ta cĩ một tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian x(t) ta cần lấy ra các tín hiệu x(n) thỏa :
x(n)=x(nT)
Trong đĩ : T được gọi là khoảng lấy mẫu hoặc là chu kỳ lấy mẫu .
Sau qua trình này ta thu được một mẫu x(n) , Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu cĩ thể khơi phục trở lại VI một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mản:
fS>= 2flmax (1) Trong đĩ fS : tần số lấy mẫu
flmax : là giới hạn trên của giải tần số tương tự
Hình 2.36. Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào
Nếu biểu thức (10) được thỏa mản thì ta cĩ thể dùng bộ tụ lọc thơng thấp để khơi phục VI từ VS.
Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần cĩ một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu. Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực tế là giá trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu.
Tín hiệu số khơng những rời rạc trong thời gian mà cịn khơng liên tục trong biến đổi giá trị. Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đĩ, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Nghĩa là nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hĩa thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này gọi là lượng tử hĩa. Đơn vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D. Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hĩa. Mã nhị phân cĩ được sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D.
− Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu :
Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi cĩ thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến đổi. Ta cĩ thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự khơng đổi trong khi chu kỳ chuyển đổi diễn ra.
+ Nguyên tắc hoạt động : Sơ đồ khối :
Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện thế vào tương tự sau đĩ một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầu vào tương tự. Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A. Do đĩ cĩ nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số.
Hình 2.37. Sơ đồ khối của một lớp ADC đơn giản.
Hoạt động cơ bản của lớp ADC thuộc loại này như sau: Xung lệnh START khởi đợng sự hoạt động của hêï thống.
Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu trong thanh ghi.
Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương tự VAX.
Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA. Nếu VAX < VA đầu ra của bộ so sánh lên mức cao. Nếu VAX > VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện thế ngưỡng), đầu dra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ở thanh ghi. Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA. giá dtrị nhị phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số tương đương VA, trong giới hạn độ phân giải và độ chính xác của hệ thống.
Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc. Tiến trình này cĩ thể cĩ nhiều thay dổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi.
2.3.2. Thiết bị chỉ thị và ghi
Thiết bị chỉ thị để hiển thị các tín hiệu từ cảm biến ( đã được chuyển đổi) lên màn hình hiển thị để cĩ thể nghiên cứu quá trình đo một đại lượng nào đĩ.
Trên hình 2.38 là máy hiện sĩng oscilloscope số. Máy oscilloscope số lấy mẫu dạng sĩng và dùng một bộ phận chuyển đổi tương tự số ( A và D) đê chuyển đổi điện áp được đo thành thơng tin số. Sau đĩ, nĩ dùng thơng tin số này để tái cấu trúc lại dạng sĩng trên màn hình.
Hình 2.38. Máy hiện sĩngoscilloscope.
− Máy hiện sĩng oscilloscope số bao gồm các hệ thống (hình 2.35) : + Hệ thống dọc.
+ Hệ thống ngang. + Hệ thống khởi động. + Bộ chuyển đổi A or D. + Màn hình hiển thị.
− Nguyên lý hoạt động của máy oscilloscope số:
Khi bạn nối đầu dị của máy oscilloscope số vào cảm biến; hệ thống dọc sẽ điều chỉnh biên độ của tín hiệu như trong máy oscilloscope tương tự. Tiếp tới, bộ chuyển đổi tương tự/số trong hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu ở các thời điểm rời rạc và chuyển đổi điện áp tín hiệu ở các điểm này thành giá trị số, gọi là các điểm lấy mẫu. Xung lấy mẫu của hệ thống ngang quy định bộ ADC lấy mẫu bao nhiên lần. Tốc độ mà ở đĩ xung “ticks” được gọi là tốc độ lấy mẫu và đươc đo bằng số mẫu trên giây.
Các điểm mẫu từ ADC được lưu trữ trong bộ nhớ như là các điểm dạng sĩng. Cĩ nhiều hơn một điểm mẫu cĩ thể cấu thành nên một điểm dạng sĩng.
Cùng với nhau, các điểm dạng sĩng cấu thành nên một bản ghi dạng sĩng. Số điểm sĩng được dùng để tạo nên một bản ghi dạng sĩng được gọi là độ dài bản ghi. Hệ thống kích khởi quy định điểm bắt đầu và điểm kết thúc bản ghi. Màn hình nhận các điểm bản ghi này sau khi chúng được lưu trữ trong bộ nhớ
Hình 2.39. Sơ đồ làm việc của máy hiện sĩngoscilloscope.
2.4. Tổ hợp các cảm biến
Hệ thống đo bao gồm các cảm biến, mạch thích ứng và các thiết bị đầu ra cĩ thể tổ hợp lại theo các sơ đồ khác nhau. Hình (2.40) mơ tả các khả năng tổ hợp của chúng. Đường liền nét biểu thị khả năng tổ hợp chính, đường nét đứt biểu thị các khả
năng tổ hợp khác. Nhờ sử dụng các bộ chuyển mạch để chọn kênh đo, các bộ tính tổng, mơ đun hố, khuếch đại thuật tốn, các bộ biến đổi số - tương tự và tương tự - số chúng ta cĩ thể mở rộng thêm các sơ đồ đo.
Hình 2.40. Sơ đồ các thành phần cảm biến, mạch thích ứng và thiết bị chỉ thị, ghi trong hệ thống đo.
Trên hình (2.40), các cảm biến điện trở 1, điện cảm 2, điện dung 3 cĩ tín hiệu ra dạng tương tự. Các cảm biến 4, 5 là cảm biến phát điện kiểu cảm ứng và cảm biến kiểu áp điện, tín hiệu ra của chúng là tín hiệu tương tự. Phần tử 6 là cảm biến kiểu điện cảm cĩ tín hiệu ra kiểu số (ví dụ cảm biến cĩ cảm kháng thay đổi nhờ các răng và rãnh của các bộ phận quay kiểu bánh xe răng). Phần tử 7 là cảm biến phát điện kiểu cảm ứng cĩ tín hiệu ra là tín hiệu số. Trong sơ đồ các cảm biến, gĩc trên bên trái ký hiệu vào cảm biến cĩ bản chất vật lý khơng điện. Cịn gĩc dưới bên phải ký hiệu các đại lượng điện ở đầu ra của cảm biến.
Khi nối ghép các phần tử của mạch đo cần phải đảm bảo điều kiện thích ứng về độ nhạy, về trị số của tín hiệu đo, dịng điện, cơng suất tiêu thụ, các điện trở đầu vào và ra của mạch đo. Các mạch thích ứng thường sử dụng như các tụ bù 8, các bộ khuếch đại tần số sĩng mang (9) khuếch đại điện áp một chiều (10), khuếch đại điện tích (11), khuếch đại điện áp dịng một chiều (12). Các thiết bị hiển thị và ghi cần được chọn phù hợp với dạng tín hiệu và phối hợp đúng với các trở kháng vào ra của thiết bị. Thiết bị chỉ thị 13 cĩ thể làm việc với các dạng tín hiệu vào dạng tương tự và số. Thiết bị tự ghi 14 và16 kiểu từ điện dùng điện thế kế kiểu gương cĩ thể làm việc với tín hiệu vào cĩ trị số dịng lớn. Thiết bị tự ghi 15 kiểu điện tử cĩ trở kháng trong lớn. Thiết bị hiển thị 17 là thiết bị chỉ thị kiểu số.
CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ 3.1. Mục đích thí nghiệm động cơ
Nhằm đánh giá các tính năng kỹ thuật và xác định chất lượng chế tạo của động cơ mới và động cơ sau khi sửa chữa, đại tu, hay động cơ sau một khoảng thời gian sử dụng. qua đĩ cĩ thể cĩ được một cách tương đối thời hạn sử dụng, thời gian giữa hai kỳ sửa chữa lớn. Ngồi ra cịn cĩ thể đánh giá chất lượng động cơ sau quá trình sửa chữa hay đại tu.
Các thí nghiệm này thơng thường kiểm tra các thơng số kỹ thuật cơ bản của động cơ : momen, cơng suất động cơ, số vịng quay, suất tiêu hao nhiên liệu, lượng tiêu hao dầu bơi trơn, thành phần khí thải…
3.2. Thí nghiệm động cơ
3.2.1. Thí nghiệm đo cơng suất động cơ3.2.1.1. Cơ sở lý thuyết 3.2.1.1. Cơ sở lý thuyết
Động cơ đốt trong là loại động cơ biến đổi năng lượng trong quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu thành cơ năng. Để đánh giá các chỉ số động lực và kinh tế của động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau (chế độ tốc độ và tải trọng), ta dựa vào các đường đặc tính xây dựng trên cơ sở các số liệu đo bằng thực nghiệm.
Các đặc tính cơ bản của động cơ ơ tơ là : + Đường đặc tính tốc độ.
+ Đường đặc tính tải .
Đặc tính tốc độ động cơ là hàm số (đường cong) thể hiện sự biến thiên của một trong các chỉ số cơng tác chủ yếu của động cơ như: Momen quay (Me), cơng suất cĩ ích (Ne), lượng tiêu hao nhiên liệu (Gnl) và suất tiêu thụ nhiên liệu (ge) theo số vịng quay (ne) khi giữ cơ cấu điều khiển động cơ (tay ga) cố định.
Hàm số biểu diễn đặc tính tốc độ cĩ dạng: Ne, Me và ge =f(ne).
Đặc tính tải của động cơ là các hàm số thể hiện sự biến thiên của cơng suất tiêu hao nhiên liệu và các chỉ tiêu cơng tác khác của động cơ theo cơng suất, mơ men hoặc áp suất trung bình khi động cơ chạy ở số vịng quay khơng đổi.
a) b) c)
Hình 3.1. Đặc tính tốc độ của động cơ. a. Động cơ xăng khơng hạn chế số vịng quay;
b. Động cơ xăng cĩ hạn chế số vịng quay; c. Động cơ Diesel.
a) b)
Hình 3.2. Đặc tính tải của động cơ.
a. Động cơ diesel; b. Động cơ xăng.
3.2.1.2. Thiết bị gây tải để do cơng suât động cơ
Nhằm tạo ra các chế độ làm việc khác nhau cho động cơ, giúp thí nghiệm cĩ kết quả chính xác nhất đĩ chính là các thiết bị gây tải cho động cơ thí nghiệm, các thiết bị gây tải cũng là thiết bị chính trong thí nghiệm động cơ.
a. Thiết bị gây tải thủy lực
Một trục mang rotor cĩ bố trí các cánh cĩ chứa nước và được quay trịn khi rotor quay. Nước từ các cánh của rotor sẽ được tát vào những cách được bố trí trên stator. Như hình 3.3.a. Tác động này sẽ làm cho stator quay theo. Một đồng hồ đo lực và cánh tay địn được bố trí trên stator. Momen cản đo được trên stator bằng mơ men tác động từ động cơ.
Chẳng hạn ta xét thiết bị đo kiểu “Bolt_on”. Những thiết bị này được sử dụng nhiều ở Mỹ, và được gá trên phần sau vỏ ly hợp hoặc trên khung ơ tơ. Việc tạo tải loại này bằng cách phối hợp điều chỉnh các vanvào và ra trên thiết bị.
Hình 3.3. Thiết bị đo thủy lực.
Hình 3.4. Thiết bị đo kiểu “Bolt_on”.
b. Thiết bị dây tải bằng động cơ điện
Thiết bị gây tải bằng động cơ điện Hình vẽ Đặc tính chung của loại này, động
cơ được tạo tải , được sử dụng là động cơ điện (AC hay DC) cĩ thể thay đổi số vịng quay được. Động cơ điện ( kể cả AC hay DC) trong thiết bị đo cĩ thể hoạt động được cả ở chế độ máy phát để
tạo tải (khi được động cơ thử nghiệm dẫn động) hay ở chế độ động cơ, để dẫn động động cơ thử nghiệm. để thay đổi số vịng quay, ở động cơ AC người ta thường sử dụng biện pháp thay đổi tần số dịng điện. Ở động cơ DC người ta dừng biện pháp thay đổi vị trí chổi than, thay đổi điện áp…
Nhược điểm của loại này là giá thành cao vì kết cấu phức tạp.
+ Thiết bị đo sử dụng động cơ DC: Những thiết bị này được gắn động cơ điện một chiều. Điều khiển hồn tồn bằng thysistor dựa trên bộ chuyển đổi AC/DC, để điều khiển, cĩ khả năng khởi động và tạo mơ men cản tốt. Nhưng khuyết điểm của nĩ là hạn chế tốc độ tối đa và cĩ quán tính lớn, cĩ thể tạo ra sự dao động xoắn và đáp ứng với sự thay đổi tốc độ chậm.
+Thiết bị đo sử dụng động cơ AC: Sự phát triển của kỹ thuật, điều khiển động cơ xoay chiều đã cho phép sử dụng động cơ xoay chiều thay cho động cơ DC cho các thiết bị đo. Dụng cụ này cĩ các tính năng và hiệu suất hơn hẳn động cơ DC. Ưu điểm của loại này là khơng sử dụng chổi than và lực quán tính thấp. Loại này cĩ cấu tạo như là động cơ cảm ứng, tốc độ được điều khiển từ sự thay đổi tần số của dịng điện. Khi hoạt động ở chế độ máy phát nĩ tạo ra mơ men cản.
+Thiết bị đo sử dụng dịng điện Foucault :
Sử dụng nguyên tắc cảm ứng điện từ tạo ra momen. Rotor cĩ răng ở mép và được làm mát bằng nước. Từ trường
Hình 3.5. Thiết bị đo sử dụng động cơ điện DC.
song song với trục của máy được sinh ra ở hai cuộn dây và sự chuyển động của rotor làm phát sinh những thay đổi từ thơng trên các răng của rotor và điều này làm phát sinh ra dịng Foucault trong Rotor. Dịng điện này sẽ tạo ra từ trường cĩ khuynh hướng chống lại từ trường sinh ra nĩ. Hay nĩi cách khác nĩ sẽ tạo ra một mơ men cản. Việc thay đổi cơng cản sẽ tạo ra một cách nhanh chĩng bởi việc thay đổi cưỡng độ dịng điện qua các cuộn dây. Loại này cĩ cấu tao dơn giản và cĩ hiệu quả cao. Hệ thống điều khiển đơn giản và nĩ cĩ khả năng tăng momen phanh ở tốc độ khá
thấp. Hình 3.6. Thiêt bị đo dịng điện Foucault.
1. Rotor; 2. Trục rotor; 3. Khớp nối; 4. Dịng nước làm mát đi ra; 5. Cuộn dây; 6. Thân; 7. Buồng làm mát; 8. Khe hở khơng