Bai 1 Co so do luong thu nghiem

Trong bối cảnh tốc độ phát triển ngày một nhanh của những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong thời đại hiện nay thì việc nắm bắt kịp thời những phương pháp mới và trang bị mới của đo lường v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRẦN ĐẠI NGHĨA

KHOA Ô TÔ

PHÊ DUYỆT

Ngày 5 tháng 11 năm 2015

CHỦ NHIỆM KHOA

Tiến sĩ Nguyễn Ch Th nh

BÀI GIẢNG

Môn học : Thử nghiệm ô tô

Bài 1 : Cơ sở đo lường và thử nghiệm Đối tượng : Đại học dân sự Năm học : 2015 - 2016

Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2015

MỞ ĐẦU

Thử nghiệm ô tô là khâu cuối cùng khi lắp ráp ô tô hoặc sau khi cải tiến, sửa chữa Các phương pháp, phương tiện thí nghiệm ô tô nằm trong cơ sở nguyên lý chung của hệ thống đo lường ở Việt nam cũng như trên thế giới

Bài học nghiên cứu lý luận về cơ sở đo lường chung cũng như đo lường trong ngành ô tô Sinh viên được trang bị kiến thức cơ bản trong đo lường thử nghiệm ô

tô, từ đó nghiên cứu những nội dung tiếp theo của môn học

NỘI DUNG BÀI 1: CƠ SỞ ĐO LƯỜNG VÀ THỬ NGHIỆM 1.1 Những khái niệm cơ bản về đo lường

1.1.1 V i trò củ đo lường trong nghiên cứu và phát triển kho học kỹ thuật

Đo lường là công việc không thể thiếu trong bất kỳ hoạt động nghiên cứu và phát triển sản xuất của mọi ngành kinh tế cũng như trong lĩnh vực quân sự Đây không chỉ là công việc của các cán bộ khoa học kỹ thuật chuyên về công tác nghiên cứu mà là đòi hỏi thiết thực đối với mỗi kỹ sư và các nhân viên kỹ thuật nói chung trong công việc tìm tòi, khảo sát, cải tiến trang bị kỹ thuật cũng như trong việc không ngừng hoàn thiện các kiến thức lý luận Trong bối cảnh tốc độ phát triển ngày một nhanh của những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong thời đại hiện nay thì việc nắm bắt kịp thời những phương pháp mới và trang bị mới của đo lường và thử nghiệm là một yêu cầu rất cần thiết trong việc giảng dạy học tập ở Nhà trường cũng như trong các hoạt động thực tế ở đơn vị cũng như các cơ sở sản xuất

Do những tiến bộ nhanh trong những năm gần đây của ngành tin học và điện

tử nên các trang bị đo lường và thử nghiệm không ngừng đổi mới Các phương pháp

đo lường trực tiếp bằng các dụng cụ và trang bị đo cơ điện thông thường được thay thế bằng các mạch đo lường điện tử Các phần tử của mạch đo lường như cảm biến, khuyếch đại tín hiệu, xử lý và hiển thị kết quả được kết nối qua bộ vi xử lý của máy tính nên kết quả thu được có độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh Trong điều kiện chưa thể có đủ kinh phí để trang bị đồng bộ những thiết bị đo hiện đại thì việc nghiên cứu cải tiến nâng cấp những thiết bị đo hiện có nhờ những thiết bị đo có độ chính xác cao, gọn nhẹ có thể mua được trên thị trường là việc chúng ta có thể chấp nhận được

1.1.2 Đại lƣợng đo và phép đo

Trong khoa học kỹ thuật cũng như trong các lĩnh vực khác, để nghiên cứu các hiện tượng vật lý hay những tính chất của vật thể người ta thường dùng các đại lượng Vật lý Có thể ước lượng rằng hiện nay chung quanh chúng ta đang tồn tại khoảng 250 đại lượng Vật lý khác nhau

Các đại lượng Vật lý mà chúng ta cần xác định bằng phép đo gọi là đai lượng đo Các đại lượng đo được đánh giá bằng trị số và đơn vị cụ thể

Ví dụ: Khi nói công suất có ích của động cơ là Ne = 150 kW thì 150 là trị số còn

kW là đơn vị đo công suất

Phép đo là việc xác định giá trị của đại lượng Vật lý bằng thực nghiệm nhờ các phương tiện kỹ thuật chuyên dụng

Đại lượng Vật lý và phép đo là hai khái niệm chủ yếu của đo lường Đại lượng Vật lý là đối tượng của phép đo Người ta dùng phép đo để xác định đại lượng Vật lý

Dựa vào phương pháp nhận kết quả đo người ta chia phép đo thành các phương thức khác nhau Đó là:

- Phép đo trực tiếp: phép đo trong đó giá trị của đại lượng đo nhận được trực tiếp từ

số liệu thực nghiệm Ví dụ: Ta có thể dùng nhiệt kế bách phân để đo trực tiếp nhiệt

độ tại một vị trí nhất định của vật thể hoặc dùng đồng hồ đo tốc độ (loại cầm tay) để

đo trực tiếp tốc độ quay của trục động cơ

- Phép đo gián tiếp: là phép đo trong đó giá trị của đại lượng đo nhận được nhờ tương quan hàm số giữa đại lượng này với đại lượng khác Đại lượng thứ hai là đại lượng được xác định bằng phép đo trực tiếp

Tương quan hàm số của đại lượng đo gián tiếp với các đại lượng có thể đo trực tiếp

có dạng:

X = f ( x1 , x2 )

Trong đó: X : đại lượng cần đo gián tiếp

(1.1)

x1, x2 : các đại lượng được xác định bằng phép đo trực tiếp.

Ví dụ: Khi đo công suất có ích của động cơ đốt trong là dùng công thức:

N = Me .n

e

9550 (kW )

(1.2)

T r o n

g đ ó :

Ne : Công suất có ích (kW)

là đại lượng cần đo gián tiếp

Me : Mô

m e n

x o ắ n

c ó

í c h

( N m )

t á

c d ụ n g lê n tr ụ

c k h u ỷ u ( M

e đ o đ ư ợ

c n h ờ p h a n h

n

(được đo bằng đồng

hồ đo tốc độ)

Ph ép đo hợ p bộ:

phé p đo đồn g thờ i mộ

t số đại lượ ng tro ng đó

giá trị của chúng được xác định bằng cách giải hệ phương trình liên hệ giữa đại lượng cần đo với các đại lượng được đo bằng phép

đo trực tiếp và gián tiếp

Nếu gọi các đại lượng đo được bằng phép đo trực tiếp và gián tiếp là

i

j (i

= 1, 2, ,

n vµ

j =1, 2, , n)

thì đại lượng cần đo

Xi trong phép

đo hợp bộ được

xác định thông qua hệ phương trình sau:

F

,

.3 )

j i j

Ví dụ: Khi cần đo hệ số nhiệt điện trở α và điện

trở R0

ở 0o C của dây đồng người

ta dùng Ôm mét và nhiệt kế để đo điện trở của dây đồng ở hai nhiệt độ khác nhau

o o

t1 và t2 Tiếp đó ta giải hệ phương trình sau để xác định α và

R0 :

R

+ α to

0 1

 R = R + α to

( 1 4 )

0 2 o o Trong đó: R1 và R2 là

điện trở của dây đồng

ở nhiệt độ

t1 và t2

y

Phép đo nói trên là phép đo hợp bộ.

1.2 Các loại phương tiện đo 1.2.1 Phân loại phương tiện đo

Phương tiện đo là phương tiện kỹ thuật để thực hiện phép đo Các phương tiện này có những đặc tính

đo lường nhất định

Người ta phân chia phương tiện đo thành 2 nhóm:

- Phương tiện đo đơn giản

- Phương tiện đo phức tạp.

Trong phương tiện đo đơn giản có mẫu (hay dưỡng đo); Thiết bị so sánh; Thiết bị chuyển đổi đo lường

Trong phương tiện đo phức tạp chúng ta có thể gặp dụng cụ đo (còn gọi là máy đo); thiết bị đo tổng hợp; hệ thống thông tin đo lường

Mẫu: phương tiện dùng để sao lại đại lượng Vật lý cho trước với độ chính xác rất

cao Mẫu có độ chính xác cao gọi là Chuẩn

Chuẩn: phương tiện đo đảm bảo việc sao và giữ đơn vị

Ví dụ: Chuẩn mét là thước mét làm bằng bạch kim đặt ở viện giữ chuẩn Quốc gia

Từ Chuẩn người ta sao truyền kích thước của đơn vị đến Mẫu.

Thiết bị đo tổng hợp và hệ thống thông tin đo lường là các phương tiện đo phức tạp Chúng là tập hợp của nhiều phương tiện đo dùng để kiểm tra, kiểm định và đo lường

1.2.2 Sơ đồ tổng quát củ một hệ thống đo

Hầu hết các hệ thống đo lường từ đơn giản đến phức tạp đều có thể chia thành 3 khâu như sau:

1.2.2.1 Khâu vào (Khâu cảm biến):

Khâu này có nhiệm vụ cảm nhận tín hiệu của đại lượng đo và biến đổi tín hiệu thu được thành dạng tín hiệu dễ sử dụng hơn Nói một cách tổng quát là bộ phận cảm biến là một thiết bị biến đổi một hiệu ứng Vật lý thành một hiệu ứng khác Trong đại đa số trường hợp, các đại lượng Vật lý khác nhau thường được biến đổi thành tín hiệu điện (electric signal) vì những tín hiệu điện là những tín hiệu cho phép ta đo chúng một cách dễ dành nhất Tín hiệu đo có thể là tín hiệu ở dạng số hoặc tương

tự Các tín hiệu số là những tín hiệu có nhiều ưu điểm hơn các tín hiệu dạng tương

tự vì chúng dễ dàng được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị và dễ chuyển qua xử lý bằng máy tính

1.2.2.2 Khâu trung gian (Khâu khuyếch đại)

Khâu này làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu yếu của cảm biến, lọc tín hiệu và các phương tiện xử lý khác để thu được tín hiệu đầu ra mong muốn

1.2.2.3 Khâu cuối (Khâu chỉ thị kết quả)

Khâu này chỉ thị kết quả đo ở dạng con số, đồ thị, bảng biểu hoặc điều khiển đại lượng đo theo qui luật mong muốn kết quả đầu ra có thể cho ở dạng số hoặc dạng tương tự

Để minh họa một hệ thống đo chúng ta có thể khảo sát một sơ đồ nguyên lý của đồng hồ đo áp suất kiểu ống đo Bourndon đơn giản (a simple Bourdon tube) Sơ đồ

đông hồ đo áp suất này được biểu thị trên hình 1.1 và là một hệ thống đo cơ khí đơn

giản

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống đo áp suất đơn giản dùng ống Bourdon (Bourdon tube)

Trong sơ đồ này, ống Bourdon là bộ phận cảm biến và nó chuyển tín hiệu áp suất thành sự dịch chuyển ở phần đuôi cong của ống Bộ phận trung gian (khâu khuyếch đại) gồm các chi tiết như: đòn quay, quạt răng, bánh răng nhỏ ăn khớp với quạt răng co nhiệm vụ khuyếch đại độ dịch chuyển có trị số nhỏ của đuôi ống cong thành chuyển động quay của bánh răng nhỏ với cung quay cực đại có thể đạt là ¾ chu vi đường tròn đỉnh răng

Phần chỉ thị của đồng hồ áp suất này bao gồm kim chỉ số đo áp suất và thang

đo có vạch chia ghi giá trị là đơn vị đo áp suất Kim của đồng hồ được gắn chặt với

Output stage

Transduced signal

Modified signal

Physical variable to be measured

Controller Indicater Recorder Detecter-transducer stage

Calibration signal source representing known value of physical variableExternal power

Intermediate stage

bánh răng nhỏ và quay theo bánh răng Khi đầu kim đã nằm ở một vị trí cân bằng dưới tác dụng của áp suất của chất lỏng và chất khí cần đo ta sẽ ghi được giá trị áp suất ở vạch chia đối diện với đầu kim

Trong nhiều hệ thống đo tín hiệu đo được ở đầu ra của hệ thống cần phải được điều khiển và khống chế ở một giới hạn nhất định Trong trường hợp này trên sơ đồ đo

có bố trí một nhánh phản hồi tín hiệu để thực hiện quá trình điều khiển đối tượng

Ví dụ: Trên động cơ ô tô phun xăng điện tử, để tự động điều khiển lượng phun nhằm mục đích tạo thành phần thích hợp với chế độ vận hành của động cơ (thành

G KK

phần hỗn hợp biểu thị qua hệ số dư lượng không khí α =

l o G nl ), người ta đặt một

cảm biến đo lượng không khí nạp ở đường ống nạp và một cảm biến xác định vị trí của bướm ga Tín hiệu thu được từ các cảm biến nói trên được đưa về bộ xử lý trung tâm (ECU) để tự động điều chỉnh lượng phun nhiên liệu Khi đó thành phần hỗn hợp cháy (biểu thị qua hệ số dư lượng không khí α ) sẽ được điều chỉnh để đạt

giá trị thích hợp với chế độ làm việc của động cơ Sơ đồ một hệ thống đo có nhánh phản hồi được biểu thị trên hình 1.2

Feedback signal for control

Hình 1.2 Sơ đồ của một hệ thống đo tổng quát

1.3 Hệ thống đơn vị đo

1.3.1 Quá trình phát triển củ hệ thống đơn vị đo và sự r đời củ hệ thống đơn vị đo quốc tế (SI)

Năm 1790 Chính phủ Pháp đã gửi một sắc lệnh cho Viện Hàn lâm Khoa học Pháp đề nghị Viện này nghiên cứu và đệ trình cho Chính phủ một hệ thống cân đo mới thay thế cho tất cả các hệ thống cân đo khác nhau hiện đang áp dụng vào thời

kỳ bấy giờ Các nhà khoa học Pháp đã quyết định đề xuất một hệ thống đo lường mới dựa trên 3 nguyên tắc

- Nguyên tắc thứ nhất là hệ thống cân đo phải là hệ thống không phụ thuộc vào các tiêu chuẩn do con người đặt ra mà phải dựa trên các tham số đo vĩnh cửu của tự nhiên

Theo nguyên tắc này, đơn vị đo chiều dài được các Nhà khoa học Pháp lựa chọn là “mét” Đơn vị “mét” có độ lớn bằng mười phần triệu độ dài của đoạn kinh tuyến từ Cực Bắc đến đường xích đạo và đi qua Thủ đô Pari Đơn vị thứ hai là đơn

vị đo khối lượng có tên gọi là “gam” Một “gam” là khối lượng của 1 cm3 nước cất

ở 4oC ứng với áp suất khí quyết là 760 mm Hg

Đơn vị thứ ba là đơn vị đo thời gian Cũng theo nguyên tắc thứ nhất nói trên, đơn vị đo thời gian đươc chọn là “giây” Một giây là khoảng thời gian bằng 186400 thời gian trung bình của một ngày đêm (tức thời gian trái đất tự quay hết một vòng)

- Nguyên tắc thứ hai yêu cầu việc xây dựng các đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn

vị đo phải xuất phát từ ba đơn vị cơ bản là đơn vị đo chiều dài, đơn vị đo khối lượng

và đơn vị đo thời gian

- Nguyên tắc thứ ba do các Nhà khoa học Pháp đề ra: Các đơn vị đo có giá trị là bội

số cũng như ước số của các đơn vị cơ bản phải được biểu thị qua hệ đếm thập phân Các Nhà khoa học Pháp đã chọn tiếp đầu ngữ (hay tiền tố) cho danh từ chỉ tên các đơn vị là bội số và ước số của các đơn vị cơ bản theo hệ đếm thập phân như các từ

cùng với ký hiệu tương ứng ghi trong bảng 2.1.

Đề xuất của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp đã được Chính phủ Pháp chấp thuận và được áp dụng ở Pháp từ năm 1795 với tên gọi là hệ thống mét (metric system)

Bảng 2.1 Các đơn vị đo có trị số là bội số và ước số của đơn vị cơ bản trong

“Hệ thống đo theo mét”

1 tera T 1012

Từ thời gian đó hệ thống đo theo đơn vị mét được nhiều nước quan tâm và tới năm 1875 đã có 17 nước ký kết công ước hệ mét và coi hệ thống mét là hệ thống đơn vị đo hợp pháp của nước mình Nước Anh và Hoa Kỳ mặc dù cũng là các quốc gia ký kết công ước hệ mét nhưng họ chỉ công nhận tính hợp pháp của hệ đơn vị này trong các tài liệu khoa học hay các công trình nghiên cứu ở các hội nghị quốc tế nhưng họ không chấp nhận hệ thống đó theo đơn vị mét trong phạm vi nước mình Các nước Anh - Mỹ (cả Canada) dùng hệ đơn vị đo riêng của họ theo Thước Anh (Foot) và Cân Anh (Pound)

Năm 1935 hệ thống đo theo đơn vị mét được mở rộng và được nhiều quốc gia chấp thuận theo đề xuất của một kỹ sư người Ý tên là Giorgi Theo đề xuất của ông Giorgi, cần thêm một đơn vị cơ bản là Ampe đặc trưng cho đơn vị đo điện năng vào nhóm ba đơn vị cơ bản đã được công nhận là mét, kilôgam, và giây Hệ thống

đo mới với 4 đơn vị cơ bản là mét, kilôgam, giây, ampe gọi là hệ thống MKSA

Một hệ thống đơn vị đo dễ hiểu hơn được nhiều nước chấp thuận vào năm

1954 và được công nhận ở quy mô quốc tế vào năm 1960 có tên gọi là hệ thống đo

quốc tế (System International Unites) viết tắt là SI Trong hệ thống đơn vị đo quốc

tế SI có 6 đơn vị cơ bản được qui định là: mét (m), kilôgam (kg), giây (s), ampe (A)

và 2 đơn vị được bổ sung thêm vào hệ MKSA là nhiệt độ Kelvin (K) và cường độ ánh sáng Candela (cd) Hệ thống đo SI đang thay thế các hệ thống đo khác trong các công trình khoa học và công nghệ Hệ thống đơn vị đo quốc tế đã được công nhận

là hệ thống đo hợp pháp ở Pháp và sẽ trở thành hệ thống đo bắt buộc ở nhiều nước

dùng hệ thống đo theo đơn vị mét Bảng 2.2 liệt kê 6 đơn vị đo cơ bản của hệ thống

đo quốc tế SI với tên gọi và các ký hiệu tương ứng của chúng

Bảng 2.2 Các đại lượng cơ bản cùng với đơn vị đo và ký hiệu đơn vị của chúng trong hệ SI

5 Thermodynamic temperature kelvin K

Các đơn vị đo điện và từ và các biểu thức xác định các đại lượng điện và từ trong hệ thống đơn vị đo quốc tế SI được liệt kê trong bảng 2.3 Các hệ số chuyển đổi đối với các đơn vị đo điện và từ giữa hệ quốc tế SI và các hệ đo CGSm và CGSe cũng được liệt kê trong bảng này

Bảng 2.3 Các đơn vị đo điện và từ dùng trong hệ đơn vị quốc tế SI và hệ số chuyển đổi các đơn vị đó giữa hệ SI và hệ CGSm, CGSe

name and symbol Defining

Electric current I ampere A F =10−7 I 2

z

dN

d z

10-8 10-8c

Electric charge Q couiomb C Q = It 10 10/c

V 10 9 10 9/c2 Electric fieldstrength E V/m E =V l 10-6 10-6/c2 Electric flux density D C/m2 D = Q

F 10 5 10 5/c2

Magnetic field

Magnetic flux

B = φ

l2 ?

M =φ

I 10-9

1.3.2 Hệ thống đơn vị đo quốc tế (SI)

Hệ thống đo MSKA được chấp thuận tại Hội nghị cân đo quốc tế lần thứ 11 với tên gọi là Hệ đo lường quốc tế (SI) Sáu đơn vị cơ bản của hệ thống đơn vị đo

quốc tế được liệt kê trong bảng 2.2 Các đơn vị dẫn xuất được biểu thị qua 6 đơn vị

cơ bản thông qua các phương trình xác định chúng Một số phương trình xác định các đại lượng vật lý dẫn xuất khác về điện và từ được liệt kê trong bảng 2.3 Bảng 2.4 liệt kê đơn vị cơ bản, đơn vị bổ xung và đơn vị dẫn xuất của hệ thống đơn vị quốc tế về đo lường được thông qua và phổ biến rộng khắp toàn thế giới và năm 1960

Cột thứ nhất trong bảng 2.4 liệt kê các đại lượng vật lý (gần các đại lượng cơ bản, đại lượng bổ sung thêm và đại lượng dẫn xuất) Cột thứ hai ghi các ký hiệu của các đại lượng vật lý dùng trong các phương trình tính toán các đại lượng đó Cột thứ

ba ghi biểu thức diễn tả mối tương quan về thứ nguyên của đại lượng vật lý tương